KR101222328B1 - 축전기형 대면적 기판용 정전 척 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대면적 기판을 척킹하는 대면적 기판용 척에 관한 것으로, 종래 정전 척으로 대면적화된 기판을 척킹하기 어려운 점을 해결하고자 제안되었다.
본 발명에 따르면, 전도성 척 플레이트 또는 도전막을 포함하는 척 플레이트와 전도성이 있는 기판이나 기판상에 도전막을 부착하여, 척 플레이트 또는 척 플레이트의 도전막과 기판 또는 기판의 도전막으로 하나의 캐퍼시터를 이루게 하여, 여기에 전원을 인가하여, 쿨롱의 힘을 이용한 척킹을 제공한다.

Description

축전기형 대면적 기판용 정전 척{CAPACITOR TYPE STATIC ELECTRIC CHUCK FOR LARGE SCALE SUBSTRATE}

본 발명은 대면적 기판을 척킹하는 대면적 기판용 척에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 대면적 기판 자체에 얇은 도전판을 붙여 축전기의 한쪽 극판으로 활용하고 축전기가 대전되었을 때 두 극판이 서로 당기는 힘을 이용하여 대면적 기판을 척킹하는 정전 척에 관한 것이다.

디스플레이 제작 공정에 사용되는 기판은 점점 더 대면적화되고 있으며, 그에 따라 기판을 잡아주는 척 또한 강한 부착력, 오염 방지 등의 기능 구비와 더불어 대면적화될 필요가 있으며, 그에 따라 정전 척, 진공 척, 점착제 척, 자석 척, 필름 척 등이 제안되고 있다. 그중, 정전 척은 기판에 대한 부착력이 제어가 간편하고, 오염 방지 측면에서 우수하여 반도체 공정 등에서 선호되고 있다.

기존의 정전 척에 대한 예로서 대한민국등록특허 제10-1001454호는 OLED 제조 공정에서 기판을 척킹 하는 정전 척의 구성을 개시하고 있다. 그외에도 다수의 정전 척이 제안되고 있으나, 이와 같은 종래의 정전 척들은 모두 정전 척을 구성하는 절연체판 안에 두 개의 전극을 모두 매설하여 전압을 인가하고, 이 두 개의 전극 사이에 걸린 전위차로 인해 생성된 전계는 유전체로 된 기판에 분극 (Polarization)을 유도하고, 분극에 의해 발생되는 구속전하 (Bound Charge) 가 상기 전극에서 발생하는 전기장에 끌리는 힘을 이용해서 기판을 척킹 하는 것을 기본 원리로 하고 있다(도 1 참조).

상기와 같은 방식의 기존 정전 척들은 상기 분극에 의해 발생되는 구속전하의 양이 적기 때문에 척킹 인력이 충분하지 않고, 이에 따라 대면적화된 기판을 척킹하기 위해서는 필요한 전기력을 얻기 위해 전극의 간격을 좁히거나, 전극에 고전압을 인가하여야 한다는 단점이 있었다. 또한 상기 두 전극에서 나오는 전기장은 기판을 물론 기판 건너편 까지 전기장을 형성하게 되고, 이렇게 생성된 전기장은 공정 도중에 대전입자를 가속 시켜 기판 상에 존재하는 전기소자에 손상을 주기 때문에 유기 이엘 증착과 같은 공정에서는 사용할 수 없다는 단점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 대면적 기판을 정전하를 이용하여 척킹하되, 전극의 구성을 간소화고, 척킹 능력을 현저하게 향상시켜 낮은 전압으로 구동할 수 있으며, 기판 및 그 주위에 전기장이 전혀 발생하지 않는 새로운 방식의 척을 제공하고자 함이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 기판에 도전체 판을 부착하여 척 플레이트와 기판이 축전기를 이루게 하여, 이 축전기의 양단에 전위차를 걸면 기판 측 도전체 판에는, 유전체인 기판의 분극에 의해 발생하는 구속전하 대신, 전원으로 부터 직접 공급되는 자유전하 (Free Charge)가 대전되는 것을 이용하여 이 자유전하에 작용하는 강력한 쿨롱의 힘을 이용한 척킹을 제공한다.

즉, 본 발명은

도전체를 포함하거나 도전체로 된 척 플레이트;

도전체를 포함하거나 도전체로 된 기판;

상기 척 플레이트에 포함된 도전체 또는 도전체 척 플레이트와 상기 기판에 포함된 도전체 또는 도전체 기판 사이에 배치되는 절연체;및

상기 척 플레이트에 포함된 도전체 또는 도전체 척 플레이트와 상기 기판에 포함된 도전체 또는 도전체 기판에 각각 전압을 인가하는 수단;을 포함하고,

상기 절연체를 사이에 두고 척 플레이트에 포함된 도전체 또는 도전체 척 플레이트와 기판에 포함된 도전체 또는 도전체 기판에 각각 전압을 인가하여 전위차를 형성한 축전기를 이루어 상기 축전기 양단에 대전되는 서로 반대되는 전하의 인력으로 기판을 척킹하게 되는 것을 특징으로 하는 축전기형 대면적 기판용 정전 척을 제공한다.

또한, 본 발명은,

도전체 또는 절연체로 만든 척 베이스 플레이트 및 상기 척 베이스 플레이트 하단에 절연체로 포위된 도전체를 포함한 척 플레이트;

도전체를 포함하거나 도전체로 된 기판;

상기 척 플레이트의 절연체로 포위된 도전체와 상기 기판에 포함된 도전체 또는 도전체 기판에 전압을 인가하는 수단;을 포함하고,

상기 절연체를 사이에 두고 척 플레이트에 포함된 도전체와 기판에 포함된 도전체 또는 도전체 기판에 각각 전압을 인가하여 전위차를 형성한 축전기를 형성하고 상기 축전기 양단에 대전되는 서로 반대되는 전하의 인력으로 기판을 척킹하게 되는 것을 특징으로 하는 축전기형 기판용 정전 척을 제공한다.

또한, 본 발명은,

상기 전압인가 수단으로서 건전지를 이용한 고전압 발생장치를 사용하는 것을 특징으로하는 축전기형 대면적 기판용 정전 척을 제공한다.

본 발명에 따르면 척킹하고자 하는 기판의 면적 전체에 기판에 대해 수직방향으로 균일한 전계를 형성하고, 기판에 포함된 도전체 또는 도전체 기판에 공급된 자유전자를 생성하여, 기존 정전척에 비해 적은 전압으로 동작이 가능하고, 구조적으로 기판상에 전기장을 형성시키지 않아 기판상의 전기소자에 영향이 없어, 대면적 기판의 척킹에 적합하다.

도 1은 종래 정전 척의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2와 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 축전기형 척의 척/디척 원리 및 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 축전기형 척의 또 다른 실시예를 나타내는 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 축전기형 척의 척킹 과정에 대한 실시예들이다.
도 6는 본 발명의 전력공급용 전선을 따라 축전기형 척에 의한 기판이송 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 축전기형 척으로 척킹한 후 원형 레일을 이용해 턴오버(플립이라고도 함)하는 것을 보여주는 단면도들이다.
도 8는 본 발명의 축전기형 척의 또 다른 실시예를 나타내는 단면 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여, 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 축전기형 척의 일실시예를 나타내는 단면도이다.

척 플레이트는 도전체층과 절연체층을 구비하면 되므로, 둘 중 어느 하나의 층을 기본 플레이트로 구성하고, 그 면상에 다른 하나의 층을 여러 가지 알려진 방법(스핀 코팅, 스크린 프린팅, 스퍼터링 등)으로 코팅하거나, 성형 되어 있는 필름을 부착하거나, 플레이트를 고정부재로 고정하거나 하여 구성할 수 있다. 즉, 척 플레이트의 전기적 특성과 무관하게, 도체층과 절연체층을 포함하기만 하면 된다. 예를 들어 절연성 척 플레이트/도전체층/절연체층, 절연성 척 플레이트/절연체층/도전체층/절연체층, 도전성 척 플레이트/절연체층, 또는 도전성 척 플레이트/절연체층/도체층/절연체층 등의 형태로 구성할 수도 있으며, 도체층에 전극이 접속될 수 있도록 구성하면 된다.

본 실시예에서는, 기판을 부착하여 고정하기 위한 척 플레이트는 도전막으로서 도체판(101)을 구비하게 하고, 절연체로서 그 아래 밀착되는 절연체판(102)으로 구성되고, 하나 이상의 전극(100)을 상기 도체판(101)과 절연체판(102)을 관통시켜 매설하여 구성하였다.

척킹되어야 하는 기판(202) 위에는 기판(202)의 면적과 거의 비슷한 면적을 갖는 도전성 필름(201)을 부착하여 도전막을 구성한다. 그러나 도전막은 도전체 페이스트의 도포 또는 부착등 여타의 코팅으로 형성할 수 있다.

도전성 필름(201)은 그의 이면에 점착제가 도포 되어 있는 것을 선택하면 도전성 필름(201)은 쉽게 기판(202)에 부착될 수 있으나 점착제가 필수 구성요소는 아니다. 일반적으로 사용하는 정전기 스티커의 경우 점착제 없이 쉽게 유리에 붙는 성질이 있는데, 스티커가 갖고 있는 정전기력으로 유리에 쉽게 부착되어 정전기 스티커의 반대면만 잡고 있으면 기판이 정전기 스티커에서 탈착되지 않는다. 이와 같은 물질을 사용할 경우 점착제 없이 기판을 부착할 수 있고, 반대면에 도전체를 부착하거나 기타의 방법으로 형성시키면, 기판에 쉽게 부착할 수 있는 도전성 필름을 구성할 수 있다. 정전기 스티커와 같이 점착제 또는 접착제 없이 사용되는 필름을 무점착 필름 또는 자기융착필름, 자가점착필름이라 한다. 또한, 도전체를 포함하는 절연막을 기판에 부착하여 기판에 도전막을 포함시킬 수 있다.

점착제를 이용하여 기판과 척 플레이트를 직접 붙일 수도 있으나, 척킹이나 디척킹을 시킬 때 좀 더 복잡한 구조가 필요하며 동작이 용이하지 않다. 반면, 필름을 이용하면 용이하게 탈부착을 할 수 있다.

이 같이 척 플레이트와 기판을 준비한 다음, 척 플레이트와 기판을 진공 챔버 안으로 반입하고, 얼라인 하여 포개어 놓는다. 이 상태에서, 전극(100)은 기판 위의 도전성 필름(201) 면에 접하게 된다.

다음, 전원장치의 한쪽 극은 척 플레이트의 도체판(101)에, 다른 반대쪽 극은 전극(100)에 연결하면, 상기 도체판(101)과 기판(202) 위의 도전성 필름(201)은 하나의 축전기를 형성하게 된다.

따라서 전원장치를 스위칭 온(ON) 시키면, 전극(100)과 도체판(101)을 양단으로 한 전계가 형성되어, 한쪽 면에는 +, 다른 쪽 면에는 - 전하가 축적된다. 즉, 예를 들면, 도체판 하면에 +, 도전성 필름의 상면에 - 전하들이 자리 잡게 된다(그 반대도 가능함은 자명하다). 이와 같이, 기판 위의 도전성 필름(202)과 척 플레이트의 도체판(101)은 서로 다른 전하가 분포하게 되어 쿨롱의 힘이 작용하여, 기판(202)은 척 플레이트에 끌려가 부착된다(척킹완료).

디척킹은 전원을 끊어주거나, 두 전극을 직접연결하여 방전(discharge)시키면 된다. 도 3은 디척킹 되어있는 상태를 보여주는 사시도 이다.

이때 작용하는 쿨롱의 힘은 다음과 같으며,

중력과 쿨롱의 힘이 같게 되는 임계전압을 구하면,

,

으로,

이 된다.

여기서,

g: 중력가속도

ε₀: 진공 유전율

ρ_film: 도전성 필름의 밀도

ρ_substrate: 기판의 밀도

t_film: 도전성 필름의 두께

t_substrate: 기판의 두께

d: 절연체판 두께

이다.

따라서 상기 식에 의해, 척킹에 필요한 전압을 산출할 수 있다.

본 발명의 축전기형 척의 또 다른 실시예가 도 4와 같은 방식으로 구현될 수 있다.

척 플레이트는 재질을 자유로이 선택할 수 있는 베이스 플레이트(105)와 그 하단에 절연체(104)로 포위된 도전체층(103)으로 구성하고, 상기 도전체층(103)에 전압을 인가할 수 있게, 베이스 플레이트(105)와 그 하단에 절연체(104)에 홀(hole)을 파 전극(106)을 접속하고, 절연체(104) 외주부를 포위하는 전극 컨택부(107)(도체)를 베이스 플레이트(105)에 형성한다. 베이스 플레이트가 도전체인 경우 전극 컨택부(107)와 일체형으로 제작하여 척 플레이트를 구성할 수도 있고, 전극 컨택부를 베이스 플레이트와 절연하여 형성할 수도 있다.

기판(202) 위에 도전성 필름(202)을 부착하거나 코팅 등으로 형성하여 상기 척 플레이트를 탑재하게 되면, 상기 전극 컨택부(107)는 상기 기판 위의 도전성 필름(202)에 접촉하여 전원의 한쪽 극은 전극(106)에, 다른 쪽 극은 상기 전극 컨택부(107)에 인가하면, 척 플레이트의 도전체층(103)과 기판 위의 도전성 필름(202)은 축전기를 형성하여 기판이 척킹 될 수 있다.

이와 같이 하여, 기판의 전면을 축전기의 한쪽 극판과 같이 활용하여 기판을 척킹할 수 있다. 부재들 간의 부착, 고정 등에 대하여, 용접, 고정 부재로 고정, 접착제, 점착제 등으로 부착 등의 관용수단이 적용될 수 있음은 물론이다.

또한, 본 발명의 축전기형 척의 또 다른 실시예가 도 8과 같은 방식으로 구현될 수 있다. 상기 실시예에서, 도전체 또는 절연체로 만든 척 베이스 플레이트(105) 하단에 다수 쌍의 도전체(103)를 절연체(103)로 둘러싼 척 플레이트를 구성하고, 절연체(103)와 접하도록 그 하단에 도전체(201)를 포함한 기판(202)을 배치한다. 상기 절연체(103)는 다수 쌍의 도전체(103)를 포위하게 할 수도 있고 단지 하단에만 존재하게 할 수도 있다.

상기 척 플레이트의 상기 다수 쌍의 도전체(103) 마다 전압을 인가하는 전극(106)을 배치하고, 각 쌍의 전극에 서로 반대 극성의 전압을 인가하여 전위차를 형성하면, 다수 쌍의 도전체(103)와 기판(202) 상의 도전체(201)는 준 축전기를 형성하게 된다. 즉, 기판(202) 상의 도전체(201)에 자유전하가 유도되어, 다수 쌍의 도전체(103)와 기판(202) 상의 도전체(201)는 이로 인해 인력이 작용하여 척킹될 수 있다.

기판(202) 자체가 도전체일 경우, 별도의 도전체(201) 부착 등의 공정은 요하지 않는다.

한편, 기판(202)을 척 플레이트에 척킹하는 과정은 도 5에서와 같이 실시될 수 있다.

즉, 기판(202)을 척 플레이트 위에서 얼라인하여 포개어 놓고, 전원을 인가하여, 축전기를 이루어 척킹하는 방식(좌), 척 플레이트를 기판(202) 위에서 얼라인하여 포개어 놓고, 전원을 인가하여, 축전기를 이루어 척킹하는 방식(중), 척 플레이트를 기판(202) 위에서 얼라인하여 포개어 놓고, 전원을 인가하여, 축전기를 이루어 척킹하는 방식은 같으나, 기판 지지용 로딩 핀(300) 대신 질소가스를 분사하여, 공중부양 된 기판을 척킹하는 방식(우) 등이 있다. 상승/하강이 가능한 로딩 핀(300)은 척킹이나 얼라인 공정을 위해, 챔버 안에 미리 설치되어 있는 것으로, 당 업계에서는 용이하게 실시할 수 있는 것에 해당한다. 로딩 핀(300)이 기판을 지지하는 것은 안정된 공정을 실시할 수 있어 좋지만 기판에 이물체가 접촉하는 것을 회피하고자 한다면, 챔버 안에 질소, 아르곤 등의 반응성이 없는 가스를 고압 분사하여, 기판을 부유시키고, 척킹할 수도 있다.

기판이 척 플레이트 위에 탑재되는 경우, 대부분의 증착 공정은 상향식 증발원을 이용하므로, 척 플레이트와 기판은 턴 오버(플립이라고도 함) 동작을 하여야 하며, 이에 대해서는 도 7을 참조하여 후술한다.

다음은, 축전기형 척에 의해 척킹된 상태에서 기판이 여러 공정 챔버들로 이송될 때, 전력 공급 방식을 도 6을 참조하여 설명한다.

척킹 챔버 외에 여러 공정 챔버, 디척킹 챔버들을 따라 기판이 이송되는 경로에 전력 공급용 전선(400)을 배선하여 놓고, 전극에 전선(400)을 연결하여 척/디척을 스위치로 제어하는 방식(상), 전압이 흐르는 전선(400)에 연결된 전원장치(변압기 포함)를 탑재하고 여기에 전극을 연결하여, 전선(400)에 흐르는 전압을 낮게 유지하여도 필요한 고전압을 전극에 인가할 수 있게 한 방식(중), 전선(400) 없이 건전지를 척 플레이트 위에 탑재하여 전원을 공급하는 방식(하) 등이 있다. 또한, 척 플레이트에 유도코일을 탑재시키고, 기판이 이송되는 경로 중간에 켤레를 이루는 유도코일 설치하여, 쌍을 이루는 유도코일을 이용한 전자기유도현상으로 전력을 공급하는 방식이 있다. 이들은 각각 장단점을 달리하므로 필요에 따라 선택 구성하면 된다. 특히, 사용하는 전원장치는 IC 칩을 활용하여 전원장치모듈을 제작하면 경량화가 가능하다. 또한, 축전기형 척은 축전기원리를 사용함으로, 전원이 공급되지 않더라도 잔류전하에 의한 쿨롱의 힘이 유지되어 척킹상태를 유지할 수 있다.

전선(400)을 설치하여 전압을 공급하는 경우, 척킹 공정에서 척 플레이트가 기판 아래에 있는 상태에서 실시되었으면 상술한 바와 같이, 턴 오버시켜 이송하여야한다. 따라서 이러한 경우는, 턴 오버용 레일(500)을 설치할 필요가 있다. 레일(500)은 원통형이며, 척 플레이트의 어느 한 변의 길이를 원의 직경으로 하여 구성한다. 척 플레이트 쪽을 기계적인 힘으로 당겨주면 회전하여 턴 오버 되며, 전력공급용 전선은 하단과 상단 이중으로 설치할 수도 있고, 전선을 레일 원주를 따라 설치할 수도 있으며, 전극에의 연결선을 여유 있게 하여 전력이 끊기지 않게 할 수 있다. 사용하는 전원공급 방식에 따라 턴 오버용 레일이 필요하지 않을 수도 있다.

상기 실시예들에서 전극은 각각 척 플레이트와 기판이 축전기를 이루게 되는 도전체 자체에만 전기적으로 접촉되고 그외의 물질로부터 전기절연 되도록 조치함은 물론이며, 이는 당업자 상식상 자명하므로, 상세한 설명은 생략하나, 필요한 경우, 절연막 코팅, 절연체 삽입 등을 할 수 있다. 또한, 척 플레이트나 기판상에 도전체를 형성할 때, 여러 개로 분할하여 도전체를 형성할 수도 있다.

이와 같이하여, 축전기형 척으로 척킹/디척킹 하고 척킹된 상태에서 공정 진행을 위해 이송될 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다

100: 전극
101, 203: 도체판
102: 절연체판
103: 도전체층
104: 절연체
105: 베이스 플레이트
106: 전극
107: 전극 컨택부
201: 도전성 필름
202: 기판
300: 로딩 핀
400: 전선
500: (턴 오버용) 레일

Claims (5)

1. 도전체를 포함하거나 도전체로 된 척 플레이트;
   도전체를 포함하거나 도전체로 된 기판;
   상기 척 플레이트에 포함된 도전체 또는 도전체 척 플레이트와 상기 기판에 포함된 도전체 또는 도전체 기판 사이에 배치되는 절연체;및
   상기 척 플레이트에 포함된 도전체 또는 도전체 척 플레이트와 상기 기판에 포함된 도전체 또는 도전체 기판에 각각 전압을 인가하는 수단;을 포함하고,
   상기 절연체를 사이에 두고 척 플레이트에 포함된 도전체 또는 도전체 척 플레이트와 기판에 포함된 도전체 또는 도전체 기판에 각각 전압을 인가하여 전위차를 형성한 평행판 축전기를 이루어 상기 평행판 축전기 양단에 대전되는 서로 반대되는 전하의 인력으로 기판을 척킹하게 되는 것을 특징으로 하는 평행판 축전기형 기판용 정전 척.
2. 도전체 또는 절연체로 만든 척 베이스 플레이트 및 상기 척 베이스 플레이트 하단에 절연체로 포위된 도전체를 포함한 척 플레이트;
   도전체를 포함하거나 도전체로 된 기판;
   상기 척 플레이트의 절연체로 포위된 도전체와 상기 기판에 포함된 도전체 또는 도전체 기판에 전압을 인가하는 수단;을 포함하고,
   상기 절연체를 사이에 두고 척 플레이트에 포함된 도전체와 기판에 포함된 도전체 또는 도전체 기판에 각각 전압을 인가하여 전위차를 형성한 평행판 축전기를 형성하고 상기 평행판 축전기 양단에 대전되는 서로 반대되는 전하의 인력으로 기판을 척킹하게 되는 것을 특징으로 하는 평행판 축전기형 기판용 정전 척.
3. 도전체 또는 절연체로 만든 척 베이스 플레이트 및 상기 척 베이스 플레이트 하단에 다수 쌍의 도전체를 포함한 척 플레이트;
   도전체를 포함하거나 도전체로 된 기판;
   상기 척 플레이트의 상기 다수 쌍의 도전체에 전압을 인가하는 수단;을 포함하고,
   상기 다수 쌍의 도전체 하단에는 절연체를 배치하여 상기 기판과 접하게 하고,
   상기 다수 쌍의 도전체에 각각 전압을 인가하되, 각 쌍의 도전체 중 어느 한쪽은 다른 쪽 보다 더 높은 전압을 인가하여 상대적인 전위차를 형성하고, 이로 인해 상기 절연체에 인접한 도전체 기판 또는 기판에 포함된 도전체 상에 자유전하를 유도하여 상기 다수 쌍의 도전체와 도전체 기판 또는 기판에 포함된 도전체 사이에 서로 반대되는 전하의 인력으로 기판을 척킹하게 되는 것을 특징으로 하는 축전기형 기판용 정전 척.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도전체를 포함하는 기판은, 도전체 또는 도전체를 포함하는 절연막을 점착제로 상기 기판에 부착시킨 것으로 구성하는 것을 특징으로 하는 축전기형 기판용 정전 척.
5. 제1항 또는 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도전체를 포함하는 기판은, 상기 도전체 또는 도전체를 포함하는 절연막을 점착제를 사용하지 않고 상기 기판에 부착시킨 것으로 구성하는 것을 특징으로 하는 축전기형 기판용 정전 척.
   
   

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