KR101735993B1 - 대전 처리에 의한 기판 척킹 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 좀 더 간소화된 척킹 방법 및 척킹 시스템을 제안하되, 안정되게 기판을 척킹할 수 있고, 쉽게 디척될 수 있는 새로운 척킹 방법 및 척킹 시스템을 제공하고자 하는 것이다. 상기 목적에 따라 본 발명은, 기판과 척 플레이트의 도체판을 서로 반대 전하로 대전시켜 서로 밀착되는 계면에서 강한 정전인력이 미쳐 강력한 척킹이 일어나게 하였다.
즉, 본 발명자들은, 기판과 척을 밀착시켜도 그 계면을 확대하여 보면, 계면은 플랫하지 않고 불규칙한 요철 면을 이루기 때문에 완전히 서로 맞물리는 부분과 서로 들 뜬 상태로 있는 부분을 갖게 되며, 밀착되는 부분에서의 정전 인력은 매우 강하여 강력한 척킹이 이루어질 수 있음을 인식하여 그에 따라 기판과 도체 판을 대전시켜 서로 밀착시킴으로써 매우 강력한 척킹이 일어나게 하였다. 기판과 도체 판이 밀착된 계면에서의 거리는 매우 작아, 거리제곱에 반비례하는 쿨롱의 힘이 작용하기 때문이다.

Description

대전 처리에 의한 기판 척킹 방법 및 시스템{CHUCKING METHOD AND SYSTEM FOR SUBSTRTE BY CHARGING}
본 발명은 반도체, OLED, 디스플레이, 태양전지, 조명 등 각종 박막 소자를 만드는 제조공정에서 기판 또는 웨이퍼를 잡아주는 척킹 방법 및 척킹 시스템에 관한 것이다.
반도체 칩 또는 디스플레이 패널을 제작하기 위해, 실리콘 웨이퍼 또는 유리와 같은 투명 소재 기판에 박막을 증착하는 공정에서 기판을 붙잡아 주는 척(chuck)을 요하게 된다. 척으로 기판을 붙잡아 여러 챔버들로 기판을 이송하여 주며, 기판에 균일하게 박막을 형성하도록 처짐없이 기판을 붙잡아 주는 것이 척이다. 이러한 척은 반도체 웨이퍼에도 적용된다.
기판 척은 안정되게 기판을 붙잡을 수 있어야 하고, 공정을 모두 마친 기판으로부터 용이하게 디척(dechuck) 되어야 하고 기판에 손상을 입히지 않아야 한다.
기존에 제안되어 사용되고 있는 척으로서, 전기적인 인력을 이용하는 정전 척(대한민국 공개특허번호 10-2010-0043478호), 점착제가 도포 된 점착 부재를 이용하는 점착 척, 진공 흡착력을 이용하는 진공 척, 정전기 적인 인력을 이용하되, 축전기 형태를 만들어 기판을 척킹하는 축전기 척 등이 있다. 이러한 많은 척들이 제안되어 있지만, 실제 공정에서 정교한 구조로 제작된 척의 사용환경에 따라 마모 손상 등으로 수명이 짧아진다. 특히 대면적 기판용 척은 전체를 뒤집는 플립 동작에서 휨 변형 등이 발생 되어 고가의 척 플레이트를 자주 교체해야 하는 문제가 있다.
또한, 증착 공정을 전후하여, 플라즈마 세정이 실시되는데, 이때, 플라즈마에 의해 기판과 척 플레이트 표면에 강하게 대전 되어 제전을 실시해야 하는 불편이 생기며, 제전을 하지 않을 경우, 기판과 척 플레이트의 하전상태로 인해 기판과 척 플레이트가 일부 강하게 부착되어 디척되지 않거나, 챔버 내 오염물이 기판에 달라붙는 문제가 발생 된다.
따라서 본 발명의 목적은 좀 더 간소화된 척킹 방법 및 척킹 시스템을 제안하되, 안정되게 기판을 척킹할 수 있고, 쉽게 디척될 수 있는 새로운 척킹 방법 및 척킹 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명이 새롭게 제안하고자 하는 척킹 방법 및 척킹 시스템은 아웃 개싱이 적고 고온에서도 사용될 수 있으며, 내구성이 좋아 유지 비용 및 생산비를 절감할 수 있는 장점을 구비한다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 기판을 대전시키고 대전된 기판에 의하여 반대 극성의 전하가 유도되는 도체판을 척 플레이트로 사용하거나, 절연판을 반대 극성으로 대전 시켜 척 플레이트로 사용하여 계면에서 강한 정전인력이 일어나게 하였다.
즉, 본 발명자들은, 기판과 척을 밀착시켜도 그 계면을 확대하여 보면, 계면은 플랫하지 않고 불규칙한 요철 면을 이루기 때문에 완전히 서로 맞물리는 부분과 서로 들 뜬 상태로 있는 부분을 갖게 되며, 밀착되는 부분에서의 정전 인력은 매우 강하여 강력한 척킹이 이루어질 수 있음을 인식하여 그에 따라 척킹 하고자 하는 기판을 미리 대전시키고 그 기판을 접지된 도체 판에 밀착시킴으로써 척에 반대극성의 전하가 유도되어 매우 강력한 척킹이 일어나게 하였다. 기판과 도체 판이 밀착된 계면에서의 거리는 매우 작아, 거리제곱에 반비례하는 쿨롱의 힘이 작용하기 때문이다.
본 발명은, 기판의 전면 또는 후면을 정전기 대전 수단에 의해 대전시키고, 기판의 후면을 도체 판 형태의 척 플레이트에 부착시키는 처킹 방법을 제공한다.
본 발명은, 상기에서, 도체 판에 얇은 유전체 코팅막을 입힐 수 있다.
본 발명은, 상기에서, 유전체 척 플레이트에 기판 후면과 반대 극성의 전하를 대전시켜 기판과 척 플레이트를 척킹할 수 있다.
본 발명은, 상기에서, 정전기 대전을 위해, 기판에 마찰전기를 발생시키는 방법, 플라즈마 처리방법 또는 이온 빔 처리방법을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 대전 된 기판과 도체 판의 디척킹을 위해, 척 플레이트에 기판을 지지하는 디척 핀을 통과시킬 핀홀을 형성하여 핀에 기계적인 힘을 가하여 밀어내는 방법으로 디척킹을 하며 필요시 가스를 송풍하거나, 이오나이저로 제전을 하거나, 척 플레이트에 외부전압 인가를 병행하면서 할 수 있다.
상기에서, 본 발명은, 기판과 도체판의 디척킹을 위해, 척 플레이트에 미세한 가스 주입공 또는 가스 주입홈을 형성할 수 있다.
한편, 본 발명은, 기판에 정전기를 대전시키고, 대전 된 기판에 금속 호일을 부착하고, 정전척 또는 축전기 척으로 기판을 척킹하는 방법도 제공한다.
또한, 본 발명은, 대면적 기판을 척에 안착하는 과정에서 기계적 얼라인먼트를 실시할 때, 기판의 처짐으로 인해 기판 일부와 척이 붙는 것을 방지 또는 기판과 척 사이 정전기 인력을 약화하여 기계적 얼라인먼트 정확도를 확보하기 위한 수단으로 기판 안착 동안 척 플레이트에 외부 전압을 인가하여 얼라인한 다음 기판의 정전기를 이용하여 기판과 척 플레이트를 척킹하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
상기의 방법으로 기판과 척 플레이트가 척킹된 상태를 디척킹 하기 위해,
척 플레이트는, 기판을 지지하는 핀이 통과할 수 있는 핀홀을 구비하며,
핀은, 프레임에 설치되어 상승과 하강 될 수 있고, 척 플레이트 아래에 배치되며,
기판과 척 플레이트를 분리하기 위해, 상기 핀이 상승 되어 상기 핀홀을 통과하여 기판을 지지하고 상승시켜 기판과 척 플레이트를 분리하는 디척킹 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기에 있어서, 척 플레이트는 송풍 되는 가스를 통과시킬 수 있는 가스 주입공 또는 가스 주입홈을 구비하여, 기판과 척 플레이트에 가스를 송풍하여 주는 것을 특징으로 하는 기판과 척 플레이트를 분리하는 디척킹 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 기판의 일면 또는 양면을 정전기로 대전시키고,
금속 호일을 대전 된 기판 면에 부착하고,
금속 호일은 기판면에 대전된 전하와 반대 극성의 전하가 유도되어 정전인력으로 부착되고,
금속 호일이 부착된 기판을 정전 척으로 척킹하는 것을 특징으로 하는 기판 척킹 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
기판의 일면 또는 양면을 정전기로 대전시키고,
금속 호일을 대전 된 기판 면에 부착하고,
금속 호일은 기판면에 대전된 전하와 반대 극성의 전하가 유도되어 정전인력으로 부착되고,
금속 호일 면을 커패시터의 제1 극판으로 하고, 여기에 대향하는 제2 극판을 설치하되, 제1 극판과 제2 극판 사이에 유전체가 배치되도록 제2 극판의 하면에 유전체가 부착되어 있는 것을 적용하고,
제1 극판과 제2 극판에 서로 다른 전압을 인가하여 전위차를 주어 축전기를 형성하여 기판을 척킹하는 것을 특징으로 하는 기판 척킹 방법을 제공한다.
기판의 일면 또는 양면에 정전기를 형성하고,
도체 또는 부도체 코팅막을 구비한 도체로 된 척 플레이트에 정전기로 대전된 기판을 안착시켜, 척 플레이트에 유도되는 전하에 의해 정전기력으로 기판과 척 플레이트를 척킹하고,
기판과 척 플레이트를 디척킹하기 위해,
기판과 척 플레이트에 가스를 송풍하여 주는 송풍가스 이용방법, 이온발생기를 구동하여 제전하는 방법, 외부전압을 척 플레이트에 인가하여 기판에 대해 척력을 주는 방법, 또는 척 플레이트에 기판을 지지하는 핀이 통과할 수 있는 핀홀을 구비시키고 디척핀을 핀홀로 통과시켜 기계적으로 디척킹하는 방법 중 어느 하나 또는 다수의 방법을 함께 적용하여 기판과 척 플레이트를 디척킹하며,
상기 척 플레이트는, 다수의 도트가 양각으로 솟아오른 엠보싱 구조의 도트 어레이를 구비하여, 기판이 척 플레이트에 척킹된 상태에서 기판과 척플레이트 사이에 제전가스가 원활하게 주입되도록 하여, 디척킹을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는 기판과 척 플레이트의 척킹 및 디척킹 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 안정되게 기판을 척킹할 수 있고, 쉽게 디척될 수 있으며, 기판이 플라즈마 세정 과정을 거쳐 기판이 하전 된 상태를 제전 없이 그대로 척킹에 응용할 수 있어 매우 간단하면서도 효과적이다.
또한, 본 발명의 척킹 방법 및 척킹 시스템은 종래의 전극형성구조를 포함하는 고가의 정전척과 달리 간단한 금속판 또는 절연막이 코팅된 금속판 자체만으로 기판을 척킹하여, 척 자체에 미세구조의 전극이 필요하지 않아 척 제작비가 저렴하면서도 매우 강력하게 기판을 척킹할 수 있고, 단순한 구조로 인해 진공 챔버 내에서 아웃 개싱이 적고 고온에서도 사용될 수 있으며, 내구성이 좋아 척을 사용하는 시스템의 유지 관리가 간단하여 유지비용 및 생산비를 절감할 수 있는 장점을 구비한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 척킹 원리를 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.
도 3은 본 발명을 실시하기 위한 척 플레이트의 구성과 기판을 로딩하는 로딩 핀을 보여주는 사시도 이다.
도 4는 이온발생기를 이용하여 기판을 대전시키는 것을 설명하는 단면도이다.
도 5는 플라즈마를 이용하여 기판을 대전시키는 것을 설명하는 단면도이다.
도 6은 마찰전기를 이용하여 기판을 대전시키는 것을 설명하는 사시도 이다.
도 7은 마찰전기를 일으킬 수 있는 마찰 브러쉬를 보여주는 사시도 이다.
도 8은 기판 이송 도중 마찰전기를 일으켜 대전시키는 방법을 설명하기 위한 사시도 이다.
도 9는 기판과 척 플레이트의 합착 공정을 설명하는 단면도이다.
도 10은 기판과 척 플레이트의 분리공정을 설명하는 단면도이다.
도 11은 기판과 척 플레이트의 분리공정에서 이오나이저를 사용하는 것을 설명하는 단면도이다.
도 12는 기판과 척 플레이트의 분리공정에서 송풍하는 것을 설명하는 단면도이다.
도 13은 기판과 척 플레이트의 분리공정에서 외부에서 전압을 인가하는 방법을 설명하는 단면도이다.
도 14는 기판과 척 플레이트의 분리공정을 용이하게 하기 위해, 척 플레이트에 도트 어레이를 적용한 것을 보여주는 도트형 척 플레이트 사시도 이다.
도 15는 도트 형 척 플레이트의 단면도이다.
도 16은 도트 형 척 플레이트에 기판이 척킹 된 상태를 보여주는 단면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1과 도 2는 본 발명의 척킹 원리를 설명하기 위한 개념적인 단면도이다.
정전기 대전 수단(20)에 의해 기판(10)의 후면에 정전기를 대전 시키고, 도체판으로 된 척 플레이트(30)를 대전 된 기판 후면에 부착하면, 척 플레이트(30)의 계면에는 기판 후면에 대전된 전하와 반대 극성을 갖는 자유전하가 유도되어 정전 인력으로 강하게 서로 부착된다.
이때 기판(10)과 척 플레이트(30)의 경계면을 확대하면, 타원 내의 그림과 같이, 계면은 완전히 플랫한 상태가 아니라 울퉁불퉁한 상태이다. 즉, 분자 수준의 크기에서 접근하면, 기판(10)과 척 플레이트(30)는 서로 많은 틈새를 불규칙하게 두고 맞붙어 있다. 필요에 따라 평편한 기판에 인위적으로 미세굴곡을 형성시켜 척 플레이트를 제작할 수도 있다. 기판과 척 플레이트가 맞붙어 완전히 밀착된 지점에서는 도체의 전하가 기판으로 방전되어 그 점은 전하를 띄지 않을 수도 있지만 기판은 부도체이어서 밀착된 점 주위는 전하이동이 없기 때문에 더 이상의 연쇄방전은 일어나지 않으며 밀착된 점들의 면적은 전체 면적에 비하면 매우 적은 부분이기 때문에 대부분의 면적에서 정전기력이 존재한다. 전하들 사이의 거리 제곱에 반비례하는 쿨롱의 힘에 의한 인력은 전체적으로 강하지만, 완전히 밀착된 지점 주위에서는 거리가 매우 작아서 매우 강력하다. 본 발명은 이러한 미세한 수준의 계면 구조를 인식하여 대전에 의한 정전인력으로 기판(10)과 척 플레이트(30)를 서로 합착하는 방안을 제안한 것이다.
기판(10)은 정전기로 대전 될 수 있는 유리 또는 실리콘, 폴리머 소재이고 척 플레이트(30)는 도체 판 자체이거나 도체 판에 얇은 유전체(부도체, 절연체라고도 함) 코팅막을 형성한 것일 수 있다. 도체 판에 얇은 유전체(예를 들면, 세라믹, 테플론 등)를 코팅한 경우에도, 유전체의 다이폴과 그 밑에 있는 도체의 자유전하를 유도하므로 기판과 정전기적 인력으로 척킹될 수 있다. 또한, 유전체가 코팅된 척 플레이트의 유전체 표면에 대전 수단으로 정전기를 대전시켜 표면이 대전 될 수 있고, 그에 따라 기판 후면과 정전 인력으로 유전체 코팅면을 갖는 척 플레이트를 부착할 수 있다. 부착될 척 플레이트(30)에도 기판 후면의 정전기와 반대 극성을 갖는 정전기를 대전 수단에 의해 대전 시킨 다음, 기판(10)과 척 플레이트(30)를 맞붙여도, 강한 정전 인력으로 서로 부착된다. 척 플레이트가 부도체일 경우, 이러한 방법이 유용하나, 도체일 경우, 유도 전하를 이용하기 때문에 구태여 대전과정을 실시할 필요는 없다.
도 2를 보면, 기판(10)의 후면을 정전기로 대전하여 도체 척 플레이트(30)에 부착함에 있어서, 척 플레이트(30)를 전기적으로 고립시킨 경우와 외부 접지에 연결한 경우 각각에 대한 전하분포가 나와있다.
척 플레이트(30)가 접지된 경우에는 접지를 통해 전하가 공급되므로 기판(10)과 척 플레이트(30)의 경계면에만 전하가 분포한다. 척 플레이트(30)가 전기적으로 고립된 경우에는 도체인 척 플레이트(30) 내부의 전하 재분포에 의해 경계면에 기판(10)과 반대 극성의 전하가 분포되고, 척 플레이트의 후면에는 기판(10)에 대전 된 것과 같은 극성의 전하가 대전 된다. 그러나 어느 경우에나 기판과 척 플레이트(30) 사이에는 정전기력이 작용하고 척 플레이트(30)의 두께가 충분히 두꺼우면 두 경우 정전기력은 거의 차이가 없다. 따라서 본 발명의 척 플레이트(30)는 전기적으로 접지하여 사용할 수도 있고 전기적으로 고립시켜서 사용할 수도 있다. 이러한 특성은 실제 공정장치 구성을 유연하게 할 수 있는 장점이 된다.
도 3은 본 발명을 실시하기 위한 척 플레이트(30)의 구성과 기판(10)을 로딩하는 로딩 핀(300)을 보여준다.
도 3의 척 플레이트(100)는 기판(10)과 같은 평면을 갖는 플레이트를 기본으로 하며, 기판(10)을 로딩할 때 기판을 지지하는 로딩 핀(300)이 통과할 수 있는 핀홀(110)을 구비한다. 챔버 내에 로딩 핀 프레임(310)에 로딩 핀(300)이 설치된 기판 로딩 부재가 배치되며, 척 플레이트가 기판 로딩 부재 위로 배치되고, 기판이 척 플레이트 위로 반입되면, 로딩 핀(300)이 상승 되어 척 플레이트(100)의 핀홀(110)을 통과하여 기판을 로딩한다. 로딩 핀(300)이 기판(10)을 지지한 상태에서 하강 되어 기판(10)과 척 플레이트(100)가 합착 된다. 이러한 기판 로딩 과정은 도 9에 설명되어 있다.
도 3에서는 척 플레이트 자체의 구성에 대하여 몇몇 실시예가 나와 있다. 즉, 단순히 금속 플레이트 또는 유전체가 코팅된 금속 플레이트에 로딩 핀을 위한 핀홀(110)이 형성되어 있는 것(100), 그 외 미세한 가스 주입공(120)을 구비한 것(150), 또는 가스 주입홈(130)을 구비한 것(160)이 있다. 미세한 가스 주입공(120) 또는 가스 주입홈(130)을 형성한 것은, 기판과 척 플레이트의 디척 과정에서 가스를 주입하여 송풍에 의해 디척을 더욱 용이하게 하고자 한 것이다.
핀홀(110)은 박막이 형성되지 않는 데드 존(예를 들면, 테두리와 중심을 지나는 십자로)에 형성하고, 미세한 가스 주입공(120)은 척 플레이트 전면에 걸쳐 가스 주입공(120) 사이 간격이 수 mm에서 수십 mm 이내 범위 안(예를 들면, 1 mm 내지 20mm)에서 형성한다. 가스 주입홈(130)은 가스 주입이 잘 되도록 척 플레이트 표면 한쪽 가장자리에서 시작하여 다른 가장자리에서 끝나는 형태로 척 플레이트 전면에 걸쳐 음각으로 파내어 다수 형성한다. 가스 주입홈(130) 사이의 간격은 수 mm에서 수십 mm 이내(예를 들면, 1 mm 내지 20mm)가 되도록 한다.
도 4는 기판(10)의 후면을 대전시키기 위한 수단으로 이온 발생기를 사용하는 것을 보여준다.
기판(10) 정지 시 또는 이송 중 기판(10) 아래에 위치한 이온 발생기(40)로부터 공급된 정전기에 의해 비접촉 방식으로 정전기를 대전시킨다. 기판을 정지시켜 놓고 대전시키는 경우 기판이 지지 핀(50)들에 의해 지지 되어 있는 상태에서 정전기 대전을 실시한다. 지지 핀(50)은 부도체로 제작하여 기판(10) 접촉 중 정전기에 영향이 없도록 한다. 이온 발생기(40)의 위치는 고정하거나, 필요시에는 구동부를 결합하여 좌우 스캔이 가능하게 한다. 좌우 스캔이 가능한 경우 기판 전면을 고르게 대전하기 위해 필요한 이온 발생기 개수를 줄일 수 있다. 기판 이송 중에 대전시키는 경우 이송 롤러(55)를 부도체 소재로 제작해 기판 정전기에 영향이 없도록 한다. 부도체인 지지 핀(50)이나 이송 롤러(55)는 기능성 플라스틱인 PEEK 등으로 제작할 수 있다. 이온 발생기(40)에 의해 기판의 전면과 후면이 모두 대전되어도 척 플레이트와 정전인력으로 처킹 하는 데에는 문제가 없다.
도 5는 기판(10)의 후면을 플라즈마 처리로 대전시키는 것을 보여준다.
공정 챔버(60) 내부에 플라즈마 발생을 위한 한 쌍의 전극(80) 사이에 기판(10)을 고정부재(70)로 배치하고, 방전 가스를 주입하고, 플라즈마 발생용 전원(90)으로 플라즈마를 발생시켜 기판(10)의 후면이 대전 되게 한다. 상기에서 기판 고정부재(70)는 지지핀, 집게, 지지 기구물일 수 있다. 플라즈마에 의해 후면이 대전된 기판(10)을 척 플레이트 위에 안착하여 기판을 척에 부착한다. 이 경우, 기판(10)은 전면과 후면 모두 대전될 수 있으나 척 플레이트와의 정전 척킹에는 문제가 없다.
특히, 기판(10)에 대한 플라즈마 처리는 기판에 박막을 증착하는 공정에서 기판 세정 목적으로 실시되고 있어, 플라즈마 세정 과정은 기판과 척 플레이트의 척킹을 위한 대전 과정으로 자연스럽게 겸비될 수 있다.
도 6은 마찰전기를 이용하여 기판을 대전시키는 것을 설명하는 사시도 이다.
기판(10)의 후면 또는 전면을 정전기로 대전시키기 위해 마찰전기를 이용한다. 마찰수단(200)으로는 원통형 물체 외부에 필라멘트를 고정시키거나 필름형태의 물질을 원통형 물체 외부에 감거나, 또는 필름형태의 물질의 얇은 두께부분을 원통형 물체에 고정시킨 마찰 브러쉬를 이용한다. 마찰브러쉬의 구체예는 후술된다.
즉, 기판에 대해 각종 공정을 진행하던 도중, 이전의 공정으로부터 넘겨진 기판을 기판 고정부(260)(예를 들면, 스토퍼 등)을 이용하여 기판이 움직이지 않게 하고, 마찰 수단(마찰 브러쉬나 마찰 롤러)을 회전시켜 기판 후면에 마찰에 의한 정전기를 발생시킨다. 이로 인해 기판 후면이 대전 된다. 마찰 수단(200)의 회전속도를 조절하여 기판에 시간당 공급되는 마찰에너지를 조정할 수 있고 대전 되는 마찰전기량은 마찰에너지에 비례하므로, 기판을 척킹해야 하는 공정시간에 따라 회전속도를 조절한다. 기판 후면을 고르게 마찰대전하기 위해서는 마찰 수단 또는 기판을 일정거리로 수평 이동시켜가며 마찰 공정을 단계적으로(여러 차례) 실시한다.
마찰수단의 재질은 기판 물질과 비교해 대전 열(Triboelectric series) 상에서 가급적 멀리 떨어져 있는 물질을 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 기판이 유리재질이면 마찰수단은 PET, polyimide, PTFT 등을 사용할 수 있다. 마찰수단에 대전된 정전기를 제거하기 위하여 도체로 된 정전기 제거판(250)을 마찰수단에 접촉되는 위치에 배치한다.
도 7은 마찰전기를 일으킬 수 있는 마찰수단을 상세히 보여주는 사시도 이다.
마찰수단(200)은 원통형 몸체(201) 외부에 필라멘트(203) 또는 필름(204, 205) 형태의 마찰소재가 부착 고정되어 있고, 구동부와 연결하기 위한 마찰구동축(202)이 중앙에 위치하는 형태이다. 기판과 접촉하는 마찰부는 마찰필라멘트(203), 마찰필름(204), 수직형 마찰필름(205) 등의 실시 형태로 구현될 수 있다. 원통형 몸체(201) 및 마찰구동축(202)은 스테인레스 스틸 또는 고강도 경량화 플라스틱을 사용해서 제작할 수 있다.
도 8은 기판 이송 도중 마찰전기를 일으켜 대전시키는 방법을 설명하기 위한 사시도 이다. 즉, 기판 이송 중에 마찰을 일으켜 기판을 대전하는 방법을 설명한다.
기판(10) 후면이 다수의 원통형 마찰수단(200)에 접촉되도록 위치시키고 마찰수단(200)을 회전시켜 일정회전속도 이상이 되면 기판(10) 후면과 마찰수단(200) 사이에서 미끄러짐이 발생하며, 기판(10)이 이송됨과 동시에 기판 후면이 마찰 대전 되는 효과를 얻을 수 있다.
기판(10) 아래에 다수의 원통형 마찰수단(200)만을 배치하여 구성할 수도 있고, 다수의 원통형 마찰수단(200)과 이송용 롤러(270)를 복합적으로 배치하여 구성할 수도 있다.
이송용 롤러(270) 작동 시 원통형 마찰수단(200)을 정지시켜 놓는 것만으로도 마찰대전을 일으킬 수 있다. 그러나 더 빨리 효과적으로 마찰 대전을 일으키기 위해, 이송용 롤러(270) 회전방향과 반대방향으로 일정속도로 마찰수단(200)을 회전시켜 마찰효과를 극대화할 수 있다. 기판 이송 방향을 전진과 후진으로 변경하면서 마찰시키면 제한된 공간에서 기판의 후면을 고르게 대전시킬 수 있다.
또한, 원통형 마찰 수단을 도체로 제작하고, 여기에 전압을 인가한 후, 기판을 원통형 마찰 수단과 접하게 하고 원통형 마찰 수단을 회전시키면, 기판이 대전된다. 이 경우, 기판의 대전 효율이 좋다.
또한, 기판에 정전기를 형성하기 위해, 도체판에 전압을 인가하고, 기판을 전압이 인가된 도체판에 접촉시키는 방법을 사용할 수 있다. 도체판에 직류 전압으로서 100V 내지 10kV의 전압을 인가하고 기판을 도체판에 접촉시키면 기판에 정전기가 균일하게 형성될 수 있다. 상기에서 도체판은 척 플레이트를 이루는 도체판일 수 있지만, 별도의 대전 수단으로서 제공되는 도체판일 수 있다.
도 9는 기판(10)을 척 플레이트(100)에 안착시키는 것을 보여주고, 도 10은 기판(10)을 척 플레이트(100)로부터 분리(dechucking)하는 것을 보여준다.
척 플레이트(100)에는 증착과 무관한 데드 존에 일치하는 영역에 소정의 관통 구멍인 핀홀(110)을 형성하여, 기판 안착에 사용할 로딩 핀(300)이 통과할 수 있도록 구성한다. 척 플레이트(100)는 표면이 매끄럽게 잘 연마된 도체 금속으로 제작한다. 상술한 바와 같이, 척 플레이트(100)는 금속 판 위에 세라믹과 같은 유전체를 얇게(10 nm 내지 100 μm) 코팅할 수 있다.
척 플레이트(100)의 핀홀(110)들을 통해 로딩핀(300)을 일정 높이로 상승한 상태에서 후면이 대전 된 기판을 이송용 로봇 등의 수단을 이용해 로딩 핀(300)에 올려놓은 후 로딩 핀(300)을 하강시켜 기판(10)을 척 플레이트(100) 위에 안정적으로 안착시킨다. 기판(10)이 안착 되면, 척 플레이트(100) 표면에 기판 후면과 반대 극성의 전하 또는 전기 다이폴이 유도되고, 기판(10) 후면과 척 플레이트(100) 표면에 유도된 전하 간 인력에 의해 기판(10)이 척 플레이트(100)에 부착된다.
로딩 핀(300)은 부도체로 제작하거나, 금속으로 제작하는 경우 끝 부분에는 부도체로 캡을 씌워서 절연시켜 기판과 접촉 시 정전기에 영향이 없도록 한다.
디척핀(320)을 이용한 기계적 힘에 의한 분리는 로딩핀(300)과 같은 구조로 형성되어 있는 디척핀(320)을 척 플레이트(100) 밑에서부터 상승시켜 핀홀(110)을 통과해 기판(10)에 기계적 힘을 가하여 기판(10)을 척 플레이트(100)로부터 분리한다. 디척핀(320)도 프레임(330)에 설치되어 있으며, 부도체보다 도체로 만드는 것이 디척에 유리하다. 경우에 따라 로딩 핀을 디척 핀으로 사용할 수도 있다. 그러나 디척은 디척핀(320) 외에 다른 수단에 의해서 이루어 질 수 있으며, 타 분리방법 사용시 디척핀은 기판을 분리해주는 보조적인 수단으로 이용될 수 있다.
도 11은 제전수단에 의한 디척을 보여준다.
제전램프(400)를 조사하여, 정전기를 중화하여 부착력인 정전기력을 제거한 후 디척핀을 상승시켜 분리한다. 제전램프의 광원으로는 VUV(vacuum ultraviolet)를 이용할 수 있다. VUV는 파장 200nm 이하인 자외선으로 공기분자에 효과적으로 흡수되어, 이온화하고 생성된 이온들에 의해 정전기를 중화한다. VUV는 진공도 10-4 Pa에서도 잔류가스와 효과적으로 반응하여 정전기를 중화할 수 있다. 대면적 기판을 분리하기 위해서는 기판의 상부 및 좌우에 다수의 제전램프(400)를 배치하여 정전기력을 제거할 수 있고, 상황에 따라서 기판의 좌우 또는 한쪽 측면에만 제전램프(400)를 설치하여 운용할 수도 있다.
도 12는 기판과 척 플레이트의 분리공정에서 송풍하는 것을 설명하는 단면도이다.
송풍 가스(Vent gas) 주입을 돕는 미세한 가스주입공(120) 또는 가스주입홈(130)이 형성되어 있는 척 플레이트(150, 160)를 적용한 경우, 디척 과정은 송풍에 의해 제전하고 디척핀으로 디척할 수 있다.
진공에서 공정을 실시하는 경우 기판-척 분리 방법의 한 실시예로 송풍(Vent) 과정에 의해 기판-척 사이의 정전기력을 약화시키고, 디척핀을 상승하여 기판을 척으로부터 분리한다. 송풍 되는 가스(Vent gas)에는 상당한 이온들이 포함되어 있어 정전기를 중화하여 정전기력을 약화한다. 송풍 가스(Vent gas)가 기판-척 부착 영역으로 효과적으로 주입될 수 있도록 척 플레이트(100)에 직경 1 mm 이하 미세구멍인 가스 주입공(120)을 다수 뚫거나, 척 플레이트(100) 표면에 가스 주입홈(130)이 형성된 구조를 적용한다(도 3 참조). 가스 주입홈(130)은 가공이 용이하면서 가스주입은 잘 되도록 척 플레이트 표면을 가로질러 폭이 10 μm 이상 1 mm 이하, 높이 10μm 이상 10 mm 이하 범위인 홈을 파내어 형성한다. 송풍 가스(Vent gas)로는 공기, N2, He 등을 사용할 수 있다. 증착이 끝난 후 척 플레이트(100)는 진공 챔버(500) 내부에 척 플레이트 지지부(510)에 올려진 상태에서 외부로부터 송풍 가스(vent gas)를 주입하여 분리공정을 실시한다.
도 13은 기판과 척 플레이트의 분리공정에서 외부에서 전압을 인가하는 방법을 설명하는 단면도이다. 척 플레이트(100)에 기판(10)에 대전 된 것과 동일한 극성의 외부전압을 인가하는 방법에 의해 정전기를 중화하여 디척 한다. 이 경우에도 상기의 송풍가스 주입의 정전기 중화를 실시하거나 또는 송풍과 더불어 디척핀에 의한 기계적인 디척을 병행하여 실시할 수 있다. 디척핀을 이용하여 디척하는 방법은 송풍 가스, 이온발생기(이오나이저:ionizer)의 제전, 외부 전압 인가 등 다른 수단과 병용될 수 있다.
척 장치를 이용하여 증착 공정을 실시할 때 기판을 척에 안착하기 전에 통상 척 표면에서 기판의 위치를 맞추기 위한 기계적 얼라인먼트를 하게 된다. 이때, 얼라인먼트의 정확도를 위해 기판이 척 플레이트 표면에 가까이 접근한 상태에서 기판 또는 척 플레이트를 기계적으로 움직여 얼라인먼트를 실시한다. 대면적 기판의 경우에는 기판 처짐량이 크므로 기판의 처진 부분이 척 플레이트와 접촉하거나 매우 가까이 위치하게 된다. 따라서, 본 발명의 척 장치를 이용하게 되면, 기계적 얼라인먼트 중에 기판의 처진 부분이 척 플레이트에 의해 받는 정전기 인력으로 인해 얼라인먼트 정확도가 저하될 수 있다. 본 발명에서는 대면적 기판의 경우 기판을 안착하는 동안, 기계적 얼라인먼트 완료 전에 기판이 척 플레이트에 붙는 것을 방지하기 위해, 또는 기판과 척 플레이트 사이의 인력을 약화시킬 목적으로 척 플레이트에 기판의 대전극성과 동일 극성을 띠는 소정의 전압을 기판 안착 공정 동안 인가하는 방법을 제공한다. 척 플레이트에 인가하는 외부전압은 기판이 로딩 핀에 지지되어 하강을 시작하는 시점부터 미리 인가하여 계속 유지하고, 기계적 얼라인먼트가 완료된 후에 전압을 소거하며 이후 기판을 척 플레이트에 완전히 안착시키며 정전기 인력으로 부착되게 한다.
본 발명에 따른 기판 척킹/디척킹에 대한 전체적인 공정을 정리하여 설명하면 다음과 같다.
기판 이송용 로봇이 정전기 대전 공정에 기판을 투입하면 정전기 대전 장치가 작동하여 기판 후면을 대전시킨다. 대전된 기판은 다시 이송용 로봇에 의해 척 플레이트 위로 상승상태인 로딩핀 위에 전달되고, 로딩핀이 하강하여 기판과 척이 합착 된다. 기판이 척에 고정되면 증착 공정을 거치게 되고, 증착이 끝난 기판과 척은 다양한 기판-척 분리 방법에 의해 기판을 분리해내게 된다. 분리된 기판은 여러 가지 추가 공정을 거쳐 디스플레이, 반도체 소자로 제작된다. 이상의 정전기 대전 공정, 기판 안착, 기판-척 합착, 기판-척 분리와 같은 공정은 상압 또는 진공환경에서 가능하나 정전기의 안정성 및 사전, 사후 공정과의 연계성을 고려하면 진공환경에서 실시함이 더 바람직하다.
기판 척킹, 디척킹 공정 중에 기판 및 척 플레이트에 스크래치 또는 마모를 줄일 목적으로 금속 도체 척 플레이트 위에 부도체 막을 코팅하여 사용할 수 있다. 부도체 막은 두께가 너무 두꺼우면 척킹력이 감소하게 되므로 100 μm 이하 박막 형태를 사용함이 바람직하다. 이에 적용할 수 있는 부도체 재질로는 알루미나, 이트리아, 지르코니아, 질화실리콘 등 내마모, 내화학성 및 내열성이 양호한 세라믹들을 예로 들 수 있다.
상기 실시예에 대한 변형예로서, 척 플레이트를 부도체로 만들 수 있다.
기판은 이미 설명된 실시예들과 같은 방법을 써서 후면을 대전시키고, 부도체로 제작된 척 플레이트의 전면을 기판 대전에 사용한 마찰전기, 이온 발생기, 플라즈마 처리 등과 동일한 방법을 이용해 기판 후면 대전 극성과 반대 극성으로 대전한 후 기판을 부도체 척 플레이트에 안착시켜 각각 대전 된 정전기 간 인력에 의해 부착하는 방법도 적용될 수 있다.
예를 들어 유리기판 후면을 (+) 전하로 대전시키고, Al2O3와 같은 세라믹을 이용해 척 플레이트를 제작하고, 이온 발생기로 척 플레이트를 (-) 전하로 대전하여 유리기판을 척 플레이트에 부착할 수 있다. 세라믹 소재는 다양한 금속산화물로 된 것일 수 있고, 그 외에도 내열성이 좋은 폴리머 소재, 테플론 등을 척 플레이트 소재로 선택할 수 있다.
이상의 실시예들은 주로 기판 후면을 대전시키는 방식으로 기술되어 있지만, 동일한 방식들을 적용하여 기판 전면을 대전하거나 기판 전후면을 모두 대전하여 척 플레이트에 부착하는 방식들도 실시 가능하다.
또한, 기판 전면과 후면에 적용되는 정전기 대전 방법을 상이한 두 가지 방법을 복합적으로 사용하는 것도 얼마든지 가능하다. 예를 들어 동일 기판에서 후면은 마찰대전법을 사용하고, 전면은 이온 발생기를 이용해 대전시킬 수 있다.
한편, 기판의 정전기 대전을 이용한 부착 개념을 이용함에 있어서, 다음과 같은 변형 실시예도 가능하다.
즉, 매우 얇은 금속 호일을 상술한 정전기 대전에 의해 기판에 부착하고, 금속 호일이 정전기 대전에 의해 부착된 기판을 다시 일반 정전 척 또는 커패시터 척 등에 의해 척킹하여 기판 홀딩 및 이송할 수 있다. 커패시터 척은 대한민국 등록특허 제10-1222328호에 나와 있고, 정전 척은 대한민국 공개특허 제10-2015-0005864호, 대한민국 등록특허 제10-1467107호, 대한민국 등록특허 제10-1319765호 등에 나와 있는 것을 이용할 수 있다. 상기 특허공보 또는 공개공부의 내용은 본 발명에 대한 응용에 있어 그 내용이 본원에 편입 및 참조 된다.
커패시터 척은 금속 호일이 정전기 대전에 의해 부착된 기판의 금속 호일면을 커패시터의 제1 극판으로 하고, 여기에 대향하는 제2 극판을 설치하되, 극판들 사이에 유전체가 배치되도록 제2극판의 하면에 유전체가 부착되어 있는 것을 적용한다. 제1 극판과 제2극판에 서로 다른 전압을 인가하여 전위차를 주어 축전기를 형성하여 기판을 척킹하게 된다.
한편, 본 발명은, 정전기를 대전시켜 기판과 척 플레이트를 정전인력으로 척킹 시킨 경우, 디척킹을 좀 더 용이하게 하기 위하여, 도 14와 같이 척 플레이트에 도트 구조를 적용한 도트 형 척 플레이트(170)를 구성하였다.
즉, 기본 금속판만으로 이루어진 척 플레이트에 비해 디척이 훨씬 손쉽게 되도록 척 플레이트 표면에 도트 어레이를 형성한 구조를 적용할 수 있다. 도트 어레이는 일종의 엠보싱 구조일 수 있으며, 다수의 도트가 양각으로 형성되어 있는 것이다.
상기와 같은 도트 어레이는 용사 코팅, 스퍼터, CVD 등의 증착 장치에서 소정의 마스크를 이용하면 쉽게 형성할 수 있고, 도트(180)의 크기가 큰 경우에는 직접, 도트 구조를 커팅하여 척 플레이트 표면에 부착하는 방식으로도 도트 어레이를 구성할 수 있다. 또한, 도트 구조를 커팅하여 붙인 도전체 또는 부도체 시이트, 호일 또는 플레이트, 또는 양각으로 엠보싱된 도전체/부도체 시이트, 호일 또는 플레이트를 척 플레이트에 붙여 도트 어레이를 형성할 수도 있다. 척 플레이트 표면에 도트 어레이가 있으면, 도 16에 나타낸 것처럼 대전된 기판을 척 플레이트에 안착할 때 도트 어레이의 높이 만큼 간격을 두고 기판이 위치하게 된다. 도트 어레이의 높이는 척 플레이트 각 변의 길이보다 충분히 작아 기판의 정전기와 척 플레이트에 유도된 정전기 사이의 전기장이 근사적으로 평행판 축전기 모델의 전기장과 동일하게 된다. 이때, 기판의 가장자리 부근에서는 에지 효과로 인해 전기장이 약해지게 되고, 척킹력이 약해지므로, 이를 보완하기 위해 도트 어레이의 높이보다 약간 두꺼운 양면 점착제(190)를 기판 가장자리에 해당되는 영역에 부착하여 사용할 수 있다. 양면 점착제(190)는 도트 형 척 플레이트(170) 쪽으로는 점착력이 매우 강한 것을 적용하고 기판 쪽으로는 좀 더 약한 것을 적용한다. 예를 들면, 180도 peeling test를 기준으로 점착제 세기가 척 플레이트(170) 쪽은 1000 gf/25mm 이상이고, 기판(10)쪽의 약한 점착제에 대해서는 100 gf/25mm 이하의 것을 사용한다. 그에 따라 양면 점착제(190)는 도트 형 척플레이트(170)와는 강하게 붙어 영구접착을 형성하고, 기판(10) 쪽으로는 정전기력의 기판 홀딩을 보조하는 정도의 약한 점착력 특성을 지녀, 반복 재사용이 가능하다. 또한, 양면 점착제(190) 대신에 도트 형 척플레이트(170) 쪽으로는 접착제가 기판(10) 쪽으로는 재사용 가능한 약한 점착제가 구비되어 있는 접착, 점착 복합 시이트를 사용해도 동일 기능을 구현할 수 있다. 양면 점착제(190)는 위에서 언급한 기판 가장자리 뿐만 아니라 소자의 특성에 영향을 주지 않는 영역에 한해서 다양한 위치에 추가하여 척킹력을 보완할 수 있다.
도트 형 척 플레이트(170)에 부착된 기판을 디척할 때에는 척 플레이트를 마주보는 기판 면의 상당부분이 노출되어 있게 되므로 송풍(vent)에 의한, 또는 제전램프에 의한 제전효과가 향상될 수 있고, 제전작용과 동시에 또는 제전 직후 디척 핀 상승 시 비교적 작은 힘을 가해 기판을 척 플레이트로부터 쉽게 분리해낼 수 있는 장점이 있다. 도트 형 척 플레이트(170)에 부착된 기판을 디척할 때에도 도 13에 나타낸 것과 같이 척 플레이트에 외부전압을 인가하여 정전기를 약화시키고, 기판을 디척할 수 있다. 이 때, 외부전압은 기판에 대전된 정전기와 동일 극성의 직류 전압 또는 교류 전압을 사용할 수 있다. 교류 전압은 송풍 가스 주입과 병행해 사용 시 송풍 가스를 이온화하여 정전기 중화를 돕는다. 도트 어레이는 세라믹, 폴리머 등 절연체를 사용하여 구성할 수도 있고, 금속 소재를 사용하여 제작할 수도 있다. 도트 어레이를 구성하는 도트의 높이는 척플레이트 한 변의 길이보다 충분히 작도록 하고, 도트의 높이가 너무 크면 척킹력이 많이 감소하므로 대략 1 ~ 500μm 범위의 높이를 사용함이 바람직하다. 도트 어레이를 구성하는 도트의 지름은 증착공정을 통해 제작되는 최종 제품의 특성에 영향을 주지 않도록 선정하며 대략 1μm ~ 10mm 범위의 것을 사용함이 바람직할 것이다. 도면에는 도트 어레이가 사각 어레이로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 육각 어레이 등의 다각 어레이 또는 원형 어레이로 변형 가능함은 자명하다.
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.
10: 기판
60: 공정 챔버
70: 고정 부재
80: 전극
90: 전원
100: 척 플레이트
110: 핀홀
120: 가스 주입공
130: 가스 주입홈
170: 도트 형 척 플레이트
180: 도트
190: 양면 점착제

Claims (2)

  1. 기판을 척 플레이트로 붙잡아 이동하면서 기판에 대한 처리 공정을 수행하게 하여 주는 기판 척킹(chucking) 시스템에 있어서,
    이온 발생기 또는 마찰 브러쉬에 의해 정전기로 대전 된 기판을 정전기력으로 척킹하는 척 플레이트는,
    다수의 도트가 양각으로 솟아오른 엠보싱 구조의 도트 어레이를 구비한 도트형 척 플레이로 구성되어,
    상기 기판이 상기 척 플레이트에 척킹된 상태에서 상기 기판과 상기 척 플레이트 사이에 제전가스가 원활하게 주입되도록 하여 디척킹을 용이하게 할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 기판 척킹 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 척 플레이트에서 기판의 가장자리 해당 부분에 양면 점착제 또는 일면이 접착제이고 다른 일면은 점착제인 시이트를 부착하여 척킹력을 보완하며, 양면 점착제의 점착력은, 기판 쪽보다 도트 형 척플레이트와의 점착력이 더 강한 특성을 지니며, 시이트의 두께는 도트의 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 기판 척킹 시스템.
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