KR20150057679A - 기판 냉각장치 및 이를 포함하는 화학기상 증착장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 냉각장치 및 이를 포함하는 화학기상 증착장치에 관한 것이다. 본 발명은 챔버 내부에 안착되는 기판을 냉각하기 위한 기판 냉각장치에 있어서, 상기 기판의 하부에 설치되어 상기 기판을 냉각시키는 기판 냉각 플레이트를 포함하고, 상기 기판과 기판 냉각 플레이트 사이의 공간으로 냉각 가스가 유입되어 상기 기판의 열을 상기 기판 냉각 플레이트로 전달시킬 수 있다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 기판의 냉각이 용이하여 안정된 환경 하에서 증착이 이루어져 증착 품질이 향상된다.

Description

기판 냉각장치 및 이를 포함하는 화학기상 증착장치{Cooling apparatus for substrate and Chemical vapor deposition apparatus including the same}
본 발명은 기판 냉각장치 및 이를 포함하는 화학기상 증착장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판을 냉각시켜 안정된 환경 하에서 증착이 이루어질 수 있도록 하기 위한 기판 냉각장치 및 이를 포함하는 화학기상 증착장치에 관한 것이다.
LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel) 및 OLED(Organic Light Emitting Diodes) 등의 평판표시소자(FPD, Flat Panel Display)는 여러 가지 공정을 거쳐 제조되는데, 이러한 제조 공정에는 기판에 소정의 박막을 형성시키는 박막증착공정이 포함된다.
상기 박막증착공정은 크게 물리기상 증착장치(PVD, Physical Vapor Deposition)와 화학기상 증착장치(CVD, Chemical Vapor Deposition)에 의해 수행될 수 있다. 이 중 화학기상 증착장치는 진공챔버 내에서 가열된 기판에 증기압이 높은 반응가스를 보내어 그 반응가스의 막을 기판에 증착되도록 하는 장치이다.
이러한 화학기상 증착장치는 반응 챔버 내부로 공급된 반응가스가 가열된 기판의 상부 표면에서 화학반응을 일으켜 증착이 이루어지는데, 이때 기판 표면의 전 영역에서 박막층이 균일한 두께를 가지도록 하는 것이 필요하다.
또한, 기판에 증착되는 유기물질은 고온의 상태로서 증착 시 기판의 온도가 상승하여 변성 등으로 인해 증착 품질이 저하될 우려가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0026398호(2013.03.13 공개)
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기판을 냉각시켜 안정된 환경 하에서 증착이 이루어질 수 있도록 하기 위한 기판 냉각장치 및 이를 포함하는 화학기상 증착장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 챔버 내부의 온도 구배를 균일하게 하고 챔버 내부로 유입되는 가스가 균일하게 분출되도록 함으로써 증착의 균일도를 높일 수 있는 기판 냉각장치 및 이를 포함하는 화학기상 증착장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 기판 냉각장치는 챔버 내부에 안착되는 기판을 냉각하기 위한 기판 냉각장치에 있어서, 상기 기판의 하부에 설치되어 상기 기판을 냉각시키는 기판 냉각 플레이트를 포함하고, 상기 기판과 기판 냉각 플레이트 사이의 공간으로 냉각 가스가 유입되어 상기 기판의 열을 상기 기판 냉각 플레이트로 전달시킬 수 있다.
상기 기판과 기판 냉각 플레이트 사이에는 상기 냉각 가스가 유입되는 가스 유입 플레이트가 배치될 수 있다.
상기 가스 유입 플레이트의 일측에는 상기 냉각 가스가 유입되는 가스 유입구가 형성될 수 있다.
상기 냉각 가스는 헬륨, 아르곤, 질소, 이산화탄소 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명에 의한 화학기상 증착장치는 기판이 내부에 안착되는 챔버; 상기 챔버의 상부에 설치되어 상기 챔버 내부로 반응가스를 분출시키는 샤워헤드 어셈블리; 및 상기 기판이 투입되도록 상기 챔버에 형성된 기판 투입구를 개폐하는 셔터를 포함할 수 있다.
상기 챔버의 내부에는 가장자리를 따라 챔버 가열부가 설치될 수 있다.
상기 챔버의 내벽과 챔버 가열부의 사이에는 상기 챔버 가열부에서 발생되는 열이 상기 챔버의 내벽으로 전달되는 것을 차단하기 위한 열차단부가 설치될 수 있다.
상기 챔버의 내부에는 상기 챔버 내에 증착된 물질을 제거하기 위한 ICP (Inductively Coupled Plasma) 안테나가 설치될 수 있다.
상기 기판과 샤워헤드 어셈블리의 거리를 조절하기 위해 상기 기판을 승강시키는 기판 승강 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 기판의 하부에는 기판 냉각 플레이트가 설치되고, 상기 챔버의 하부에는 상기 기판, 마스크 및 기판 냉각 플레이트를 밀착시키기 위한 기판 클램핑 장치가 설치될 수 있다.
상기 샤워헤드 어셈블리로 유입된 개시제는 원격 플라즈마를 통과하면서 라디칼 이온으로 분해될 수 있다.
본 발명에 의하면, 기판 냉각 플레이트와 기판 사이에 헬륨 가스를 주입하여 열전달 속도를 향상시켰다. 따라서, 기판의 냉각이 용이하여 안정된 환경 하에서 증착이 이루어져 증착 품질이 향상된다.
또한, 본 발명에 의하면, 챔버 가열부를 설치하여 챔버 내부의 온도 구배를 균일하게 함으로써 증착의 균일도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상 증착장치의 내부를 보인 정면도.
도 2는 기판 냉각장치의 가스 유입 플레이트를 보인 평단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상 증착장치의 내부를 보인 평면도.
도 4는 샤워헤드 어셈블리를 보인 정면도.
도 5는 샤워헤드 어셈블리의 개시제 가열부를 보인 구성도.
도 6은 샤워헤드 어셈블리의 가스 가열부을 보인 평면도.
도 7은 샤워헤드 어셈블리의 제1 및 제2 반응가스 유입 플레이트를 보인 평면도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 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 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 본 발명에 의한 기판 냉각장치 및 화학기상 증착장치의 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상 증착장치의 내부를 보인 정면도이고, 도 2는 기판 냉각장치의 가스 유입 플레이트를 보인 평단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학기상 증착장치의 내부를 보인 평면도이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 기판 냉각장치는 상기 기판(12)의 하부에 설치되어 상기 기판(12)을 냉각시키는 기판 냉각 플레이트(18)를 포함하고, 상기 기판(12)과 기판 냉각 플레이트(18) 사이의 공간으로 냉각 가스(G)가 유입되어 상기 기판(12)의 열을 상기 기판 냉각 플레이트(18)로 전달시킬 수 있다.
기판(12)에 증착되는 증착물질은 일반적으로 고온에서 장시간 유지될 경우 변성이 발생할 수 있다. 즉, 화학기상으로 가열된 개시제 및 반응가스는 기판(12)에 증착 시 물질이 가지고 있는 열에너지에 의해 기판(12)의 온도가 상승할 우려가 있다. 또한, 안정된 증착 공정을 위해서 챔버(10) 내부의 온도를 약 200℃ 이상으로 유지시키기 때문에 기판(12)에 지속적인 열에너지가 전달된다. 따라서, 본 실시예에서는 기판(12)에 전달되는 열이 기판 냉각 플레이트(18)로 전달될 수 있도록 기판(12)과 기판 냉각 플레이트(18) 사이의 공간으로 냉각 가스(G)를 유입하도록 한 것이다.
보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 기판(12)과 기판 냉각 플레이트(18)의 사이에는 가스 유입 플레이트(14)가 설치될 수 있다. 그리고, 가스 유입 플레이트(14)의 내부는 상하로 개구되어 있으며 가스 유입구(15)를 통해 냉각 가스(G)가 유입될 수 있다.
이와 같이 냉각매체로서 작용하는 냉각 가스(G)로는 헬륨가스를 비롯하여 르곤, 질소, 이산화탄소와 같은 기체나, 물과 같은 액체 등이 사용될 수 있다.
기판 냉각 플레이트(18)는 기판(12)의 하부에서 기판(12)을 냉각시키는 역할을 하는 것으로서, 예를 들어 기판(12)을 40℃ 미만으로 유지할 수 있다. 이와 같이 기판(12)을 냉각시키는 것은 화학기상 증착 시 최적의 공정 조건을 구성하기 위함이다.
한편, 본 발명에 의한 화학기상 증착장치는 기판(12)이 내부에 안착되는 챔버(10); 상기 챔버(10)의 상부에 설치되어 상기 챔버(10) 내부로 반응가스를 분출시키는 샤워헤드 어셈블리(40); 및 상기 기판(12)이 투입되도록 상기 챔버(10)에 형성된 기판 투입구(26)를 개폐하는 셔터(30)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 챔버(10)의 내부에 안착된 기판(12)은 기판 승강 장치(16)에 의해 지지되어 높이가 조절된다. 반응가스가 샤워헤드 어셈블리(40)로부터 분출되어 기판(12)에 증착될 때 공정 조건에 따라 기판(12)과 샤워헤드 어셈블리(40) 사이의 거리를 조절할 필요가 있다. 이때, 기판(12)은 기판 승강 장치(16)에 의해 적절하게 높이가 조절됨으로써, 샤워헤드 어셈블리(40)와의 거리가 조절될 수 있다. 예를 들어, 기판 승강 장치(16)는 기판(12)과 샤워헤드 어셈블리(40) 사이의 거리를 0 내지 100mm 로 조절할 수 있다.
한편, 챔버(10)의 내부에는 가장자리를 따라 챔버 가열부(20)가 설치된다. 챔버 가열부(20)는 벽의 형태로서, 챔버(10)의 내부를 감싸도록 가장자리를 따라 설치될 수 있다. 이는 챔버(10) 내부의 온도를 상온 이상으로 가열하여 균일하게 유지하기 위한 것으로서, 챔버 가열부(20)는 챔버(10) 내부에 탈부착이 가능하다.
또한, 챔버(10)의 내벽과 챔버 가열부(20)의 사이에는 챔버 가열부(20)에서 발생되는 열이 챔버(10)의 내벽으로 전달되는 것을 차단하기 위한 열차단부(22)가 설치된다. 챔버(10) 내부를 가열하여 소정의 온도로 유지하기 위해서 챔버 가열부(20)를 직접 가열할 경우 챔버(10)에 장착된 부품들에 열이 전달되어 손상을 입을 수 있고, 특히 70℃ 이상으로 가열될 경우 화상 등의 안전문제도 발생할 수 있다. 열차단부(22)는 챔버 가열부(20)와 마찬가지로 벽의 형태로서, 챔버(10)의 가장자리를 따라 설치될 수 있다.
챔버(10)의 내부에는 챔버(10) 내에 증착된 물질을 제거하기 위한 ICP(Inductively Coupled Plasma) 안테나(24)가 설치된다. 화학기상 증착 시 기판(12) 이외에 증착된 물질은 기판(12)에 이물질을 발생시키거나 장비의 정상 가동에 문제를 발생시킬 수 있기 때문에 정기적으로 챔버(10) 내부를 세척하는 것이 필요하다. 또한, 증착물질을 교체하여 증착할 경우 가열된 챔버(10) 내벽에서 이종 물질이 증발되어 기판(12)에 증착됨으로써 제작되는 소자에 문제가 발생할 우려도 있다. 따라서, 본 실시예에서는 챔버(10)의 내부에 ICP 안테나(24)를 설치하여 증착된 물질을 세척하도록 한 것이다.
챔버(10)의 일측에는 기판(12)의 투입을 위한 기판 투입구(26)가 개구되게 형성된다. 기판 투입구(26)로는 증착을 위한 기판(12)이 투입되거나 증착이 완료된 기판(12)이 반출된다. 그리고, 챔버(10)의 외벽에 게이트(28)가 이동가능하게 설치되어 기판 투입구(26)를 개폐한다.
본 실시예에서는 챔버(10)의 내벽에 기판 투입구(26)를 개폐하기 위한 셔터(30)가 설치된다. 화학기상 증착 시 챔버(10) 내부는 상온 이상(약 200℃)의 온도를 유지하고 있으며, 증착 시 증착물질이 상부의 샤워헤드 어셈블리(40)로부터 하부의 기판(12)으로 이동하는 동안 가열된 증착물질이 상대적으로 온도가 낮은 기판 투입구(26) 쪽으로 이동하여 증착될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 기판 투입구(26)를 개폐하는 셔터(30)를 설치함으로써, 기판 투입구(26) 쪽에서 발생하는 열 손실을 막고 증착물질이 하부에 위치한 기판(12)으로 원활하게 이동될 수 있도록 한다.
챔버(10)의 하부에는 기판 클램핑 장치(32)가 설치된다. 기판 클램핑 장치(32)는 기판(12), 마스크 및 기판 냉각판(16)을 서로 밀착시키기 위해 설치되는 것으로서, 챔버(10)의 하부에 설치되기 때문에 기판(12)의 승강 시에 간섭되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 샤워헤드 어셈블리(40)는, 제1 반응가스가 유입되는 제1 반응가스 유입 플레이트(42); 상기 제1 반응가스 유입 플레이트(42)의 상부에 적층되고, 제2 반응가스가 유입되는 제2 반응가스 유입 플레이트(44); 및 상기 제2 반응가스 유입 플레이트(44)의 상부에 적층되고, 상기 제1 및 제2 반응가스가 반응을 일으키도록 개시제가 유입되는 개시제 유입 플레이트(46)를 포함할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 샤워헤드 어셈블리(40)가 개시제 및 2종의 반응가스(모노머)가 동시에 유입되어 분출되는 3단 구조를 형성하고 있다. 또한, 각각의 유입 플레이트(42,44,46)는 챔버(10) 내부로 노즐을 통해 분출되기 전까지 서로 혼합되지 않도록 적층되어 있으며, 가장 하부에 배치된 개시제 유입 플레이트(46)의 하방으로 분출되도록 구성된다. 상기 유입 플레이트(42,44,46)는 예를 들어, 용접 등의 방법으로 서로 결합될 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 2종의 반응가스가 유입되어 분출되는 것으로 설명하고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 3종 이상의 반응가스가 유입되어 분출될 수 있도록 구성할 수도 있다. 이와 같은 경우에 3종 이상의 반응가스 유입 플레이트가 적층될 수 있음은 당연하다.
그리고, 개시제는 라디칼 이온 형태로 분해되어 유입되는데, 라디칼 이온은 진입로의 구성(유로의 굴곡, 부피 등)에 따라 에너지가 감소되기 때문에 상부에서 형성된 라디칼 이온이 노즐로 분출되기 전까지 충돌을 최소화하기 위해 최상부에서 분출되도록 구성하였다.
한편, 도 5를 참조하면, 개시제 유입 플레이트(46)의 상부에는 개시제를 라디칼 이온으로 분해하기 위한 개시제 가열부(50)가 설치된다. 개시제 가열부(50)는 샤워헤드 어셈블리(40)로 유입되는 약 200℃ 의 개시제를 약 400℃ 로 가열하여 라디칼 이온으로 분해될 수 있도록 한다. 개시제 가열부(50)는 상부 플레이트(52); 상기 상부 플레이트(52)의 하부에 결합되는 하부 플레이트(56); 및 상기 상부 플레이트(52)와 하부 플레이트(56)의 사이에 배치되는 히터(58)를 포함할 수 있다. 그리고, 상부 플레이트(52) 및 하부 플레이트(56)에는 개시제가 관통하기 위한 복수의 관통구(54)가 대응되게 형성된다.
이상에서는 개시제가 개시제 가열부(50)를 통과하면서 라디칼 이온으로 분해되는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되는 것은 아니고 개시제가 샤워헤드 어셈블리(40)의 유입 전에 원격 플라즈마를 통과하여 라디칼 이온으로 분해되도록 하는 것도 가능하다. 또한, 개시제는 원격 플라즈마 및 개시제 가열부(50)를 모두 통과하도록 구성할 수도 있다.
도 6을 참조하면, 개시제 및 반응가스는 샤워헤드 어셈블리(40)로 유입되기 전에 상온 이상의 온도(약 200℃)로 가열된다. 따라서, 유입된 개시제 및 반응가스가 샤워헤드 어셈블리(40) 내에서 균일하게 확산되어 노즐을 통해 분출되는 동안 샤워헤드 어셈블리(40)를 가열하기 위해 제1 반응가스 유입 플레이트(42) 에는 가스 가열부(60)가 가장자리를 따라 설치될 수 있다. 이와 같이 샤워헤드 어셈블리(40)를 가열하지 않는 경우 가열된 반응가스가 샤워헤드 어셈블리(40)로 유입된 후 균일한 확산이 되지 않아 노즐 부위에 물질이 고착되어 막힘 현상이 발생할 우려가 있다.
도 7을 참조하면, 제1 및 제2 반응가스 유입 플레이트(42,44)에는 각각 제1 및 제2 가스 유로(43,45)가 형성된다. 반응가스는 제1 및 제2 반응가스 유입 플레이트(42,44)의 양측에서 대칭되게 유입되며, 제1 및 제2 가스 유로(43,45)는 유입된 반응가스를 중앙부로 안내하게 된다. 이와 같이 제1 및 제2 가스 유로(43,45)를 형성하지 않으면 반응가스가 유입되는 입구에 근접한 노즐에서 먼저 반응가스가 분출될 수 있지만, 본 실시예에서는 제1 및 제2 가스 유로(43,45)가 반응가스를 중앙부로 안내함으로써 노즐에서 분출될 때 각 노즐의 위치에 상관없이 균일한 양이 분출될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 다양한 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 : 챔버 12 : 기판
14 : 가스 유입 플레이트 15 : 가스 유입구
16 : 기판 승강 장치 18 : 기판 냉각 플레이트
20 : 챔버 가열부 22 : 열차단부
24 : ICP 안테나 26 : 기판 투입구
28 : 게이트 30 : 셔터
40 : 샤워헤드 어셈블리 42 : 제1 반응가스 유입 플레이트
43 : 제1 가스 유로 44 : 제2 반응가스 유입 플레이트
45 : 제2 가스 유로 46 : 개시제 유입 플레이트
50 : 개시제 가열부 52 : 상부 플레이트
54 : 관통구 56 : 하부 플레이트
58 : 히터 60 : 가스 가열부

Claims (11)

  1. 챔버 내부에 안착되는 기판을 냉각하기 위한 기판 냉각장치에 있어서,
    상기 기판의 하부에 설치되어 상기 기판을 냉각시키는 기판 냉각 플레이트를 포함하고,
    상기 기판과 기판 냉각 플레이트 사이의 공간으로 냉각 가스가 유입되어 상기 기판의 열을 상기 기판 냉각 플레이트로 전달시키는 것을 특징으로 하는 기판 냉각장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판과 기판 냉각 플레이트 사이에는 상기 냉각 가스가 유입되는 가스 유입 플레이트가 배치되는 것을 특징으로 하는 기판 냉각장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 유입 플레이트의 일측에는 상기 냉각 가스가 유입되는 가스 유입구가 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 냉각장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 가스는 헬륨, 아르곤, 질소, 이산화탄소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기판 냉각장치.
  5. 기판이 내부에 안착되는 챔버;
    상기 기판의 하부에 설치되어 상기 기판을 냉각시키는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 기판 냉각장치;
    상기 챔버의 상부에 설치되어 상기 챔버 내부로 반응가스를 분출시키는 샤워헤드 어셈블리; 및
    상기 기판이 투입되도록 상기 챔버에 형성된 기판 투입구를 개폐하는 셔터를 포함하는 화학기상 증착장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 챔버의 내부에는 가장자리를 따라 챔버 가열부가 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기상 증착장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 챔버의 내벽과 챔버 가열부의 사이에는 상기 챔버 가열부에서 발생되는 열이 상기 챔버의 내벽으로 전달되는 것을 차단하기 위한 열차단부가 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기상 증착장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 챔버의 내부에는 상기 챔버 내에 증착된 물질을 제거하기 위한 ICP (Inductively Coupled Plasma) 안테나가 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기상 증착장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판과 샤워헤드 어셈블리의 거리를 조절하기 위해 상기 기판을 승강시키는 기판 승강 장치를 더 포함하는 화학기상 증착장치.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 챔버의 하부에는 상기 기판, 마스크 및 기판 냉각장치를 밀착시키기 위한 기판 클램핑 장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 화학기상 증착장치.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 샤워헤드 어셈블리로 유입되는 개시제는 원격 플라즈마를 통과하면서 라디칼 이온으로 분해되는 것을 특징으로 하는 화학기상 증착장치.
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