KR20090057809A - 기판합착장치 - Google Patents

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KR20090057809A
KR20090057809A KR1020070124550A KR20070124550A KR20090057809A KR 20090057809 A KR20090057809 A KR 20090057809A KR 1020070124550 A KR1020070124550 A KR 1020070124550A KR 20070124550 A KR20070124550 A KR 20070124550A KR 20090057809 A KR20090057809 A KR 20090057809A
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황재석
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주식회사 에이디피엔지니어링
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Abstract

본 발명은 액정패널의 기판합착공정 등에 기판을 흡착하기 위해 사용되는 정전척의 기저부에 탄성소재를 사용한 탄성층을 두어, 외력으로 인해 기판에 불균일한 응력이 분포하는 것을 방지하여 기판의 편평도를 유지하고 합착기판의 품질을 향상하는데 특징이 있다.
이를 위해 기저부와 기저부의 상면에 절연층, 전극층, 유전층으로 이루어진 정전력발생부로 이루어진 정전척 장치에 있어서, 상기 기저부는 탄성복원력을 가지는 탄성소재로 이루어진 탄성층을 구비하는 것을 특징으로 하는 정전척 장치 및 이를 포함하는 기판합착장치를 제공한다.
정전척(ESC), 편평도(Flatness), 응력(Stress), 변형, 기판 합착

Description

정전척 및 이를 가진 기판합착장치{ELECTROSTATIC CHUCK AND APPARATUS FOR ASSEMBLING SUBSTRATES HAVING THE SAME}
본 발명은 정전척(Electrostatic chuck, ESC)장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액정패널의 제조시 기판합착공정에서 기판흡착에 사용되는 정전척 장치에 있어 정전척의 기저부에 탄성소재로 된 탄성층을 구비한 것을 특징으로 하는 정전척 및 이를 구비한 기판합착장치에 관한 것이다.
정전척은 반도체 및 LCD 제조장비의 진공 챔버 내부에 기판(Glass 또는 Wafer)이 놓이는 곳으로, 정전기의 힘만으로 기판을 고정시키는 부품이다.
정전척의 원리는 알려진 바와 같이 전극과 기판사이에 위치하는 유전층에서 발생되는 쿨롱힘(Coulombic force)과 존슨 라벡힘(Johnsen- Rahbeck force)을 이용하여 기판을 흡착하는 것이다. 이러한 정전척은 크게 폴리이미드(polyimide) 타입의 정전척과 세라믹 타입의 정전척으로 구분할 수 있다.
정전척 구조에 대해서는, 미합중국 특허 제6,134,096(issued Yamada et al) 에 정전기 에너지를 이용하여 웨이퍼를 흡착시키기 위한 절연층, 전극층, 유전층으로 이루어진 정전척이 개시되어 있다. 미합중국 특허 제6,141,203(issue d Sherman)에는 복수의 구조를 갖는 커패시터 플레이트를 형성하여 정전기 에너지로 웨이퍼를 흡착하는 정전척이 개시되어 있다.
정전척은 크게 정전척 기저부와 그 상면의 정전력발생부로 구성되고, 정전력발생부는 다시 절연층과 전극층 및 유전층으로 구성된다. 정전력발생부의 유전층 위에 기판등의 흡착물이 놓인다. 전극층에 전압이 인가되면, 기판과 전극층 사이의 위치해 있는 유전층에 한쪽에는 +(POSITIVE) 다른 한쪽에는 -(NEGATIVE)의 전하가 발생한다. 그러하여, 이들 사이에 전기적 에너지가 작용하여 기판을 흡착한다.
이러한 정전척은 기판 제조 공정에서 쓰일 수 있는데 예를 들어 LCD를 제조함에 있어서는 TFT기판 및 CF(Color Filter)기판을 각각 제조한 후에 양 기판을 합착하고 그 사이의 공간에 액정 물질을 주입하는 공정이 필요하다.
이러한 기판 합착 공정은 그 내부를 진공 상태로 형성시킬 수 있는 상부챔버와 하부챔버로 구성되는 챔버실을 구비한 기판합착장치에 의하여 수행되는데 이러한 기판합착장치의 상부챔버의 상정반 및 하부챔버의 하정반에 기판을 흡착시키기 위하여 기판흡착수단으로 주로 정전척이 이용된다.
기판합착공정에 있어 상하 양기판이 일정한 간극을 두고 평행도와 편평도를 유지하면서 정렬하는 것은 전체공정에 있어 품질을 결정하는 중요한 단계이다.
기판합착장치에서 양 기판간의 간극 및 평행도의 유지를 위해 Z축의 미세정렬수단에 의해 기판의 마크중심점의 위치를 정렬하는 방식을 사용하고 있는데 이러한 미세정렬수단은 평행도의 향상에 기여할 수 있다.
그러나 기판의 변형으로 인한 기판면 전체의 편평도를 조정할 순 없다. 기판의 편평도를 저해하는 이유는 기판에 불균일한 응력이 인가되어 변형이 생기는 데 기인한다. 더우기 이러한 현상은 가공기판이 대면적화할수록 더욱 심화된다.
기판에 불균일한 응력이 인가되는 요인으론 챔버의 하중에 의한 챔버 처짐에 의한 고정적 요인과 기판합착공정중 챔버실이 진공상태가 되면서 기압차이로 인해 변형되는 가변적인 요인등을 들 수 있다.
챔버에 변형이 발생할 때 이러한 변형을 저지할 수단이 없다면 그러한 변형은 기판에 전달되어 기판의 변형을 초래하고 이는 최종적으로 합착기판의 품질저하로 연결된다.
이러한 변형중에서 챔버하중에 의한 변형은 정적인 변형이어서 초기설정으로 조정할 수 있으나 기압차에 의한 변형은 가공공정중 동적인 것으로 이에 의한 영향을 제거하는 것이 문제된다. 특히 이러한 영향은 베이스프레임에 고정된 하부챔버에 비해 상부챔버에서 더욱 심각하다.
이하에서 각 영향에 의한 문제점 중 기압차에 의한 변형에 대해 상부챔버부를 중심으로 세부적으로 설명한다.
기판합착공정은 내부가 진공상태인 챔버실에서 이루어지는데, 이 때 챔버내외부의 기압차에 의해 챔버내외부에 압축력이 발생한다. 이러한 압축력에 의해 챔버는 일반적으로 중심부가 처지는 형상의 변형이 발생하게 된다. 한편 이러한 변형은 챔버내부에까지 전파되고 이에 기구적으로 체결된 정전척에도 전파되며 최종적으로 이에 흡착된 기판에까지 전달되어 기판의 처짐현상이 발생한다.
도 1에서 가공챔버의 변형으로 인한 흡착된 기판의 변형을 개략적으로 도시하고 있다. 도면을 참조하면, 진공배기에 의해 챔버(100)는 내외부의 기압차에 의해 외부에서 내부로 압축력을 받게 되고 이러한 압축력에 의해 챔버는 중심부가 휘어지는 변형을 보인다. 이러한 변형은 기판지지부(2000)에 의해 챔버와 흡착된 기판에까지 미쳐 전체적으로 기판(P)은 가운데가 휘어진 형상을 이룬다.
도 2를 통해 기판의 변형을 보다 상세히 설명하겠다.
변형전 기판(P)의 정렬마크의 중심점(X)과 변형후 기판(P')의 정렬마크의 중심점(X')은 도시한 바와 같이 기판이 변형됨에 따라 차이를 나타내는데 이는 기판의 편평도가 저하되었음을 의미한다.
이처럼 편평도가 저하된 상태에서 양 기판이 가압합착되면 합착기판은 기판의 주변부에 비해 가운데부의 간극이 좁아지게 되는 기판간극의 불균일이 발생하여 합착기판의 품질 저하로 이어진다.
본 발명은 상기의 문제점에 대응하여 가공공정중의 가공챔버의 동적인 변형에 불구하고 흡착되는 기판이 초기 편평도를 유지할 수 있도록 하여 기판합착공정의 품질향상을 도모하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위하여 기판합착장치의 정전척으로 챔버의 변형으로부터 기판에 변형이 전달되는 것을 완화하는 완충수단을 구비한 정전척 장치를 제공한다.
이러한 완충수단은 기판합착장치의 구성에 별도의 장치를 추가함이 없이 종래 정전척의 기저부를 탄성변형할 수 있는 탄성소재로 치환하여 구성되거나 종래 기저부의 일 구성요소로 상기 탄성소재를 추가하여 구성된다.
이를 위해 탄성소재층을 가지는 정전척 기저부와 상기 기저부의 상면에 절연층, 전극층, 유전층으로 이루어진 정전력발생부로 이루어진 정전척 장치를 제공한 다.
이하에서 본 발명에 따른 탄성소재층에 의한 개선된 특징을 도 3을 통해 상세히 살펴보겠다.
도 3에서 외력 등에 의한 챔버(100)의 변형은 동일하다. 이러한 챔버의 변형은 위치에 따라 균일하지 않고 편차를 보인다. 완충수단이 없을 경우 이러한 변형은 기판에까지 전달됨을 앞에서 설명하였다. 완충수단을 구비한 기판지지부(2000)는 이러한 변형에 대해 이를 저지하는 탄성복원력을 제공하고 외력을 주위로 분산하는 작용을 한다. 이로 인해 완충수단을 구비한 기판지지부(2000)는 챔버와 맞닿은 일면은 응력분포가 불균일하고 챔버의 변형형상에 대응하여 동일한 변형을 보이나 기판에 부착되는 반대면으로 갈수록 응력의 분포가 균일해지고 국부적인 변형의 영향이 감소한다. 결국 기판에도 균일한 응력이 인가되고 초기의 편평도를 유지할 수 있다.
정전척의 기저부에 사용되는 탄성소재로는 외력이 제거되었을 때 원래 형상으로 복원하는 형상복원력이 우수하고 국부적인 변형에 대해 주위에 변형의 파급효과가 적은 소재가 바람직하다. 한편 가공공정중의 각종 오염원으로부터 안정성있고 가공성이 좋은 소재이어야 한다. 이러한 소재로 우레탄 재질의 고무가 바람직하다.
탄성소재는 흡착되는 기판의 변형특성, 사용조건 등에 따라 보다 적절한 것으로 치환될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 정전척의 기저부에 탄성소재로 된 탄성층을 구비하여, 챔버변형 등에 의한 기판에 전달되는 불균일한 응력을 탄성소재의 탄성복원력으로 균일화하여 기판의 편평도를 향상함으로써 흡착기판의 품질을 높일 수 있다.
특히 본 발명은 정전척의 기저부에 탄성층을 구비하여 기판합착장치에 별도의 장치를 부가함없이 간단하게 구성할 수 있어 비용면에서 저렴하다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.
이하에서, 다양한 실시예를 들어 본 발명의 정전척 구조를 설명한다.
먼저 도 4a를 참고하여 본 발명의 일 실시예로 정전척의 기저부를 탄성소재인 우레탄을 사용한 정전척의 단면구조에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 4a에서 정전척의 기저부(2210)는 우레탄 탄성층(2211)으로 이루어지며 그 상면에 정전력발생부(2220)가 위치한다. 정전력발생부(2220)는 폴리이미드필름으로 이루어진 절연층(2221)과 구리기판으로 이루어진 전극층(2222)과 폴리이미드필름으 로 이루어진 유전층(2223)이 각각 접합필름(2225)으로 접합된 구조를 가진다.
기저부의 형상은 가공기판의 형상에 따라 다양한 형태를 지닐 수 있으며, 액정패널합착 공정에선 직사각형 블록 형상을 가지는 것이 일반적이다. 이렇게 가공된 기저부를 상기 정전력발생부와 접합하여 본 발명의 정전척 단면을 형성한다. 전극에 전원을 공급하는 방법에 대해서는 구체적으로 도시하지 않았으나 일반적으로 상기전극은 직류 파워 공급기(미도시)와 연결되어 있다.
한편, 상기 정전척은 가공챔버내의 정반과 체결수단으로 고정되어 있고 정전척을 관통하는 다수의 리프트핀 홀이 형성될 수 있다.
도 4b와 도 4c에선 본 발명의 다른 실시예에 의한 정전척 단면구조를 보여준다.
정전척의 기저부와 기저부의 상면에 정전력발생부가 위치한 구조는 상기와 동일하다. 이하에선 정전력발생부의 구조에 대해선 설명을 생략한다.
도 4b에선 기저부가 우레탄 탄성층(2211)과 그 상면에 알루미늄층(2212)을 가지는 2층구조로 이루어진다. 알루미늄층을 추가함으로써 기저부로부터의 변형에 대해 정전력발생부를 보호하는데 한결 유리할 수 있다.
도 4c에선 기저부가 알루미늄층(2212)과 그 상면에 우레탄 탄성층(2211)을 가지는 2층구조로 이루어진다.
도 5를 통해 기판합착장치 중에 본 발명의 정전척의 배치 및 작동을 언급하 겠다.
도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 기판합착장치를 나타낸 개략도이다.
기판합착장치는 상부기판(P1)과 하부기판(P2)이 안착되는 상부챔버(100a)와 하부챔버(100b)를 구비한다. 하부챔버(100b)는 베이스프레임(미도시)에 고정되고, 상부챔버(100a)는 승강부(400)에 의해 승강한다.
상부챔버(100a)에는 상부기판(P1)을 안착시킬 수 있는 상부정전척(2200a)이 구비되고, 하부챔버(100b)에는 하부기판(P2)을 안착시킬 수 있는 하부정전척(2200b)이 구비된다. 상부정전척(2200a)과 하부정전척(2200b)은 각각 상부챔버(100a)에 구비된 상부정반(2100a)과 하부챔버(100b)에 구비된 하부정반(2100b)에 설치된다.
하부정전척(2200b)에는 하부정반(2100b)을 관통하여 출몰하는 다수개의 리프트핀(310b, Lift Pin)이 구비된다.
하부리프트핀(310b)은 하부정전척(2200b)에 위치하는 하부기판(P2)이 반입될 경우 상승하여 하부기판(P2)을 수취한 후 하강하여 하부정전척(2200b)에 위치시키는 역할을 하며, 합착공정이 완료되어 상부의 상부기판(P1)과 하부의 하부기판(P2)이 합착되어 패널이 되었을 경우 합착된 패널을 외부로 반출하기 위해 합착기판을 상승시키는 역할을 한다.
그리고 상부챔버(100a)에는 상부기판(P1)과 하부기판(P2)에 표시된 정렬마크(Align mark)를 촬영하여 기판들이 정확한 합착지점에 위치하였는지를 확인할 수 있도록 하는 카메라(700)가 설치된다. 카메라(700)는 상부챔버(100a)를 관통하는 촬영홀(701)을 통하여 정렬 마크를 촬영한다.
또한, 상부챔버(100a)와 하부챔버(100b)에는 이들의 밀착으로 공정 공간을 형성할 경우 내부를 진공상태로 형성하기 위한 진공수단(500)으로 고진공분자펌프(Turbo Molecular Pump, TMP) 또는 드라이 펌프(Dry pump)가 연결된다.
기판합착장치의 상부정전척과 하부정전척으로는 본 발명의 여러실시예중의 하나의 정전척을 구비하여 기판면의 편평도를 향상한다. 상대적으로 변형정도가 적은 하부챔버의 하부정전척은 종래의 정전척을 사용할 수 있다.
이하에서는 상술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 기판합착장치의 작동상태 및 본 발명의 정전척의 완충기능을 설명하기로 한다.
상부챔버(100a)와 하부챔버(100b)가 이격된 상태에서 먼저 기판반송로봇(미도시)에 의해 상부기판(P1)이 상부챔버(100a)와 하부챔버(100b)의 사이 공간으로 반입되고, 이후 상부챔버(100a)에 구비된 리프트핀(310a)이 하강하여 상부기판(P1)을 흡착하여 상승한다.
리프트핀(310a)에 의해 흡착된 상태로 상승하던 상부기판(P1)은 상부정반(2100a)에 구비된 상부정전척(2200a)에 부착된다.
그리고 기판반송로봇에 의해 하부기판(P2)이 반입되며, 하부기판(P2)의 수취를 위해 리프트핀(310b)이 상승하여 하부기판(P2)을 지지한 상태에서 로봇은 외부로 빠져나간다. 이후 리프트핀(310b)은 하강하여 하부정전척(2200b)에 안착 및 부착된다.
이후 승강부(400)에 의해 상부챔버(100a)가 하강하여 하부챔버(100b)와 밀착됨으로 공정공간이 형성된다. 공정공간이 형성되고 나면 진공수단(500)에 의해 진공상태를 형성하게 되며, 이때 상부정반(2100a)이 하강하여 개략적으로 상부기판(P1)과 하부기판(P2)의 정렬을 실시하게 된다.
개략적인 정렬이 실시되고 난 후 기판(P1)(P2) 간의 미세 정렬이 실시되어 정렬이 마무리된다.
이러한 미세정렬은 크게 합착기판간의 정렬마크를 일치시키는 XYθ축 정렬과 합착기판간의 간극 및 평행도를 조정하는 Z축 정렬로 이루어진다.
이러한 정렬은 기판의 정렬마크를 기준으로 이루어지고 최종정렬이 끝나게 되면, 상부기판(P1)과 하부기판(P2)은 합착을 위해 근접한 상태가 된다.
이후 정전척에 전원이 분리되고 상부기판(P1)은 정전척(2200a)로부터 이탈되어 아래쪽에 위치한 하부기판(P2)과 합착된다.
상부기판(P1)과 하부기판(P2)의 합착이 되면, 챔버실(1000)의 내부를 배기하여 대기 상태가 되도록 하게 되는데, 이때 도시하지는 않았으나 상부챔버(100a) 측에서 N2가스가 공급하여 상부기판(P1)과 하부기판(P2)이 더욱 견고하게 합착된다.
상술한 바와 같은 과정이 완료되면, 상부챔버(100a)와 하부챔버(100b)는 이격되고, 하부챔버(100b)의 리프트핀(310)은 상승하게 되며, 외부에서 기판반송로봇이 들어와 합착된 기판을 반출하는 과정을 통해 합착공정은 완료된다.
상기의 공정에서 본 발명의 정전척은 진공배기에 의한 챔버의 변형이 기판에 전달되지 않도록 완충하여 기판면의 편평도를 유지하는 역할을 수행하고 합착되는 기판의 품질향상에 이바지한다.
도 1은 챔버의 변형 및 그로 인한 기판에 미치는 변형을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 2는 기판의 변형에 따른 편평도의 저하를 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명에 의한 기판의 변형이 줄어진 것을 보여주는 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전척 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전척 단면도이다.
도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 정전척 단면도이다.
도 5는 정전척을 구비한 기판합착장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
**기판합착장치
1000 : 챔버실, 100 : 챔버
2000 : 기판지지부
2100 : 정반
2200 : 정전척
2300 : 리프트핀
400 : 승강부
500 : 진공수단
700 : 카메라, 701 : 촬영홀, 710 : 조명장치
**정전척(2200)
2210 : 기저부,
2211 : 우레탄 층,
2212 : 알루미늄 층,
2220 : 정전력발생부,
2221 : 절연층,
2222 : 전극층,
2223 : 유전층,
2224 : 구리전극,
2225 : 접합필름

Claims (5)

  1. 탄성복원력을 가지는 탄성소재로 이루어진 탄성층을 가지는 기저부;
    상기 기저부의 상면에 위치한 절연층, 전극층, 유전층으로 구성된 정전력발생부로 이루어진 정전척 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기저부는 탄성복원력을 가지는 탄성소재로 된 탄성층과 그 일면에 위치한 비탄성소재로 이루어진 비탄성층으로 된 2층구조인 것을 특징으로 하는 정전척 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 기저부의 탄성층의 탄성소재는 우레탄으로 이루어진 정전척 장치.
  4. 제 2항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기저부의 탄성층의 탄성소재는 우레탄이고, 비탄성층의 소재는 알루미늄으로 이루어진 정전척 장치.
  5. 가공챔버내에 기판부착수단으로 정전척을 구비한 기판합착장치에 있어,
    탄성복원력을 가지는 탄성소재로 이루어진 탄성층을 가지는 기저부;
    상기 기저부의 상면에 위치한 절연층, 전극층, 유전층으로 구성된 정전력발생부로 이루어진 정전척을 가지는 기판합착장치.
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