KR20040104197A

KR20040104197A - 화학기상증착 장치의 샤워헤드

Info

Publication number: KR20040104197A
Application number: KR1020030035729A
Authority: KR
Inventors: 장근하; 한근조; 유치욱; 최재욱; 이명진
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2004-12-10
Also published as: KR100941960B1

Abstract

본 발명은 대면적 TFT-LCD 기판 제작용 화학기상증착장치에 관한 것으로서, 직경이 작은 다수의 제1분사구와 직경이 큰 다수의 제2분사구를 구비한 화학기상증착 장치의 샤워헤드를 제공한다. 보다 상세하게는 상기 제1분사구와 제2분사구가 규칙성 있게 배열되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치의 샤워헤드를 제공한다. 또한 가장자리에는 직경이 큰 다수의 제2분사구가 배열되고, 나머지 부분에는 상기 제1분사구 및 상기 제2분사구가 규칙성 있게 배열되는 화학기상증착 장치의 샤워헤드를 제공한다.

본 발명에 따르면, 샤워헤드 상하면간의 표면적차이와 분사구의 가공오차로 인해 발생하는 샤워헤드의 열적변형을 크게 줄일 수 있게 되어, 분사가스의 균일도를 향상시킬 수 있을 뿐만아니라, 샤워헤드와 서셉터간의 거리에 따른 공정마진을 개선할 수 있다.

Description

화학기상증착 장치의 샤워헤드{Shower head of chemical vapor deposition apparatus}

본 발명은 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition : CVD)장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대면적의 박막트랜지스터 액정표시장치(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display : TFT-LCD)의 기판제조용 화학기상증착 장치의 샤워헤드(shower head)에 관한 것이다.

일반적으로 물질에 박막을 형성하는 방법은 스퍼터링(Sputtering)법과 같이 물리적인 충돌을 이용하여 박막을 형성하는 PVD(Physical Vapor Deposition)법과 화학반응을 이용하여 박막을 형성하는 CVD(Chemical Vapor Deposition)법으로 구분할 수 있다. 그러나 PVD법은 CVD법에 비하여 조성이나 두께의 균일도 및 계단도포성(step coverage)이 좋지 못하므로 일반적으로 CVD법이 흔히 사용된다.

CVD법에는 APCVD(Atmospheric Pressure CVD)법, LPCVD(Low Pressure CVD)법, PECVD(Plasma Enhanced CVD)법 등이 있다.

박막증착공정은 그것이 어떠한 방법을 채택하든지 간에 균일한 박막증착이 최대의 관건이라 할 수 있으므로, 이를 위해 수많은 개선방안들이 제안되고 있으며, 균일한 박막증착을 위해서는 반응가스나 플라즈마의 균일한 분포가 아주 중요한 역할을 하게 된다. 본 발명도 CVD법에 의한 공정중에 발생하는 샤워헤드의 열적변형을 방지하여, 가스분사 또는 플라즈마의 균일도를 향상시키는데 그 목적을 두고 있다.

이하에서는 CVD법 중에서도, 저온증착이 가능하고 박막형성속도가 빠른 장점 때문에 최근 많이 이용되는 PECVD법을 예로 들어 설명하기로 한다.

PECVD법은 반응챔버내로 주입된 반응가스에 고주파전력(RF Power)을 인가하여 상기 반응가스를 플라즈마 상태로 만들고, 상기 플라즈마내에 존재하는 이온들이 웨이퍼나 LCD 기판상에 증착하게 하는 방법을 말한다.

도 1은 일반적인 PECVD장치의 개략적인 구성도이며, 도면을 참조하여 공정순서대로 간략히 설명하면 다음과 같다.

먼저 로봇암(미도시)에 의해 LCD기판(3)이 반응챔버(1)의 내부에 설치된 서셉터(2)의 상면에 안착되면, 박막공정을 위한 가스가 가스유입관(7)을 통해 샤워헤드(4)의 상부에 위치한 버퍼공간(6)으로 들어와서 넓게 확산되고, 상기 버퍼공간(6)에서 확산된 가스는 샤워헤드(4)의 분사구를 통해 상기 LCD기판(3) 위로 균일하게 분사되고, 상기 분사된 가스는 플라즈마 전극(6)을 통해 공급된RF(Radio Frequency)파워에 의해 플라즈마(8)상태로 변하고, 상기 플라즈마(8)상태의 반응가스는 상기 LCD기판(3)에 증착되며, 박막증착공정이 완료된 후 남은 반응가스는 진공모터(미도시)에 의해 배기관(9)으로 배출된다.

한편 서셉터(2) 내부에는 LCD기판을 예열하기 위한 히터(미도시)가 내장되어 있으며, 서셉터(2)는 서셉터 구동모터(미도시)의 구동력을 전달하는 서셉터 구동샤프트(10)에 의해 상하로 구동된다.

상기 서셉터(2)와 상기 샤워헤드(4)는 균일한 박막형성을 위해 통상 10 내지 20 mm 정도의 간격을 유지하며, 상기 샤워헤드(4)는 통상 약 30mm정도의 두께(t1)를 가진다.

도 2a 및 도 2b는 종래 샤워헤드(4)의 저면도 및 단면도를 나타낸 것으로 동일한 형상을 가진 수천 내지 수만개의 분사구가 규칙적으로 배열되어 있다.

종래 샤워헤드(4)의 단면을 살펴보면, 다수의 분사구가 상협하광의 동일한 단면구조를 가지고 있는데, 이는 샤워헤드 하부의 분사구 직경을 상부의 분사구 직경보다 넓게 형성함으로써, 분사구 전체가 노즐로 작용하여 가스를 넓고 균일하게 분사할 수 있도록 하기 위한 것이다.

그러나 이러한 상협하광의 분사구 구조때문에 샤워헤드 제작시에 분사구 출구쪽을 입구쪽보다 많이 절삭해내야 하고, 이에 따라 샤워헤드 상하부의 열팽창정도가 달라져 열적변형이 문제된다.

이러한 열적 변형은 가스 분사 및 플라즈마의 균일도를 저하시켜 결국 박막두께의 균일도에 악영향을 주게 되는데, 이는 샤워헤드가 휘어짐에 따라 샤워헤드로부터 거리가 가까운 부분의 박막두께가 두꺼워지기 때문이다.

이렇게 박막두께의 균일도가 저하되는 또 다른 이유는 샤워헤드의 하면에서 분사가스의 속도차이가 나타나기 때문이다.

도 2c에 도시된 바에 의하면, 샤워헤드의 하면에서 분사가스의 속도는 y축 성분은 일정하지만, x축 성분은 진공펌핑의 영향을 직접 받는 가장자리로 갈수록 커지는 것을 알 수 있는데, 이로 인해 샤워헤드의 가장자리로 갈수록 박막두께가 얇아지는 결과를 초래한다.

샤워헤드의 열적변형에 의한 영향을 줄이기 위해서는, 기판과 샤워헤드의 거리를 멀리하는게 바람직한데, 기판과 샤워헤드의 거리가 멀어지게 되면, 분사가스가 진공펌핑의 영향을 오랫동안 받게 되어 분사가스의 x축 성분이 커지게 된다. 이로 인해 박막균일도의 저하문제가 보다 심각해 질 것이므로, 샤워헤드의 열적변형을 방지하기 위해 기판과 샤워헤드의 거리를 멀리하는 데는 일정한 한계가 있다.

이와 같이 샤워헤드가 휘어지는 현상과 박막균일도가 저하되는 현상은 특히 LCD기판이 대면적화됨에 따라 더욱 심각해 지는데, 특히 1100mm*1300mm 정도의 크기를 갖는 5세대 LCD기판에 이어 장래 양산이 기대되는 6세대 LCD기판은 대략 1500mm*1800mm(크게는1800mm*2000mm) 정도의 크기를 가질 것으로 예상되므로, LCD기판 보다 큰 면적을 가져야 하는 샤워헤드는 상술한 열적변형이 간과할 수 없는 큰 문제로 대두된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대면적 TFT-LCD 기판에 대한 박막증착시에 발생하는 열적변형을 방지할 수 있는 화학기상증착장치의 샤워헤드를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 일반적인 PECVD장치의 개략적인 구성도

도 2a는 종래 PECVD장치의 샤워헤드의 단면도

도 2b는 종래 PECVD장치의 샤워헤드의 저면도

도 2c는 종래 PECVD장치의 샤워헤드 하면에서 분사가스의 속도 분포도

도 3a는 본 발명의 제1실시예에 따른 PECVD장치의 샤워헤드 저면도

도 3b는 본 발명의 제1실시예에 따른 PECVD장치의 샤워헤드 단면도

도 4a는 본 발명의 제2실시예에 따른 PECVD장치의 샤워헤드 저면도

도 4b는 본 발명의 제2실시예에 따른 PECVD장치의 샤워헤드 단면도

도 4c는 본 발명의 제2실시예에 따른 PECVD장치의 샤워헤드 하면에서 분사가스의 속도 분포도

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 PECVD장치의 샤워헤드 저면도

도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 PECVD장치의 샤워헤드 저면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 반응챔버 2 : 서셉터

3 : LCD 기판 4, 20 : 샤워헤드

5 : 버퍼공간 6 : 플라즈마 전극

7 : 가스유입관 8 : 플라즈마

9 : 배기관 10 : 서셉터 구동샤프트

30 : 제1분사구 40 : 제2분사구

50 : 노즐 60,70 : 확산부

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 직경이 작은 다수의 제1분사구와 직경이 큰 다수의 제2분사구를 구비한 화학기상증착 장치의 샤워헤드를 제공한다. 보다 상세하게는 상기 제1분사구와 제2분사구가 규칙성 있게 배열되는 것을 특징으로 하는 화학기상증착 장치의 샤워헤드를 제공한다. 또한 가장자리에는 직경이 큰 다수의 제2분사구가 배열되고, 나머지 부분에는 상기 제1분사구 및 상기 제2분사구가 규칙성 있게 배열되는 화학기상증착 장치의 샤워헤드를 제공한다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보기로 한다.

먼저 도 3a는 본 발명에 따른 분사구배치의 제1실시예를 도시한 것으로서, 샤워헤드(20)의 저면도를 나타낸 것이며, 편의상 분사구의 크기를 실제보다 확대하여 도시하였다. 도 3b은 도 3a의 A-A선을 따라 절단한 단면도를 나타낸다. 여기서 직경이 작은 제1분사구(30)와 직경이 큰 제2분사구(40)가 교대로 배치되어 있는 것을 알 수 있는데, 이러한 배치 형태로부터 도 4a와 같은 본 발명의 제2실시예도 당연히 예상할 수 있다.

도 4b는 도 4a의 B-B선을 따라 절단한 단면도이다.

도 4b에 도시된 바와 같이 제1분사구(30)와 제2분사구(40)의 노즐(50)을 상하 교대로 배치한 것은, 종래의 샤워헤드처럼 분사구의 출구쪽을 집중적으로 절삭해낼 때 발생하기 쉬운 열적 변형을 방지하고, 샤워헤드와 서셉터간의 거리에 따른 공정마진을 개선할 수 있기 때문이다.

샤워헤드와 서셉터간의 거리는 박막증착공정에 있어서 가장 민감한 요소중의 하나이므로 이에 대한 공정마진을 넓힐 수 있다는 것은 큰 장점이 될 뿐만 아니라, 종래 방식보다 샤워헤드를 서셉터로부터 더 멀게 할 수 있으므로 샤워헤드의 열적변형에 따라 박막균일도에 미치는 영향도 상대적으로 줄어들게 된다.

또한 도 4c에 의하면, 분사가스 속도의 y축 성분이 종래의 샤워헤드보다 커짐을 알 수 있는 데, 이는 각 분사구의 내측에 노즐이 형성되고, 내측직경이 일정하기 때문으로 분석된다. 또한 도 4c에서의 작은 화살표는 직경이 작은 제1분사구(30)에서 분사된 가스의 속도를 나타낸 것으로서 직경이 큰 제2분사구(40)에서 분사된 가스와 비교할 때 y축 성분에서 큰 차이가 있음을 알 수 있다.

그러나 전체적으로 분사가스의 y축 속도성분이 종래 방식의 샤워헤드보다 커기 때문에, 진공펌핑의 영향으로 가장자리로 갈수록 x축 방향의 속도가 증가하더라도 종래 방식보다는 그로 인한 영향을 적게 받게 된다. 따라서 중앙부와 가장자리의 박막두께 차이가 최소화되어 최적화된 박막균일도를 확보할 수 있게 된다.

도 4b의 부분확대도에는 제1분사구(30)와 제2분사구(40)가 도시되어 있다.

제1분사구(30)의 내측에는 중앙부와 출구사이의 일부분에 노즐(50)이 형성되고, 상기 노즐(50)의 상부와 하부에서 분사구 직경(a)이 동일하며, 제2분사구(40)의 내측에는 중앙부와 입구사이의 일부분에 노즐(50)이 형성되며, 상기 노즐(50)의 상부와 하부에서 분사구 직경(b)이 동일하다.

도면에는 제1분사구(30)의 노즐(50)이 아래에 형성되고, 제2분사구(40)의 노즐(50)이 위에 형성되어 있으나, 그 반대로도 형성될 수도 있다.

제1분사구(30)와 제2분사구(40)의 출구에는 모두 확산부(60, 70)가 형성되어 있으며, 이는 가스를 보다 넓고 균일하게 확산시키기 위한 것이다. 도면에서는 확산부의 단면 형상을 모두 8각형으로 도시하였으나. 이는 예시에 불과한 것이고 다양한 형태의 다각형이나 원형의 단면형상을 가질 수도 있다.

위와 같이 분사구의 직경을 상협하광 구조로 하지 않고, 노즐(50) 및 확산부(60, 70)를 제외하고는 내측 직경(a,b)을 일정하게 형성함으로써, 샤워헤드 상하면간의 표면적 차이로 인한 열적변형의 문제가 방지될 수 있다.

위에서 상기 제1분사구(30)와 제2분사구(40)의 내측직경(a,b)을 노즐(50)의 상부와 하부에서 동일하도록 형성하였으나, 그것은 본 발명의 일 실시예일 뿐이므로, 노즐(50) 상부와 하부에서 분사구 내측 직경을 약간씩 달리 하여도 무방하다.

또한 종래와 같은 상협하광의 분사구 구조는 분사구 전체가 노즐역할을 하는데 반해, 본 발명에 의하면 분사구의 내부에 노즐(50)이 위치하므로 상기 노즐(50)이 외부로 노출되지 않아 외부충격에 의한 노즐의 변형가능성이 작아지는 장점도 있다.

한편 종래와 같은 상협하광의 분사구 구조는 분사구 출구로 갈수록 가공오차가 커지는 특징이 있고, 이로 인해 두께를 두껍게 할 경우 분사구 출구들 간의 직경차이가 커져서 분사가스의 균일도가 저하되는 문제가 발생하게 된다. 샤워헤드의 열적변형을 줄이기 위해서는 샤워헤드의 두께를 충분히 두껍게 할 필요가 있는데, 두께를 두껍게 하면 상술한 가공오차의 발생때문에 분사가스의 균일도가 저하되는 문제가 있으므로 이를 두껍게 하는데도 일정한 한계가 있다.

그러나 본 발명의 실시예에 의하면, 확산부(60, 70)를 제외하고는 노즐(50)의 상부와 하부에서 분사구의 내측직경(a,b)을 동일하게 형성하기 때문에, 가공오차가 작아지고 이에 따라 샤워헤드를 종래의 방식보다 두꺼운 두께(t2, t3)로 가공할 수 있게 되므로, 샤워헤드의 열적변형을 줄일 수 있게 된다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 분사구 배치의 제3, 제4 실시예를 각각 도시한 것으로서, 특히 도 6의 제4실시예에 의하면 가장자리부분에는 직경이 큰 제2분사구(40)만을 배치하고, 내측으로는 제1분사구(30)와 제2분사구(40)를 규칙적으로 배열함으로써, 진공펌핑에 의해 가장자리 부분의 박막두께가 얇아지는 현상을 보완할 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명의 실시방법에 있어서 당업자에 의한 다양한 변경 또는 수정이 가능하며, 그러한 변경이나 수정도 본 발명의 기술적 사상의 범위에 속하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

본 발명에 따르면, 대면적 TFT-LCD 기판에 대한 박막증착시에, 샤워헤드 상하면간의 표면적차이와 분사구의 가공오차로 인해 발생하는 샤워헤드의 열적변형을 크게 줄일 수 있게 되어, 가스분사 및 플라즈마의 균일도를 향상시킬 수 있을 뿐만아니라, 샤워헤드와 서셉터간의 거리에 따른 공정마진을 개선할 수 있다.

Claims

직경이 작은 다수의 제1분사구와 직경이 큰 다수의 제2분사구를 구비한 화학기상증착 장치의 샤워헤드
제1항에 있어서,

상기 제1분사구와 제2분사구가 규칙성 있게 배열되는 것을 특징으로하는 화학기상증착 장치의 샤워헤드
제1항에 있어서,

가장자리에는 직경이 큰 다수의 제2분사구가 배열되고, 나머지 부분에는 상기 제1분사구 및 상기 제2분사구가 규칙성 있게 배열되는 화학기상증착 장치의 샤워헤드
제1항에 있어서,

상기 제1분사구 및 상기 제2분사구 내측에 노즐이 형성되는 화학기상증착 장치의 샤워헤드
제1항에 있어서,

상기 제1분사구 및 상기 제2분사구는 출구쪽에 원뿔대 형상의 확산부를 갖는 화학기상증착 장치의 샤워헤드