KR20230055929A - 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치 - Google Patents

듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치 Download PDF

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KR20230055929A
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Abstract

본 발명은 기판에 형성된 폴리머를 경화하는 공정에 관한 것으로, 캐소드에 고전압을 발생시켜 생성된 플라즈마상의 전자와 캐소드에 이온을 충돌시켜 발생하는 이차전자를 동시에 사용하여 열원만을 이용하는 공정보다 낮은 공정온도에서 보다 단시간에 폴리머 경화 공정을 수행하고, 경화 공정 후 냉각 공정에서는 플라즈마상의 전자 대신 플라즈마상의 이온을 사용하여 열 스트레스에 의한 기판의 휨을 방지할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치는, 진공 챔버 내부에서 공정가스와 반응하여 폴리머층이 형성된 대면적 기판을 경화시키는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치에 있어서, 진공 챔버 내부 상측에 배치되어 플라즈마상의 전자와 이온을 포함하는 플라즈마를 형성하는 제1 전자빔 발생부와, 상기 제1 전자빔 발생부의 하측에 배치되고, 인가되는 전압의 극성에 따라 다수의 그리드 홀을 통해 상기 플라즈마상의 전자 또는 이온을 하측으로 선택적으로 방출하는 제1 그리드 전극, 상기 제1 그리드 전극의 하측에 배치되면서, 캐소드에 이온을 충돌시켜 이차전자를 생성함과 더불어, 이 이차전자를 하측으로 방출하고, 상기 제1 그리드 전극으로부터 유입되는 플라즈마상의 전자 또는 이온을 하측으로 선택적으로 방출하는 제2 전자빔 발생부, 상기 제2 전자빔 발생부의 하측에 배치되어 제2 전자빔 발생부로부터 선택적으로 방출되는 플라즈마상의 전자 또는 이온과, 이차전자를 다수의 그리드홀을 통해 동시에 하측으로 방출하여 하측에 배치된 대면적 기판상의 폴리머층을 경화시키는 제2 그리드 전극 및, 상기 제1 및 제2 전자빔 발생부와 제1 및 제2 그리드 전극으로 전압을 공급하여 제2 그리드 전극을 통해 선택적으로 방출되는 플라즈마상의 전자 또는 이온과, 이차전자를 동시에 기판측으로 방출하도록 제어하는 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치{POLYMER HARDENING PROCESS APPARATUS USING DUAL ELECTRON BEAM SOURCE}
본 발명은 기판에 형성된 폴리머를 경화하는 공정에 관한 것으로, 캐소드에 고전압을 발생시켜 생성된 플라즈마상의 전자와 캐소드에 이온을 충돌시켜 발생하는 이차전자를 동시에 사용하여 열원만을 이용하는 공정보다 낮은 공정온도에서 보다 단시간에 폴리머 경화 공정을 수행하고, 경화 공정 후 냉각 공정에서는 플라즈마상의 전자 대신 플라즈마상의 이온을 사용하여 열 스트레스에 의한 기판의 휨을 방지할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
반도체 산업의 화두중 하나는 소형화, 다기능화, 고성능화 및 고용량화되고 높은 신뢰성을 갖는 반도체 제품을 저렴하게 제조하는 것이다. 이와 같은 복합적인 목표를 달성하게 하는 중요한 기술중의 하나가 반도체 패키지 기술이다. 반도체 패키지 기술중에서 웨이퍼 레벨로 칩을 패키징하는 웨이퍼 레벨 반도체 패키지가 다양한 형태로 진화하면서 발전하고 있다.
이러한 반도체 패키지 기술에서 특히 팬아웃 패키지 공정은 기판상에 접착제(adhesive)를 도포하고 실리콘 칩을 배치한 후 EMC(epoxy mold compound)를 몰딩하며, 이후 레이저 혹은 화학용액을 이용하여 접착층을 제거하여 캐리어(carrier)를 떼어내는 과정으로 이루어진다.
여기서, 기판상에 실리콘 칩을 배치한 상태에서 이루어지는 EMC(epoxy mold compound) 몰딩 후공정은 폴리머를 기판상에 도포하고, 폴리머를 경화하는 공정으로 이루어진다.
이때, 반도체 패키지 팬아웃 공정시 사용되는 폴리머는 PI(polymide), PBO(polybenzoxazoles), BCB(benzocyclobutane), HSQ(hydrogen silsesquioxane) 등이 있으며, 이 중 PI가 품질 특성상 가장 많이 사용되고 있다. 그리고, 이러한 폴리머의 경화 공정은 300℃ 이상의 온도에서 1시간 이상의 경화시간을 요하고 있다.
그러나, 폴리머를 경화하는 단계에서 기판상에는 반도체 칩 등의 재료들이 그 내측에 위치되게 되고, 기판상의 폴리머의 경화를 위해 고온 환경에서 일정 이상 경화공정을 수행하는 경우, 절연막 하부의 기판과 반도체 칩 등의 전자재료들과의 열팽창계수 차이에 의해 열 경화공정후 수백 MPa 정도의 잔류 인장응력(residual tensile stress)를 가져 기판의 에지(Edge) 부분이 위로 올라가는 등의 휨이 발생된다. 이는 경화공정 이후 이루어지는 미세 회로 형성 공정에서 1~2㎛의 미세 회로 형성이 불가하여 반도체 패키지 공정에서 수율 저하 등의 문제를 야기한다.
특히, 최근 플렉서블 디스플레이(flexible display)에 이용되는 폴리이미드(PI)의 두께가 10μm 이상으로, 종래 전자빔 장치를 이용하여 경화공정을 수행하는 경우, 적어도 10번 이상의 공정으로 막 두께를 중첩해야 한다.
여기서, 전자빔의 폴리머 박막 투과 깊이는 일반적으로 캐소드의 가속전압에 비례하는데, 전원공급장치(power supply)의 정격전원의 한계로 인하여 캐소드에 너무 높은 전압을 인가하면 캐소드에 가해지는 전류의 값이 낮아져 캐소드 이온에 의해 방출되는 전자밀도의 저하를 초래할 뿐 아니라, 캐소드의 부분적인 오염 등으로 인한 아크 발생으로 전자빔 소스의 이상을 초래할 수 있다.
따라서, 캐소드에 5-10 kV 정도의 전압을 인가하여 안정적인 공정이 진행되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 종래 전자빔 장치를 이용한 경화공정은 앞서 설명한 바와 같이, 적어도 10번 이상의 공정으로 막 두께를 중첩해야 함에 따라, 일정 이상의 고온 환경에서 일정 시간 이상의 공정을 수 회 수행해야 하는데, 이는 폴리이미드 박막의 평탄도의 저하, 박막의 swelling 현상 및 기판 휨 발생으로 패턴형성이 불가능해지고, 장시간의 경화공정시간이 요구되므로 생산성이 저하되는 문제가 발생된다.
이와 관련하여 선행문헌1(한국공개특허 10-2020-0066865)에는 기판 상의 복수의 도전성 패턴을 덮도록 기판 상에 폴리머층을 형성한 후, 적어도 하나의 압력 부재를 이용하여 상기 폴리머층을 하방으로 가압하여 상기 폴리머층을 평탄화하는 구성이 개시되어 있다.
또한, 선행문헌2(한국등록특허 제10-2026705호)에는 캐리어와 실리콘 칩을 액상형 EMC(Epoxy mold compound)로 몰딩(molding)한 이후, 상기 액상형 EMC(Epoxy mold compound) 상부로 금속박막을 증착하고 어닐링하여 금속의 잔류응력을 인위적으로 발생시켜 웨이퍼(wafer)의 휨을 방지하는 구성이 개시되어 있다.
그러나, 상기한 선행문헌들은 폴리머층에 대한 공정 수행을 완료한 이후 추가적으로 평탄화공정을 수행하는 것으로, 반도체 공정 특성상 경화공정 후 별도의 장비 이용시 기판에 흡착되는 수분 등이 반도체 칩의 특성을 저하시킬 수 있다.
또한, 기판 평탄화를 위해 별도의 공정 장비를 이용함에 따라 생산비가 증가됨은 물론, 이로 인한 공정시간의 증가로 인해 반도체 패키지의 수율이 저하되는 단점이 있다.
1. 한국공개특허 제10-2020-0066865호 (발명의 명칭 : 반도체 패키지의 제조방법) 2. 한국등록특허 제10-2026705호 (발명의 명칭 : 휨저감 및 EMI 차폐기능을 동시에 갖는 팬-아웃 패키지 공정)
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 고온 환경의 진공 챔버내에서 전자빔을 이용하여 폴리머 경화 처리를 수행하되, 제1 전자빔 발생부에서 생성되는 플라즈마상의 전자와 제2 전자빔 발생부의 캐소드와 애노드 사이에서 생성된 이차전자를 그리드 전극을 이용하여 동시에 폴리머가 도포된 기판으로 공급하여 보다 단시간내에 폴리머 경화처리를 수행할 수 있도록 하고, 냉각 과정에서는 플라즈마상의 전자 대신 플라즈마상의 이온을 사용하여 기판의 열 스트레스 발생을 최소화할 수 있도록 하는 폴리머 경화공정장치를 제공함에 그 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 진공 챔버 내부에서 공정가스와 반응하여 폴리머층이 형성된 대면적 기판을 경화시키는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치에 있어서, 진공 챔버 내부 상측에 배치되어 플라즈마를 형성하는 제1 전자빔 발생부와, 상기 제1 전자빔 발생부의 하측에 배치되어 다수의 그리드 홀을 통해 플라즈마상의 전자를 하측으로 방출하는 제1 그리드 전극, 상기 제1 그리드 전극의 하측에 배치되면서, 캐소드에 이온을 충돌시켜 이차전자를 생성함과 더불어, 이 이차전자와 상기 제1 그리드 전극으로부터 유입되는 플라즈마상의 전자를 하측으로 방출하는 제2 전자빔 발생부, 상기 제2 전자빔 발생부의 하측에 배치되어 제2 전자빔 발생부에서 방출되는 플라즈마상의 전자와 이차전자를 다수의 그리드홀을 통해 동시에 하측으로 방출하여 하측에 배치된 대면적 기판상의 폴리머층을 경화시키는 제2 그리드 전극 및, 상기 제1 및 제2 전자빔 발생부와 제1 및 제2 그리드 전극으로 전압을 공급하여 제2 그리드 전극을 통해 플라즈마상의 전자와 이차전자를 동시에 기판측으로 방출하도록 제어하는 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제1 전자빔 발생부는 캐소드로 이루어지고, 상기 제어수단으로부터 인가되는 고전압에 의해 공정가스와 반응하여 플라즈마를 형성하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제1 전자빔 발생부는 라인형태의 전자빔을 방출하는 라인빔 발생부로 이루어지고, 상기 진공챔버의 측면에 배치되어 제1 그리드 전극의 상측으로 시트형태로 라인빔을 방출하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제어수단은 제1 전자빔 발생부로 RF,HF,마이크로 웨이브 전원 중 하나의 전원을 공급하여 플라즈마를 형성하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제어수단은 양(+)의 전압과 음(-)의 전압을 교번하여 제2 전자빔 발생부의 캐소드로 공급하여, 양(+)의 전압 구간에서는 플라즈마상의 전자를 하측으로 방출하고, 음(-) 전압 구간에서는 하측의 이온을 캐소드측으로 이동시켜 캐소드 표면에 충돌시킴으로써 이차전자를 발생시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제1 그리드 전극은 상부 메탈층과 절연층 및 하부 메탈층이 순차로 적층된 구조로 이루어지면서 그리드 홀은 절연층의 중앙부분으로 갈수록 직경이 작아지도록 경사형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제2 전자빔 발생부는 대면적의 판상에 다수의 캐소드홀이 형성되는 캐소드와, 이 캐소드의 하측에 대면적의 판상에 다수의 애노드홀이 형성되는 애노드를 포함하여 구성되고, 상기 캐소드는 외면에 La2O5 코팅층을 형성하여 이차전자 생성시 열전자를 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제2 전자빔 발생부는 대면적의 판상에 다수의 캐소드홀이 형성되는 캐소드와, 이 캐소드의 하측에 대면적의 판상에 다수의 애노드홀이 형성되는 애노드를 포함하여 구성되고, 상기 캐소드는 상면에 절연층이 형성됨과 더불어, 캐소드 홀이 하측으로 갈수록 직경이 커지도록 경사형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제1 그리드 전극과 절연층, 캐소드가 순차 적층된 일체형 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제2 그리드 전극은 자성체 성분이 일정 중량비로 포함된 재료로 이루어지거나, 그리드 전극의 하부에 그리드 홀에 대응되는 다수의 홀이 형성된 판상의 고정자석을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제어수단은 제1 전자빔 발생부로 DC 또는 DC 펄스 전원을 이용한 홀로 음극(hollow cathode) 방식을 이용하여 플라즈마를 형성하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화장치가 제공된다.
또한, 상기 제2 전자빔 발생부는 대면적의 판상에 다수의 캐소드홀이 형성되는 캐소드와, 이 캐소드의 하측에 대면적의 판상에 다수의 애노드홀이 형성되는 애노드를 포함하여 구성되고, 상기 캐소드는 상기 다수의 캐소드홀의 내주면에 내부 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 내부 절연층의 두께는 1 ~ 50㎛ 인 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제2 전자빔 발생부는 대면적의 판상에 다수의 캐소드홀이 형성되는 캐소드와, 이 캐소드의 하측에 대면적의 판상에 다수의 애노드홀이 형성되는 애노드를 포함하여 구성되고, 상기 캐소드는 상면에 표면거칠기가 부여되어 접촉표면적이 증가되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 제어수단은 음(-)의 전압을 제2 전자빔 발생부의 캐소드로 공급하여, 플라즈마상의 이온을 하측으로 방출함과 아울러, 하측의 이온을 캐소드 측으로 이동시켜 캐소드 표면에 충돌시킴으로써 이차전자를 발생시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치가 제공된다.
또한, 상기 기판은 상기 폴리머층과의 열팽창계수 차이에 의해 열 스트레스가 크게 발생되는 제1 영역과, 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역으로 구분되고, 상기 제2 그리드 전극은 상기 제1 영역과 대응되는 제1 그리드 영역과, 상기 제2 영역과 대응되는 제2 그리드 영역으로 구획되되, 제어수단은 상기 제1 그리드 영역 및 상기 제2 그리드 영역에 독립적으로 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 기판이 지지되는 기판 지지대를 포함하고, 상기 기판 지지대는 상기 제1영역과 대응되는 제1 지지영역과, 상기 제2 영역과 대응되는 제2 지지영역으로 구획되되, 상기 제어수단은 상기 제1 지지영역 및 상기 제2 지지영역에 독립적으로 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치가 제공된다.
또한, 상기 기판이 지지되는 기판 지지대를 포함하고, 상기 기판 지지대는 바이어스 전압이 인가되는 ITO(Indium Tin Oxide), 금속 나노와이어 중 선택된 어느 하나를 포함하는 투명한 쿼츠 또는 유리 재질로 형성되어 하부에 설치된 히팅수단으로부터 발생되는 열을 기판으로 전달하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치.
또한, 상기 캐소드와 상기 애노드는 자유행정거리 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 캐소드와 그리드 사이에 형성된 플라즈마의 전자와 캐소드와 애노드 사이에서 생성된 이차전자를 동시에 이용하여 고밀도의 전자빔을 기판의 폴리머층으로 공급함으로써, 보다 단시간내에 폴리머 경화처리를 수행할 수 있으므로 제품의 생산성이 크게 향상된다.
또한, 경화 공정 후 냉각공정에서는 플라즈마상의 전자 대신 플라즈마상의 이온을 사용하여 기판의 열 스트레스 발생을 최소화할 수 있으므로 열 스트레스에 의한 기판의 휨 발생이 최소화되어 제품의 품질이 크게 향상된다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도2는 도1에 도시된 제1 그리드 전극(200) 구성을 예시한 도면.
도3은 도1에 도시된 캐소드(310)의 구성을 예시한 도면.
도4는 도1에 도시된 캐소드(310)와, 캐소드(310)와 제1 그리드 전극(200)의 의 일체형 구조를 예시한 도면.
도5는 도1에 도시된 제2 그리드 전극(400)의 구성 및 기능을 설명하기 위한 도면.
도6은 도1에 도시된 기판(1)의 폴리머층(2)에 흡수되는 전자밀도 분포를 설명하기 위한 도면.
도7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도8은 도7에 도시된 라인빔 발생부(121)에서 방출되는 라인형태의 전자빔(LB) 형상을 설명하기 위한 도면.
도 9는 기판의 열 응력이 발생되는 영역과 그 외 영역을 구획한 개략도.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 그리드 전극의 개략적인 평면도.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 기판 지지대의 개략적인 평면도.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 전자빔 발생부의 캐소드를 개략적으로 도시한 것.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치의 개략적인 구성을 도시한 도면.
본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치는 진공 챔버(C) 내부에서 공정가스와 반응하여 폴리머층이 형성된 대면적 기판을 경화시키는 장치로서, 진공 챔버(C) 내부에 제1 전자빔 발생부(100)와 제1 그리드 전극(200), 제2 전자빔 발생부(300) 및, 제2 그리드 전극(400)이 상측에서 하측으로 순차 배치되어 구성되고, 제어수단(500)의 제어에 따라 제1 및 제2 전자빔 발생부(100,300)에서 생성된 듀얼 전자빔 소스를 동시에 이용하여 기판(10)의 폴리머층(11)을 경화시키도록 구성된다.
이때, 제2 그리드 전극(400)의 하측에는 기판 지지대(10)의 상면에 절연체 폴리머가 코팅된 폴리머층(2)이 형성된 기판(1)이 배치되고, 기판 지지대(10) 주변에는 폴리머 경화 공정시 사용되는 기판(1)을 히팅하기 위한 세라믹 히터 등의 히팅수단(20)이 배치된다.
즉, 본 발명은 2000~250℃ 범위의 상대적으로 저온의 경화온도환경에서 제1 전자빔 발생부(100)에서 발생되는 플라즈마상의 전자(e1) 또는 이차전자(e2)와, 제2 전자빔 발생부(300)에서 생성된 이차전자(e2)를 동시에 기판(1)측으로 방출하여 폴리머층(2)을 경화시키는 것이 주된 특징이다.
여기서, 제1 전자빔 발생부(100)는 다수의 홀이 형성된 캐소드로 이루어지고, 제어수단(500)은 RF,HF, 마이크로 웨이브, DC, DC 펄스 전원을 포함하는 다양한 형태의 전압을 제1 전자빔 발생부(100)로 인가하여 이온(i1) 또는 플라즈마상의 전자(e1)를 포함하는 플라즈마(P)를 발생시킨다.
여기서, 발생되는 플라즈마상의 전자(e1) 또는 이온(i1)의 밀도는 109 ~ 1011cm3 이다.
제1 전자빔 발생부(100)는 인가되는 전압에 의해 발생되는 전기장과 자기장을 이용하여 유도결합성 플라즈마(P), 트랜스포머 결합성 플라즈마(P), 펄스 시간변조 플라즈마(P), 마이크로 웨이브를 이용한 플라즈마(P), ECR 플라즈마(P)를 생성할 수 있다.
예컨대, 제어수단(500)은 제1 전자빔 발생부(100)로 13.56MHz의 RF 전원, 100~400KHz 의 HF전원 또는 2.54GHz의 마이크로 웨이브 전원을 인가할 수 있다. 예컨대, 실리콘이나 그라파이트, 알루미늄 소재의 캐소드가 구비되고, 질소, 아르곤, 헬륨 등의 공정가스가 공급되며, 10mTorr ~ 500mTorr 진공조건에서, 제어수단(500)은 30~100KW의 전원을 캐소드에 공급하여 플라즈마(P)를 형성할 수 있다.
또한, 제어수단(500)은 DC 또는 DC 펄스 전원을 홀로 음극(hollow cathode) 구조의 제1 전자빔 발생부(100)로 공급하여 플라즈마(P)를 생성할 수 있다. 즉, DC 또는 DC 펄스 전원을 이용한 홀로 음극(hollow cathode) 구조는 1~30KV의 전압으로 공정가스를 이용하여 플라즈마(P)를 생성하고, 10mTorr ~ 500mTorr 진공조건에 음(-)의 전원이 인가된 캐소드 전압에 의하여 양(+)의 이온(i1)이 알루미늄(Al) 이나 텅스텐(W) 등의 소재로 이루어진 캐소드 표면에 충돌하여 플라즈마상 전자(e1)를 방출할 수 있다.
상기 제1 그리드 전극(200)은 제1 전자빔 발생부(100)의 하측에 배치되고, 인가되는 전압의 극성에 따라 그리드 홀(200H)을 통해 제1 전자빔 발생부(100)에서 생성된 플라즈마상의 전자(e1) 또는 이차전자(e2)를 제2 전자빔 발생부(200)측으로 방출하거나, 제1 전자빔 발생부(100)에서 발생된 양의 이온(i1)을 제2 전자빔 발생부(200) 측으로 방출한다.
본 실시예에서는 제1 그리드 전극(200)에 양(+)의 전압이 인가되어 제1 전자빔 발생부(100)에서 생성된 플라즈마 상의 전자(e1) 또는 이차전자(e2)를 제2 전자빔 발생부(300)로 방출하여 기판(1) 측으로 방출되는 전자(e1, e2)의 밀도를 증가시키는 방식에 한해 설명한다.
이러한 제1 그리드 전극(200)은 도2 (A)에 도시된 바와 같이, 상부 메탈층(210)과, 절연층(220) 및 하부 메탈층(230)이 순차로 적층된 형태로 구성될 수 있다. 이때, 상부 메탈층(210) 및 하부 메탈층은 전극층으로 구리(Cu)로 이루어지고, 절연층(220)은 폴리이미드(PI)로 이루어질 수 있으며, 상부 메탈층(210)과 하부 메탈층(230)의 두께는 0.1mm~2mm, 절연층(220)의 두께는 200~300μm, 그리드 홀(200H)의 직경은 50~100μm로 설정될 수 있다.
제1 그리드 전극(200)은 폴리이미드 소재의 절연층에 구리(Cu) 증착 후 포토 공정을 이용하여 패턴을 형성하고, 구리 에칭은 FeCl3를 이용하고, 폴리이미드는 에틸렌 디아민(H2NCH2-CH2NH2)를 이용하여 제작할 수 있다.
또한, 제1 그리드 전극(200)은 도2 (B)에 도시된 바와 같이, 그리드 홀(200H) 내부는 절연층(220)의 중앙부분으로 갈수록 직경이 작아지도록 경사형성되어 중앙부분이 잘록하게 들어간 모래시계 형상으로 이루어질 수 있다. 이러한 구조에서는 제1 그리드 전극(200)에 그리드 전압 인가시, 전자들이 그리드 홀(200H) 내부 절연층(220)의 경사 첨단부 영역에 밀집되어 국소전장(X)이 형성된다. 따라서, 제1 그리드 전극(200)에 낮은 전압을 인가하더라도 그리드 홀(200H) 내부의 국소전장에 의해 플라즈마상의 전자(e1)가 그리드 홀(200H)로 용이하게 집속시킬 수 있다. 예컨대, 제1 그리드 전극(200)으로 500V의 그리드 전압 인가시, 그리드 홀(200H)에는 2KV 이상의 국소전상(X)이 형성된다. 이에 따라 보다 낮은 제1 그리드 전극(200)에 인가하더라도 일정 이상의 전압을 인가한 효과를 얻을 수 있게 되므로, 제1 그리드 전극(200)의 크기(두께)를 보다 작게 구성하는 것이 가능하게 된다.
또한, 제1 그리드 전극(200)의 제1 메탈층(210)과 제2 메탈층(22)으로는 서로 다른 레벨의 전압 또는 반대 극성의 전압이 제공될 수 있다.
한편, 상기 제2 전자빔 발생부(300)는 DC glow discharge 를 이용하여 이차전자를 방출하는 장치로서, 제어수단(500)으로부터 인가되는 DC 또는 펄스 전원을 근거로 동작된다.
보다 구체적으로 제어수단(500)은 DC 또는 펄스 전원을 glow discharge 구조의 제2 전자빔 발생부(300)로 공급하여 낮은 밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다. 즉 DC 또는 펄스 전원을 이용하는 glow discharge 구조는 냉 음극 방출장치로서, 1~30KV의 전압으로 공정가스를 이용하여 이온(i1) 또는 전자(e1)를 포함하는 플라즈마(P)를 생성하고, 10mTorr ~ 500mTorr 진공조건에 음(-)의 전원이 인가된 캐소드 전압에 의하여 이온(i1)이 알루미늄(Al) 이나 텅스텐(W) 등의 소재로 이루어진 캐소드 표면에 충돌하여 이차전자(e2)를 방출할 수 있다.
여기서 방출되는 이차전자(e2)의 밀도는 106 ~ 107cm3 이다.
이러한 제2 전자빔 발생부(300)는 대면적의 판상에 다수의 캐소드홀(310H)이 형성되는 캐소드(310)와, 이 캐소드(310)의 하측에 대면적의 판상에 다수의 애노드홀(320H)이 형성되는 애노드(320)가 일정 거리 이격되게 배치되어 구성되는데, 애노드(320)는 캐소드(310)와 압력에 따르는 자유행정거리내에 위치하는 것이 바람직하다, 예컨대, 캐소드(310)와 애노드(320)는 카본(C), 그라파이트, CNT, Al, W 등의 소재로 2~10mm 두께를 갖도록 구성되고, 캐소드(310)의 홀 개구율을 캐소드 전체면적의 30% 이상으로 설정하여 제1 전자빔 발생부(100)에서 생성된 전자의 방출 효율을 높이도록 하며, 애노드 홀(320H)은 500μm~5mm 직경을 갖도록 구성된다.
이때, 제어수단(500)은 음(-) 전압과 양(+) 전압이 교번하는 펄스 전압을 캐소드(310)로 인가하여, 양(+)의 전압 인가시에는 제1 전자빔 발생부(100)에서 발생된 플라즈마상 전자(e1)를 캐소드 홀을 통해 하측으로 방출하고, 음(-)의 전압 인가시에는 캐소드(310)와 애노드(320) 사이의 이온을 캐소드(310)측으로 이동시켜 캐소드(310) 표면에 충돌시킴으로써 이차전자를 생성함과 더불어 이를 하측으로 방출하도록 한다. 예컨대, 제어수단(500)는 캐소드(310)로 1~20KV의 캐소드 전압을 인가하고, 애노드(320)에 50~500V 의 DC 또는 펄스 전압을 인가할 수 있다.
또한, 캐소드(310)는 도3 (A)에 도시된 바와 같이, 그 상면에 세라믹 등과 같은 절연층(311)을 추가로 형성하여 절연층(311)을 통해 전자에 음의 전기장의 영향을 방지하도록 구성할 수 있다.
여기서, 세라믹은 SiO2, SiN, Al2O3 중 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다.
이에 따라, 캐소드(310)에 음(-)의 전원만 인가하여도 캐소드(310)에 가해지는 음의 전기장의 영향이 방지됨으로써, 상부의 플라즈마상 전자(e1)를 모두 하측으로 방출시킬 수 있다.
또한, 캐소드(310)는 도3 (B)에 도시된 바와 같이, 캐소드 홀(310H)이 하측으로 갈수록 직경이 넓어지도록 경사형성될 수 있다. 이는 캐소드(310)와 애노드(320) 사이의 이온(+)이 캐소드 홀(H) 하부의 경사진 부분에 충돌하여 이차 전자(-)를 방출하는 면적을 보다 크게 확장함으로써, 제2 전자빔 발생부(300)에서 생성되는 전자빔의 밀도를 보다 높이기 위함이다.
또한, 본 발명에 있어서는 도4에 도시된 바와 같이, 제1 그리드 전극(200)과 제2 전자빔 발생부(300)의 캐소드(310)를 일체형으로 구성하여 장비 구성을 보다 간소화할 수 있다.
즉, 도4 (A)에 도시된 바와 같이 그라파이트(Graphite) 또는 메탈 소재의 제1 그리드 전극(200)과 절연층(311) 및, 메탈 소재의 캐소드(310)가 순차 적층된 구조로 구성될 수 있다.
이때, 제1 그리드 전극(200)은 도4 (B)에 도시된 바와 같이 상부 메탈층(210)과 절연층(220) 및 하부 메탈층(230)으로 이루어질 수 있다. 그리고, 도4 (C)에 도시된 바와 같이 캐소드(310)는 하측으로 갈수록 홀의 직경이 넓어지도록 경사형성될 수 있다.
또한, 제2 전자빔 발생부(300)는 애노드(320)로 음(-)의 전압을 인가하여 캐소드(310)와 애노드(320) 사이에서 공정가스의 이온화 효율을 높임으로써 이온이 애노드(320)와 캐소드(310) 상에 충분히 공급되도록 함으로써, 애노드(320)가 캐소드(310)의 자유행정거리 밖에 위치하도록 구성하는 것도 가능하다.
한편, 제2 그리드 전극(400)은 제2 전자빔 발생부(300)의 하측, 보다 상세하게는 애노드(320)의 하측에 위치하면서 제어수단(500)의 제어에 따라 제2 전자빔 발생부(300)를 통해 방출되는 플라즈마상의 전자(e1)와 이차전자(e2)를 그리드홀(400H)을 통해 하측으로 동시에 방출한다. 이때, 제2 그리드 전극(400)은 제1 그리드 전극(200)과 동일하게 구성되고, 제어수단(500)으로부터 1KV ~ 20KV 의 DC 또는 펄스 전압이 인가되며, 본 실시예에서는 제2 그리드 전극(400)에 양(+)의 전압이 인가되어 제2 전자빔 발생부(300)를 통해 방출되는 플라즈마상의 전자(e1)와 이차전자(e2)를 기판(1)측으로 동시에 방출하여 전자(e1, e2)의 밀도를 증가시키는 방식에 한해 설명한다.
이때, 그리드 전극(200)은 서로 다른 밀도특성의 플라즈마상의 전자(e1)와 이차전자(e2)를 동시에 기판(1)측으로 방출한다.
앞서 설명한 바와 같이, 플라즈마상의 전자(e1)의 밀도는 109~1011cm3 이고, glow discharge를 이용하여 이자전자(e2)를 방출하는 cold cathode 방출 전자 밀도는 106~107cm3 으로 약 100~1000배의 차이가 있으며, 이러한 두개의 전자빔 소소를 동시에 이용하는 경우, 1012~1013cm3의 전자 밀도 확보가 가능하다.
즉, 도6은 기판(1)의 폴리머층(2)에 흡수되는 전자밀도 분포를 나타낸 것으로, 이차전자(e2)만 방출하는 경우의 폴리머층(2)에 흡수된 전자밀도(A)에 비해 플라즈마상의 전자(e1)와 이차전자(e2)가 동시에 방출되는 경우의 폴리머층(2)에 흡수된 전자밀도(B)가 플라즈마상의 전자(e1)와 이차전자(e2)가 상호 중첩되는 영역에 의해 보다 밀도가 높은 것을 확인할 수 있으며, 이차전자(e2)에 비해 침투깊이가 큰 플라즈마상의 전자(e1)를 혼용함에 따라 침투깊이도 증가됨을 확인할 수 있다.
이에 따라 상대적으로 두께운 폴리머층의 전 두께에 걸쳐 듀얼 전자빔 소스를 이용하여 높은 밀도의 전자빔을 공급함으로써, 경화공정 시간을 단축시킴은 물론, 빠른 경화공정시간으로 인해 열 부하가 감소함으로써 기판(1)의 휨 발생을 획기적으로 줄일 수 있다. 예컨대 10μm 폴리이미드를 경화하는 경우, 일반 열경화시는 250도 온도에서 2~3시간의 공정시간을 요구하는데 반하여, 제1 전자빔 발생부(100)에서 생성된 3000~4000 μC 전자빔만을 이용하는 경우 30분 정도의 공정시간이 요구되고, 제1 및 제2 전자빔 발생부(100)에서 생성된 6000~7000μC 의 듀얼 전자빔을 이용하는 경우 10분 이내의 공정시간이 요구된다.
또한, 일반적으로 기판(1)측으로 전달되는 전자빔의 효율을 높이기 위해서는 전자빔을 가속하여 전달하는 제2 그리드 전극(400)과 기판(1)간의 거리를 가깝게 배치하여 제2 그리드 전극(400)에 형성된 전계에 의한 기판(1)으로의 전자빔 전달효율을 증가시켜야 함은 물론, 생산성을 높이기 위해 진공 챔버(C)의 크기를 줄여야 한다.
그러나, 제2 그리드 전극(200)과 기판(1)간의 거리가 가깝게 되면, 제2 그리드 전극(400)의 그리드홀(400H)이 포함되지 않은 부분이 기판(1)에 반영되어 생기는 그림자 효과(Shadow effect)에 의해 균일한 처리가 불가능한 문제가 발생한다. 이러한 그림자 효과 현상으로 제2 그리드 전극(400)과 기판(1)간의 거리는 기판(1) 크기의 4배 정도가 요구된다
이에, 제2 그리드 전극(400)은 자성체 성분이 일정 중량비로 포함된 재료로 이루어지거나, 제2 그리드 전극(400)의 하부에 그리드 홀(400H)에 대응되는 다수의 홀이 형성된 판상의 고정자석을 구비하거나 자성막 재료를 박막 코팅하여 구성될 수 있다. 이에 따라 듀얼 전자빔(e1/e2)이 제2 그리드 전극(400)의 균일한 자계 특성을 갖는 그리드홀(400H)을 통과하면서 제2 그리드 전극(400)의 전계 구배와 자성체의 자계의 영향으로 도6에 도시된 바와 같이 제2 그리드 전극(400) 상부에서의 전자빔을 구성하는 각 전자(e1/e2)의 직선운동이 나선운동으로 바뀌어 기판(1)측으로 출력됨으로써, 제2 그리드 전극(400)과 기판(1)간의 거리가 보다 짧은 위치에서 기판(1) 전체 면적으로 전자빔(I)이 균일하게 제공된다.
이때, 제2 그리드 전극(400)을 구성하는 자성체 재료는 페라이트계, 희토류계, 알니코계 등이 될 수 있으며, 제2 그리드 전극(400)은 5mm ~ 3cm 두께로 금속 와이어(wire)를 이용하는 메시(mesh) 형상으로 구성하거나 폴리이미드 메탈 레이어의 적층 혹은 전도체인 그라파이트에 미세 홀을 형성하는 타입으로 구성될 수 있다. 그리고, 자성체를 이용한 제2 그리드 전극(400)은 자성물질을 1~50% 중량비로 혼합하여 제작하거나, 박막의 자성체층을 추가 형성하는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 캐소드(310) 표면 혹은 캐소드 홀(310) 내벽에 이차전자와　열전자 방출 일함수가 낮은 LaO6 등의 재료를 진공증착 방식으로 5um- 50 um 정도 두께로 코팅함으로써, 이온이 캐소드(310) 표면에 충돌함에 따른 캐소드(310)의 온도상승으로 이차전자(e2)와　 열전자를　　동시에　 방출함으로써, 전자밀도를 5% -10 % 정도 높일 수 있다. 이에 따라, 플라즈마상의 전자(e1)와 이차전자(e2)의 두개 전자빔 소소를 동시에 이용하여 1012~1013cm3의 전자 밀도가 확보되는 환경에서, 캐소드(310) 표면 혹은 캐소드 홀(310) 내벽에 LaO6 가 코팅된 구조의 경우에는 1013~1014cm3 의 전자 밀도 확보가 가능하다. 　　
한편, 본 발명에 있어서는 제1 전자빔 발생부(100)가 도7에 도시된 바와 같이 진공챔버(C)의 측면에 배치되어 제1 그리드 전극(200)의 상측으로 라인형태의 전자빔 즉, 라인빔(LB)을 방출하는 라인빔 발생부(120)로 구성될 수 있다.
여기서, 라인빔 발생부(120)는 진공 챔버(C)내에서 전자빔과 수직한 방향, 보다 상세하게는 그리드 전극면과 수평한 방향으로 시트(SHEET) 형태의 라인빔(LB)을 공급한다. 이때, 라인빔 발생부(120)는 진공 챔버내부에 캐소드와 애노드가 순차 배치되어 구성되는 바, 도8에는 애노드(121)로부터 방출되는 라인빔(LB) 형상이 예시되어 있다.
이때, 라인빔 발생부(120)는 라인형태의 전자빔을 발생시키는 것으로 진공 챔버(C)의 측면에서 시트형태의 대면적의 라인빔(LB)을 진공 챔버(C) 내부의 제1 그리드 전극(200) 상측으로 공급한다. 이와같이 라인 형태의 전자빔을 생성하는 구성은 본 출원인이 본 출원인이 2019년 7월 03일자로 출원한 특허출원 제10-2019-0079771호 (명칭: 라인 형태의 전자빔 발생장치)에 개시되어 있는 바, 그 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명에 있어서는 플라즈마상 전자를 방출하는 전자빔 발생부와 이차전자를 발생하는 전자빔 발생부의 위치를 바꾸어 구성하는 것도 가능하다.
즉, 본 발명에 있어서는 진공 챔버 내부 상측에 배치되면서, 캐소드에 이온을 충돌시켜 이차전자를 생성하고, 이차전자를 다수의 애노드홀을 통해 하측으로 방출하는 제1 전자빔 발생부와, 제1 전자빔 발생부의 하측에 배치되어 다수의 그리드 홀을 통해 이차전자를 제1 그리드 전극, 제1 그리드 전극의 하측에 배치되어 플라즈마를 형성함과 더불어, 이 플라즈마상 전자와 제1 그리드 전극으로부터 유입되는 이차전자를 하측으로 방출하는 제2 전자빔 발생부, 상기 제2 전자빔 발생부의 하측에 배치되어 제2 전자빔 발생부에서 방출되는 이차전자와 플라즈마상의 전자를 다수의 그리드홀을 통해 동시에 하측으로 방출하여 하측에 배치된 대면적 기판상의 폴리머층을 경화시키는 제2 그리드 전극 및, 상기 제1 및 제2 전자빔 발생부와 제1 및 제2 그리드 전극으로 전압을 공급하여 제2 그리드 전극을 통해 플라즈마상의 전자와 이차전자를 동시에 기판측으로 방출하도록 제어하는 제어수단을 포함하여 구성될 수 있다.
도 9는 기판의 열 응력이 발생되는 영역과 그 외 영역을 구획한 개략도이고, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 그리드 전극의 개략적인 평면도이고, 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 기판 지지대의 개략적인 평면도이고, 도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 전자빔 발생부의 캐소드를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치의 설명에 앞서, 도 10의 기판 지지대(10) 상에 배치된 기판(1)은 앞서 설명한 본 발명의 제1 실시예와 같이, 플라즈마 상 전자(e1)와 이차전자(e2)를 기판(1) 상측에 배치된 폴리머층(2)에 충돌시켜 이를 경화시킨 후 냉각하는 공정 과정에서, 중심에서 일정 거리 이격된 범위에 형성되는 링 형상의 제1 영역(1a)이 그 외 영역인 제2 영역(1b)에 비해 폴리머층과의 열팽창계수 차이로 열 스트레스가 크게 발생한다.
그런데, 위와 같이 기판(1)에 발생되는 열 응력을 경화공정 이후에 제거하지 않으면, 잔존하는 열 응력으로 인한 기판(1)과 폴리머층(2) 간의 열팽창계수의 차이에 의해 발생되는 열 스트레스로 인해 기판(1)의 휨이 발생됨에 따라 기판(1)의 상측에 배치된 폴리머층(2)에 미세패턴의 형성이 불가하게 되어 제품수율에 큰 영향을 미치게 된다.
이에 본 발명의 제3 실시예는 기판(1) 상측에 형성된 폴리머층(2)을 경화하는 과정에서는 본 발명의 제1 실시예와 같이, 제1 전자빔 발생부(100) 및 제2 전자빔 발생부(300)에서 생성된 플라즈마상 전자(e1) 및 이차전자(e2)를 동시에 기판측으로 방출하는 듀얼 전자빔 방식을 사용하고, 기판(1) 및 폴리머층(2)을 냉각하는 과정에서는 제1 전자빔 발생부(100)에서 생성된 플라즈마상 양(+) 이온(i1)을 제2 전자빔 발생부(300)에서 생성된 이차전자(e2)와 함께 기판(1)측으로 방출하는 이온빔과 전자빔을 혼용한 방식을 사용하는 것을 특징으로 한다.
한편, 위와 같은 양(+) 이온(i1)은 기판(1)의 표면에 충돌 또는 침투하는 운동에너지가 순간적인 열 스파이크(thermal spike)로 바뀌면서 기판(1) 내부를 화학적 재조정 및 재결합시킴에 따라 열 스트레스를 감쇠시키는 역할을 하게 된다.
이 때, 위와 같은 열 스트레스는 이온빔을 형성하는 양(+) 이온(i)의 밀도가 높을수록, 이온빔을 조사하는 공정시간이 길수록 보다 효과적으로 제거된다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치는 도 10에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예와 마찬가지로 제1 전자빔 발생부(100), 제1 그리드 전극(200), 제2 전자빔 발생부(300), 제2 그리드 전극(400)을 포함한다.
제1 전자빔 발생부(100)는 본 발명의 제1 실시예와 그 구성 및 작용이 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제1 그리드 전극(200)은 본 발명의 제 1실시예와 그 구성은 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이러한 제1 그리드 전극(200)은 폴리머층(2)의 경화공정을 수행하는 동안에는 제어수단(500)에 의해 양(+)의 전압이 인가되어 본 발명의 제1 실시예인 도 1에서 보는 바와 같이, 제1 그리드 전극(200)에 의해 제1 전자빔 발생부(100)에서 발생된 플라즈마상의 전자(e1)와 이차전자(e2)를 제2 전자빔 발생부(300)로 방출한다.
그리고, 제1 그리드 전극(200)은 경화공정 수행 후, 기판(1)과 폴리머층(2)의 냉각공정을 수행하는 동안에는 제어수단(500)에 의해 음(-)의 전압이 인가되어 도 10에서 보는 바와 같이, 제1 전자빔 발생부(100)에서 발생된 플라즈마상의 이온(i1)을 제2 전자빔 발생부(300)로 방출한다.
즉, 본 발명의 제3 실시예는 제1 그리드 전극(200)에 인가되는 전압의 극성에 따라 제1 전자빔 발생부(100)를 전자빔 또는 이온빔으로 선택적으로 활용하는 것이다.
여기서, 제1 전자빔 발생부(100)에서 발생된 플라즈마 상의 이온(i1)의 밀도는 앞서 설명한 바와 같이, 109 ~ 1011cm3 이다.
제2 전자빔 발생부(300)는 다수의 캐소드홀(310H)이 형성된 캐소드(310)와, 이 캐소드(310)의 하측에 다수의 애노홀(320H)이 형성된 애노드(320)가 일정 거리 이격되게 배치되는 구성으로 본 발명의 제1 실시예와 그 구성이 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이러한 제2 전자빔 발생부(300)는 폴리머층(2)의 경화공정을 수행하는 동안에는 제어수단(500)에 의해 음(-) 전압과 양(+) 전압이 교번하는 펄스 전압을 캐소드(310)로 인가하여 본 발명의 제1 실시예인 도 1에서 보는 바와 같이, 양(+)의 전압 인가시에는 제1 전자빔 발생부(100)에서 발생된 플라즈마상 전자(e1) 또는 이차전자(e2)를 캐소드홀(310H)을 통해 하측으로 방출하고, 음(-)의 전압 인가시에는 캐소드(310)와 애노드(320) 사이의 이온을 캐소드(310) 측으로 이동시켜 캐소드(310) 표면에 충돌시킴으로써 이차전자(e2)를 생성함과 더불어 이를 하측으로 방출하도록 한다.
그리고, 제2 전자빔 발생부(300)는 경화공정 수행 후, 기판(1)과 폴리머층(2)의 냉각공정을 수행하는 동안에는 제어수단(500)에 의해 음(-)의 전압이 인가되어 앞서 설명된 바와 같이, 이차전자(e2)를 생성 및 하측으로 방출함과 아울러, 제1 그리드 전극(200)의 하측으로 방출되는 이온(i1)을 캐소드홀(310H)을 통해 하측으로 방출한다.
즉, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 전자빔 발생부(300)은 제1 그리드 전극(200)의 하측으로 방출된 이온(i1)을 자체 생성된 이차전자(e2)와 함께 하측으로 방출한다.
여기서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 제2 전자빔 발생부(300)는 도 13에서 보는 바와 같이, 캐소드홀(310H)의 내주면에 세라믹 등와 같은 내부 절연층(312)를 추가로 형성하여 내부 절연층(312)을 통해 캐소드홀(310H)을 통과하는 전자(e1, e2) 또는 이온(i2)이 전기장의 영향을 받는 것을 방지하도록 구성할 수 있다.
여기서 세라믹은 SiO2, SiN, Al2O3 중 선택된 어느 하나가 사용될 수 있으며, 내부 절연층(312)의 두께는 1 ~ 50㎛ 범위로 형성할 수 있다.
한편, 앞서 설명된 제1 전자빔 발생부(100)에서 생성되는 플라즈마에서는 플라즈마상의 전자(e1), 이온(i1) 뿐 아니라 산소 등의 잔류가스의 라디칼(radical, 활성종)이 함께 방출되는데, 이는 기판(1)의 표면을 부식시키거나 변형시키는 요인으로 작용한다.
이에 본 발명은 플라즈마로부터 방출된 라디칼(radical, 활성종)이 제2 전자빔 발생부(300)의 하측에 위치하는 기판(1) 까지 이동하는 것을 방지하기 위해, 도 13의 확대도에서 보는 바와 같이, 제2 전자빔 발생부(300)의 캐소드(310) 상면에 표면 거칠기를 부여하여 캐소드(310) 상면의 접촉표면적을 증가시킴으로써, 라디칼(radical, 활성종)이 캐소드(310) 상면에 최대한 많이 흡착되도록 함으로써, 제2 전자빔 발생부(300)의 하측으로 방출되는 라디칼(radical, 활성종)이 최소화되도록 하였다.
제2 그리드 전극(400)은 도 11에서 보는 바와 같이, 열 스트레스가 크게 발생되는 기판(1)의 제1영역(1a)과 대응되는 링 형상의 제1 그리드 영역(400a)과, 이를 제외한 제2 그리드 영역(400b)으로 구획되고, 제어수단(500)에 의해 제1 그리드 영역(400a)과 제2 그리드 영역(400b)에 독립적으로 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로 제2 그리드 전극(400)은 폴리머층(2)의 경화공정을 수행하는 동안에는 제어수단(500)에 의해 제1 그리드 영역(400a)과 제2 그리드 영역(400b)에 모두 양(+)의 전압이 인가되어 본 발명의 제1 실시예인 도 1에서 보는 바와 같이, 제2 전자빔 발생부(300)의 하측으로 방출되는 플라즈마상의 전자(e1) 및 이차전자(e2)를 하측으로 방출시킨다.
그리고, 제2 그리드 전극(400)은 경화공정 수행 후, 기판(1)과 폴리머층(2)의 냉각공정을 수행하는 동안에는 도 11에서 보는 바와 같이, 제어수단(500)에 의해 제1 그리드 영역(400a)은 음(-)의 전압이 인가되고, 제2 그리드 영역(400b)은 양(+)의 전압이 인가된다.
이에 따라 제2 그리드 전극(400)는 냉각공정을 수행하는 동안에는 도 10에서 보는 바와 같이, 제2 전자빔 발생부(300)의 하측으로 방출되는 이온(i1)은 제1 그리드 영역(400a)으로 이동시켜 하측으로 방출하고, 제2 전자빔 발생부(300)의 하측으로 방출되는 이차전자(e2)는 제2 그리드 영역(400b)으로 이동시켜 하측으로 방출하게 된다.
위와 같은 구조를 통해 제2 그리드 전극(400)은 열 스트레스가 크게 발생되는 기판(1)의 제1 영역(1a)에 이온(i1)이 집중적으로 방출되도록 하여 기판(1)의 제1 영역(1a) 내부의 화학적 재조정 및 재결합을 통해 기판(1)의 제1 영역(1a)의 열 스트레스를 감쇠시킴에 따라 열 스트레스에 의해 기판(1)이 변형되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명의 제3 실시예는 도 12에서 보는 바와 같이, 기판(1)이 지지되는 기판 지지대(10)가 기판(1)의 제1 영역과 대응되는 링 형상의 제1 지지영역(10a)과, 이를 제외한 제2 지지영역(10b)으로 구획되고, 제어수단(500)에 의해 제1 지지영역(10a) 및 제2 지지영역(10b)에 독립적으로 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로 기판 지지대(10)는 폴리머층(2)의 경화공정을 수행하는 동안에는 제어수단(500)에 의해 제1 지지영역(10a) 및 제2 지지영역(10b)에 모두 양(+)의 전압이 인가되어 본 발명의 제1 실시예인 도 1에서 보는 바와 같이, 제2 그리드 전극(400)의 하측으로 방출되는 플라즈마상의 전자(e1) 및 이차전자(e2)를 기판(1) 측으로 방출되도록 가이드한다.
그리고, 기판 지지대(10)는 경화공정 수행 후, 기판(1)과 폴리머층(2)의 냉각공정을 수행하는 동안에는 도 12에서 보는 바와 같이, 제어수단(500)에 의해 제1 지지영역(10a)은 음(-)의 전압이 인가되고, 제2 지지영역(10b)은 양(+)의 전압이 인가된다.
이에 따라 기판 지지대(10)는 냉각공정을 수행하는 동안에는 도10에서 보는 바와 같이, 제2 그리드 전극(400)의 하측으로 방출되는 이온(i1)은 기판(1)의 제1영역(1a)으로 방출되도록 가이드하고, 제2 그리드 전극(400)의 하측으로 방출되는 이차전자(e2)는 기판(2)의 제2 영역(1b)으로 방출되도록 가이드한다.
위와 같은 구조를 통해 기판 지지대(10)는 열 스트레스가 크게 발생되는 기판(1)의 제1 영역(1a)에 이온(i1)이 집중적으로 방출되도록 가이드하여 기판(1)의 제1 영역(1a) 내부의 화학적 재조정 및 재결합을 통해 기판(1)의 제1 영역(1a)의 열 스트레스를 감쇠시킴에 따라 열 스트레스에 의해 기판(1)이 변형되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
또한, 기판 지지대(10)는 10-500V의 바이어스 전압이 인가되는 ITO(Indium Tin Oxide), 구리(Copper), 니켈 등의 금속 나노와이어, 금속선 중 선택된 어느 하나를 포함하는 투명한 쿼츠 또는 유리 재질로 형성될 수 있다.
이를 통해 본 발명은 기판 지지대(10)의 하부에 히팅수단(20)을 설치할 수 있으며, 히팅수단(20)으로부터 발생되는 50-300℃의 열을 기판 지지대(10)를 통해 기판으로 보다 효과적으로 전달할 수 있게 된다.
이 때, 기판 지지대(10)의 내부에 포함되는 금속 나노와이어의 개방비(open ratio)는 70 이상이다.
한편, 상기한 본 발명의 제3 실시예는 제어수단(500)을 통해 플라즈마를 형성하는 압력 및 전원의 세기를 조절하여 경화공정 중에는 고온을 유지하면서 플라즈마 내의 이온의 밀도가 낮게 형성되도록 제어하고, 경화공정 수행 후 냉각공정에서는 저온을 유지하면서 플라즈마 내의 이온의 밀도가 높게 형성되도록 제어하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치는 경화공정을 수행하는 동안에는 제1 전자빔 발생부(100) 및 제2 전자빔 발생부(300)를 전자빔 소스로 활용하여 기판으로 방출되는 전자의 밀도를 증가시켜 경화시간을 단축할 있고, 냉각공정을 수행하는 동안에는 제1 전자빔 발생부(100)를 이온빔 소스로 변경함과 동시에 이를 열 스트레스가 크게 발생하는 기판 영역으로 집중시켜 이온빔에 의한 열 스트레스 감쇠효과를 극대화시킴으로써 기판이 열 스트레스에 의해 변형되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치는 본 발명의 제3 실시예와 비교하여 제2 그리드 전극(400)과 기판(1)의 사이영역과 대응되는 진공 챔버(C)의 외면에 경화 공정과정에서 기판(1)으로부터 발생되는 휘발성 물질을 배출하는 배출구(E)가 더 형성되는 것이 차이가 있을 뿐, 나머지는 본 발명의 제3 실시예와 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
위와 같이, 본 발명의 제4 실시예는 기판(1)으로부터 발생되는 휘발성 물질을 배출구(E)를 통해 배출함에 따라, 휘발성 물질이 제2 전자빔 발생부(300)의 캐소드(310) 표면에 부착되어 캐소드(310)를 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
100 : 제1 전자빔 발생부 200 : 제1 그리드 전극
300 : 제2 전자빔 발생부 310 : 캐소드
320 : 애노드 400 : 제2 그리드 전극
400a : 제1 그리드 영역 400b : 제2 그리드 영역
500 : 제어수단
1 : 기판 1a : 제1 영역
1b : 제2 영역 2 : 폴리머층
10 : 기판 지지대 10a : 제1 지지영역
10b : 제2 지지영역 20 : 히팅수단
C : 진공 챔버 E : 배출구

Claims (19)

  1. 진공 챔버 내부에서 공정가스와 반응하여 폴리머층이 형성된 대면적 기판을 경화시키는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치에 있어서,
    진공 챔버 내부 상측에 배치되어 플라즈마상의 전자와 이온을 포함하는 플라즈마를 형성하는 제1 전자빔 발생부와,
    상기 제1 전자빔 발생부의 하측에 배치되고, 인가되는 전압의 극성에 따라 다수의 그리드 홀을 통해 상기 플라즈마상의 전자 또는 이온을 하측으로 선택적으로 방출하는 제1 그리드 전극,
    상기 제1 그리드 전극의 하측에 배치되면서, 캐소드에 이온을 충돌시켜 이차전자를 생성함과 더불어, 이 이차전자를 하측으로 방출하고, 상기 제1 그리드 전극으로부터 유입되는 플라즈마상의 전자 또는 이온을 하측으로 선택적으로 방출하는 제2 전자빔 발생부,
    상기 제2 전자빔 발생부의 하측에 배치되어 제2 전자빔 발생부에서 선택적으로 방출되는 플라즈마상의 전자 또는 이온과, 이차전자를 다수의 그리드홀을 통해 동시에 하측으로 방출하여 하측에 배치된 대면적 기판상의 폴리머층을 경화시키는 제2 그리드 전극 및,
    상기 제1 및 제2 전자빔 발생부와 제1 및 제2 그리드 전극으로 전압을 공급하여 제2 그리드 전극을 통해 플라즈마상의 전자 또는 이온과, 이차전자를 동시에 기판측으로 방출하도록 제어하는 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전자빔 발생부는 캐소드로 이루어지고, 상기 제어수단으로부터 인가되는 고전압에 의해 공정가스와 반응하여 플라즈마를 형성하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전자빔 발생부는 라인형태의 전자빔을 방출하는 라인빔 발생부로 이루어지고, 상기 진공챔버의 측면에 배치되어 제1 그리드 전극의 상측으로 시트형태로 라인빔을 방출하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어수단은 제1 전자빔 발생부로 RF,HF,마이크로 웨이브 전원 중 하나의 전원을 공급하여 플라즈마를 형성하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  5. 제1항에 있어서
    상기 제어수단은 양(+)의 전압과 음(-)의 전압을 교번하여 제2 전자빔 발생부의 캐소드로 공급하여, 양(+)의 전압 구간에서는 플라즈마상의 전자를 하측으로 방출하고, 음(-) 전압 구간에서는 하측의 이온을 캐소드측으로 이동시켜 캐소드 표면에 충돌시킴으로써 이차전자를 발생시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 그리드 전극은 상부 메탈층과 절연층 및 하부 메탈층이 순차로 적층된 구조로 이루어지면서 그리드 홀은 절연층의 중앙부분으로 갈수록 직경이 작아지도록 경사형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전자빔 발생부는 대면적의 판상에 다수의 캐소드홀이 형성되는 캐소드와, 이 캐소드의 하측에 대면적의 판상에 다수의 애노드홀이 형성되는 애노드를 포함하여 구성되고,
    상기 캐소드는 외면에 La2O5 코팅층을 형성하여 이차전자 생성시 열전자를 방출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전자빔 발생부는 대면적의 판상에 다수의 캐소드홀이 형성되는 캐소드와, 이 캐소드의 하측에 대면적의 판상에 다수의 애노드홀이 형성되는 애노드를 포함하여 구성되고,
    상기 캐소드는 상면에 절연층이 형성됨과 더불어, 캐소드 홀이 하측으로 갈수록 직경이 커지도록 경사형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 그리드 전극과 절연층, 캐소드가 순차 적층된 일체형 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  10. 제1항에 있어서
    상기 제2 그리드 전극은 자성체 성분이 일정 중량비로 포함된 재료로 이루어지거나, 그리드 전극의 하부에 그리드 홀에 대응되는 다수의 홀이 형성된 판상의 고정자석을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어수단은 제1 전자빔 발생부로 DC 또는 펄스 전원을 이용한 홀로 음극(hollow cathode) 방식을 이용하여 플라즈마를 형성하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전자빔 발생부는 대면적의 판상에 다수의 캐소드홀이 형성되는 캐소드와, 이 캐소드의 하측에 대면적의 판상에 다수의 애노드홀이 형성되는 애노드를 포함하여 구성되고,
    상기 캐소드는 상기 다수의 캐소드홀의 내주면에 내부 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 내부 절연층의 두께는 1 ~ 50㎛ 인 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전자빔 발생부는 대면적의 판상에 다수의 캐소드홀이 형성되는 캐소드와, 이 캐소드의 하측에 대면적의 판상에 다수의 애노드홀이 형성되는 애노드를 포함하여 구성되고,
    상기 캐소드는 상면에 표면거칠기가 부여되어 접촉표면적이 증가되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제어수단은 음(-)의 전압을 제2 전자빔 발생부의 캐소드로 공급하여, 플라즈마상의 이온을 하측으로 방출함과 아울러, 하측의 이온을 캐소드 측으로 이동시켜 캐소드 표면에 충돌시킴으로써 이차전자를 발생시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 폴리머층과의 열팽창계수 차이에 의해 열 스트레스가 크게 발생되는 제1 영역과, 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역으로 구분되고,
    상기 제2 그리드 전극은 상기 제1 영역과 대응되는 제1 그리드 영역과, 상기 제2 영역과 대응되는 제2 그리드 영역으로 구획되되,
    제어수단은 상기 제1 그리드 영역 및 상기 제2 그리드 영역에 독립적으로 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 기판이 지지되는 기판 지지대를 포함하고,
    상기 기판 지지대는 상기 제1영역과 대응되는 제1 지지영역과, 상기 제2 영역과 대응되는 제2 지지영역으로 구획되되,
    상기 제어수단은 상기 제1 지지영역 및 상기 제2 지지영역에 독립적으로 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화공정장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 기판이 지지되는 기판 지지대를 포함하고,
    상기 기판 지지대는 바이어스 전압이 인가되는 ITO(Indium Tin Oxide), 금속 나노와이어, 금속선 중 선택된 어느 하나를 포함하는 투명한 쿼츠 또는 유리 재질로 형성되어 하부에 설치된 히팅수단으로부터 발생되는 열을 기판으로 전달하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치.
  19. 제8항 또는 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드는 상기 애노드와 자유행정거리 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 듀얼 전자빔 소스를 이용한 폴리머 경화 공정장치.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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