KR101555246B1 - 플라즈마 화학기상 장치용 전극 - Google Patents

플라즈마 화학기상 장치용 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 화학기상 장치용 전극에 관한 것으로서, 중공체로 마련되는 내부관; 상기 내부관의 둘레를 열교환유체 수용공간을 두고 둘러싸는 외부관; 상기 내부관에 수용되는 적어도 하나의 자기장발생부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 자기장발생부재의 손상 및 기능적 특성 저하를 방지함과 동시에, 열교환유체 소모량을 줄일 수 있는 플라즈마 화학기상 장치용 전극이 제공된다.

Description

플라즈마 화학기상 장치용 전극{Cathode for plasma chemical vapor apparatus}
본 발명은 플라즈마 화학기상 장치용 전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열교환 구조를 개선하여 자기장발생부재의 손상 및 기능적 특성 저하를 방지함과 동시에, 열교환유체 소모량을 줄일 수 있는 플라즈마 화학기상 장치용 전극에 관한 것이다.
반도체나 디스플레이, 태양전지 또는 포장지 제조분야 등에서 기재에 박막을 성막하거나 박막을 식각하는 공정 또는 기재의 표면 특성을 변화시키는 표면처리 등의 공정에 응용되는 기술로 진공 증착법, 스퍼터법 등의 물리 증착법(PVD법)이나, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 등이 존재한다.
이 중 화학기상증착법(CVD)을 기반으로 하는 플라즈마 화학기상 장치는 플라즈마에 의해 공정 가스를 분해하여 기재 표면에 대해 전술한 바와 같은 일련의 공정을 수행하는 방법으로 응용될 수 있는 것으로서, 공정 속도 및 공정 품질이 PVD법을 이용한 장치들에 비해 우수하여 최근 널리 이용되고 있다.
이러한 종래 플라즈마 화학기상 장치(201)는 도 1에 도시된 바와 같이, 진공챔버(230) 내부에 위치하는 기재(S)의 표면에 플라즈마를 밀집시키기 위한 구성으로서, 내부에 자기장발생부재(220)가 포함된 원형전극(210)을 구비하고 있으며, 그 하부에 기재(S)가 위치하고 있다. 전원이 원형전극(210)으로 공급되면 자기장발생부재(220)로부터 원형전극(210) 외측으로 자기장이 형성되고, 진공챔버(230) 내부로 공정 가스가 공급되면 자기장발생부재(220)에 의해 형성되는 자기장이 기재(S)의 표면 측으로 플라즈마를 밀집시킴으로써, 공정 가스의 종류에 따라서 기재(S)의 표면에 성막 공정 또는 식각 공정이나 표면처리공정이 수행된다.
한편, 종래 다른 형태의 플라즈마 화학기상 장치(101)는 도 2에 도시된 바와 같이, 기재(S)가 롤투롤 방식으로 이송되는 형태로써 내부에 자기장발생부재(120)가 포함된 원형전극(110)의 외표면에 기재(S)가 감아 도는 형태로 이송된다. 이 플라즈마 화학기상 장치(101) 역시 전원이 원형전극(110)으로 공급되면 자기장발생부재(120)로부터 원형전극(110) 외측으로 자기장이 형성되고, 진공챔버(130) 내부로 공정 가스가 공급되면 자기장발생부재(120)에 의해 형성되는 자기장이 원형전극(110)을 감아 도는 기재(S)의 표면 측으로 플라즈마를 밀집시킴으로써, 공정 가스의 종류에 따라서 기재(S)의 표면에 성막 공정 또는 식각 공정이나 표면처리공정이 수행된다.
이러한 종래 플라즈마 화학기상 장치들에 마련된 원형전극은 공정의 온도 조건에 따라서 전극 내부에 열교환유체가 관류될 수 있는데, 저온 공정일 경우 전극 내부에 냉각용 유체가 관류될 수 있고, 고온 공정의 경우 히팅용 유체가 관류될 수 있다.
일반적인 종래 플라즈마 화학기상 장치는 원형전극 내부에 열교환유체를 관류시키는 형태로 원형전극을 적절한 온도로 냉각 또는 히팅하였다.
그런데, 이러한 종래 플라즈마 화학기상 장치용 전극에 있어서는 그 내부에 자기장발생부재가 수용된 구조로서, 열교환유체에 의해 자기장발생부재가 부식되는 등의 손상을 초래할 수 있기 때문에, 자기장발생부재를 실드(Sealed) 처리해야 한다.
하지만 자기장발생부재를 실드 처리하더라도 열교환유체와 지속적으로 접촉하게 되면 실드 손상이 우려되고 이는 자기장발생부재의 손상 및 기능 저하로 이어지는 문제점으로 나타난다.
또한, 전극의 온도 상승에 따라 경우에 따라서는 열교환유체의 온도가 급격하게 상승될 수 있는데, 이는 자기장발생부재로부터 형성되는 자기장의 기능적 특성을 지속적으로 저하시키는 문제점으로 대두된다.
또한, 전극의 내부 전체에 열교환유체가 관류되므로 열교환유체 소모량이 증가할 수밖에 없는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 자기장발생부재의 손상 및 기능적 특성 저하를 방지함과 동시에, 열교환유체 소모량을 줄일 수 있는 플라즈마 화학기상 장치용 전극을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 플라즈마 화학기상 장치용 전극에 있어서, 중공체로 마련되는 내부관; 상기 내부관의 둘레를 열교환유체 수용공간을 두고 둘러싸는 외부관; 상기 내부관에 수용되는 적어도 하나의 자기장발생부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상 장치용 전극에 의해 달성된다.
여기서, 상기 열교환유체 수용공간은 복수로 구획되어 있는 것이 바람직하다.
이때, 상기 열교환유체 수용공간은 상기 내부관 및 외부관의 축선에 대해 직교하는 방향으로 단면 투영시 방사상으로 구획되면서 상호 연결된 복수의 공간으로 형성될 수 있다.
또는, 상기 열교환유체 수용공간은 상기 내부관 및 외부관의 축선 방향을 따라 복수로 구획되면서 상호 연통된 공간일 수 있다.
혹은 상기 열교환유체 수용공간은 상기 내부관 및 외부관의 축선 방향을 따라 나선 형상의 공간으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 자기장발생부재는 회전각 조절 가능하게 설치되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 자기장발생부재는 복수로 마련될 수 있다.
또한, 상기 자기장발생부재는 상기 내부관의 반경 방향을 향해 상기 내부관의 내주면에 대해 접근하는 위치와 이격되는 위치로 왕복 이동 가능하게 설치될 수 있다.
한편, 상기 내부관과 외부관은 원형 중공관으로 마련되며, 상기 외부관의 외경은 100mm 내지 2000mm인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 자기장발생부재의 손상 및 기능적 특성 저하를 방지함과 동시에, 열교환유체 소모량을 줄일 수 있는 플라즈마 화학기상 장치용 전극이 제공된다.
도 1 및 도 2는 종래 플라즈마 화학기상 장치의 개략도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 화학기상 장치의 전극 단면사시도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 화학기상 장치의 전극 단면사시도,
도 5 내지 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 화학기상 장치의 전극 단면도.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 화학기상 장치용 전극(1)은 이중관으로 구성된 전극본체(10)와, 전극본체(10) 내에 수용되어 전극본체(10) 외측으로 자기장을 형성하는 적어도 하나의 자기장발생부재(20)를 포함한다.
전극본체(10)는 중공체의 내부관(11)과, 내부관(11)의 둘레를 열교환유체 수용공간(15)을 두고 둘러싸는 외부관(13)으로 구성될 수 있다. 이 전극본체(10)의 내부관(11)과 외부관(13)은 원형 중공관으로 마련되는 것이 바람직하나 경우에 따라서는 다각형 관체로 마련될 수도 있다.
그리고 전극본체(10)는 플라즈마 발생 시 열화 방지 및 안정적인 플라즈마 발생을 위해 회전될 수도 있으며, 경우에 따라 고정된 형태로 사용될 수도 있다. 전극본체(10)가 회전되는 경우 별도의 구동모터(미도시) 등의 구동수단을 이용하여 회전될 수 있으며, 회전 상태에서 열교환유체 수용공간(15)으로 열교환유체가 순환되기 위해서 별도의 열교환유체분배부(미도시)를 구비할 수 있다. 여기서, 열교환유체분배부는 일반적인 회전체에 유체를 공급하는 로타리조인트 등으로 마련될 수 있다.
이러한 전극본체(10)의 내부관(11)과 외부관(13)은 플라즈마 내성이 우수하고, 내열성과 냉각 효율 또는 열전도율이 우수하면서 비자성재료로서 가공성이 우수한 금속관체로 마련되는 것이 바람직한데, 구체적으로는 알루미늄이나 철, 동, 스테인레스, 마그네슘, MO, Ti 등의 금속관체로 마련될 수 있다.
또한 전극본체(10)의 직경은 기재의 면적이나 종류 등의 여건에 따라 다양하게 변경될 수 있는 것으로 그 직경은 100mm 내지 2000mm에서 적절히 선택될 수 있다.
한편, 전극본체(10)의 내부관(11)과 외부관(13) 사이에 형성되는 열교환유체 수용공간(15)은 상호 연통된 상태에서 복수로 구획될 수 있으며, 경우에 따라서 단일의 공간으로 형성되는 것을 포함하여 열교환 효율을 고려하여 다양한 형태로 형성될 수 있다.
예컨대, 도 4와 같이, 열교환유체 수용공간(15)은 내부관(11) 및 외부관(13)의 축선에 대해 직교하는 방향으로 단면 투영시 방사상으로 구획되면서 상호 연결된 복수의 공간으로 형성될 수도 있다.
또는 열교환유체 수용공간(15)은 내부관(11) 및 외부관(13)의 축선 방향을 따라 복수로 구획되면서 상호 연통된 공간으로 형성될 수 있는데, 도 4와 같이, 축선 방향에 평행한 방향 또는 도시하지 않았지만, 축선 방향에 직교하는 방향으로 열교환유체 수용공간(15)들이 상호 연통되도록 형성될 수 있다.
또 다른 형태로서 열교환유체 수용공간(15)은 도시하지 않았지만, 내부관(11) 및 외부관(13)의 축선 방향을 따라 나선 형상의 공간으로 형성될 수도 있다.
이러한 열교환유체 수용공간(15)은 내부관(11)과 외부관(13) 사이에 형성되는 범위에서 다양하게 변경될 수 있다.
여기서 열교환유체 수용공간(15)은 기밀된 상태에서 열교환유체를 수용하되, 열교환유체는 도시하지 않은 순환펌프 등에 의해 순환되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 전극본체(10)의 열교환 효율을 극대화할 수 있다.
열교환유체 수용공간(15)에 수용되는 열교환유체로서 공정 조건에 따라서 저온 공정일 경우 냉각용 유체가 관류될 수 있고, 고온 공정의 경우 히팅용 유체가 관류될 수 있다.
한편, 자기장발생부재(20)는 내부관(11) 내에 단일의 자기장발생부재(20)로 마련되어 외부관(13) 외측을 향해 자기장을 형성한다. 이 자기장발생부재(20)는 전극본체(10) 내부에 고정되는 형태로 마련되거나 자기장 강도 및 방향 조절을 위해서 도 6 및 도 8과 같이, 회전각 조절 가능하게 마련될 수 있다. 또한, 자기장발생부재(20)는 도 5 및 도 7과 같이, 내부관(11)의 반경 방향을 향해 내부관(11)의 내주면에 대해 접근하는 위치와 이격되는 위치로 왕복 이동 가능하게 마련되어 자기장의 강도를 조절할 수 있다.
여기서, 하나의 자기장 발생부재(20)는 전극본체(10)의 길이에 대응하는 길이를 갖는 중앙 마그네트(21)와, 중앙 마그네트(21)와 다른 극성을 가지고 중앙 마그네트(21)의 둘레에 트랙형상으로 배치되는 외측 마그네트(23)를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 마그네트의 구조는 기재를 향하는 전극본체(10)의 외측면에 레이스 트랙 형상의 플라즈마 트랙을 발생시키기 위한 구조이다.
물론, 자기장발생부재(20)는 전극본체(10)의 직경에 따라서 전술한 바와 같이 단일의 자기장발생부재(20)로 마련되거나 도시하지 않았지만 복수의 자기장발생부재(20)로 마련될 수 있다.
이때 자기장 발생부재(20)들의 마그네트 극성은 플라즈마를 기재의 표면 영역에 안정적으로 밀집시킬 수 있는 범위에서 다양한 극성 배치를 가질 수 있다.
전술한 자기장발생부재(20)의 회전각 조절은 수동적 또는 전원공급에 의한 자동적 구성일 수 있는 것으로서, 자동적 구성의 경우 별도의 제어부를 이용하여 자기장발생유닛의 회전각을 조절할 수 있다. 이러한 자기장발생부재(20)의 회전각조절부(30)은 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 전극본체(10)의 중심에 회전축(31)을 마련하고, 이 회전축(31)에 자기장발생부재(20)를 지지하는 회전지지부재(33)를 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 그리고 자기장발생부재(20)의 회전각 조절이 자동적으로 이루어지는 경우는 구동모터(미도시) 등을 이용하여 회전축(31)을 회전시키는 형태일 수 있는데, 이 경우 구동모터(미도시)는 클러치(미도시) 구성을 포함하여 자기장발생부재(20)의 회전각 조절 외에 전극본체(10)를 회전시키는 용도로도 함께 이용될 수 있다.
그리고 전술한 자기장발생부재(20)의 내부관(11) 반경방향으로의 왕복 거리조절은 도 5 및 도 7과 같이, 자기장발생부재(20)를 전극본체(10)의 반경 방향으로 왕복 이동시키는 거리조절수단(40)을 포함하는 구성에 의해 구현될 수 있는 것으로서, 거리조절수단(40)은 자기장발생부재(20)의 왕복 이동을 지지하는 가이드부(41)와, 자기장발생부재(20)를 가이드부(41)에 대해 이동 거리 조절 가능하게 이동시키는 거리조절부(43)로 마련될 수 있다.
이때, 가이드부(41)는 내부관(11) 중앙 영역으로부터 내부관(11)의 내주면 일 측을 향하는 고정가이드(45)와, 자기장발생부재(20)를 지지하면서 고정가이드(45)에 대해 상대 이동하는 이동가이드(47)로 구비될 수 있고, 이들 고정가이드(45)와 이동가이드(47) 사이에는 원활한 상대 이동을 위한 구름롤러나 베어링 등의 구름수단이 개재될 수 있다.
또한, 거리조절부(43)는 이동가이드(47)를 고정가이드(45)에 대해 상대 이동시키기 위한 구동력을 제공하는 것으로서, 이동가이드(47)를 이동 거리 조절 가능하게 내부관(11)의 내주면에 대해 접근하는 위치와 이격되는 위치로 밀거나 당기는 구동력전달수단으로서 솔레노이드 또는 실린더나, 원동 기어나 캠 및 피동 기어나 캠 등을 포함하면서 모터에 의해 원동 기어나 원통 캠을 구동시키는 모터 등을 포함하는 구성 등의 자동적 구성으로 마련될 수 있다.
물론, 거리조절부(43)는 고정가이드(45)와 이동가이드(47) 간에 스토퍼 구조를 형성하고, 작업자가 전극본체(10)를 개방하여 수종으로 이동가이드(47)의 이동 거리를 조절하는 수동적 구성일 수도 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 플라즈마 화학기상 장치용 전극(1)은 전술한 바와 같이, 기재의 일 측에 전극(1)이 배치되는 형태의 플라즈마 화학기상 장치나 기재가 롤투롤 형태로 이송되는 형태의 플라즈마 화학기상 장치에 모두 이용될 수 있는 것으로서 공정 수행 과정에서 전원공급 및 플라즈마 발생에 의해 전극본체(10)에 고온이 발생하면 내부관(11)과 외부관(13) 사이의 열교환유체 수용공간(15)으로 관류하는 열교환유체에 의해 효과적으로 냉각 또는 히팅된다.
그리고 자기장발생부재(20)는 내부관(11) 내측에 수용되기 때문에, 열교환유체에 직접적으로 노출되지 않는다.
즉, 자기장발생부재(20)는 열교환유체와 상이한 공간에 위치함으로써 부식 등의 손상으로부터 안전하게 보호됨으로써, 자기장발생부재(20)의 손상 및 기능적 특성 저하를 원천적으로 방지할 수 있다.
또한, 열교환유체는 외부관(13)과 내부관(11) 사이의 열교환유체 수용공간(15)으로만 관류되므로 열교환유체 수모량을 현격하게 저하시킬 수 있다.
이와 같은 플라즈마 화학기상 장치용 전극은 플라즈마 CVD 방법을 응용하는 성막 장치나 식각 장치 및 표면처리장치에서 해당 공정을 수행하기 위한 전극으로 사용될 수 있다.
10 : 전극본체 11 : 내부관
13 : 외부관 15 : 열교환유체 수용공간
20 : 자기장발생부재 21 : 중앙마그네트
23 : 외측마그네트 30 : 회전각조절부
40 : 거리조절수단

Claims (9)

  1. 플라즈마 화학기상 장치용 전극에 있어서,
    중공체로 마련되는 내부관 및 상기 내부관의 둘레를 열교환유체 수용공간을 두고 둘러싸는 외부관을 포함하고, 회전하는 전극 본체; 및
    상기 내부관에 수용되는 적어도 하나의 자기장발생부재;를 포함하고,
    상기 열교환유체 수용공간은 복수로 구획되어 형성되되, 상기 내부관 및 외부관의 축선에 대해 직교하는 방향으로 단면 투영시 방사상으로 구획되어 형성되며, 상호 연통되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상 장치용 전극.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열교환유체 수용공간은 상기 내부관 및 외부관의 축선 방향을 따라 나선 형상의 공간으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상 장치용 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자기장발생부재는 회전각 조절 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상 장치용 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자기장발생부재는 복수로 마련되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상 장치용 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자기장발생부재는 상기 내부관의 반경 방향을 향해 상기 내부관의 내주면에 대해 접근하는 위치와 이격되는 위치로 왕복 이동 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상 장치용 전극.
  9. 제1항, 제5항, 제6항, 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 내부관과 외부관은 원형 중공관으로 마련되며, 상기 외부관의 외경은 100mm 내지 2000mm인 것을 특징으로 하는 플라즈마 화학기상 장치용 전극.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001049440A (ja) 1999-08-13 2001-02-20 Mitsubishi Heavy Ind Ltd プラズマｃｖｄ製膜方法及びプラズマｃｖｄ製膜装置
JP2010265527A (ja) * 2009-05-18 2010-11-25 Kobe Steel Ltd 連続成膜装置

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