KR20050059858A

KR20050059858A - 다수의 전극블록으로 이루어지는 플라즈마 전극과 이를 이용하는 전원공급 시스템

Info

Publication number: KR20050059858A
Application number: KR1020030091576A
Authority: KR
Inventors: 이정범
Original assignee: 주성엔지니어링(주)
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-06-21

Abstract

본 발명은, RF전원과; 일단이 상기 RF전원에 연결되며, 임피던스를 정합하는 임피던스 정합기와; 다수의 전극 블록으로 구성되는 플라즈마 전극과; 일단은 상기 임피던스 정합기에 연결되고, 타단은 상기 다수의 전극블록을 병렬로 연결하는 다수의 병렬 선로를 포함하는 전원공급 시스템을 제공한다. 또한 본 발명은 다수의 전극블록에 다수의 RF전원이 각 연결되는 전원공급 시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면, 기판의 크기에 관계없이 플라즈마의 균일도를 향상시킴으로서 공정 균일도를 개선할 수 있고, 동일 챔버 내부에서 공정조건이 달라져도 인덕터를 조정함으로써 능동적으로 대응할 수 있게 된다. 또한 본 발명에 의하면 가스유동이 비대칭적이어도, 균일한 플라즈마 밀도를 얻을 수 있게 된다.

Description

다수의 전극블록을 포함하는 전원공급 시스템{Power supply system comprising a plurality of electrode blocks}

본 발명은 액정표시소자의 제조장치에 관한 것으로서, 상세하게는 플라즈마 공정장비에서 RF전력을 공급하는 전원공급 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 액정표시소자를 제조하기 위해서는, 기판 상에 유전체 물질 등을 박막으로 증착하는 박막증착공정, 감광성 물질을 사용하여 이들 박막 중 선택된 영역을 노출 또는 은폐시키는 포토리소그라피(photolithography) 공정, 선택된 영역의 박막을 제거하여 목적하는 대로 패터닝(patterning)하는 식각공정, 잔류물을 제거하기 위한 세정공정 등을 수 차례 반복하여야 하는데, 이들 각 공정은 해당 공정을 위해 최적의 환경이 조성된 챔버 내부에서 진행된다.

최근에는 고주파 전력을 이용하여 공정가스를 플라즈마 상태의 활성종으로 여기 시킨 다음, 이를 이용하여 증착, 식각, 세정공정 등을 수행하는 플라즈마 공정장비가 많이 사용되는데, 이러한 플라즈마 공정장비에는 고주파 전원을 이용하여 2개의 전극 사이에 강력한 전계를 형성하고, 이 전계에 의하여 가속된 전자와 중성기체의 충돌을 이용하여 플라즈마 활성종을 생성하는 용량결합방식과, 챔버의 외부에 설치되는 안테나 코일에 의해 챔버 내부에 유도되는 유도자기장과 이에 결합하는 유도전계를 이용하여 플라즈마 활성종을 생성하는 유도결합방식으로 나눌 수 있다.

도 1은 이 중에서 용량결합방식의 플라즈마 공정장비를 도시한 것으로서, 내부에 일정한 반응공간을 형성하는 챔버(10)와, 상기 챔버(10)의 내부에 위치하며 상면에 기판(30)을 안치하는 서셉터(20)와, 서셉터(20)의 상부에서 공정가스를 분사하는 샤워헤드(40)와, 외부의 가스 저장부(미도시)에 연결되어 샤워헤드(40)로 공정가스를 유입하는 가스유입관(80)을 포함한다.

또한 샤워헤드(40)의 상부에 위치하여 공정가스에 RF전력을 인가하는 플라즈마 전극(50)과, 상기 플라즈마 전극(50)에 RF전력을 공급하는 RF전원(60)과, 상기 플라즈마 전극(50)에 최대 전력이 인가될 수 있도록 경로 임피던스를 매칭하며, 플라즈마 전극(50)과 RF전원(60) 사이에 위치하는 임피던스 정합기(Impedance Matching Box, 70)를 포함한다. 이때 플라즈마 전극(50)에 대응되는 전극은 접지된 서셉터(20)가 되며, 플라즈마 전극(50)이 샤워헤드(40)와 일체로 형성되는 경우도 있다.

도 1과 같은 구성에서 플라즈마 공정장비를 RF전력이 전달되는 회로도로 구성하면, 도 2와 같은 구성이 되는데, 커패시터(50)는 플라즈마 전극을 나타내며, 보다 엄밀하게는 챔버(10) 내부의 플라즈마 전극(50)과 접지된 서셉터(20) 사이의 커패시턴스를 나타내는 것이다.

이와 같은 구성을 가지는 플라즈마 공정장비의 동작을 살펴보면, 먼저 미도시된 도어를 통해 기판(30)이 챔버(10) 내부로 반입되어 서셉터(20)에 안치되면, 가스유입관(80)으로 부터 공급되는 공정가스가 샤워헤드(40)를 통해 챔버(10) 내부로 분사된다. 이때 플라즈마 전극(50)에 RF전력을 인가하게 되면, 가속된 전자와 중성기체의 충돌로 인해 생성되는 활성종이 기판(30)으로 입사하여 증착 또는 식각 공정을 수행하게 된다.

이와 같은 플라즈마 공정장비에서 공정 균일도에 가장 큰 영향을 미치는 변수는, 기판(30)의 상부에서 생성되는 활성종의 균일성 여부이고, 활성종의 균일한 분포는 결국 공정가스의 균일한 분사와, 플라즈마의 균일한 생성으로 확보될 수 있는 것이다.

이 중에서도 본 발명과 관계되는 플라즈마의 균일한 생성을 위해 다양한 방법이 시도되고 있는데, 첫째로 플라즈마 전극(50)과 서셉터(20)사이에 형성되는 RF전기장의 균일성을 확보하기 위해 플라즈마 전극(50)의 중심에 RF전력이 공급될 수 있도록 배치하는 방법이 있다. 도 1에서도 RF전력을 플라즈마 전극(50)의 중심에 공급하기 위해 통상 플라즈마 전극(50)의 중심을 관통하는 가스유입관(80)에 RF전원(60)을 연결하고 있다. 이로 인해 RF전기장의 대칭성이 최대한 확보되기 때문이다.

두 번째 방법으로는 공개특허공보 제2001-0071873호에도 개시되어 있는 바와 같이, 단일 주파수 전원 또는 다중 주파수 전원을 다수의 커패시터를 매개로 하여 플라즈마 전극(50)의 여러 대칭적인 지점에 동시에 인가하는 방법이다. 도 3은 이와 같은 경우의 회로 구성을 도시한 것으로서, RF전원(60)이 임피던스 정합기(70)와 여러 커패시터(C₁, C₂, C₃)를 거쳐, 플라즈마 전극(50)에 인가된다. 플라즈마 밀도가 평균보다 너무 높거나, 너무 낮은 부위에 위치하는 커패시터의 용량을 조절하여 인가되는 RF전력을 가감함으로써, 보다 능동적으로 플라즈마 균일도를 조절할 수 있게 된다.

그런데 최근 액정표시소자의 경우 기판이 날로 대형화 되어가고 있기 때문에, 이와 같은 방법만으로는 플라즈마의 균일도를 확보하는 데는 한계가 있다.

즉, 플라즈마 전극에 공급되는 RF전력은 플라즈마 전극의 표면에서 정재파 성분을 가지게 되므로, RF전력의 불균일한 분포가 불가피한데, 4세대, 5세대의 경우에는 정재파의 파장에 비해 기판의 사이즈가 비교적 작기 때문에 이와 같은 영향을 무시할 수 있었다.

그러나, 최근 상용화 단계에 돌입하고 있는 7세대 기판의 경우만 하더라도 기판의 사이즈가 거의 RF전력의 파장에 근접하고 있어, 이와 같은 크기의 기판에서는 상술한 바와 같이 전극의 정 중앙에 RF전력을 인가하는 것만으로는, 플라즈마의 균일도를 확보하기 힘든 문제가 있다. 또한 다수의 커패시터를 이용하여 플라즈마 전극의 여러곳에 RF전원을 대칭적으로 인가하는 방법은 장치의 구성이 복잡하고, 유지관리에 어려움이 있을 뿐만 아니라 고출력의 RF전원이 요구되는 장비 특성상 커패시터의 가격이 상당히 고가여서 제작비용을 상승시키는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대면적 기판을 처리하는 플라즈마 공정장비에서, 보다 간편하게 플라즈마의 균일도를 향상시키는 방안을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, RF전원과; 일단이 상기 RF전원에 연결되며, 임피던스를 정합하는 임피던스 정합기와; 다수의 전극 블록으로 구성되는 플라즈마 전극과; 일단은 상기 임피던스 정합기에 연결되고, 타단은 상기 다수의 전극블록을 병렬로 연결하는 다수의 병렬 선로를 포함하는 전원공급 시스템을 제공한다.

또한 본 발명은 다수의 RF전원과; 일단이 상기 RF전원에 각 연결되며, 임피던스를 정합하는 다수의 임피던스 정합기와; 다수의 전극블록으로 구성되는 플라즈마 전극과; 상기 다수의 전극블록과 다수의 임피던스 정합기를 각 연결하는 다수의 선로를 포함하는 전원공급 시스템을 제공한다.

상기 다수의 전극블록은 평판 형상의 내부 전극블록과, 상기 내부 전극블록의 외주를 둘러싸는 하나 이상의 외부 전극블록을 포함하는 전원공급 시스템을 제공한다.

상기 플라즈마 전극은 사각평판 형상의 다수의 전극블록이 수평 결합되어 형성되는 전원공급 시스템

상기 병렬연결 선로 중 하나 이상에는 인덕터가 설치되는 전원공급 시스템을 제공한다.

상기 다수의 선로 중 하나 이상에는 인덕터가 설치되는 전원공급 시스템을 제공한다.

상기 인덕터는 가변 인덕터인 전원공급 시스템을 제공한다.

상기 다수의 전극블록 사이에는 전기적 절연을 위한 절연체가 삽입되는 전원공급 시스템을 제공한다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 또한 본 발명의 실시예는 챔버 내부에서 공정가스를 분사한 후 이를 플라즈마 상태로 여기시켜, 기판에 대한 공정을 수행하는 PECVD장비나 에처(Etcher) 등에 관한 것이므로 LCD 제조장비뿐만 아니라 반도체 제조장비에도 적용될 수 있는 것이다. 따라서 이하에서 언급하는 기판은 유리기판 뿐만 아니라 반도체 웨이퍼도 포함하는 것이며, 설명의 편의를 위해 이하에서는 PECVD 장비를 예를 들어 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 다수의 전극블록으로 구성되는 전극(100)을 도시한 것으로서, 가운데에 개방부가 형성된 제1 전극블록(110)과, 상기 제1 전극블록(110)의 개방부에 삽입되는 제2 전극블록(120)과, 상기 제1 전극블록(110)의 내벽과 제2 전극블록(120)의 외벽 사이에 삽입되어 양 전극블록을 전기적으로 절연하는 절연체(200)로 구성된다.

제1,2 전극블록(110, 120)은 상기 절연체(200)로 인해 전기적으로 절연되므로, 각 전극블록마다 RF전력이 공급되어야 한다. 도면에서는 제1 전극블록(110)의 외주와 제1 전극블록(110) 가운데 형성되는 개방부를 모두 직사각형으로 도시하고 있으나, 이는 LCD 기판이 통상 직사각형의 모양을 가지기 때문이므로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 모양으로 변형될 수 있다. 그러나 플라즈마 밀도를 고려하면 적어도 대칭적인 형상을 가지는 것이 바람직하다.

도 5는 도 4의 Ⅰ-Ⅰ선에 따른 단면으로 도시된 플라즈마 전극(100)에 RF전원(60)이 연결된 모습을 도시한 것으로서, RF전원(60)에서 공급되는 RF전력이 임피던스 정합기(70)를 거쳐 가장자리의 제1 전극블록(110)과 가운데 부분의 제2 전극블록(120)에 각 공급되는데, 제1 전극블록(110)에는 인덕터(L₁)가 연결된다.

이를 회로도로 구성하면, 도 6과 같은데, 제1 전극블록(110)과 제2 전극블록(120)은 각각 제1, 2 커패시터(C₁, C₂)로 나타낼 수 있고, 가장자리의 제1 전극블록에 해당하는 제1 커패시터(C₁)에 인덕터(L₁)가 연결된다.

이와 같이 플라즈마 전극을 다수의 전극블록으로 구성하고, 인덕터(L₁)를 연결함으로써, 각 전극블록에 인가되는 RF전력의 세기를 달리할 수 있으며, 상기 인덕터(L₁)를 가변 인덕터로 구성하게 되면 다양한 공정조건에서 플라즈마 균일도 확보를 위해 보다 능동적으로 대처할 수 있게 된다.

예를 들어 제1 전극블록(110) 쪽으로 흐르는 RF전력이 제2 전극블록(120) 쪽으로 흐르는 RF 전력보다 많게 하려면, 제1 전극블록(110)쪽의 리액턴스(X₁)가 제2 전극블록(120)쪽의 리액턴스(X₂)보다 작아야 하므로,

X₁= ωL₁- 1/ωC_1,X₂=1/ωC₂에서

｜X₁｜＜｜X₂｜이어야 하고,

또한 예시된 임피던스 정합기의 정합회로는 용량성 부하를 위한 것이어서, 병렬로 연결된 X₁ 과 X₂ 의 합은 용량성 부하가 되는 값을 가져야 하므로, X₁*X₂/(X₁+X₂) ＜ 0 이어야 한다.

제1,2 커패시터 C₁, C₂는 장비 설계시에 이미 고정되는 커패시턴스 값을 가지므로, 위 두가지 조건을 만족하는 인덕턴스 값을 쉽게 구할 수 있으며, 이에 따른 인덕터(L₁)를 설치하면, RF전력의 공급을 능동적으로 조절할 수 있게 된다.

이 경우 인덕터(L₁)를 제로 극한으로 가져가면, 도 6에서 인덕터가 제거되므로, 공급되는 RF전력의 크기는 제1,2 커패시터(C₁, C₂)의 크기에 따라 달라지게 되며, 제1,2 커패시터(C₁, C₂)의 크기는 주로 각 전극블록의 크기에 의해 좌우된다. 즉 각 전극블록의 크기를 조절하여 플라즈마의 밀도를 조절할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 전극의 일반적인 형태를 도시한 평면도로서, 도 4와 같이 분할된 형태를 일반화하여 N개의 전극블록으로 구성한 것이다. 가장자리로부터 제1, 제2, 제3, ... 제N 전극블록(120,130,140..., 180)으로 구분되고, 각 전극블록은 절연체(200)에 의해 전기적으로 절연된다.

도 8은 도 7의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 플라즈마 전극의 단면과, 각 전극블록에 RF전원을 연결한 구성을 도시한 것으로서, 임피던스 정합기(70)와 각 전극블록(110,120,130,180) 사이에는 제1,2,3, ..N 인덕터(L_1,L₂. L_3,L_N)가 연결되어, 인덕터의 값을 조절함으로써 각 전극블록에 인가되는 RF전력의 크기를 조절할 수 있다.

도면에서는 모든 전극마다 인덕터가 연결되는 것으로 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니므로, 플라즈마의 밀도 조절이 필요한 전극블록에 한 개만을 연결하거나, 아니면 인덕터를 생략할 수도 있다. 또한 상기 제1,2,3, ..N 인덕터(L_1,L₂. L_{3, ....}L_N)를 가변 인덕터로 설치하여 각 전극블록에 인가되는 RF전력을 조절할 수도 있다.

또한 제1,2,3 전극블록(110,120,130)의 폭이 동일하게 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니므로 플라즈마 밀도의 균일성을 확보하기 위해 그 폭을 다양하게 형성할 수 있다.

도 9는 도 8의 구성에 대한 회로 구성을 도시한 것으로서, 각 전극블록(110,120,130,180)은 제1,2,3,...N 커패시턴스(C_1,C₂. C_{3, ....}C_N)로 표시된다.

도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일반적인 형태의 플라즈마 전극의 각 전극블록(110,120,130,180)마다 RF전원이 각 연결되는 모습을 도시하고 있다.

즉 제1 전극블록(110)에는 제1 RF전원(61)이, 제2 전극블록(120)에는 제2 RF전원(62)이, 제3 전극블록(130)에는 제3 RF전원(63)이, 제N 전극블록(180)에는 제N RF전원(68)이 각 연결되고, 각 RF전원과 각 전극사이에는 제1,2,3,...N 임피던스 정합기(71,72,73,...78)와 제1,2,3... N 인덕터(L_1,L₂. L_{3, ....}L _N)가 연결된다.

플라즈마의 밀도를 조절하기 위해 인덕터를 이와 같이 각 전극블록마다 연결하지 않고, 아예 설치하지 아니하거나, 어느 하나의 전극블록에만 연결할 수도 있다. 또한 인덕터를 가변 인덕터로 구성할 수 있음도 물론이다.

이와 같이 각 전극블록에 독립적으로 RF전력을 공급하는 경우에는, 각 RF전원(61,62,63,64) 사이에서 위상을 일치시키기 위한 위상조절기를 설치할 수도 있다.

도 11은 본 발명의 제2 실시예에 관한 것으로서, 도 4 또는 도 7과 같이 하나의 전극블록이 다른 전극블록을 둘러싸는 방식이 아니라, 다수의 제1,2,3,4 전극블록(310,320,330,340)을 수평적으로 결합하여 플라즈마 전극(300)을 구성한 모습을 도시하고 있다. 각 전극블록이 동일한 형상을 가지는 것으로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니어서 다양한 변형이 가능하며, 그 개수도 4개로 한정되지 않음은 물론이다. 이 경우에도 전극블록의 경계면은 절연체(100)에 의해 전기적으로 절연되어야 한다.

도 11의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 단면을 가지는 플라즈마 전극에 RF전원(60)의 연결 구성을 도시한 도 12에서는, RF전력이 임피던스 정합기(70)와 제1,2,3,4 인덕터(L_1,L₂. L_3,L₄)를 거쳐 각 전극에 연결되는 모습을 도시하고 있다. 이에 대한 회로구성은 도 9에서 L_N 을 L₄로 대치한 도면과 동일하게 된다.

이 경우에도 각 인덕터의 인덕턴스를 조정하거나, 가변 인덕터로 구성하는 등의 방법을 통해서 각 전극에 인가되는 RF전력의 출력을 조절할 수 있다. 이와 같이 인덕터의 크기나 전극블록의 크기 또는 형상을 조절함으로써 다양한 공정 환경에서 플라즈마 균일성을 위해 능동적으로 대처할 수 있으며, 공정가스의 비 대칭적인 유동에도 대처할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 한하여 설명하였으나, 당업자에 의해 다양한 수정이나 변경이 가능하며 그러한 수정이나 변경이 본 발명의 기술적 사상을 포함하고 있는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

도 1은 종래 플라즈마 공정장비의 개략 구성도

도 2는 도 1에 대한 개념적인 회로 구성도

도 3은 플라즈마 전극에 다수의 커패시터를 이용하여 RF전력을 인가하는 회로 구성도

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 전극의 평면도

도 5는 도 4의 플라즈마 전극에 하나의 RF전원이 연결되는 구성도

도 6은 도 5에 대한 개념적인 회로 구성도

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 전극의 일반적인 형태를 도시한 평면도

도 8은 도 7의 플라즈마 전극에 하나의 RF전원이 연결되는 구성도

도 9는 도 8에 대한 개념적인 회로 구성도

도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 전극의 전극블록마다 RF전원이 연결되는 구성도

도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 전극의 평면도

도 12는 도 11의 플라즈마 전극에 하나의 RF전원이 연결되는 구성도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 챔버 20 : 서셉터

30 : 기판 40 : 샤워헤드

50, 100, 300 : 플라즈마 전극 60 : RF전원

70 : 임피던스 정합기 80 : 가스유입관

200 : 절연체

Claims

RF전원과;

일단이 상기 RF전원에 연결되며, 임피던스를 정합하는 임피던스 정합기와;

다수의 전극 블록으로 구성되는 플라즈마 전극과;

일단은 상기 임피던스 정합기에 연결되고, 타단은 상기 다수의 전극블록을 병렬로 연결하는 다수의 병렬 선로

를 포함하는 전원공급 시스템
다수의 RF전원과;

일단이 상기 RF전원에 각 연결되며, 임피던스를 정합하는 다수의 임피던스 정합기와;

다수의 전극블록으로 구성되는 플라즈마 전극과;

상기 다수의 전극블록과 다수의 임피던스 정합기를 각 연결하는 다수의 선로

를 포함하는 전원공급 시스템
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 다수의 전극블록은 평판 형상의 내부 전극블록과, 상기 내부 전극블록의 외주를 둘러싸는 하나 이상의 외부 전극블록을 포함하는 전원공급 시스템
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 플라즈마 전극은 사각평판 형상의 다수의 전극블록이 수평 결합되어 형성되는 전원공급 시스템
제1항에 있어서,

상기 병렬연결 선로 중 하나 이상에는 인덕터가 설치되는 전원공급 시스템
제2항에 있어서,

상기 다수의 선로 중 하나 이상에는 인덕터가 설치되는 전원공급 시스템
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 인덕터는 가변 인덕터인 전원공급 시스템
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 다수의 전극블록 사이에는 전기적 절연을 위한 절연체가 삽입되는 전원공급 시스템