KR101267366B1 - 플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판의 처킹을 위한 정전척 사용시, 헬륨 유입관을 통하여 기판과 헬륨 유로패널 사이로 공급되는 헬륨이 순간적으로 급속하게 공급되는 것을 예방함으로써, 열전도 증가에 따른 정전척 기능의 저하를 예방하고, 또한 플라즈마에 의한 아크를 예방하여 결국 기판이 손상됨 없이 원활한 기판의 처리가 이루어지도록 한 플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈을 제공하는데 그 목적이 있는 것으로서, 기판이 탑재되는 하부전극과, 상기 하부전극에서 기판이 안착되는 상면부위로 헬륨가스를 공급하는 헬륨가스 공급 수단을 포함하며, 상기 헬륨가스 공급수단에는 상기 헬륨가스를 하부전극과 기판 사이로 공급할 수 있도록 하는 유입관이 구비되되, 상기 유입관에는 외벽을 이루는 원통형의 케이스가 설치되고, 상기 케이스의 안쪽에는 중심축을 기점으로 회전되는 복수의 원통체가 일정간격을 두고 설치되며, 상기 복수의 원통체 외면에는 각각 일정간격을 두고 일정각도로 경사진 플레이트들이 설치되는 구성에 의해 상기 목적이 달성된다.

플라즈마, 기판, 척킹, 디처킹, 헬륨

Description

플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈{Helium module of plasma processing apparatus}

도 1은 종래의 공정챔버를 도시한 단면도.

도 2는 도 1의 A부 확대단면도.

도 3은 본 발명에 따른 헬륨 모듈이 설치된 플라즈마 처리장치의 단면도.

도 4는 도 3에서 헬륨 모듈의 확대사시도.

도 5는 도 3의 의 B-B선 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

39 : 하부전극 38b : 헬륨 유로패널

50 : 유입관 100 : 헬륨 모듈

102 : 케이스 110 : 원통체

112 : 중심축 114 : 회전 플레이트

본 발명은 플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정전척 사용시 기판으로의 열전도를 위하여 상기 기판과 하부전극 사이로 헬륨가스를 공급하는 플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 평판표시소자 제조장치는 내부에 평판표시소자 기판을 반입시키고, 플라즈마 등을 이용하여 식각 등의 처리를 실시하는데 사용된다.

이때, 평판표시소자(Flat Panel Display)는 액정 표시소자(Liquid Cristal Display), 플라즈마 디스플레이 소자(Plasma Display Panel), 유기 발광 소자(Organic Light Emitting Diodes) 등을 일컬으며, 이러한 평판표시소자 제조장치는 기판의 표면처리 등을 위하여 진공처리용 장치를 이용하게 되는데, 일반적으로 로드락 챔버(Load Lock Chamber), 반송 챔버(Transfer Chamber) 및 공정 챔버(Process Chamber) 등이 이용되고 있다.

상기 로드락 챔버는, 대기압 상태와 진공 상태를 번갈아 가면서 외부로부터 처리되지 않은 기판을 받아들이거나 처리가 끝난 기판을 외부로 반출하는 역할을 하며, 상기 반송 챔버는 기판을 각 챔버들 간에 반송하기 위한 운송 로봇이 구비되어 있어서 처리가 예정된 기판을 로드락 챔버에서 공정 챔버로 전달하거나, 처리가 완료된 기판을 공정 챔버에서 로드락 챔버로 전달하는 역할을 하며, 상기 공정 챔버는 진공 분위기 하에서 플라즈마를 이용하거나 열 에너지를 이용하여 기판 상에 막을 성막하거나 에칭을 수행하는 역할을 한다.

도 1은 상기한 챔버들 중, 공정 챔버를 개략적으로 도시한 단면도로서, 도시된 바와 같이, 공정 챔버는 일측에 게이트(Gate)(11)가 구비되어 진공 상태로의 전 환이 가능하도록 이루어지고 내부에서 공정 처리가 수행되는 챔버(10)와, 이 챔버 내부의 상부 영역에 위치되는 상부전극(22)과, 이 상부전극의 하부에 위치되어 그 상부에 기판(S)이 탑재되는 하부전극(30)으로 구성된다.

여기서 상기 상부전극(22)에는 기판(S)에 공정가스를 분사하는 샤워헤드(Shower Head)(24)가 구비된다.

상기 샤워헤드(24)에는 미세한 직경을 갖는 다수개의 확산공이 형성되는 바, 이 샤워헤드를 통해서 공정가스가 양 전극(22,30) 사이의 공간으로 균일하게 공급되며, 이와 같이 공급된 처리가스는 전극으로의 고주파 전력의 인가에 의해 플라즈마(Plasma)로 되고, 이 플라즈마에 의해 기판의 표면이 처리되는 것이다.

한편, 하부전극(30) 상에는 기판(S)이 위치되어 처리되는데, 이 하부전극(30)로는 RF 전력을 공급하는 RF 전력 공급장치(40)가 연결된다.

상기 하부전극(30)은, 최하부에 위치된 베이스플레이트(Base Plate)와, 이 베이스플레이트 상부 영역에 적재된 절연부재와, 이 절연부재 상부 영역에 적재된 냉각판(Cooling Plate)과, 이 냉각판의 상부 영역에 적재된 하부 전극부를 포함하여 이루어져 있다.

이때, 상기 하부 전극부 상에는 기판(S)이 위치되어 처리됨으로써, 챔버(10) 내부의 온도가 상승되어 기판 처리에 영향을 미칠 수 있게 되는 바, 공정 처리 중에 기판(S)의 온도가 특정 온도 이상으로 상승되지 않도록 하기 위하여 하부전극(30)에는 냉각판이 구비되는 것이다.

상기 냉각판에는 냉매순환유로가 형성되어 냉매가 순환됨으로써, 하부전 극(30)의 온도가 특정 온도 이상으로 올라가는 것을 예방하여 결국 기판이 일정한 온도로 유지되도록 한다.

이와 같이, 상부전극(22)과 하부전극(30)을 이용하여 기판(S)을 처리함에 있어서 집적도와 신뢰도를 향상시키기 위해서는 기판을 보다 정밀하게 하부전극에 고정시키는 것이 요구된다.

일반적으로 기판을 고정시키기 위한 장치는 기계적인 특성을 이용하여 고정시키는 진공척(Vacuum Chuck)과 전기적인 특성을 이용하여 웨이퍼를 고정시키는 정전척(ESC : Electro Static Chuck) 등이 널리 사용되고 있다.

상기 진공척은 단위공정들이 진공 조건하에서 수행될 경우 진공척과 외부 진공 간의 압력차이가 생성되지 않기 때문에 사용에 한계가 있고, 또한 국부적 흡입 작용에 의해 기판을 고정하기 때문에 정밀한 고정이 불가능한 단점이 있다.

반면에, 정전척은 기판 등과 같은 흡착물들을 고정하기 위해 전위차에 의해 발생되는 유전분극 현상과 정전기력 원리를 이용함으로, 정전척은 압력의 영향을 받지 않고, 기판의 미세가공이 가능한 장점이 있는 바, 플라즈마 처리장치에서 많이 사용된다.

이에, 하부전극(30)에는 정전척 전극(38a)이 실장되어 있으며, 이 정전척 전극(38a)에는 외부로부터 직류전압을 인가하는 직류전압봉이 연결되어 전기장을 형성함으로써, 하부전극(30)에 기판(S)을 보다 긴밀하게 척킹(Chucking)하게 된다.

한편, 하부전극(30)의 상면에는 도 1 및 도 2에서와 같이, 헬륨(Helium) 유로패널(38b)이 결합되며, 이 헬륨 유로패널의 상면에 기판(S)이 안착되는데, 상기 헬륨 유로패널(38b)의 상면은 헬륨이 순환할 수 있도록 그루브 패턴(Groove Pattern)(G)으로 형성되어 있고, 이러한 그루브 패턴에는 각각 외부로부터 헬륨가스(Helium Gas)를 인입하는 유입관(50)과, 이를 유출하는 유출관(52)이 연결되어 있다.

상기 헬륨가스는 하부전극(30)과 기판(S) 사이에 유입되어 순환되면서 기판의 온도제어를 보조하는 기능을 담당하게 되는 것으로서, 상기 유입관(50)을 통해 유입된 헬륨가스는 그루브 패턴을 순환한 후 유출관(52)을 통해 외부로 배출되는 과정을 거치면서 기판(S)과의 열전도 향상을 통해 온도제어를 보조하게 된다.

상기 하부전극(30)에 기판(S)을 고정시키는 척킹(Chucking) 과정과 고정된 기판을 떼어내는 디처킹(Dechucking) 과정을 설명하면 다음과 같다.

우선, 척킹(Chucking) 과정에서는 하부전극(30)의 상면 즉, 헬륨 유로패널(38b)에 기판(S)을 올려놓는다. 일반적으로 공정챔버에서는 하부전극(30)을 관통하여 승강되는 리프트 핀(Lift Pin)(60)을 이용하여 기판을 헬륨 유로패널(38b) 상면에 올려놓게 된다.

그리고, 정전척 전극(38a)에 직류 전원을 인가하여 정전척 전극과 기판(S) 사이에 정전력을 발생시켜서 기판(S)이 하부전극(30)에 고정되면, 기판(S)과 헬륨 유로패널(38b) 사이에 밀폐공간이 형성되는 바, 이 밀폐공간으로 유입관(50)을 통해 헬륨가스를 유입시켜서 기판(S)의 온도가 일정하게 유지되도록 하고, 후에 RF 전극에 전원을 인가하여 공정가스를 공급하면서 플라즈마 처리를 수행한다.

플라즈마 처리가 완료되면, 상술한 척킹(Chucking) 과정의 역순으로 디처 킹(Dechucking) 과정을 진행한다. 즉, RF 전력 및 공정가스를 차단하여 플라즈마를 제거한 상태에서, 헬륨가스를 차단한 후에 정전척 전극(38a)에 인가된 직류전원을 차단하여 정전력을 해제한다. 이와 같이 정전력이 해제된 후에는 리프트 핀(60)을 이용하여 기판(S)을 들어올려 공정챔버의 외부로 반출하면 된다.

그러나, 상기한 바와 같이 기판과 헬륨 유로패널(38b) 사이로 헬륨을 공급함에 있어서, 많은 양의 헬륨이 급격하게 공급되면 열전도의 증가로 인하여 정전척의 기능이 저하되거나 또는 RF전력 인가에 따른 플라즈마 발생으로 헬륨 유입관(50) 선단에 아크(Arc)가 발생되어 원활한 기판(S)의 처리가 이루어지지 않게 되는 문제점이 있었다.

즉, 종래에는 기판과 헬륨 유로패널(38b) 사이로 헬륨을 공급하기 위한 헬륨 유입관(50)이 수직 입사형으로 이루어져서 헬륨의 공급이 순간적으로 급속하게 이루어지게 되는 경우가 많았는 바, 급격한 열전도의 증가로 정전척 기능이 저하되는 경우가 있었으며, 또한 플라즈마에 의한 아크가 발생되어 기판이 손상되는 등 원활한 기판처리가 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

이에, 상기와 같은 제반 문제점들에 기인하여 헬륨이 순간적으로 급속하게 공급되는 것을 예방하기 위하여 헬륨 유입관을 스파이럴 타입(Spiral Type)으로 형성하거나 또는 원통형의 충진형으로 구성하여 기판과 헬륨 유로패널 사이로 헬륨이 서서히 유입되도록 하는 구성 등이 제공되었으나, 이러한 구성들로 이루어진 헬륨 모듈(Helium module) 또한 상기와 같은 문제점을 확실하게 해소하지는 못하였다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점에 착안하여 안출된 것으로서, 기판의 처킹을 위한 정전척 사용시, 헬륨 유입관을 통하여 기판과 헬륨 유로패널 사이로 공급되는 헬륨이 순간적으로 급속하게 공급되는 것을 예방함으로써, 열전도 증가에 따른 정전척 기능의 저하를 예방하고, 또한 플라즈마에 의한 아크를 예방하여 결국 기판이 손상됨 없이 원활한 기판의 처리가 이루어지도록 한 플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈은, 기판이 탑재되는 하부전극과, 상기 하부전극에서 기판이 안착되는 상면부위로 헬륨가스를 공급하는 헬륨가스 공급 수단을 포함하며, 상기 헬륨가스 공급수단에는 상기 헬륨가스를 하부전극과 기판 사이로 공급할 수 있도록 하는 유입관이 구비되되, 상기 유입관에는 외벽을 이루는 원통형의 케이스가 설치되고, 상기 케이스의 안쪽에는 중심축을 기점으로 회전되는 복수의 원통체가 일정간격을 두고 설치되며, 상기 복수의 원통체 외면에는 각각 일정간격을 두고 일정각도로 경사진 플레이트들이 설치되는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 플레이트는 일정각도만큼 회전이 가능하게 설치될 수도 있고, 상기 플레이트는 일정압력에 대하여 360도로 자유 회전이 가능하게 설치될 수도 있다.

또한, 상기 복수의 원통체들은 각각 별개로 회전이 가능하게 설치되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 헬륨 모듈이 설치된 플라즈마 처리장치의 단면도이고, 도 4는 도 3에서 헬륨 모듈의 확대사시도이며, 도 5는 헬륨 모듈의 B-B선 단면도이다.

참고로, 본 발명을 설명함에 있어서, 종래에 있어서와 동일한 부분에 대하여는 동일부호를 부여하여 설명하고, 그 반복되는 설명은 생략하여 설명하기로 한다.

도시된 바와 같이, 하부전극(30)의 상면에는 헬륨 유로패널(38b)이 결합되며, 이 헬륨 유로패널의 상면에 기판(S)이 안착되는데, 상기 헬륨 유로패널(38b)의 상면은 헬륨(Helium)이 순환할 수 있도록 그루브(Groove Pattern)(G)으로 형성되어 있고, 이러한 그루브 패턴에는 각각 외부로부터 헬륨가스를 인입하는 유입관(50)과, 이를 유출하는 유출관이 연결되어 있다.

상기 헬륨가스는 하부전극(30)과 기판(S) 사이에 유입되어 순환되면서 기판의 온도제어를 보조하는 기능을 담당하게 되는 것으로서, 상기 유입관(50)을 통해 유입된 헬륨가스는 그루브 패턴을 순환한 후 유출관을 통해 외부로 배출되는 과정을 거치면서 기판(S)과의 열전도 향상을 통해 온도제어를 보조하게 된다.

상기 헬륨가스 유입관(50)의 선단에는 외벽을 이루는 원통형의 케이 스(Case)(102)가 설치되어 있고, 상기 케이스(102)의 안쪽에는 중심축(112)을 기점으로 회전되는 복수의 원통체(110)가 일정간격을 두고 설치되어 있다.

상기 복수의 원통체(110)는 각각 별개로 회전이 이루어지도록 구성되는 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 연동이 이루어지게 구성될 수도 있다.

상기 복수의 원통체(110) 외면에는 각각 일정간격을 두고 회전가능한 회전 플레이트(Rotation Plate)들(114)이 설치되어 있다.

여기서, 상기 회전 플레이트(114)들은 일정 각도 범위내에서 회전이 이루어지도록 회전각도를 제한 할 수도 있고, 또한 360도로 자유회전이 이루어지도록 할 수도 있으며, 또한, 경우에 따라서는 설정된 각도로 경사진 상태에서 고정된 상태로 할 수도 있다.

참고로, 도면 중 미설명 부호(102)는 상기 원통체(110)가 케이스(102)에 대하여 회전가능하게 지지되도록 하는 지지체를 나타낸 것이고, (104)는 상기 원통체(110)를 지지체에 대하여 회전 가능하게 결합시키는 베어링을 나타낸 것이다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 헬륨 모듈(Helium Module)(100)이 설치된 상태에서 기판(S)의 척킹(Chucking) 과정을 설명하면 다음과 같다.

우선, 척킹(Chucking) 과정에서는 하부전극(30)의 상면 즉, 헬륨 유로패널(38b)에 기판(S)을 올려놓는다. 일반적으로 공정챔버에서는 하부전극(30)을 관통하여 승강되는 리프트 핀(Lift Pin)을 이용하여 기판을 헬륨 유로패널(38b) 상면에 올려놓게 된다.

그리고, 정전척(ESC) 전극(38a)에 직류 전원을 인가하여 정전척 전극과 기 판(S) 사이에 정전력을 발생시켜서 기판(S)이 하부전극(30)에 고정되면, 기판(S)과 헬륨 유로패널(38b) 사이에 밀폐공간이 형성되는 바, 이 밀폐공간으로 유입관(50)을 통해 헬륨가스(Helium Gas)를 유입시켜서 기판(S)의 온도가 일정하게 유지되도록 하고, 후에 RF 전극에 전원을 인가하여 공정가스를 공급하면서 플라즈마 처리를 수행한다.

이때, 상기 기판(S)과 헬륨 유로패널(38b) 사이에 형성된 밀폐공간으로 유입관을 통해 헬륨가스를 공급하게 되면, 공급되는 헬륨가스는 원통체(110)의 외면에 일정간격마다 회전가능하게 설치된 회전 플레이트(114)들 사이를 통과하면서 와류를 일으키며 상승하게 된다.

즉, 헬륨가스가 원통체(110)와 케이스(102) 사이의 공간을 통해 위로 상승되면서, 복수의 회전 플레이트(114)들 사이를 통해 기판(S)과 헬륨 유로패널(38b) 사이의 밀폐공간으로 공급된다.

이때, 헬륨가스는 복수의 회전 플레이트(114)들 사이를 통과하면서 마찰을 일으키게 되는 바, 그 마찰력이 크게 되면 회전 플레이트(114)를 회전시키면서 상승하게 되고, 그 마찰력이 크지 않으면 연접하는 회전 플레이트(114)와의 공간을 통해 경사지게 상승하게 된다.

또한, 상기 원통체(110)들 또한 공급되는 헬륨가스가 회전 플레이트(114)들과의 마찰됨에 의해 회전을 하게 되는 바, 공급되는 헬륨가스는 원통체(110)의 회전에 따른 원심력으로 회전을 하면서 상승하게 된다.

이와 같이, 유입관(50)을 통해 공급되는 헬륨가스는 원통체(110)에 의해 회 전되면서 상승되고, 또한 상기 원통체(110)의 외면에 회전가능하게 설치된 회전 플레이트(114)들에 의해 수직방향으로의 상승이 제한됨으로써, 결국 헬륨가스는 케이스(102)와 원통체(110)들 사이를 통과하면서 소용돌이침과 더불어 와류현상에 의해 순간적으로 많은 양이 통과되지는 않게 된다.

따라서, 상기 기판(S)과 헬륨 유로패널(38b) 사이의 밀폐공간으로는 순간적으로 급속하게 많은 양의 헬륨가스가 공급되지 않고 서서히 소량의 헬륨가스가 공급되게 되는 바, 기판(S)으로의 열전도가 순간적으로 커지지 않게 되어 정전척의 성능에 영향을 미치지 않으며, 또한 하부전극에 RF전원 인가에 따른 플라즈마 발생시 과공급된 헬륨가스에 의한 아크(Arc)가 발생되지 않게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈에 의하면, 정전척 사용시 기판과 헬륨 유로패널 사이의 밀폐공간으로 헬륨가스를 공급하여 상기 기판의 온도를 보조적으로 제어하는데 있어서, 상기 기판과 헬륨 유로패널 사이의 밀폐공간으로 헬륨가스가 순간적으로 급속하게 많은 양이 공급되는 것이 예방되는 바, 기판으로의 열전도 증가에 따라 정전척 성능이 저하되는 것이 예방되고, 또한 과도한 헬륨가스의 공급으로 인하여 하부전극에 RF전원 인가에 따른 플라즈마 발생시 아크가 발생되어 원활한 기판의 처리가 이루어지지 않는 것이 예방되는 유용한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 기판이 탑재되는 하부전극과, 상기 하부전극에서 기판이 안착되는 상면부위로 헬륨가스를 공급하는 헬륨가스 공급 수단을 포함하며,

   상기 헬륨가스 공급수단에는 상기 헬륨가스를 하부전극과 기판 사이로 공급할 수 있도록 하는 유입관이 구비되되, 상기 유입관에는 외벽을 이루는 원통형의 케이스가 설치되고, 상기 케이스의 안쪽에는 중심축을 기점으로 회전되는 복수의 원통체가 일정간격을 두고 설치되며, 상기 복수의 원통체 외면에는 각각 일정간격을 두고 일정각도로 경사진 플레이트들이 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 플레이트는 일정각도만큼 회전이 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 플레이트는 일정압력에 대하여 360도로 자유 회전이 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 복수의 원통체들은 각각 별개로 회전이 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치의 헬륨 모듈.

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