KR20050017267A

KR20050017267A - 균일한 대면적 플라즈마 발생을 위한 고주파전원 공급장치

Info

Publication number: KR20050017267A
Application number: KR1020030055587A
Authority: KR
Inventors: 김명수; 한순석
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2005-02-22
Also published as: KR100971370B1

Abstract

본 발명은 5세대이상의 대면적 LCD기판 제조장치에 사용되는 고주파전원 공급장치에 관한 것으로서, 하나의 고주파발진기에 다수의 임피던스정합기를 병렬로 연결한 고주파전원 공급장치를 제공한다.

본 발명에 의하면 고주파전력의 공급경로가 대칭적으로 형성되고, RF전력의 손실도 최소화 되므로, 플라즈마전극과 서셉터 사이에서 균일하고 안정된 RF전기장이 형성되고, 결과적으로 대면적 LCD기판의 제조에서 요구되는 균일하고 안정된 플라즈마를 발생시킬 수 있게 된다.

Description

균일한 대면적 플라즈마 발생을 위한 고주파전원 공급장치{Radio frequency power supplier for generating uniform and large-size plasma}

본 발명은 대면적 LCD기판의 제조에 사용되는 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 5세대 이상의 대면적 LCD기판 제조장치에서 용량성 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma : CCP)를 발생시키는 전원공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 LCD기판을 제조하기 위해서는, 박막증착, 식각, 세정 등의 공정을 수회 내지 수백회 반복하여야 하는데, 이러한 공정을 수행하는 방법에는 여러 가지가 있으나, 일반적으로 균일도 및 계단도포성(step coverage) 등이 좋은 CVD(Chemical Vapor Deposition)법이 흔히 사용되며, 그 중에서도 저온증착이 가능하고 박막형성속도 등이 빠른 장점 때문에 플라즈마를 이용한 PECVD(Plasma Enhanced CVD)법이 최근 많이 이용된다.

플라즈마를 이용하는 모든 LCD기판 제조장치에는 플라즈마 발생을 위해 고주파(Radio frequency, RF)발진기와 임피던스정합기(Impedance matching box) 등을 포함하는 전원공급장치가 필요하며, 이러한 전원공급장치를 포함하는 LCD기판 제조장치에는 박막증착을 위한 PECVD장치 뿐만아니라, 식각공정을 수행하는 에처(Etcher), 세정공정을 수행하는 건식 세정기 등이 있다.

이와 같이 박막증착공정을 수행하는 PECVD장치나, 식각 또는 세정공정을 수행하는 에처나 건식세정기 등은 그 용도가 다르긴 하지만, 모두 플라즈마를 이용하고 있고, 대체적인 공정순서도 유사하기 때문에 이하에서는 PECVD장치를 중심으로 설명하기로 한다.

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

먼저 로봇암(미도시)에 의해 LCD기판(30)이 공정챔버의 내부에 설치된 서셉터(20)의 상면에 안착되면, 반응가스가 가스공급관(60)을 통해 공정챔버 내부로 유입되어 분사되고, 상기 분사된 가스는 RF발진기(120)로부터 임피던스정합기(110), 플라즈마전극(50)을 거쳐 공급되는 RF전력에 의해 플라즈마(40)상태로 방전된다. 상기 플라즈마(40) 상태의 반응가스는 LCD기판(30) 상에서 증착되거나 반응하며, 공정이 완료된 후 남은 반응가스는 미도시된 배기관으로 배출된다.

한편 플라즈마전극(50)은 가스분사를 위한 샤워헤드와 일체로 형성되는 경우도 있고, 서셉터(20)와 일체로 형성되는 경우도 있으며, 샤워헤드 및 서셉터(20) 모두에 형성되는 경우도 있다.

서셉터(20) 내부에는 LCD기판(30)을 예열하기 위한 히터(미도시)가 내장되어 있으며, 상기 서셉터(20)의 상면과 상기 플라즈마전극(50)의 하면은 균일한 박막형성을 위해 통상 5 내지 40 mm 정도의 간격을 유지한다.

한편 RF전력은 RF전송라인(100)을 통해 임피던스정합기(110)로부터 플라즈마전극(50)에 공급되는데, RF전송라인(100)을 플라즈마전극(50)에 연결할 때에는 통상 가스공급관(60)과 플라즈마전극(50)을 연결하는 역할을 하는 플랜지부(70)에 연결하게 되며, 상기 플랜지부(80)는 가스공급관(60)과 플라즈마전극(50)의 연결부위를 밀봉하는 역할도 한다.

그리고 RF전송라인(100)의 라디에이션(radiation)으로 인한 전력손실을 방지하기 위해, 통상 RF전송라인(100)의 주위를 도전체인 접지커버(90)를 이용해서 감싸는 방법을 사용한다. 접지커버(90)는 RF전송라인(100)에서의 라디에이션을 방지하는 이외에도 RF전력을 전송하는 전송선로의 역할도 수행한다.

상기 가스공급관(60)의 일부에는 절연관 및 저항관(80)이 형성되어 있는데, 절연관은 세라믹 재질의 절연물질로 이루어져서 RF전력이 가스공급관(60)을 통해 누설되지 않도록 절연하는 역할을 한다. 또한 저항관은 상기 절연관을 외부에서 감싸는 원통형상의 고저항 도전체로서, 상기 절연관의 양단간에 걸리는 RF전압으로 인해 가스공급관 내부에서 플라즈마 방전이 일어나는 현상을 방지하기 위해, 미세한 전류를 흐르게 함으로써 RF전압을 낮추어 플라즈마 방전을 방지하는 역할을 한다.

이러한 PECVD장치에서 RF전력이 전달되는 경로를 살펴보면 다음과 같다.

첫 번째 경로는 RF전력이 정상적으로 공급되는 경로로서, RF발진기(120)로 부터 공급된 RF전력이 임피던스정합기(110), RF전송라인(100), 플랜지부(70)를 거쳐 플라즈마전극(50)으로 공급되고, 반응가스를 플라즈마(40) 상태로 여기시킨 후, 접지된 서셉터(20) 및 공정챔버벽(10)을 지나 다시 임피던스정합기(110) 및 RF발진기(120)로 귀환하는 경로이다.

도 2는 상기 첫 번째 경로 중에서 서로 대칭되는 방향의 경로를 단순화하여 도시한 것으로서, 플라즈마전극(50)과 서셉터(20) 사이에는 RF전기장(140)에 의해 경로가 연결된다.

여기서 RF전력의 공급경로 M₁, 귀환경로 M₂ 로 이루어지는 좌측의 M경로가 공급경로 N₁, 귀환경로 N₂ 로 이루어지는 우측의 N경로 보다 짧음을 알 수 있는데, 이것은 임피던스정합기(110)가 챔버리드(11)의 좌측으로 많이 치우쳐서 설치되어 있기 때문이다.

그런데 이와같은 RF전력 전달경로의 차이로 인해, 공급경로의 경우 경로 M₁의 임피던스가 경로 N₁의 임피던스보다 작아지게 되어, RF전력이 경로 M₁쪽으로 많이 공급되므로 플라즈마전극(50)의 좌측면 또는 에지부근과 공정챔버벽(10)사이의 간극에서 방전이나 전력누설의 가능성이 커지게 된다.

도 3은 도 1과 같이 일반적인 플라즈마 발생장치를 구비한 5세대 LCD기판 제조장치의 서셉터(20) 상면에서, RF전기장의 분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한 것으로서, 가운데에서 주변부로 갈수록 RF전기장이 약해지는 분포를 가진다. 도 3에 의하면 서셉터의 x축을 기준으로 좌측이 우측보다 RF전기장이 약하게 형성되는 것을 알 수 있는데, 이는 박막증착두께를 측정한 실험결과와 전반적으로 일치되는 분포를 보이는 것이다.

이렇게 RF전기장이 비대칭적으로 형성되는 것은, RF전송라인(100)과 접지커버(90)의 출구 사이에서 또는 플라즈마전극(50)의 좌측면과 공정챔버벽(10)사이의 간극에서 방전이나 전력누설이 발생하기 때문이다.

도 4는 RF전송라인(100)과 접지커버(90)의 출구부분 사이에서 RF전력이 방전되거나 누설되는 경로를 화살표로 도시하고 있다.

이와 같은 RF전기장의 비대칭 현상은 결과적으로 플라즈마의 비대칭을 초래하게 되는데, 특히 5세대 이상의 대면적 LCD기판의 경우에는 이러한 플라즈마의 비대칭이 공정균일도에 미치는 영향이 더욱 커지게 된다.

RF전력이 전달되는 두 번째 경로는, RF발진기(120)로 부터 공급되는 RF전력이 임피던스정합기(110)를 거쳐 플라즈마전극(50)으로 공급된 후, 플라즈마전극(50)과 공정챔버벽(10) 또는 플라즈마전극(50)과 챔버리드(11) 사이의 간극을 통해 방전되거나 누설되는 경로이다. 도 1의 화살표가 이러한 경로를 나타낸다.

이와 같은 방전이나 전력누설은 전력의 안정된 공급을 저해하므로, 플라즈마의 안정도와 균일도를 저하시키는 원인이 된다.

그리고 RF전송라인(100)이 도 1과 같이 길게 형성되는 경우에는, RF전송라인(100)과 챔버리드(11)와의 사이에 부유커패시턴스(stray capacitance)가 발생하고, 부유커패시턴스의 증가는 임피던스의 감소를 가져와 전력누설 또는 방전을 증가시키는 원인이 된다.

이상과 같이 RF전력 공급경로의 비대칭이나 RF전력의 비대칭적인 손실 등으로 인해, 서셉터상면에서 RF전기장이 비대칭적으로 형성되고, 부유커패시턴스의 증가, RF전송라인(100)과 접지커버(90)의 출구와의 사이에서 일어나는 방전이나 전력손실 등의 원인으로 인해 RF전기장이 불안정해지므로, 발생하는 플라즈마 역시 불안정하고 불균일한 현상이 나타난다.

이러한 문제는 LCD기판의 크기가 작은 경우에는 무시할 수 있는 정도 였지만, 5세대 이상의 대면적 LCD기판의 경우에는 공정균일도에 직접적인 영향을 미치므로, 시급한 개선이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, RF전력을 대칭적이고 안정적으로 공급하여, 대면적 LCD기판 제조에 요구되는 균일하고 안정된 플라즈마를 발생시키는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위해서, 고주파발진기와; 플라즈마전극과; 일부에 상기 고주파발진기와 연결되는 입력단을 구비하고, 다른 일부에 상기 플라즈마전극과 연결되는 출력단을 구비하며, 상기 고주파발진기에 대해 병렬로 연결되는 다수의 임피던스정합기를 포함하는 고주파전원 공급장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 다수의 임피던스정합기는 상기 플라즈마전극의 상부에서 서로 대칭적으로 위치한다. 상기 플라즈마전극의 중심부에는 반응가스를 공급하는 가스공급관의 일단이 연결된다.

상기 임피던스정합기는 상기 가스공급관의 둘레를 밀착하여 감싸는 클램프도선에 의해 상기 가스공급관에 연결된다.

상기 임피던스정합기는, 하단이 상기 플라즈마 전극과 접하며 상기 가스공급관을 감싸는 원통형상의 도전관에, 상기 도전관의 둘레를 밀착하여 감싸는 클램프도선에 의해 연결된다.

상기 도전관은 은이 도금된 금속 또는 구리 중에서 선택되는 어느 하나의 재질로 구성된다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 설명하기로 하며, 도면 중 동일한 부분은 동일한 명칭과 부호를 사용하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예를 도시한 것으로서, 제1 임피던스정합기(210)와 제2 임피던스정합기(220)가 고주파발진기(120)에 대해 병렬로 연결되며, 각 임피던스정합기(210,220)는 공정챔버의 상면에 서로 대칭적으로 위치한다.

또한 제1, 2 임피던스정합기(210,220)는 각각 RF전송라인(100)에 의해, 가스공급관(60)과 플라즈마전극(50)이 접하는 플랜지부(70)에 연결된다.

그리고 RF전력의 라디에이션을 방지하고, RF전력을 안정적으로 전송하기 위해, 제1, 2 임피던스정합기(210,220)의 일부에는 RF전송라인(100)을 둘러싸는 접지커버(92,94)가 각 연결된다. 가스공급관의 일부에는 미도시된 절연관 및 저항관이 형성되는데, 그 역할은 상술하였으므로 설명을 생략하며, 이는 이하의 도면에서도 같다.

이와 같이 2개의 임피던스정합기(210,220)의 배치가 서로 대칭적으로 이루어짐으로써, 하나의 임피던스정합기로 인해 발생하는 RF전력 공급경로의 비대칭현상이 서로 상쇄되게 된다. 위에서 2개의 임피던스정합기(210,220)를 설명한 것은 예시에 불과한 것이므로, 더 많은 임피던스정합기를 병렬로 연결하는 것이 가능하다. 다만 이 경우에도 균일한 플라즈마의 발생을 위해 다수의 임피던스정합기들을 플라즈마전극(50)의 중심을 기준으로 대칭적으로 배치하여야 한다.

예를 들어 임피던스정합기가 3개인 경우에는 플라즈마전극(50)의 중심을 기준으로 120°간격으로 배치되는 것을 예상할 수 있다.

그런데 상기 실시예는 대칭적인 플라즈마의 발생을 실현할 수는 있으나, RF전송라인(100)이 도 5와 같이 길게 형성되는 경우에는, RF전송라인(100)과 챔버리드(11)와의 사이에 부유커패시턴스(stray capacitance)가 발생하여 임피던스가 감소되고 그 결과 전력누설 또는 방전이 일어나게 된다.

그리고 RF전송라인(100)과 접지커버(92,94)의 출구와의 사이에서도 방전이나 전력손실이 발생하므로, 전체적으로 공급전력의 안정도가 저하되어 결과적으로 플라즈마의 안정도가 저하되게 된다.

도 6에서는 이러한 문제를 해소하기 위한 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있는데, 제1,2 임피던스정합기(210,220)의 각 출력단은 클램프도선(300)에 의해 가스공급관(60)에 직접 연결되며, 상기 가스공급관(60)은 플라즈마전극(50)에 연결되어 있다. 상기 클램프도선(300)은 가스공급관(60)의 외주를 밀착하여 둘러싸며 탈부착이 가능한 환형의 도전체로서, 일단에는 임피던스정합기(210,220)의 출력단과 연결할 수 있는 결합수단이 형성되어 있다.

따라서 고주파전력은 제1,2 임피던스정합기(210,220)의 각 출력단으로 부터 상기 클램프도선(300)을 통해 가스공급관(60)으로 직접 공급되고, 상기 가스공급관(60)과 연결된 플라즈마전극(50)에 인가되게 된다. 상기 가스공급관(60)은 RF전력을 전달하는 역할뿐만 아니라 반응가스의 통로 역할도 하므로, 도전성과 내부식성을 모두 갖춘 알루미늄이나 스테인레스스틸(SUS) 재질로 만드는 것이 바람직하다. 이때 RF전력의 대칭적인 공급을 위해서는 상기 가스공급관(60)의 일단은 상기 플라즈마전극(50)의 정중앙에 연결되어야 하며, 타단은 가스저장탱크(미도시)에 연결된다.

그러나 상기 클램프도선(300)은 제1,2 임피던스정합기(210,220)와 가스공급관(60)을 최단거리로 연결하고, RF전력을 대칭적으로 공급하기 위한 것이므로, 이러한 효과를 가질 수 있는 것이라면 다른 연결수단도 무방함은 물론이다.

한편 도 5에서는 도전체인 접지커버(92,94)를 도시하고 있으나, 접지커버(92,94)는 RF전송라인으로부터 RF전력의 라디에이션을 방지하는 역할을 하는 것이므로, 도 6과 같이 클램프도선(300)에 의해 임피던스정합기(90)의 출력단과 가스공급관(60)이 직접 연결되는 경우에는, 접지커버(90)를 생략하여도 무방하다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것인데, 제1,2 임피던스정합기(210,220)의 각 출력단이 가스공급관(60)에 직접 연결되지 않고, 가스공급관(60)을 둘러싸면서 하부에 플라즈마전극과 연결할 수 있는 플랜지부가 형성된 원통형상의 도전관(400)에 클램프도선(300)을 이용해 연결된다.

고주파전력의 직접적인 연결을 위해 도전관(400)의 내측면은 가스공급관(60)과 접하지 않고, 하단의 플랜지부만 플라즈마전극(50)과 직접 연결되는 것이 바람직하나, 반드시 그러한 것은 아니므로 도전관(400)의 다른 부분과 가스공급관의 접촉이 배제되는 것은 아니다.

상기 도전관(400)은 RF전력을 전달하는 역할을 하므로 저항이 작은 금속재질 이어야 하는데, 고주파전력은 표피효과로 인해 표면으로 전송되므로 저항이 낮은 은이 도금된 금속재질이나 구리로 만드는 것이 바람직하다.

도 8은 상기 도전관(400)의 형상을 도시한 것으로서, 하부의 플랜지부에는 플라즈마전극(50)과의 연결을 위해 다수의 볼트체결홀이 도시되어 있으나, 이것은 예시에 불과한 것이므로, 다른 방식으로 도전관(400)과 플라즈마전극(50)을 연결하는 것을 배제하는 것은 아니다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 다양한 변경이나 수정이 가능하며 그러한 변경이나 수정이 본 발명의 기술적사상을 기초로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다.

도 1은 종래 PECVD장치의 개략적인 구성도

도 2는 종래 PECVD장치에서 RF전력이 전달되는 경로를 도시한 구성도

도 3은 종래 PECVD장치에서의 RF전기장 분포도

도 4는 도 1의 A부분의 부분확대도

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PECVD장치의 구성도

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PECVD장치의 구성도

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 PECVD장치의 구성도

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 도전관의 구성도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 공정챔버벽 11 : 챔버리드(lid)

20 : 서셉터 30 : LCD기판

40 : 플라즈마 50 : 플라즈마전극

60 : 가스공급관 70 : 플랜지부

80 : 절연관 및 저항관 90, 92, 94 : 접지커버

100 : RF전송라인 110 : 임피던스정합기

120 : RF발진기 130 : 절연체

140 : RF전기장 210, 220 : 제1,2 임피던스정합기

300 : 클램프도선 400 : 도전관

Claims

고주파발진기와;

플라즈마전극과;

일부에 상기 고주파발진기와 연결되는 입력단을 구비하고, 다른 일부에 상기 플라즈마전극과 연결되는 출력단을 구비하며, 상기 고주파발진기에 대해 병렬로 연결되는 다수의 임피던스정합기

를 포함하는 고주파전원 공급장치
제1항에 있어서,

상기 다수의 임피던스정합기는 상기 플라즈마전극의 상부에서 서로 대칭적으로 위치하는 고주파전원 공급장치
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 플라즈마전극의 중심부에는 반응가스를 공급하는 가스공급관의 일단이 연결되는 고주파전원 공급장치
제3항에 있어서,

상기 임피던스정합기는 상기 가스공급관의 둘레를 밀착하여 감싸는 클램프도선에 의해 상기 가스공급관에 연결되는 고주파전원 공급장치
제3항에 있어서,

상기 임피던스정합기는, 하단이 상기 플라즈마 전극과 접하며 상기 가스공급관을 감싸는 원통형상의 도전관에, 상기 도전관의 둘레를 밀착하여 감싸는 클램프도선에 의해 연결되는 고주파전원 공급장치
제5항에 있어서,

상기 도전관은 은이 도금된 금속 또는 구리 중에서 선택되는 어느 하나의 재질로 구성되는 고주파전원 공급장치