KR100684360B1 - 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체에 있어서, 하부전극의 외곽 가장자리를 따라서 순환하도록 형성된 외부유로; 및 상기 외부유로 내부에 독립적으로 분리되어 형성된 내부유로;를 구비하고, 상기 외부유로에 투입되는 냉매의 온도가 상기 내부유로에 투입되는 냉매의 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.

플라즈마처리장치, 하부전극

Description

플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체{Lower electrode assembly of plasma processing apparatus}

도 1은 종래의 일반적인 플라즈마 처리장치의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 2는 종래의 일반적인 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체에 있어서 냉각유로의 구성을 도식적으로 나타낸 평면도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체에 있어서 냉각유로의 구성을 도식적으로 나타낸 평면도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체의 모습을 보여주는 평면도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체의 구성을 나타낸 단면도이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체의 구성을 나타낸 단면도이다.

본 발명은 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하부전극의 온도를 균일하게 유지시킬 수 있도록 냉각 경로를 개선함과 동시에 하부전극과 피처리 기판 사이에서 발생하는 아크(arc)를 방지할 수 있도록 하는 하부전극 조립체에 관한 것이다.

최근 반도체 소자, LCD, 유기EL, PDP(Plasma Display Panel) 등의 구성부품들은 그 구조가 더욱 정밀해지고 있는데, 이렇게 정밀한 구성부품들의 제조 공정 또는 재생 공정을 위해서 일반적으로 플라즈마 처리장치가 사용되고 있다.

종래의 플라즈마 처리 장치는 유도성 결합 플라즈마 소스(Inductively coupled plasma source), 마이크로파 플라즈마 소스(Microwave plasma source), 또는 용량성 결합 플라즈마 소스(Capacitively coupled plasma source) 등을 사용하며, 일반적으로 용량 결합형 평판 플라즈마 처리 장치가 널리 사용된다.

도 1은 일반적인 용량 결합형 평판 플라즈마 처리장치의 구성을 보여준다. 도면을 참조하면, 상기 플라즈마 처리장치(10)는 하부가 개방된 직육면체의 형상을 가지는 상부덮개(1)와, 상부가 개방된 직육면체의 형상의 하부본체(2)로 구성되는 챔버를 포함한다.

상기 상부덮개(1)의 내면에는 상부전극(3)이 고정되며, 하부본체(2)의 바닥 위에는 절연판(4)이 위치하고, 상기 절연판(4) 상부에는 하부전극(5)이 고정된다. 상기 하부전극(5)은 고주파 전류를 인가하는 전원과 접속되어 있다.

상기와 같은 구성을 가진 플라즈마 처리장치에 있어서, 상부전극(3)을 통해서 반응가스가 투입되고, 상부전극(3)과 하부전극(5) 사이에 고전압이 인가되면서 플라즈마가 형성되어 상기 하부전극(5) 위에 놓여진 피처리 기판을 에칭 또는 에싱하는 등의 소정의 처리를 하게 된다.

이러한 플라즈마 처리과정에서 상기 하부전극(5)의 온도는 증가하게 되므로 이를 냉각시키기 위한 냉각수단이 마련된다. 이러한 냉각수단은 상기 하부전극(5) 내부를 관통하여 형성된 냉각유로와 이를 통해 유동하는 냉매를 구비한다.

도 2에는 종래의 하부전극에 형성된 냉각유로의 예를 보여준다. 도면을 참조하면, 하부전극의 중심을 기준으로 상부영역과 하부영역에 각각 별도의 냉각유로가 형성되며, 냉매는 상기 냉각유로를 따라 지그재그로 유동하면서 하부전극을 냉각시키게 된다. 도면에 표시된 각 지점에서의 백분율은 하부전극의 중심부와의 온도 편차를 백분율로 표시한 값이다.

각 지점의 값으로부터 알 수 있듯이, 하부전극의 중심부보다는 외곽부에서 온도 편차가 더욱 커지고 불균일한 온도 분포를 보이고 있음을 알 수 있다. 이런 현상은 표피효과(Skin Effect: 도체에 교류전류가 흐를때 도체의 중심부에는 전류밀도가 낮아지게 되며 따라서 대부분의 전류는 도체의 표면에 집중되어 흐르게 되는 현상)와 정재파(standing wave) 현상에서 기인하는 것으로 판단된다. 따라서, 하부전극의 이러한 특성을 고려하여 하부전극의 내부와 외곽 부분에서의 냉각을 효율적으로 수행할 수 있는 수단이 요구된다.

한편, 상기 하부전극(5)과 그 위에 놓이는 피처리 기판 사이에 아크가 발생할 수 있는데, 이것은 예를 들어, 하부전극과 기판의 가장자리에 있는 금속영역 사이의 거리가 좁거나, 기판의 상면과 하면에 걸리는 플라즈마 전압차 또는 기판의 정렬 불량 등으로 인해 발생할 수 있다. 특히, 상기 하부전극의 가장자리에는 기판을 지지하는 절연체가 구비되는데 이것과 기판 사이에 유격이 있을 경우 플라즈마가 그 사이로 침투함으로써 이러한 아크는 더욱 증가하는 것으로 나타났다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 하부전극의 영역에 따라 온도가 다른 냉매를 독립적으로 공급함으로써 하부전극을 균일하게 냉각시킬 수 있도록 된 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 하부전극 위에 놓인 피처리 기판과 절연체 사이에 기밀한 접촉이 이루어지도록 함으로써 플라즈마 침투 및 그로인한 아크 발생을 방지할 수 있도록 된 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체는, 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체에 있어서, 하부전극의 외곽 가장자리를 따라서 순환하도록 형성된 외부유로; 및 상기 외부유로 내부에 독립적으로 분리되어 형성된 내부유로;를 구비하고, 상기 외부유로에 투입되는 냉매의 온도가 상기 내부유로에 투입되는 냉매의 온도보다 낮은 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 내부유로는 지그재그 또는 와선형으로 형성된다.

바람직하게, 상기 하부전극의 가장자리에는 복수의 체결공이 마련된 지지단 및 상기 지지단과 하부전극의 상면을 연결하는 제1 경사면이 형성되고, 상기 지지 단 위에 결합되는 것으로서 상기 체결공에 상응하는 관통공이 형성되며, 그 측면에는 상기 제1 경사면과 접촉하는 제2 경사면이 형성된 절연체를 더 포함하고, 상기 제1 경사면과 제2 경사면은 상기 절연체를 하부전극의 중심방향으로 가압할 때 상기 절연체가 상승함으로써 상기 절연체의 상면이 상기 하부전극의 상면보다 높아지도록 형성되며, 상기 절연체는 그와 같이 상승된 상태에서 상기 관통공을 통과해 상기 체결공에 결합되는 체결부재에 의해 고정된다.

더욱 바람직하게, 상기 절연체는, 상기 하부전극의 좌우측면과 각각 접촉하는 제1 및 제2 절연체 블록과, 상기 하부전극의 상하측면과 각각 접촉하는 제3 및 제4 절연체 블록으로 분리되어 형성된다.

더욱 바람직하게, 상기 절연체의 내측 상단 모서리에는 테이퍼가 형성된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체는 상기 하부전극의 가장자리에는 복수의 체결공이 마련된 지지단이 형성되고, 그 상면이 상기 하부전극의 상면보다 돌출되도록 상기 지지단 위에 결합되는 것으로서, 상기 체결공에 상응하는 관통공이 형성되며, 내측 상단 모서리에는 테이퍼가 형성된 절연체를 더 포함하고, 상기 절연체는, 상기 관통공을 통과해 상기 체결공에 결합되는 체결부재에 의해 고정된다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원 칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체에 형성된 냉각유로가 도시되어 있다.

상기 냉각유로는 하부전극(20) 내부에 냉매가 유동할 수 있는 통로를 형성시킨 것으로서, 하부전극(20) 소재 내부에 대해 절삭, 천공 및 막음(clogging) 작업을 반복함으로써 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 냉각유로는 하부전극(20)의 외곽 가장자리를 따라서 순환하도록 형성된 외부유로(100)와, 상기 외부유로(100)와는 독립적으로 분리되어 그 내부에 형성되는 내부유로(200)를 포함한다.

냉매는 외부유로(100)의 유입구(101)를 통해 유입된 후 외부유로(100)를 따라 하부전극(20)의 외곽 가장자리를 따라서 순환한 후에 유출구(102)를 통해 배출된다.

상기 내부유로(200)는 외부유로(100) 내부에 독립적으로 형성되며, 바람직하게 도시된 바와 같이, 유입구(201)를 통해 유입된 냉매가 내부 영역을 골고루 순환하여 유출구(202)를 통해 배출될 수 있도록 지그재그로 형성되거나 또는 와선형으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 외부유로(100)와 내부유로(200)에 투입되는 냉매는 그 온도가 각기 상이하도록 설정되는데, 바람직하게 외부유로(100)에 투입되는 냉매의 온도가 내부유로(200)에 투입되는 냉매의 온도보다 낮다. 이것은 전술한 바와 같이 하부전극의 외곽 가장자리 영역이 그 내부 영역에 비해 온도 과상승 현상이 일어날 뿐만 아니라 온도 편차도 크기 때문이다. 상기 외부유로(100)와 내부유로(200)에 투입되는 냉매의 온도차는 공정 조건 즉, 플라즈마 처리장치의 규격, 전압, 반응가스 및 유동조건, 피처리기판의 종류 및 크기, 냉매의 종류 및 투입량 등에 따라서 적절히 설정되며, 이때 외곽 영역과 내부 영역의 온도 편차를 고려하여야 한다.

<실험예>

용량이 1,756 liter인 RIE 타잎 진공챔버 내에 가로×세로 1,500×1,870㎟인 글래스 기판을 투입하고 13.56MHz, 17kW의 전원을 인가하여 45초 동안 플라즈마 반응을 시켰다. 이때, 상부 전극과 하부 전극 사이의 거리는 330㎜이고, 하부 전극의 크기는 가로×세로×두께가 각각 1,540×1,910×65㎜였다. 상기 하부 전극에는 도 3에 도시된 바와 같은 외부유로 및 내부유로가 형성되었다. 외부유로는 하부전극의 가장자리로부터 170㎜ 떨어진 위치에 내경 14㎜로 형성되었다. 내부유로는 상기 외부유로로부터 250㎜ 떨어진 내부에 내경 14㎜ 크기로 형성되었으며, 내부유로 상호간의 간격은 250㎜와 200㎜이다. 상기 외부유로에 투입된 냉매는 FC3283 이며, 투입속도는 30liter/min, 투입온도는 30℃, 배출온도는 45℃이고, 상기 내부유로에 투입된 냉매는 FC3283이며, 투입속도는 25liter/min, 투입온도는 45℃, 배출 온도는 60℃이다. 플라즈마 반응을 위해 투입된 반응가스는 SF6/O2가 각각 1000/1500sccm였으며, 내부압력은 100mTorr였다.

상기 반응 후 각 부분에서의 온도를 측정하여 중심부와의 온도 편차를 백분율로 표시한 값이 도 3에 도시되어 있다. 상기 결과에서 보듯이, 하부전극 상의 온도 편차가 최소화되었음을 알 수 있다.

도 4 및 도 5에는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 하부전극 조립체의 단면도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 실시예의 하부전극 조립체는 하부전극(20)과, 상기 하부전극(20)의 가장자리를 둘러싸도록 결합된 절연체(30)를 포함한다. 본 실시예에 따르면, 상기 절연체(30)는 하부전극(20)의 좌우측면과 각각 접촉하는 제1 및 제2 절연체 블록(31)(32)과, 하부전극(20)의 상하측면과 각각 접촉하는 제3 및 제4 절연체 블록(33)(34)으로 분리되어 형성된다.

상기 하부전극(20)의 가장자리에는 상기 절연체(30)가 위치하도록 지지단(22)이 외곽을 따라 형성되어 있고, 그 측면에는 상기 지지단(22)과 하부전극(20)의 상면을 연결하는 제1 경사면(21)이 형성된다. 또한, 상기 절연체(30)와의 결합을 위해 상기 지지단(22)에는 복수개의 체결공(23)이 형성되어 있다.

상기 각각의 절연체 블록(31)은 상기 지지단(22) 위에 놓이도록 위치한다. 이때 상기 하부전극(20)의 제1 경사면(21)과 접촉하는 절연체 블록(31)의 측면에는 이와 상응하는 제2 경사면(41)이 형성된다.

본 발명에 따르면, 서로 대응하는 제1 경사면(21)과 제2 경사면(41)은 절연 체 블록(31)을 하부전극(20)의 중심방향으로 밀어서 가압할 때 절연체 블록(31)이 상방으로 상승하도록 형성된다. 이러한 구성에 따라 후술하는 바와 같이, 상기 절연체 블록(31)의 내측 상단 모서리(43)가 글래스 기판(300)의 하면과 선접촉할 수 있게 된다.

상기 절연체 블록(31)에는 상기 지지단(22)에 형성된 체결공(23)에 상응하는 수직 관통공(42)이 복수개 형성되며, 여기에는 볼트(50)와 같은 체결부재가 결합된다.

본 발명에 따르면, 상기 글래스 기판(300)의 하면과 접촉하는 하부전극(20)의 상면은 도 4에서 점선으로 도시된 바와 같이, 글래스 기판(300)의 크기보다 작도록 설정된다. 따라서, 글래스 기판(300)의 가장자리는 절연체(30)에 의해 지지된다.

상기 절연체 블록(31)을 하부전극(20)에 결합함에 있어서, 하부전극(20)의 제1 경사면(21)에 상기 절연체 블록(31)의 제2 경사면(41)이 접촉하도록 절연체 블록(31)을 지지단(22)에 위치시킨 다음, 볼트(50)를 상기 절연체 블록(31)의 관통공(42)으로 삽입시켜 지지단(22)에 형성된 체결공(23)에 결합시킨다.

이때, 상기 절연체 블록(31)의 관통공(42)과 지지단(22)의 체결공(23)을 일치시키기 위해서는 절연체 블록(31)을 하부전극(20)의 중심 방향으로 밀어서 가압하여야 한다. 그러면, 절연체 블록(31)은 제1, 2 경사면(21)(41)의 접촉으로 인해 상방으로 약간 상승하게 되고, 이러한 상태에서 볼트(50)를 체결공(23)에 완전히 체결하게 된다. 이러한 방식으로, 제2, 제3, 제4 절연체 블록(32)(33)(34)들도 하 부전극(20)의 중심 방향으로 밀어서 바이어스된 다음에 체결된다.

상기와 같은 조립 구성에 따르면, 외곽에 위치하는 절연체(30)의 상면이 하부전극(20)의 상면 보다, 바람직하게 수십 내지 100㎛ 정도 높도록 상승되어 있으므로, 도면에 도시된 바와 같이 각 절연체 블록의 내측 상단 모서리(43)가 글래스 기판(300)의 하면 가장자리와 선접촉하면서 글래스 기판을 지지하게 된다.

이상과 같은 구성은 글래스 기판(300)과 하부전극(20)의 틈새로 플라즈마가 유입되는 것을 방지함으로써 전술한 바와 같은 아크를 방지할 수 있게 된다.

도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하부전극 조립체의 구성이 개략적으로 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 실시예의 하부전극 조립체는 하부전극(20')과, 상기 하부전극(20')의 가장자리를 둘러싸도록 결합된 절연체를 포함한다. 상기 절연체 역시 앞서 도시된 실시예에서와 마찬가지로 하부전극(20')의 좌우측면과 각각 접촉하는 제1 및 제2 절연체 블록(31')(32')과, 하부전극(20')의 상하측면과 각각 접촉하는 제3 및 제4 절연체 블록(미도시)으로 분리되어 형성된다.

상기 하부전극(20')의 가장자리에는 상기 절연체 블록(31')이 위치하도록 지지단(22')이 외곽을 따라 형성되어 있고, 여기에는 상기 절연체와의 결합을 위해 복수개의 체결공(23')이 형성되어 있다.

본 실시예에 따르면, 서로 대응하는 하부전극(20')의 모서리 측면(21')과 절연체 블록(31')의 측면(41')에는 경사면이 형성되지 않는다. 대신에, 상기 절연체 블록(31')의 상면은 하부전극(20')의 상면보다 소정높이만큼 위로 돌출되어 있다.

또한, 상기 절연체 블록(31')에는 상기 지지단(22')에 형성된 체결공(23')에 상응하는 수직 관통공(42')이 복수개 형성되며, 여기에는 볼트(50')와 같은 체결부재가 결합된다.

상기 글래스 기판(300)의 하면과 접촉하는 하부전극(20')의 상면은 글래스 기판(300)의 크기보다 작도록 설정된다. 따라서, 글래스 기판(300)의 가장자리는 절연체 블록에 의해 지지된다.

본 실시예에 따르면, 상기 절연체 블록(31')의 내측 상단 모서리에는 테이퍼(43')가 형성되어 있어서, 글래스 기판(300)의 하면 가장자리와 안정적으로 접촉한다. 상기 절연체 블록(31')에 구비된 테이퍼(43')는 글래스 기판(300)이 가장자리로 이탈되지 않도록 지지함과 동시에 글래스 기판(300)의 하면 가장자리와 안정적으로 선접촉을 함으로써 글래스 기판(300)과 하부전극(20)의 틈새로 플라즈마가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

비록 도면에 도시되지는 않았으나, 위와 같은 테이퍼는 앞서 도 5에 도시된 절연체 블록(31)의 내측 상단 모서리에도 적용될 수 있음을 이해하여야 하며, 이 경우 글래스 기판의 안정적인 지지 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체는, 하부전극의 영역에 따라 온도가 다른 냉매를 독립적으로 공급함으로써 하부전극을 균일하게 냉각시키고 그에 따라 균일한 플라즈마 처리성능을 가져올 수 있다.

나아가, 본 발명의 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체는, 하부전극을 둘 러싸는 절연체의 구조를 개선하여 글래스 기판의 하부 가장자리와 선접촉하도록 함으로써 글래스 기판과 하부전극 사이의 틈을 봉쇄하고 상기 틈새로 플라즈마가 유입되어 아크가 생성되는 것을 방지한다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체에 있어서,

   하부전극의 외곽 가장자리를 따라서 순환하도록 형성된 외부유로; 및

   상기 외부유로 내부에 독립적으로 분리되어 형성된 내부유로를 구비하고,

   상기 외부유로에 투입되는 냉매의 온도가 상기 내부유로에 투입되는 냉매의 온도보다 낮으며,

   상기 하부전극의 가장자리에는 복수의 체결공이 마련된 지지단 및 상기 지지단과 하부전극의 상면을 연결하는 제1 경사면이 형성되고,

   상기 지지단 위에 결합되는 것으로서 상기 체결공에 상응하는 관통공이 형성되며, 그 측면에는 상기 제1 경사면과 접촉하는 제2 경사면이 형성된 절연체를 더 포함하고,

   상기 제1 경사면과 제2 경사면은 상기 절연체를 하부전극의 중심방향으로 가압할 때 상기 절연체가 상승함으로써 상기 절연체의 상면이 상기 하부전극의 상면보다 높아지도록 형성되며, 상기 절연체는 그와 같이 상승된 상태에서 상기 관통공을 통과해 상기 체결공에 결합되는 체결부재에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체.
4. 제3항에 있어서,

   상기 절연체는,

   상기 하부전극의 좌우측면과 각각 접촉하는 제1 및 제2 절연체 블록과,

   상기 하부전극의 상하측면과 각각 접촉하는 제3 및 제4 절연체 블록으로 분리되어 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체.
5. 제3항에 있어서,

   상기 절연체의 내측 상단 모서리에는 테이퍼가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체.
6. 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체에 있어서,

   하부전극의 외곽 가장자리를 따라서 순환하도록 형성된 외부유로; 및

   상기 외부유로 내부에 독립적으로 분리되어 형성된 내부유로;를 구비하고,

   상기 외부유로에 투입되는 냉매의 온도가 상기 내부유로에 투입되는 냉매의 온도보다 낮으며,

   상기 하부전극의 가장자리에는 복수의 체결공이 마련된 지지단이 형성되고,

   그 상면이 상기 하부전극의 상면보다 돌출되도록 상기 지지단 위에 결합되는 것으로서, 상기 체결공에 상응하는 관통공이 형성되며, 내측 상단 모서리에는 테이퍼가 형성된 절연체를 더 포함하고,

   상기 절연체는, 상기 관통공을 통과해 상기 체결공에 결합되는 체결부재에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체.
7. 제6항에 있어서,

   상기 절연체는,

   상기 하부전극의 좌우측면과 각각 접촉하는 제1 및 제2 절연체 블록과,

   상기 하부전극의 상하측면과 각각 접촉하는 제3 및 제4 절연체 블록으로 분리되어 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치의 하부전극 조립체.

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