KR20160088560A - 커버 가압수단을 구비한 진공 베이킹 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스프링이 설치된 커버가 장착된 진공 베이킹 장치로서, 반도체 웨이퍼표면 위에 도포된 감광막의 접착력을 증진시키기 위한 것으로 복수 개의 스프링으로 커버의 상부에 균일한 탄성력을 가할 수 있어 진공 베이킹 장치의 진공도를 향상하고, 세라믹 핫플레이트를 사용하여 금속 부품의 뒤틀림을 방지하여 내구성을 향상한 진공 베이킹 장치에 관한 것이다.

Description

커버 가압수단을 구비한 진공 베이킹 장치{Vacuum baking apparatus having means for pressing a cover}

본 발명은 커버 가압수단을 구비한 진공 베이킹 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 웨이퍼 가공 공정에 사용되는 진공 베이킹 장치의 커버가 열적인 변형으로 들뜨거나 뒤틀려, 틈새가 발생하여 진공이 형성되지 않는 문제점을 해결하기 위하여, 커버를 상부에서 균일하게 눌러주는 가압수단을 구비한 진공 베이킹 장치에 관한 것이다.

베이킹 장치는 디스플레이 또는 반도체 기판의 건조나 리소그래피 공정에서 감광제의 경화나 전처리 접착제의 처리에 사용된다.

일반적으로 베이킹 장치는 금속 플레이트 하부에 니크롬합금 발열선이 단열 플레이트에 부착된 핫플레이트로 구성된다. 금속 플레이트는 알루미늄, 동, 인코넬, STS 등의 재질로 제조되고, 열선을 부착하는 단열기판은 마이카 재질이 사용된다. 금속과 마이카는 열팽창계수의 차이가 심하여 고온에서 열적 변형이 발생하고 히터 열선의 단선, 전기단자들의 너트풀림에 의한 전기 접속불량 등과 같은 문제점을 발생시킨다. 이러한 문제점들은 열적 변형이 적고 열전도도가 우수한 세라믹 플레이트에 저항 발열체를 직접 프린트하여 열선의 단선과 뒤틀림 현상을 방지할 수 있다.

반도체 및 디스플레이 제조공정은 미세 파티클에 의한 오염을 방지하고 생산 수율을 높이기 위하여 청정 환경에서 수행된다. 또한 외기에 의한 영향을 줄이기 위하여 진공하에서 대부분의 공정이 처리되며 베이킹 장치도 진공으로 구비되는 것이 일반적이다.

베이킹 장치의 챔버와 커버는 일반적으로 볼트와 너트 또는 클램프로 고정시킨다. 그러나 베이킹 장치는 가열시키는 장치이기 때문에 가열된 부품들이 열적으로 뒤틀리거나 변형되어 볼트나 클램프의 풀림이 일어나고 진공챔버의 커버가 들뜨게 되어 진공 리크(leak)가 발생하는 문제점이 있다. 또한 볼트-너트를 이용한 레벨 조정식은 균일하게 조이는 것이 번거롭고, 시간이 소요되는 문제점이 있다.

종래의 기술로서 특허문헌 1은 진공챔버 내부에 핫플레이트를 설치하여 가열하는 진공 베이킹 장치에 관한 것으로서, 웨이퍼의 베이크 온도 균일성을 유지하기 위한 수단만 제시되어 있을 뿐, 위에서 지적한 진공파괴 문제점에 대한 해결방안이 제시되어 있지 않다.

1. 한국 공개특허 특2001-0060495호(2001. 07. 07.).

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 공정 중에 진공파괴를 방지하기 위하여 자동적으로 챔버 커버의 압력레벨을 조절할 수 있는 가압수단을 제공하고자 한다.

또한, 진공라인 구조를 개선하여 고온에서 안정적인 진공형성이 가능하게 하고, 장시간 사용하여도 열적 뒤틀림이 발생하지 않도록 세라믹 핫플레이트를 사용하여 내구성을 향상한 진공 베이킹 장치를 제공하고자 한다.

상기 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 진공 베이킹 장치는, 진공챔버 내에 가열 플레이트를 포함하고, 상기 진공챔버의 커버 가장자리를 상부에서 균일하게 가압하는 복수의 가압수단이 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예로서, 상기 가압수단은 진공챔버 외측에서 커버 가장자리 둘레에 균등하게 또는 대칭적으로 설치된 압축 또는 인장 스프링인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예로서, 상기 가압수단은 진공챔버 외측에 설치되고, 상하 구동수단의 암(arm)에 부착된 고정판에 설치되며, 상기 진공챔버의 커버는 상기 고정판의 중심과 커버 중심을 견인수단으로 연결하여 상하 구동수단에 의해 개폐되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예로서, 상기 가압수단은, 상기 고정판의 가장자리에 대칭적으로 형성된 복수의 관통홀, 일단은 볼트 머리가 형성되고 타단은 스토퍼가 형성되어 상기 관통홀에 삽입되는 스프링 가이드 및 상기 스프링 가이드에 끼워지는 압축 스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예로서, 상기 커버의 가장자리 상부는 고정판의 관통홀에 대응되게 가이드 홈이 형성되어 스프링 가이드가 삽입되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 진공 베이킹 장치는 고온에서 장시간 사용하여도 진공챔버의 커버가 자동적으로 레벨링이 되어 열적 변형에도 안정적인 진공을 형성할 수 있다.

또한, 핫플레이트 일체형으로 진공라인을 형성하여 고온에서도 장시간 안정적인 진공유지가 가능하다.

또한, 세라믹 모체에 발열체 프린팅한 세라믹 핫플레이트를 사용함으로써 장시간 사용으로 인한 단선 문제가 없으며, 열적 뒤틀림 현상을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 진공 베이킹 장치의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 진공 베이킹 장치의 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 도 2의 A-A'라인의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 진공 베이킹 장치의 커버가 닫힌 측면도.
도 5는 본 발명에 따른 진공 베이킹 장치의 커버가 열린 측면도.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다. 본 발명에서 나타내어진 도면들의 치수들은 보다 명확한 설명을 위해 실제보다 과장되게 확대 또는 축소하여 도시하였다.

본 발명에 따른 진공 베이킹 장치는 리소그래피 공정에서 감광제를 도포하기 전에 감광제의 접착력을 향상시키기 위한 HMDS(HexaMyl DiSilane) 처리 공정에 주로 사용되는 장치로서, 진공챔버(10) 내에 가열 플레이트(이하 '핫플레이트'라 함)가 구비되어 있다.

종래의 베이킹 장치에서 진공 라인이 핫플레이트에 외부 구조물에 형성되어 진공을 뽑는 방식이나, 핫플레이트의 가열로 고온에서 장기간 사용 시 외부 구조물이 열적 변형을 일으켜 진공 형성이 불량한 문제가 있었다.

본 발명에 따른 진공챔버는 외부 구조물 없이 핫플레이트와 일체형으로 형성된 것이 특징으로 고온에서 장시간 사용하여도 부품의 뒤틀림이 없기 때문에 안정적인 진공이 유지된다.

종래의 핫플레이트는 니크롬 열선 가열방식으로 장시간 사용 시 모재인 알루미늄 기판의 열적 뒤틀림으로 열선변형, 단선 및 진공 형성 과정에서 주변 메탈계열 부품이 변형에 의해 진공 유지가 어려운 문제점을 갖고 있다.

본 발명에서는 열변형이 적고 열전도도가 우수한 세라믹 모재에 발열체 프린팅 방식을 채용하여 장시간 사용으로 인한 단선 문제 등을 해결하고, 열적 뒤틀림 현상을 방지하여 안정적인 진공 분위기에서 접착력을 개선한다.

또한, 본 발명에서는 진공챔버(10) 커버(11)의 들뜸 또는 뒤틀림으로 진공이 파괴되는 것을 방지하기 위하여 진공챔버(10)의 커버(11) 가장자리를 상부에서 균일하게 가압하는 복수의 가압수단이 구비된 것을 특징으로 한다.

가압수단은 볼트-너트 또는 클램프와 같이 조임 방식이 아니라, 진공챔버 외부에 설치되어 상부에서 커버로 균일한 압력을 가하는 자동 레벨 조정수단으로 수동이나 자동으로 구동할 수 있다.

수동방식은 인장 스프링을 이용한 방식으로 잡아당기어 커버 가장자리에 놓으면 수축하려는 인장 스프링의 복원력으로 커버를 누르는 방식이다. 수동방식의 가압수단은 진공챔버 외주부에 마주 보는 2점식, 삼각형상의 3점식 또는 4점식 등 커버 가장자리를 균등 배분하여 균일하게 눌러 줄 수 있다.

자동 레벨 조정방식은 압축 스프링과 상하 구동수단을 이용하여 상하 구동수단의 하강 시 압축 스프링이 압축되어 복원되는 탄성력으로 커버 가장자리를 균일하게 눌러 줄 수 있다.

도 1과 2는 본 발명에 따른 자동 레벨 조정방식의 사시도와 평면도를 각각 보여준다. 자동 레벨 조정방식의 진공 베이킹 장치는 몸체를 구성하는 진공챔버(10), 상하 구동수단(20), 진공챔버 지지대(12), 보조 지지대(21), 고정판(22), 커버(11), 스프링 가이드(30), 압축 스프링(31), 스토퍼(32), 가이드 홈(33), 견인수단(40), 진공챔버 내부에 설치된 가열 플레이트 등을 포함하여 구성된다. 외부에는 진공펌프, 전원공급 장치, 가스압축 장치, 온도 컨트롤러, 진공게이지, 다수의 가스 밸브 등을 포함한다. 진공챔버(10)와 커버(11)는 통상 STS로 제조된다.

진공챔버(10)는 내경에 진공 홀들과 진공라인이 챔버와 일체로 형성된다. 진공챔버(10)의 상단은 오링(O-ring)이 설치될 수 있게 홈이 형성되고, 오링은 고온에서 견딜 수 있는 고온용을 사용할 수 있다.

상하 구동수단(20)은 진공챔버의 일측 또는 대향하여 설치되고, 공압 또는 유압으로 실린더 내부의 피스톤을 상하로 구동한다. 피스톤의 상부에는 암(arm) 형태의 보조 지지대(21)의 일단이 부착되고, 보조 지지대(21)의 타단은 고정판(22)에 용접 또는 나사를 이용해 부착된다.

상기 고정판(22)은 커버 가장자리 상부에 복수 개의 관통 홀을 형성하고, 중앙에는 커버를 견인하기 위한 견인수단(40)이 형성된다. 고정판의 양단에 형성된 관통 홀에는 볼트 머리를 가진 스프링 가이드(30)가 삽입된다. 관통 홀, 스프링 가이드, 가이드 홈 및 압축 스프링은 진공챔버의 크기에 따라 수가 결정된다.

스프링 가이드(30)는 진공챔버의 크기에 따라 복수 개로 구성되며, 일단은 볼트 머리를 가지고 고정판의 상부에서 관통 홀에 삽입되어 상하로 움직인다. 고정판을 관통한 스프링 가이드의 하부에 압축 스프링(31)이 삽입된다. 스프링 가이드(30)의 타단은 압축 스프링이 빠져 나가지 않도록 스토퍼(32)가 형성된다.

커버(11)는 상부에 고정판의 관통홀에 대응하여 가이드 홈(33)이 형성되고, 상기 고정판에 견인수단(40)으로 연결된다.

가이드 홈(33)은 커버 상부에 압축 스프링의 스토퍼(32)가 안내 삽입될 수 있도록 얇게 형성된 홈으로 스프링 가이드(30)가 홈에 맞게 출입하여 커버의 개폐를 보조한다. 고정판(22)에 설치된 모든 압축 스프링은 동일하거나 유사한 스프링 상수를 가져야 진공을 형성할 때 커버 상부에 균일한 탄성력이 인가될 수 있다.

견인수단(40)은 고정판과 연결되어 커버를 개폐하기 위해 상하 구동수단에 구동력을 커버에 전달하는 수단으로 걸고리나 도 4와 같이 볼 조인트를 이용할 수 있다.

진공챔버 내부의 내경에 둘러 설치되는 진공라인은 진공 배출구에 결합되어 외부의 진공펌프에 연결된다. 진공라인의 직경은 진공챔버의 크기에 따라 결정된다. 상기 진공라인은 내부 배관길이를 비교적 길게 설치하여 내부 온도를 보호하여 감광제가 급격히 경화될 때 발생하는 줄무늬 현상 등을 방지한다. 직경의 크기가 작고 길이가 길면 온도보호 기능이 향상되나 진공을 형성하는 시간이 길어지는 단점을 고려하여 설계한다.

도 3은 도 2의 A-A'라인의 단면도를 나타낸다. 커버와 고정판은 견인수단(40)으로 연결하는데 압축 스프링이 작용할 수 있는 간격으로 연결된다. 견인수단은 고정판에 연결되어 상하 구동수단이 구동될 때 커버를 들어 올리거나 내려놓으며 지렛대의 중심점에 해당하는 커버의 중심점에 연결된다.

견인수단에 의하여 커버가 승강 시에는 커버의 중심을 축으로 하여 대칭적으로 커버의 가장자리가 상하로 유동을 할 수 있다. 커버의 가장자리는 압축 스프링이 작용하므로, 위로 올라간 들뜬 부분은 압축 스프링이 많이 압축되어 탄성력이 강하게 작용하여 커버를 누르게 되고, 중심점에 대하여 대향된 내려간 부분은 탄성력이 덜 받으므로 지렛대 원리에 의해 균일하게 커버에 압력을 가할 수 있게 된다.

도 4는 커버가 닫혔을 때, 도 5는 커버가 열렸을 때 고정판에 설치된 압축 스프링(31)의 상태를 나타낸다. 도 4와 도 5 내부의 삽도는 도 2의 B-B' 라인의 단면도이다.

압축 스프링(31)은 커버가 상하 구동수단에 의하여 진공챔버 상단과 맞닿을 때 균일하게 탄성력을 인가하여 진공형성에 기여하고, 고온에서 장시간 사용할 때 열적 변형으로 들뜨거나 뒤틀릴 때 균일하게 커버를 가압하여 진공유지를 할 수 있게 한다. 압축 스프링(31)은 원통형 스프링을 사용하나 스프링 가이드의 형태에 맞게 설계하여 사용한다.

인장 스프링은 압축 스프링과 힘이 반대로 작용하는 원리를 이용하는 것이다. 인장 스프링은 일단이 커버 하부에 설치되고 타단은 상하 구동수단에 암으로 연결되는 지지수단에 연결된다. 상하 구동수단에 의한 지지수단의 상하 운동에 으로 늘어난 스프링은 커버에 균등한 압력을 가하여 진공형성에 기여한다.

종래기술은 볼트-너트나 클램프 등을 수동으로 조여주기 때문에 열적 풀림으로 진공이 파괴될 수 있으나, 본 발명은 나사를 이용한 수동 조절과 같은 단계가 필요치 않아 가열시간을 단축할 수 있고, 진공을 안정적으로 유지할 수 있다.

본 발명에서 진공을 형성하는 과정은, 커버가 상하 구동부의 상하 운동에 의해 진공챔버에 근접하고, 관통 홀에 삽입되는 스프링 가이드 및 압축 스프링에 의해 밸런스를 유지하며 진공챔버의 오링에 접촉하게 되면 고정판에 설치된 압축 스프링은 커버에 균일한 압력을 가하여 기밀을 유지하고 진공펌프가 작동하여 진공을 형성하게 된다.

저항 발열체는 세라믹 플레이트에 직접 프린트된 50 내지 400℃의 저온용 저항 발열체로 고온용과 구분하여 사용한다. 상기 저항 발열체는 세라믹 플레이트에 내부에는 낮은 밀도로 외부에는 조밀하게 한 패턴으로 형성된다.

가열 플레이트는 세라믹 플레이트에 발열체가 프린트된 상태이고, 통상 상부에 열전도판을 부착하여 사용한다. 이때 열전도판은 세라믹 열전도판이나 가용온도를 고려하여 다른 재질을 사용할 수 있다.

프린트된 저항 발열체는 베이킹 장치에 적합한 어느 것이 사용되어도 무방하나 니켈합금을 사용하는 것이 바람직하다. 니켈합금은 니켈과 융합되는 금속의 비율에 따라 다양하다. 니크롬선은 니켈과 크롬의 함량이 각각 80%, 20% 이며, 융점은 1400℃ 이고, 열팽창계수는 14 x 10^-6/K이다. 인코넬은 슈퍼 합금으로 니켈과 크롬을 주 합금으로 하여 그 외 철, 알루미늄과 같은 금속 또는 실리콘, 카본과 같은 비금속을 함께 넣어 만들어진다.

세라믹 플레이트는 질화알루미늄, 사파이어 또는 이들과 물성이 유사한 세라믹으로 만든 기판을 사용한다. 상기 세라믹 플레이트는 열전도율이 좋고 전기 절연성을 가진 물질이다.

질화알루미늄(AlN)은 알루미늄을 직접 질화시켜 얻어진다. 우르짜이트(wurtzite) 구조의 질화알루미늄은 넓은 밴드 갭을 갖은 반도체이고 고온에서 안정하며 융점은 2800℃ 이다. 공기 중에서 표면산화 온도는 700℃이고 이때 약 5 내지 10nm의 표면 산화층이 형성되어 1370℃ 까지 질화알루미늄을 보호하는 역할을 한다. 질화알루미늄의 열전도도는 다결정인 경우에 약 70-210 W/mK 이며, 단결정은 285 W/mK로 401 W/mK으로 구리의 약 70%에 달한다. 질화알루미늄 기판은 질화알루미늄 분말을 CaO와 같은 가스 분위기에서 소결하고 핫 프레싱하는 방법으로 제조된다.

저온 진공 베이킹 장치에서 질화알루미늄 기판은 알루미늄, 동, 인코넬 또는 STS 기판으로 대체하여 사용할 수 있다. 여기서 저온은 통상 반도체공정에서 사용되는 개념으로 400℃ 이하의 온도를 지칭하나 절대적인 것은 아니다.

진공챔버 내부에 설치하는 가열 플레이트는 운용목적에 맞게 원형, 직사각형 등 다양한 형태를 선택하여 사용할 수 있다.

진공 베이킹 장치의 저온용 가열 플레이트는 가열 플레이트를 대체하여 사용해도 무방하다.

저항 발열체는 다중영역에 설치된 온도센서를 통해 온도를 제어한다.

진공펌프는 건식 또는 습식 펌프가 사용될 수 있으나 건식이 오일 역류를 방지할 할 수 있어 반도체 공정에 더 바람직한 진공펌프이다.

진공챔버 내부에 가열 플레이트를 포함하는 진공 베이킹 장치의 베이킹 방법은, 감광제가 도포된 웨이퍼를 진공 베이킹 장치에 장착하는 단계, 스프링이 로드된 상단 커버를 하부 진공챔버에 올려놓는 단계, 진공펌프를 가동하여 자동으로 진공을 형성하는 단계, 불활성 가스를 주입하는 단계, 진공도를 일정하게 유지하는 단계, 가열 플레이트에 전원을 넣고 가열하여 정해진 온도를 정해진 시간만큼 유지하는 단계, 세라믹 핫플레이트의 전원을 끄고 냉각하는 단계, 냉각이 완료되면 진공펌프의 진공 라인을 바이패스 시키는 단계, 불활성 가스가 진공챔버 내부에 충만하여 스프링에 의해 커버가 자동으로 열리는 단계 및 베이킹된 감광제가 도포된 웨이퍼를 꺼내는 단계를 포함하여 수행한다.

전원공급 장치는 가열 플레이트용과 일반 전원용으로 구분하여 입력하고 안전을 위해 가열 플레이트, 펌프 및 가스 밸브가 연동하여 작동하도록 설계한다.

온도 컨트롤러는 가열 플레이트의 상부에 설치된 복수 개의 센서와 연동되어 온도를 컨트롤한다. 온도 센서는 통상 접촉식과 비접촉식으로 나누어지는데 본 발명은 가용 온도가 높지 않기 때문에 접촉식을 사용한다. 접촉식 온도센서로는 측온 저항체, 서미스터, 열전대 등이 있으나 열전대를 사용하는 것이 바람직하다.

10: 진공챔버 11: 커버
12: 진공챔버 지지대 13: 펌프배관
20: 상하 구동수단 21: 보조 지지대
22: 고정판 30: 스프링 가이드
31: 압축 스프링 32: 스토퍼
33: 가이드 홈 40: 견인수단

Claims (6)

1. 진공챔버 내에 가열 플레이트를 구비한 진공 베이킹 장치에 있어서,
   상기 진공챔버의 커버 가장자리를 상부에서 균일하게 가압하는 복수의 가압수단이 구비된 것을 특징으로 하는 진공 베이킹 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가압수단은 진공챔버 외측에서 커버 가장자리 둘레에 균등하게 또는 대칭적으로 설치된 압축 스프링 또는 인장 스프링인 것을 특징으로 하는 진공 베이킹 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 가압수단은 진공챔버 외측에 설치되고, 상하 구동수단의 암(arm)에 부착된 고정판에 설치된 것을 특징으로 하는 진공 베이킹 장치.
4. 제3항에 있어서,
   진공챔버의 상기 커버는 상기 고정판의 중심과 커버 중심을 견인수단으로 연결하여 상하 구동수단에 의해 개폐되는 것을 특징으로 하는 진공 베이킹 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 가압수단은,
   상기 고정판의 가장자리에 대칭적으로 형성된 복수의 관통홀;
   일단은 볼트 머리가 형성되고 타단은 스토퍼가 형성되어 상기 관통홀에 삽입되는 스프링 가이드; 및
   상기 스프링 가이드에 끼워지는 압축 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 베이킹 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 커버의 가장자리 상부는 고정판의 관통홀에 대응되게 가이드 홈이 형성되어 스프링 가이드가 삽입되는 것을 특징으로 하는 진공 베이킹 장치.
   

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