KR101016921B1

KR101016921B1 - 샤워헤드

Info

Publication number: KR101016921B1
Application number: KR1020040066005A
Authority: KR
Inventors: 김동현; 한근조
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2011-02-28
Also published as: KR20060017350A

Abstract

본 발명은, 단위면적(m²)당 분사구의 개수가 3,500개 이상 8,300개 이하이며 바람직하게는 약 5900개 정도인 샤워헤드를 제공한다.

또한 분사구의 중심간 간격이 12mm 이상 19mm이하이며, 바람직하게는 약 14mm정도인 샤워헤드를 제공하며, 분사구가 형성된 저면의 면적 중에서 분사구가 차지하는 면적의 비율이 14% 이상 33% 이하이며, 바람직하게는 약 24.3% 정도인 샤워헤드를 제공한다. 이때 상기 분사구의 배열형태는 육각배열 또는 라인배열 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 처짐 현상 등과 같은 샤워헤드의 변형이 방지되어 공정의 균일성이 향상되고, 샤워헤드 제작시 가공편리성을 높여 원가절감을 통해 생산성을 증대할 수 있게 된다.

샤워헤드, 분사구, 노즐, 육각 배열,

Description

샤워헤드{Showerhead}

도 1은 종래 플라즈마 공정장비의 구성단면도

도 2는 샤워헤드의 부분 저면도

도 3은 도 2의 I-I 선에 따른 단면도

도 4a 및 도 4b는 압력차에 따른 가스의 확산범위를 예시한 단면도

도 5는 분사구의 면적비율을 계산하기 위한 참고도

도 6은 라인 배열 방식의 분사구 저면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : PECVD장비 110 : 챔버

120 : 서셉터 130 : 배기구

140 : 샤워헤드 142 : 분사구

144 : 노즐부 150 : 백킹 플레이트

160 : 버퍼공간 170 : RF전원

180 : 가스유입관 190 : 지지부재

s : 기판

본 발명은 액정표시장치의 제조장비에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 액정표시장치 제조장비의 샤워헤드에 관한 것이다.

근래에 들어 사회가 본격적인 정보화 시대로 접어들면서, 대량의 정보를 처리하고 표시하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전하고 있는데, 특히 최근에는 소비전력이 낮고, 경량이어서 휴대성이 뛰어난 액정표시장치(Liquid Crystal Display, LCD)가 기존의 브라운관(Cathode Ray Tube : CRT)을 대체하는 새로운 디스플레이 장치로 각광받고 있다.

특히, 액정표시장치 중에서도 액정패널에 다수의 화소(pixel)를 형성하고, 스위칭 소자를 사용하여 각 화소를 독립적으로 제어하는 능동행렬방식의 액정표시장치(Active Matrix LCD, AM-LCD)가 널리 사용되는데, 이때 스위칭 소자로 박막트랜지스터(Thin-Film Transistor : TFT)를 사용한 것이 잘 알려진 박막트랜지스터 액정표시장치(thin film transistor liquid crystal display, TFT-LCD)이다.

일반적으로 TFT-LCD는 컬러필터와 공통전극이 형성되는 상부기판과, 화소전극과 스위칭소자인 박막트랜지스터가 형성되는 하부기판으로 구성되며, 하부기판과 상부기판 사이에 충진되는 액정의 전기 광학적 효과에 의하여 빛을 차단 또는 통과 시킴으로써 영상을 표시하게 된다.

따라서 상부기판과 하부기판에는 전극과 박막트랜지스터 등을 박막형태로 형성시켜야 하는데, 이를 위해서는 기판 상에 유전막 등을 증착하는 박막증착공정, 감광성 물질을 사용하여 이들 박막 중 선택된 영역을 노출 또는 은폐시키는 포토리소그라피(photolithography) 공정, 선택된 영역의 박막을 제거하여 목적하는 대로 패터닝(patterning)하는 식각공정, 잔류물을 제거하기 위해 세척 및 건조하는 세정공정 등을 수차례 반복하여야 한다.

한편, 이들 각 공정은 해당 공정을 위한 최적의 환경이 조성된 공정장비의 내부에서 진행되는데, 도 1은 이러한 공정장비 중에서 플라즈마를 이용하여 박막증착을 수행하는 PECVD장비의 구성을 예시한 단면도이다.

상기 PECVD 장비(100)의 구성을 살펴보면, 내부에 일정한 반응공간을 형성하는 챔버(110)와, 상기 챔버(110)의 내부에 위치하는 서셉터(120)와, 배기가스의 배출을 위하여 챔버(110)의저면에 형성되는 배기구(130)와, 상기 서셉터(120)의 상부에서 공정가스를 분사하며 다수의 분사구(142)를 가지는 샤워헤드(140)와, 샤워헤드(140)의 상부에 위치하며, 샤워헤드(140)와의 사이에 버퍼공간(150)을 정의하는 백킹플레이트(150)와, 상기 백킹플레이트(150)의 중심부에 연결되며 상기 버퍼공간(160)으로 공정가스를 인입하는 가스유입관(180)과, 상기 백킹플레이트(150) 및 이와 전기적으로 연결되는 샤워헤드(140)에 RF전력을 공급하는 RF전원(170)과, 상기 샤워헤드(140)의 가장자리를 지지하는 절연성 지지부재(190) 등을 포함하여 구성된 다.

이상과 같은 구성의 PECVD장비에서 공정이 진행되는 과정을 살펴보면, 먼저 챔버 측벽의 미도시된 도어를 통해서 로봇암이 진입하여 기판(s)을 서셉터(120)에 안치한 후 빠져나가면, 배기펌프를 동작시켜 기판의 반입과정에서 혼입된 파티클 등 불순물을 배기구(130)를 통해 배출한다.

다음으로 가스유입관(180)을 통해 공정가스를 챔버(110) 내부로 유입시키는데, 유입된 공정가스는 버퍼공간(160)에서 일차 확산된 후에 샤워헤드(140)의 분사구(142)를 통해 기판의 상부로 분사된다.

공정가스가 분사된 이후에 RF전원(170)으로부터 RF전력을 인가하면, 공정가스는 샤워헤드(140)와 접지된 서셉터(120)의 사이에 형성되는 RF전기장에 의해 이온과 전자로 해리되어 플라즈마 상태로 되며, 이온은 기판으로 입사하여 증착공정을 수행하게 되는 것이다.

증착공정을 마친 후에는 배기구(130)를 통하여 잔류가스를 배출한 후, 기판을 챔버 외부로 반출함으로써 공정이 완료된다.

상기와 같이 동작하는 PECVD장비(100)에서 박막균일도에 가장 큰 영향을 미치는 구성 요소 중의 하나가 바로 샤워헤드(140)인데, 샤워헤드(140)의 구성을 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 샤워헤드(140)는 대략 30mm 정도의 두께를 가지는 판상의 구조물로서, 통상 내산화성이 높은 알루미늄 재질로 만들어지며, 수 만개에 달하는 분사구(142)가 상하를 관통하여 형성된다.

분사구(142)는 하부에서 공정가스가 균일하게 확산될 수 있도록 하기 위하여 통상 상협 하광의 형상으로 가공되며, 이웃하는 분사구(142)간의 간격도 최대한 조밀하게 형성되는데, 통상적으로 단위 면적(m²)당 약 11,800개 정도의 밀도로 형성되고 있다.

따라서 샤워헤드(140)에서 분사구가 형성되는 면적과 하부의 기판 면적이 거의 동일하다고 가정하면, 1500mm*1850mm의 크기를 가지는 6세대 기판을 처리하는 샤워헤드(140)의 경우에 형성되는 분사구의 개수는 대략 32,600여 개가 된다.

샤워헤드(140)의 저면을 도시한 도 2를 살펴보면, 분사구(142)의 배열형태가 하나의 분사구를 6개의 분사구가 둘러싸는 육각 배열인 것을 알 수 있는데, 이는 분사구(142)를 조밀하게 배치하는데 유리하기 때문이다.

한편 분사구(142)의 출구 형상도 육각으로 도시되어 있으나, 이는 예시에 불과한 것이고, 팔각, 원형 등 다양한 형상으로 가공될 수 있으며, 분사구(142)의 상부에는 공정가스의 확산을 용이하게 하기 위한 노즐부(144)가 위치한다.

종래의 샤워헤드(140)는 이와 같은 분사구(142)의 배치형태에서, 같은 행에 배치되는 각 분사구의 중심간 간격 P₁은 약 10mm, 같은 행에 배치되는 분사구간의 간격 P₂는 약 2.75mm, 분사구의 행간 간격 P₃은 약 8.66mm, 분사구의 하부직경 d ₁은 약 7.25mm, 분사구의 상부직경 또는 노즐직경 d₂는 약 0.45mm로 형성되어 있다.

도 2의 Ⅰ-Ⅰ선에 따른 단면의 일부를 도시한 도 3은 샤워헤드(140)에 형성되는 분사구의 형상을 예시하고 있는데, 분사구의 상부에는 노즐부(144)가 형성되고 하부로 갈수록 확산부가 다단으로 형성되어 있음을 알 수 있다. 이와 같은 형상을 통해, 노즐부(144)를 통과한 공정가스가 저압영역인 챔버 내부로 확산되면서 균일하게 분사될 수 있는 것이다.

그런데 이러한 구조의 샤워헤드(140)는 몇 가지 문제점을 안고 있는데, 첫째는 수 만개에 이르는 상협 하광의 분사구(142)로 인하여 샤워헤드(140) 상하의 표면적이 달라지고, 이로 인해 하부로의 처짐 현상이 심해지고 열팽창 정도가 달라져 열적 변형이 쉽게 발생한다는 점이다.

둘째는 기판이 점차 대형화되면서 샤워헤드(140)의 크기도 함께 커져야 하는데, 이 경우 분사구의 개수도 비례하여 증가하게 되므로 가공 시간이 늘어나 샤워헤드의 생산성이 저하된다는 점이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 샤워헤드의 처짐 현상 등과 같은 변형을 방지하고, 샤워헤드의 가공 편리성을 높여 생산성을 증대하는 방안을 제시하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 단위면적(m²)당 분사구의 개수가 3,500개 이상 8,300개 이하이며 바람직하게는 약 5900개 정도인 샤워헤드를 제공한다.

또한 분사구의 중심간 간격이 12mm 이상 19mm 이하이며, 바람직하게는 약 14mm 정도인 샤워헤드를 제공하며, 분사구가 형성된 저면의 면적 중에서 분사구가 차지하는 면적의 비율이 14% 이상 33% 이하이며, 바람직하게는 약 24.3% 정도인 샤워헤드를 제공한다. 이때 상기 분사구의 배열형태는 육각배열 또는 라인배열 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 균일한 공정가스의 분사를 위해서는 샤워헤드(140)의 분사구(142) 밀도를 높여야 한다는 통념에 반하여, 분사구의 밀도를 현재보다 현저하게 낮게 하여도 종전과 동일하거나 향상된 공정 균일도를 얻을 수 있다는 점을 제안하고 있다.

즉, 본 발명은 분사구의 개수 및 샤워헤드에서 분사구가 차지하는 면적비율을 모두 종래의 30% 내지 70% 수준으로 낮출 수 있음을 제안하고 있다.

분사구 개수에 있어서, 종래의 샤워헤드가 단위 면적당 약 11,800개의 분사구를 가지므로, 본 발명의 실시예에 따른 샤워헤드는 3,500개 내지 8,300개 정도만의 분사구를 가진다.

실험에 따르면, 6세대 기판의 사이즈에 대응하는 샤워헤드(140)에 대하여 단위면적(m²)당 11,800개의 분사구(142)를 형성하는 경우와, 단위면적(m²)당 5,900개의 분사구를 형성하는 경우를 대비해본 결과, 증착율은 각각 2348Å/min 과 2375Å/min으로 나타나 서로 비슷한 것으로 나타났다.

이는 종래의 샤워헤드를 도시한 도 4a 및 본 발명에 따른 샤워헤드를 도시한 도 4b를 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 분사구(142)의 개수가 줄어들게 되면, 분사구(142) 상부의 가스압력이 증가하여, 노즐부를 통과하는 공정가스의 확산면적이 넓어짐으로써 분사구의 감소로 인한 가스량 감소를 상쇄하기 때문인 것으로 판단되며, 이로 인해 기판 가장자리 부근에서의 균일도도 크게 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.

한편 본 발명의 실시예는 샤워헤드(140)의 저면에서 전체 분사구(142)가 차지하는 면적비율을 종래 방식의 샤워헤드와 대비하여 30% 내지 70% 정도로, 바람직하게는 50% 정도의 수준으로 낮출 수 있음을 제안하고 있는데, 이하에서는 도 5를 참조하여 이에 대해 설명하기로 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 편의를 위하여 각 분사구(142)는 원형의 단면을 가지는 한편, 서로 육각 배열된 것으로 가정하고, 분사구 면적비율은 점선으로 표시되는 기준면적에 대하여 상기 기준면적의 내부에 포함되는 분사구가 차지하는 면적의 비율로 계산한다.

기준면적의 중심과 각 변을 연결하는 직선으로 이루어지는 6개의 삼각형은 모두 정삼각형이므로, 기준 면적은 (1/2*P₁*P₁*sin60°)*6 이고, 기준면적의 내부에 포함되는 모든 분사구의 면적은 π*(d₁/2)²*3 이다.

종래 방식의 경우에는 P₁=10mm, d₁=7.25mm 이므로, 기준면적은 259.8mm², 분사구의 면적은 123.78mm², 따라서 분사구의 면적 비율은 47.6%이다.

분사구의 출구 면적이 종래와 동일하면서도, 분사구의 면적비율이 종래의 70% 정도의 수준이 되기 위해서는 기준면적이 증가하여야 하고, 이를 위해서는 분사구 중심간의 간격 P₁이 현재보다 커져야 함을 알 수 있는데, 이를 위한 P₁의 산출식은 다음과 같다.

분사구 면적/기준면적=0.476*0.7

여기서 기준 면적은 (1/2*P₁*P₁*sin60°)*6 이고, 분사구 출구 면적이 종래와 동일하므로 분사구 면적은 123.78 mm² 이고, 위 식을 이용하면 P₁은 대략 12mm 로 산출된다.

마찬가지로 분사구의 면적비율이 종래의 30% 정도의 수준이 되는 P₁의 산출식은 다음과 같다.

분사구 면적/기준면적=0.476*0.3

역시 기준 면적은 (1/2*P₁*P₁*sin60°)*6, 분사구 면적은 123.78 mm² 이므로, 위 식을 이용하면 P₁은 대략 19mm 로 산출된다.

분사구의 출구 면적이 종래와 동일하다면, 앞서 실험에서 적용한 바와 같이 분사구를 종래의 50% 수준인 5,900개 형성하는 경우에는 분사구의 면적비율도 종래의 50% 정도가 되므로, 이 경우 P₁은 대략 14mm 정도가 되며 기준면적은 509.22mm²가 된다.

이상에서 단위 면적당 분사구의 개수를 3,500개 이상 8,300개 이하로 구성하는 것은, 분사구의 중심간 거리 P₁ 이 대략 12mm 이상 19mm 이하인 것에 대응하는 것임을 알 수 있다. 다만 이러한 대응관계는 종래방식의 샤워헤드와 본 발명에 따른 샤워헤드에서 분사구 출구 면적이 동일한 경우에 성립하는 것임은 물론이다.

또한 본 발명은 분사구의 면적비율에 있어서도, 종래방식의 30% 내지 70% 범위, 바람직하게는 50% 정도를 제안하는 바, 종래 방식의 샤워헤드에서 분사구의 면적비율이 47.6% 이므로, 본 발명의 실시예를 따르는 경우의 분사구 면적비율은 14% 이상 33% 이하, 바람직하게는 24.3%가 된다.

이와 같이 분사구의 개수를 줄일 수 있게 됨으로써, 샤워헤드(140) 제작시 분사구의 가공시간을 줄임으로써, 약 30% 이상의 원가절감을 가져오게 되고 이로 인하여 생산성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

한편 본 발명에 의하게 되면, 분사홀의 배치형태를 종래의 육각 배열에 한정할 필요가 없다. 즉 분사구의 배치를 육각으로 배열하는 것은 분사구를 조밀하게 배치하는데 유리하기 때문인데, 본원발명과 같이 분사구의 간격을 종래보다 넓히는 방안을 채용하는 경우에는 분사구(142)를 도 2와 같은 육각 배열 방식이 아니라 도 6에 도시된 바와 같이 라인배열 방식으로 배치할 수도 있다.

한편, 이상에서는 PECVD장비(100)의 샤워헤드(140)에 한정하여 설명하였으나, 본 발명의 목적이 샤워헤드(140)의 변형을 줄이고 샤워헤드 제작의 생산성을 높이기 위한 것이므로, 에칭장비나 건식세정장비 등과 같은 다른 공정장비에도 적용될 수 있음은 물론이다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 한정하여 설명하였으나 당업자에 의하여 다양하게 변형 내지 수정될 수 있는 것이므로, 그러한 수정 또는 변형된 내용이 후술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 기초로 하고 있다면 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 자명하다 할 것이다.

Claims

삭제
분사구의 중심간 간격이 12mm 이상 19mm이하인 샤워헤드
분사구가 형성된 저면의 면적 중에서 분사구가 차지하는 면적의 비율이 14% 이상 33% 이하인 샤워헤드
제2항 내지 제3항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,

상기 분사구는 육각배열 또는 라인배열 중 선택되는 어느 하나의 방식으로 배열되는 샤워헤드
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