KR100952854B1

KR100952854B1 - 대면적 엘씨디기판 제조에 사용되는 플라즈마 발생장치

Info

Publication number: KR100952854B1
Application number: KR1020030049209A
Authority: KR
Inventors: 권기청
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2010-04-14
Also published as: KR20050009889A

Abstract

본 발명은 5세대이상의 대면적 LCD기판 제조장치에 사용되는 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 임피던스 정합기의 출력단이 가스공급관이나, 가스공급관을 감싸는 원통형상의 도전관에 직접 연결되는 플라즈마 발생장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, RF전력이 플라즈마전극의 정중앙을 통해 대칭적으로 공급됨으로써, 서셉터 상면에서 대칭적인 RF전기장을 발생시키고 그 결과 대칭적인 플라즈마를 발생시킬 수 있게 된다.

플라즈마 발생장치, 대면적 LCD, RF전력, 임피던스정합기, 도전관

Description

대면적 엘씨디기판 제조에 사용되는 플라즈마 발생장치{Plasma generator for manufacturing large-size LCD substrates}

도 1은 종래 PECVD장치의 개략적인 구성도

도 2는 종래 PECVD장치에서 RF전력이 전달되는 경로를 도시한 구성도

도 3은 종래 PECVD장치에서의 RF전기장 분포도

도 4는 도 1의 A부분의 부분확대도

도 5 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 RF전력 공급장치의 구성도

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 경우 PECVD장치에서 RF전력이 전달되는 경로를 도시한 구성도

도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RF전력 공급장치의 구성도

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도전관의 구성도

도 11 및 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 RF전력 공급장치의 구성도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 공정챔버벽 11 : 챔버리드(lid)

20 : 서셉터 30 : LCD기판

40 : 플라즈마 50 : 플라즈마전극

60 : 가스공급관 70 : 플랜지부

80 : 절연관 및 저항관 90 : 접지커버

100 : RF전송라인 110 : 임피던스정합기

120 : RF발진기 130 : 절연체

140 : RF전기장 200 : 클램프도선

300 : 도전관

본 발명은 대면적 LCD기판의 제조에 사용되는 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 5세대 이상의 대면적 LCD기판 제조장치에서 용량성 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma : CCP)를 발생시키는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 LCD기판을 제조하기 위해서는, 박막증착, 식각, 세정 등의 공정을 수회 내지 수백회 반복하여야 하는데, 이러한 공정을 수행하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 일반적으로 균일도 및 계단도포성(step coverage) 등이 좋은 CVD(Chemical Vapor Deposition)법이 흔히 사용되며, 그 중에서도 저온증착이 가능하고 박막형성속도 등이 빠른 장점 때문에 플라즈마를 이용한 PECVD(Plasma Enhanced CVD)법이 최근 많이 이용된다.

플라즈마 발생장치는 플라즈마를 이용하는 모든 LCD기판 제조장치에 사용되는데, 플라즈마 발생장치를 포함하는 LCD기판 제조장치에는 박막증착을 위한 PECVD장치 뿐만아니라, 식각공정을 수행하는 에처(Etcher), 세정공정을 수행하는 건식 세정기 등이 있다.

이와 같이 박막증착공정을 수행하는 PECVD장치나, 식각 또는 세정공정을 수행하는 에처나 건식세정기 등은 그 용도가 다르긴 하지만, 모두 플라즈마를 이용하고 있고, 대체적인 공정순서도 유사하기 때문에 이하에서는 PECVD장치를 중심으로 플라즈마 발생장치를 설명하기로 한다.

도 1은 종래 PECVD장치의 개략적인 구성도이며, 도면을 참조하여 공정순서대로 간략히 설명하면 다음과 같다.

먼저 로봇암(미도시)에 의해 LCD기판(30)이 공정챔버의 내부에 설치된 서셉터(20)의 상면에 안착되면, 반응가스가 가스공급관(60)을 통해 공정챔버 내부로 유입되어 분사되고, 상기 분사된 가스는 RF(Radio Frequency)발진기(120)로부터 임피던스정합기(110), 플라즈마 전극(50)을 거쳐 공급되는 RF전력에 의해 플라즈마(40)상태로 방전된다. 상기 플라즈마(40) 상태의 반응가스는 LCD기판(30) 상에서 증착되거나 반응하며, 공정이 완료된 후 남은 반응가스는 미도시된 배기관으로 배출된다.

한편 플라즈마 전극(50)은 가스분사를 위한 샤워헤드와 일체로 형성되는 경우, 서셉터(20)와 일체로 형성되는 경우 및 샤워헤드 및 서셉터(20) 모두에 형성되 는 경우가 있다.

서셉터(20) 내부에는 LCD기판(30)을 예열하기 위한 히터(미도시)가 내장되어 있으며, 상기 서셉터(20)의 상면과 상기 플라즈마전극(50)의 하면은 균일한 박막형성을 위해 통상 5 내지 40 mm 정도의 간격을 유지한다.

이러한 PECVD장치에서 RF전력이 전달되는 경로를 살펴보면 다음과 같다.

첫 번째 경로는 RF전력이 정상적으로 공급되는 경로로서, RF발진기(120)로 부터 공급된 RF전력이 임피던스정합기(110), RF전송라인(100), 플랜지부(70)를 거쳐 플라즈마전극(50)으로 공급되고, 반응가스를 플라즈마(40) 상태로 여기시킨 후, 접지된 서셉터(20) 및 공정챔버벽(10)을 지나 다시 임피던스정합기(110) 및 RF발진기(120)로 귀환하는 경로이다.

도 2는 상기 첫 번째 경로 중 대칭되는 경로를 단순화하여 도시한 것으로서, 플라즈마전극(50)과 서셉터(20) 사이에는 RF전기장(140)이 여기된다.

RF전력의 공급경로 M₁, 귀환경로 M₂ 로 이루어지는 좌측의 M경로가 공급경로 N₁, 귀환경로 N₂ 로 이루어지는 우측의 N경로 보다 짧음을 알 수 있는데, 이것은 임피던스정합기(110)가 챔버리드(11)의 좌측으로 많이 치우쳐서 설치되어 있기 때문이다.

그런데 이와같은 RF전력 전달경로의 차이로 인해, 공급경로의 경우 경로 M₁의 임피던스가 경로 N₁의 임피던스보다 작아지게 되어, RF전력이 경로 M₁쪽으로 많이 공급되므로 플라즈마전극(50)의 좌측면 또는 에지부근과 공정챔버벽(10)사이의 간극에서 방전이나 전력누설이 발생하게 된다. 도 3은 도 1과 같이 일반적인 플라즈마 발생장치를 구비한 5세대 LCD기판 제조장치의 서셉터(20) 상면에서, RF전기장의 분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한 것으로서, 가운데에서 주변부로 갈수록 RF전기장이 약해지는 분포를 가진다. 도 3에 의하면 서셉터의 x축을 기준으로 좌측이 우측보다 RF전기장이 약하게 형성되는 것을 알 수 있는데, 이는 박막증착두께를 측정한 실험결과와 전반적으로 일치되는 분포를 보이는 것이다.

이렇게 RF전기장이 비대칭적으로 형성되는 것은, RF전송라인(100)과 접지커버(90)의 출구 사이에서 또는 플라즈마전극(50)의 좌측면과 공정챔버벽(10)사이의 간극에서 방전이나 전력누설이 발생하기 때문이다.

도 4는 RF전송라인(100)과 접지커버(90)의 출구부분 사이에서 RF전력이 방전되거나 누설되는 경로를 화살표로 도시하고 있다.

이와 같은 RF전기장의 비대칭 현상은 결과적으로 플라즈마의 비대칭을 초래하게 되는데, 특히 5세대 이상의 대면적 LCD기판의 경우에는 이러한 플라즈마의 비대칭이 공정균일도에 미치는 영향이 더욱 커지게 된다.

RF전력이 전달되는 두 번째 경로는, RF발진기(120)로 부터 공급되는 RF전력이 임피던스정합기(110)를 거쳐 플라즈마전극(50)으로 공급된 후, 플라즈마전극(50)과 공정챔버벽(10) 또는 플라즈마전극(50)과 챔버리드(11) 사이의 간극을 통해 방전되거나 누설되는 경로이다. 도 1의 화살표가 이러한 경로를 나타낸다.

이와 같은 방전이나 전력누설은 전력의 안정된 공급을 저해하므로, 플라즈마 의 안정도와 균일도를 저하시키는 원인이 된다.

한편 RF전송라인(100)을 플라즈마전극(50)에 연결할 때에는 통상 가스공급관(60)과 플라즈마전극(50)을 연결하는 역할을 하는 플랜지부(70)에 연결하는데, 상기 플랜지부(70)는 가스공급관(60)과 플라즈마전극(50)의 연결부위를 밀봉하는 역할도 한다. 그리고 RF전송라인(100)의 라디에이션(radiation)으로 인한 전력손실을 방지하기 위해, 통상 RF전송라인(100)의 주위를 도전체인 접지커버(90)를 이용해서 감싸는 방법을 사용한다. 접지커버(90)는 RF전송라인(100)에서의 라디에이션을 방지하는 이외에도 RF전력을 전송하는 전송선로의 역할도 수행한다.

상기 가스공급관(60)의 일부에는 절연관 및 저항관(80)이 형성되어 있는데, 절연관은 세라믹 재질의 절연물질로 이루어져서 RF전력이 가스공급관(60)을 통해 누설되지 않도록 절연하는 역할을 한다. 또한 저항관은 상기 절연관을 외부에서 감싸는 원통형상의 고저항 도전체로서, 상기 절연관의 양단간에 걸리는 RF전압으로 인해 가스공급관 내부에서 플라즈마 방전이 일어나는 현상을 방지하기 위해, 미세한 전류를 흐르게 함으로써 RF전압을 낮추어 플라즈마 방전을 방지하는 역할을 한다.

그런데 RF전송라인(100)이 도 1과 같이 길게 형성되는 경우에는, RF전송라인(100)과 챔버리드(11)와의 사이에 부유커패시턴스(stray capacitance)가 발생하고, 부유커패시턴스의 증가는 임피던스의 감소를 가져와 전력누설 또는 방전의 원인이 된다.

종래 방식의 플라즈마 발생장치에 의하면 상술한 바와 같이, RF전력이 전달 되는 경로가 비대칭적이고, RF전송라인(100)과 접지커버(90)의 출구와의 사이에서 방전이나 전력손실이 발생하고, RF전송라인(100)과 챔버리드(11)와의 사이에서 부유커패시턴스가 발생함으로 인해 전력손실이 비대칭적으로 발생하는 등의 이유로 RF전력이 비대칭적으로 공급되며, 그에 따라 RF전기장 및 플라즈마가 비대칭적으로 형성되어 공정 균일도가 저하되는 문제가 발생한다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, RF전력을 대칭적으로 공급하여, 대칭적인 플라즈마를 생성할 수 있는 대면적 LCD기판 제조에 사용되는 플라즈마 발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위해서, RF발진기와; 일부에 상기 RF발진기와 연결되는 입력단을 구비하고, 일부에 출력단을 구비하는 임피던스정합기와; 플라즈마전극과; 일단은 상기 플라즈마전극의 상면 중앙에 연결되고, 타단은 가스저장탱크에 연결되는 가스공급관과; 상기 가스공급관의 둘레에 밀착하여 환형으로 형성되며, 일부는 상기 임피던스정합기의 출력단과 연결되는 클램프도선과; 상기 플라즈마전극과 대향하는 접지전극과; 상기 플라즈마전극의 일부 또는 전부와 상기 접지전극의 일부 또는 전부를 내부에 포함하며, 일정한 반응공간을 형성하는 공정챔버를 포함하는 대면적 LCD기판용 플라즈마 발생장치를 제공한다.

또한 본 발명은 RF발진기와; 일부에 상기 RF발진기와 연결되는 입력단을 구비하고, 일부에 출력단을 구비하는 임피던스정합기와; 플라즈마전극과; 일단은 상기 플라즈마전극의 상면 중앙에 연결되고, 타단은 가스저장탱크에 연결되는 가스공급관과; 상기 가스공급관을 둘러싸는 원통형상으로서, 하단이 상기 플라즈마전극과 접하는 도전관과; 상기 도전관의 둘레에 밀착하여 환형으로 형성되며, 일부는 상기 임피던스정합기의 출력단과 연결되는 클램프도선과; 상기 플라즈마전극과 대향하는 접지전극과; 상기 플라즈마전극의 일부 또는 전부와 상기 접지전극의 일부 또는 전부를 내부에 포함하며, 일정한 반응공간을 형성하는 공정챔버를 포함하는 대면적 LCD기판용 플라즈마 발생장치를 제공한다.

보다 구체적으로는 상기 임피던스정합기는 케이스표면에 상기 가스공급관이 통과하는 홀이 형성되고, 상기 임피던스정합기의 출력단은 상기 임피던스정합기의 케이스 내부에 위치하며, 상기 가스공급관은 상기 홀을 통해 상기 임피던스정합기의 내부를 관통하는 대면적 LCD기판용 플라즈마 발생장치를 제공하며, 상기 도전관의 하단에는 상기 플라즈마전극과 연결하는 플랜지부가 형성되는 대면적 LCD기판용 플라즈마 발생장치를 제공하며, 상기 도전관은 은이 도금된 금속 또는 구리 중 선택되는 어느 하나의 재질로 구성되는 대면적 LCD기판용 플라즈마 발생장치를 제공한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 설명하기로 하며, 도면 중 동일한 부분은 동일한 부호를 사용하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예를 도시한 것으로서, 임피던스정합기(110)의 출력단은 상기 가스공급관(60)의 둘레를 밀착하여 둘러싸는 환형의 클램프도선(200)에 직접 연결되어 있다.

따라서 RF전력은 임피던스정합기(110)의 출력단으로 부터 상기 클램프도선(200)을 통해 가스공급관(60)으로 직접 공급되고, 상기 가스공급관(60)과 연결된 플라즈마전극(50)에 인가된다. 상기 가스공급관(60)은 RF전력을 전달하는 역할뿐만 아니라 반응가스의 통로 역할도 하므로, 도전성과 내부식성을 모두 갖춘 알루미늄이나 스테인레스스틸(SUS) 재질로 만드는 것이 바람직하다. 이때 RF전력의 대칭적인 공급을 위해서는 상기 가스공급관(60)의 일단은 상기 플라즈마전극(50)의 정중앙에 연결되어야 하며, 타단은 가스저장탱크(미도시)에 연결된다.

그러나 클램프도선(200)을 이용한 임피던스정합기(110)와 가스공급관(60)의 연결은 예시에 불과한 것이므로, 대칭적으로 전력을 공급할 수 있는 것이라면 다른 연결수단도 무방함은 물론이다.

한편 도 5에서는 도전체인 접지커버(90)를 도시하고 있으나, 접지커버(90)는 RF전송라인으로부터 RF전력의 라디에이션을 방지하는 역할을 하는 것이므로, 상술한 바와 같이 클램프도선(200)에 의해 임피던스정합기(110)의 출력단과 가스공급관(60)이 직접 연결되는 경우에는, 접지커버(90)가 반드시 필요한 것은 아니다. 가스공급관의 일부에 형성된 절연관 및 저항관(80)의 역할은 상술한 바와 같으므로 설명을 생략한다.

도 6은 도 5에 도시된 바와 같은 플라즈마 발생장치를 사용한 경우에, RF전 력이 전달되는 경로를 도시한 것으로서, RF전력의 공급경로 C₁, 귀환경로 C₂ 로 이루어지는 좌측 C경로의 길이가, 공급경로 D₁, 귀환경로 D₂ 로 이루어지는 우측 D경로의 길이와 근사해짐을 알 수 있다. 또한 RF전송라인의 길이가 최소화됨으로써 챔버리드 사이에서 형성되는 부유커패시턴스도 최소화된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예를 다르게 구성한 것으로서, 가스공급관(60)을 접지커버(90)의 측면을 통해 연장하지 않고, 접지커버의 상면을 통해 연장된 모습을 도시하고 있다. 한편 도 7은 편의를 위해, 플라즈마전극(50) 이하 부분을 생략하였으나, 생략된 부분의 구성은 도 6과 동일하며, 이것은 이하의 도면에서 모두 같다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것인데, 임피던스정합기(110)의 출력단이 가스공급관(60)에 직접 연결되지 않고, 가스공급관(60)을 둘러싸면서 하부에 플라즈마전극과 연결할 수 있는 플랜지부가 형성된 원통형상의 도전관(300)에 클램프도선(200)을 이용해 연결된다.

상기 도전관(300)은 RF전력을 전달하는 역할을 하므로 저항이 작은 금속재질 이어야 하는데, 고주파전력은 표피효과로 인해 표면으로 전송되므로 저항이 낮은 은이 도금된 금속재질이나 구리로 만드는 것이 바람직하다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예를 다르게 구성한 것으로서, 가스공급관(60)을 접지커버(90)의 측면을 통해 연장하지 않고, 접지커버의 상면을 통해 연장된 모습을 도시하고 있다.

상술한 바와 같이 도 8이나 도 9에 도시된 접지커버(90)는 생략될 수 있음은 물론이다.

도 10은 상기 도전관(300)의 형상을 도시한 것으로서, 하부의 플랜지부에는 플라즈마전극(50)과의 연결을 위해 다수의 볼트체결홀이 도시되어 있으나, 이것은 예시에 불과한 것이므로, 다른 방식으로 상기 도전관(300)을 플라즈마전극과 연결하는 것을 배제하는 것은 아니다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 것으로, 별도의 접지커버가 생략되고, 가스공급관(60)이 임피던스정합기(110)의 내부를 관통하여 형성되는 것을 특징으로 하는데, 이 방식은 RF전력의 공급경로가 완전한 좌우대칭에 가까워진다는 장점이 있다.

도 11에서는 임피던스정합기(110)의 내부에 형성된 출력단과 가스공급관(60)이 환형의 클램프(200)에 의해 연결되어 있으며, 절연관 및 저항관(80)등 나머지 구성은 상술한 바와 동일하다.

도 12는 임피던스정합기(110)의 내부에 형성된 출력단과 가스공급관(60)을 둘러싸며 하단이 플라즈마전극(50)과 접하는 원통형상의 도전관(300)이 환형의 클램프도선(200)에 의해 연결되어 있다. 이 경우에도 상기 도전관(300)의 형상이나 재질, 절연관 및 저항관(80) 등 나머지 구성은 상술한 바와 동일하므로 설명을 생략한다.

또한 도 11 및 도 12에서는 상기 가스공급관(60)이 임피던스정합기(110)의 하면과 측면을 관통하는 것을 도시하고 있으나, 이는 바람직한 실시예를 도시한 것 이고, 이에 한하는 것이 아님은 물론이다. 앞의 실시예처럼 임피던스정합기(110)의 하면에서 상면으로 관통하는 것도 당연히 예상할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 다양한 변경이나 수정이 가능하며 그러한 변경이나 수정이 본 발명의 기술적사상을 기초로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다.

Claims

RF발진기와;

상기 RF발진기와 연결되는 입력단과 상기 RF발진기의 전력을 출력하는 출력단을 구비하는 임피던스 정합기와;

반응공간을 제공하는 공정챔버와;

상기 공정챔버 내부에 위치하며, 상기 임피던스 정합기의 상기 출력단이 중앙에 연결되는 플라즈마 전극과;

상기 공정챔버와 연결된 가스공급관과;

상기 공정챔버 내부에서 상기 플라즈마 전극과 대향하는 접지전극

를 포함하는 것을 특징으로 하는 LCD기판용 플라즈마 발생장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가스공급관은 상기 플라즈마 전극의 상면 중앙에 연결되고, 상기 가스공급관의 주위에 환형으로 형성된 클램프도선을 통하여, 상기 임피던스 정합기의 상기 출력단이 상기 플라즈마 전극과 연결되는 것을 특징으로 하는 LCD기판용 플라즈마 발생장치.
제 1 항에 있어서,

상기 가스공급관은 상기 플라즈마 전극의 상면 중앙에 연결되고, 상기 가스공급관의 주위에 환형으로 형성된 클램프도선과, 상기 가스공급관을 감싸고 하단이 상기 플라즈마 전극과 접하는 도전관을 통하여, 상기 임피던스 정합기의 상기 출력단이 상기 플라즈마 전극과 연결되는 것을 특징으로 하는 LCD기판용 플라즈마 발생장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 임피던스 정합기의 상기 출력단이 위치하고, 상기 가스공급관이 통과하는 홀이 형성된 접지커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 LCD기판용 플라즈마 발생장치.
제 3 항에 있어서,

상기 도전관의 하단에는 상기 플라즈마전극과 연결하는 플랜지부가 형성된 것을 특징으로 하는 LCD기판용 플라즈마 발생장치
제 5 항에 있어서,

상기 도전관은 은이 도금된 금속 또는 구리 중 선택되는 어느 하나의 재질로 구성되는 LCD기판용 플라즈마 발생장치