KR102396336B1

KR102396336B1 - 냉각장치를 포함하는 지그 및 이를 포함하는 슬러리 플라즈마 스프레이 장치

Info

Publication number: KR102396336B1
Application number: KR1020200044137A
Authority: KR
Inventors: 배문기; 최흥섭; 김영미
Original assignee: (주)티티에스
Priority date: 2020-04-10
Filing date: 2020-04-10
Publication date: 2022-05-11
Also published as: KR20210126827A

Abstract

본 발명에 따른 슬러리 플라즈마 스프레이 장치에서 코팅을 형성하기 위한 기판이 거치되는 쿨링지그는, 지그 내부에 마련되고 냉매가 순환되는 온도조절라인; 상기 온도조절라인에 냉매를 공급하는 냉각라인; 상기 냉매를 열교환시켜 일정한 온도로 제어하는 냉각기;를 포함하는 냉각수쿨링장치를 포함하여 달성될 수 있다.

Description

냉각장치를 포함하는 지그 및 이를 포함하는 슬러리 플라즈마 스프레이 장치{JIG INCLUDING COOLING APPARATUS, AND SURRY PLASMA SPRAY APPARATUS}

본 발명은 슬러리 플라즈마 스프레이 장치에 사용되는 지그에 관한 것이다.

일반적으로 반도체장치, 디스플레이장치 등의 제조시, 화학기상증착(CVD) 등을 이용한 증착설비 또는 플라즈마 식각 등을 이용한 식각설비 등의 공정에는 부식성이 높은 가스나 플라즈마 등에 대한 내식성의 필요성이 더욱 높아지고 있다. 예컨대, 플라즈마 에칭 및 플라즈마 세정 프로세스는 기판 지지체를 고속 플라즈마 스트림에 노출시켜 기판을 에칭하거나 세정한다. 이러한 플라즈마는 매우 부식성이 높고, 프로세싱 쳄버들 및 플라즈마에 노출되는 부품들의 표면을 침식할 수 있다.

웨이퍼 또는 디스플레이패널 등을 거치하는 정전척(ESC; Electrostatic Chuck)은 높은 내식성을 갖기 위해 알루미나를 이용하여 제조된다. 정전척은 통상 알루미나 소결체를 이용하여 원형 디스크 형태로 가공하여 완성된다. 그러나, 내식성이 높은 알루미나 소결체를 이용하더라도 장시간 사용에 의해 표면결함이 발생하거나 표면에 불순물층이 형성된다. 예를 들어, 정전척은, 불소 화학 또는 환원 화학을 지니는 플라즈마 환경에 노출되는 경우, 약 50시간 이상의 프로세싱 후에, 웨이퍼 처킹(Wafer Chucking)의 저하, 웨이퍼 전면 및 배면 입자 생성, 온-웨이퍼 금속 오염(On-wafer Metal Contamination) 등의 불량이 나타날 수 있다. 종래에는 이렇게 장시간 사용으로 인해 정전척에 오염이 발생하면 새로운 부품으로 교체하여 사용하고 있다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 웨이퍼 또는 디스플레이패널을 거치하는 정전척에 오염이 발생한 경우 오염된 층을 제거한 후 새로운 코팅층을 형성함으로써 기존 정전척을 재사용가능하도록 재생할 때, 코팅 전 기판(정전척)의 온도를 높이기 위하여 기판에 접촉식 또는 비접촉식으로 제품을 가열하는 경우 기판에 야기되는 급격한 온도 변화로 인해 기판이 변형되거나 파손되는 문제를 해결할 수 있는, 슬러리 플라즈마 스프레이 장치용 쿨링지그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

또한, 본 발명에 따른 쿨링지그는, 상기 지그의 후면으로부터 상기 기판이 거치되는 상면으로 관통되어 형성된 복수의 에어분사홀; 상기 복수의 에어분사홀 각각에 연결된 에어공급라인; 상기 에어공급라인을 통해 냉각된 에어를 공급하는 에어콤프레셔;를 포함하는 에어쿨링장치를 더 포함할 수 있다.

여기서, 냉각수쿨링장치의 상기 온도조절라인 및 에어쿨링장치의 상기 에어분사홀은 상호 이격되어 형성된 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, SPS 공정을 이용하여 장시간 사용된 정전척의 표면에 코팅층을 형성할 때, 더 치밀한 미세조직을 형성하고, 수율을 향상시키며, 원하는 조성의 최적화된 코팅층을 형성할 수 있다. 냉각장치가 설치된 지그는, 코팅 전 제품의 온도를 높이기 위하여 제품(기판)에 접촉식 또는 비접촉식으로 제품을 가열하는 경우 기판에 야기되는 급격한 온도 변화로 인해 기판이 변형되거나 파손되는 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 일반적인 SPS 장치에서 수행되는 코팅층 형성 공정을 설명하는 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따른 쿨링지그 내에 냉각수쿨링장치가 설치된 예를 도시한 개요도이다.
도 3은 본 발명에 따른 쿨링지그 내에 에어쿨링장치가 설치된 예를 도시한 개요도이다.
도 4는 본 발명에 따른 쿨링지그 내에 냉각수쿨링장치 및 에어쿨링장치가 설치되는 경우 에어분사홀 및 온도조절라인이 설치된 상태를 도시한 단면도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.

먼저, 도 1은 일반적인 플라즈마 스프레이 장치의 단면을 도시한다. 플라즈마 스프레이 장치)는, 세라믹 물질의 "슬러리 플라즈마 스프레이"(Surry Plasma Spray; SPS) 증착을 위해 사용되는 열적 스프레이 시스템의 유형이다. SPS 증착은 기판 상에 세라믹 코팅을 증착시키기 위해서 입자들의 용액-기반 분배물(슬러리)을 사용한다. 플라즈마 스프레이 장치(200)는 노즐 애노드(206)과 캐소드(204)를 둘러싸는 케이싱(202)을 포함할 수 있다. 케이싱(202)은 플라즈마 스프레이 장치(200)를 통해서 그리고 노즐 애노드(206)와 캐소드(204) 사이의 가스 흐름(208)을 허용한다. 외부 전원이 노즐 애노드(206)와 캐소드(204) 사이에 전압 전위를 가하기 위해 사용된다. 전압 전위는 노즐 애노드(206) 및 캐소드(204) 사이에 플라즈마 가스를 생성하도록 가스 흐름(208)을 점화시키는 아크를 생성한다. 점화된 플라즈마 가스 흐름(208)은 노즐 애노드(206)를 벗어나서 기판(220)을 향하는 고속 플라즈마 플럽(214)을 생성한다.

슬러리 유체 라인(212)을 통해 슬러리가 플라즈마 플럽(214) 내로 전달된다. 고온(약 3000℃ 이상)의 플라즈마 플럽(214)에 의해 슬러리 내의 용매는 신속하게 증발되고, 세라믹 입자가 용융된다. 용융된 세라믹 입자는 기판(220)을 향해 추진되는 입자 스트림(216)으로 생성되어, 기판(220)과의 충격시 용융된 입자들이 기판 상에 신속하게 평탄화되고 고형화되어서, 세라믹 코팅(218)을 형성한다. 용매는 세라믹 입자들이 기판(220)에 도달하기 전에 완전히 증발될 수 있다.

상술한 SPS 공정에서는 생성되는 세라믹 코팅의 미세조직을 제어하기 위해 슬러리 조건들(서스펜션 농도), 입자크기분포, 슬러리 공급속도, 플라즈마 가스 조성, 가스 유속, 에너지 입력, 용사 거리 및 속도 등에 따라 조절될 수 있다. 그러나, 이들 파라미터로 코팅하는 경우 서스팬션의 코팅 수율이 좋지 않고, 기판에 손상을 입혀 제품 변형 또는 파손이 자주 발생한다.

본 발명에서는 SPS 공정을 이용하여 장시간 사용된 정전척의 표면에 코팅성능 향상을 위해 더 치밀한 미세조직을 형성하고, 수율을 향상시키며, 원하는 조성의 최적화된 코팅층을 형성하기 위하여, 재생하고자 하는 정전척을 거치하는 지그에 냉각장치를 설치한다. 냉각장치가 설치된 지그는, 코팅 전 제품의 온도를 높이기 위하여 제품(기판)에 접촉식 또는 비접촉식으로 제품을 가열하는 경우 기판에 야기되는 급격한 온도 변화로 인해 기판이 변형되거나 파손되는 문제를 해결할 수 있다.

도 2에는 본 발명에 따른 슬러리 플라즈마 스프레이 장치에서 코팅을 형성하기 위한 기판이 거치되는 쿨링지그의 일 실시예를 도시하였다. 도 2에서 보듯이, 본 발명에 따른 쿨링지그는, 지그(100) 내부에 마련되고 냉매(미도시)가 순환되는 온도조절라인(110a, 110b)과, 온도조절라인(110a, 110b)에 냉매를 공급하는 냉각라인(120)과, 냉매를 열교환시켜 일정한 온도로 제어하는 냉각기(130)를 포함하는 냉각수쿨링장치를 포함한다.

여기서, 냉매는 예컨대 정제수를 이용할 수도 있고, 그 외 다양한 냉매를 사용할 수도 있다. 온도조절라인은 지그 본체 내부에서 순환되는 패턴으로 형성될 수 있으며, 지그 전체를 서로 분기된 복수의 온도조절라인으로 구분하여 설치할 수도 있다. 예컨대, 지그의 외측으로 순환되는 제1 온도조절라인(110a)과, 내측으로 순환되는 제2 온도조절라인(110b)으로 형성될 수 있다. 복수의 온도조절라인을 통해 지그 전면의 온도분포를 일정하게 유지할 수 있다.

냉각라인(120)은 각각의 온도조절라인(에 냉매를 공급한다. 또한, 냉매는 지그로부터 열을 흡수한 후 냉각라인(120)을 통해 냉각기(130)으로 전달되어 열교환된 후 다시 냉각라인(120)을 통해 온도조절라인(110a, 110b)으로 공급된다. 여기서, 도 2에 도시하지는 않았으나, 냉각라인(120)은 냉각기(130)로부터 유입되어 온도조절라인(110a, 110b)으로 공급되는 경로와, 온도조절라인(110a, 110b)으로부터 유출되어 냉각기(130)로 전달되는 경로가 서로 분리되어 형성된다.

도 2에 도시한 냉각수쿨링장치는, 코팅을 형성하기 위한 기판이 거치되는 지그(100)의 온도를 일정한 온도범위로 유지한다. 그러므로, 슬러리 플라지마 스프레이 공정 중에, 기판의 온도를 일정하게 유지함으로써, 기판에 급격한 온도 변화가 야기됨에 따른 기판의 변형 및 파손을 방지한다.

한편, 쿨링지그(100)에는 도 3에서 보듯이 에어쿨링장치가 더 설치될 수 있다. 여기서, 에어쿨링장치는, 지그(100)의 후면으로부터 기판(220)이 거치되는 상면으로 관통되어 형성된 복수의 에어분사홀(140)과, 복수의 에어분사홀(140) 각각에 연결된 에어공급라인(150)과, 에어공급라인(150)을 통해 냉각된 에어를 공급하는 에어콤프레셔(160)를 포함하여 구성될 수 있다.

에어공급라인(150)은 에어콤프레셔(160)를 통해 공급된 냉각된 에어를 에어분사홀(140)에 공급한다. 복수의 밸브(150a, 150b)를 통해 에어를 공급하고자 하는 에어분사홀(140)을 선택할 수 있다. 상술한 에어쿨링장치는 특히 기판(220)에 급격한 온도 변화가 발생한 경우 기판을 급속 냉각시키는데 더 유리하게 작용할 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시한 냉각수쿨링장치 및 에어쿨링장치는 하나의 지그(100)에 형성될 수 있다. 이 경우, 도 4에서 보듯이, 온도조절라인(110a, 110b) 및 에어분사홀(140)은 상호 이격되어 형성된 것이 바람직하다. 즉, 온도조절라인(110a, 110b)은 지그의 내부에 형성되되 주면에 평행한 방향으로 내부를 순환하도록 형성되며, 에어분사홀(140)은 지그의 내부를 관통하도록 형성될 수 있다. 즉, 온도조절라인(110a, 11b) 및 에어분사홀(14)은 서로 수직하게 형성될 수 있다.

에어분사홀(140)에 의해 공급되는 냉각된 에어가 급격하게 가열된 기판(100)을 급속 냉각시키고, 나아가 온도조절라인(110a, 110b)에 의해 코팅 공정 중에 발생되는 온도변화에도 불구하고 기판(100)의 온도가 일정하게 유지될 수 있다. 본 발명에 따른 쿨링지그는 특히 장시간 사용된 정전척의 재생에 보다 유리하게 적용될 수 있다. 즉, 정전척은 일반적으로 소결된 세라믹, 예컨대 알루미나(Al₂O₃)로 형성되는데, 불소 화학물에 노출된 알루미나가 금속-오염을 나타낼 수 있다. 오염된 정전척을 재생하기 위하여, 정전척의 표면을 SPS 공정을 통해 알루미나 뿐만 아니라 다른 소재를 포함한 슬러리를 이용하여 코팅층을 형성할 수 있다. 이때, 세라믹 재질의 기판에 코팅층을 형성할 때, 기판을 미리 높은 온도로 가열하여야 하는데, 이때 가열을 위한 용사 화염에 기판이 접촉되는 경우 급격한 온도 차로 인해 변형 또는 파손될 수 있다. 본 발명에 따른 쿨링지그는 기판에 발생되는 급격한 온도 변화에 대응하여 기판을 급속 냉각시키거나 공정 중에 일정한 온도로 유지시킨다. 그리하여, 알루미나 소재의 정전척을 재생할 때 발생될 수 있는 기판의 변형 및 파손을 효과적으로 방지할 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

웨이퍼 또는 디스플레이패널을 거치하는 정전척의 재사용을 위해 슬러리 플라즈마 스프레이 장치에서 상기 정전척에 코팅층을 형성하기 위한 기판이 거치되는 쿨링지그로서,
지그 내부에 마련되고 냉매가 순환되는 온도조절라인; 상기 온도조절라인에 냉매를 공급하는 냉각라인; 상기 냉매를 열교환시켜 일정한 온도로 제어하는 냉각기;를 포함하는 냉각수쿨링장치와,
상기 지그의 후면으로부터 상기 기판이 거치되는 상면으로 관통되어 형성된 복수의 에어분사홀; 상기 복수의 에어분사홀 각각에 연결된 에어공급라인; 에어를 공급하고자 하는 에어분사홀을 선택하도록 배치된 복수의 밸브; 상기 에어공급라인을 통해 냉각된 에어를 공급하는 에어콤프레셔;를 포함하는 에어쿨링장치를 포함하고,
상기 온도조절라인은 상기 지그의 내부에서 상기 지그의 주면에 평행한 방향으로 내부를 순환하도록 형성되고, 상기 에어분사홀은 상기 지그의 내부를 관통하도록 형성되되 상기 온도조절라인에 수직하게 형성되며, 상기 온도조절라인 및 상기 에어분사홀은 상호 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는, 쿨링지그.
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제 1 항에 따른 쿨링지그를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러리 플라즈마 스프레이 장치.