KR100395661B1 - 급속 열처리 장치 - Google Patents

Abstract

급속 열처리 장치에 관해 개시한다. 본 발명의 급속 열처리 장치에 구비되는 석영창은, 그 중심부는 평탄면을 가지며, 그 가장자리부는 상기 석영창의 측단부를 향하여 오르막 경사면을 가짐으로써 열원에서 방출되는 열에너지의 시야각을 작게 만들어서 석영창의 가장자리부에서의 열에너지의 투과도를 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 급속 열처리 장치에 구비되는 석영창의 냉각시스템은 석영창의 측단면을 비강제적 폐쇄 순환식으로 냉각하도록 구성된다. 본 발명의 석영창을 이용하면, 석영창의 가장자리부에서 투과되는 열에너지의 양이 늘어나므로 급속 열처리 장치에서 진행되는 공정의 균일도를 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 냉각시스템을 이용하면, 석영창의 측단부에서 발생하는 2차 방사 열에너지를 저가의 비용으로 신속하게 줄일 수 있으므로 빠른 시간 내에 원하는 공정결과를 얻을 수 있다.

Description

급속 열처리 장치{Rapid thermal processing apparatus}

본 발명은 급속 열처리 장치 분야의 기술에 관한 것으로, 특히 급속 열처리 장치용 석영창 및 그 냉각 시스템에 관한 것이다.

석영(quartz)은 반도체, 전기, 전자, 광학, 이화학, 재료 산업 등의 분야에서 현재 널리 사용되고 있지만, 원가가 매우 비싼 재료이다. 특히, 석영은 고온 환경에서 좋은 특성을 가지고 있어서 열처리 장비나 열처리로에도 많이 적용되고 있다. 할로겐 히터 등의 광원에서 나오는 광을 가열수단으로 사용하는 반도체 소자 제조용 급속 열처리 장비에도 반도체 기판과 할로겐 히터의 사이에 석영창(quartzwindow)을 설치하여 사용하는 예가 많다. 한편, 석영은 온도변화에 급속하게 대응하는 것이 아니라 서서히 승온하고 서서히 냉각되는 특성을 가지고 있다.

도 1은 종래의 급속 열처리 장치에서 열원과 석영창 간의 에너지 출입관계를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 할로겐 히터 등의 열원(100)에서 나온 에너지는 평판형 석영창(110)을 투과하여 반응실에 놓인 기판(미도시)으로 전달되어 열처리 등의 공정이 이루어지게 된다. 이 때, 열원(100)에서 방출된 에너지(A)는 석영창(110)과 열원(100)이 이루는 각도에 따라서, 석영창(110)을 투과하는 것(B)과, 석영창(110)의 표면에서 반사되는 것(C)과, 석영창(110) 자체로 흡수되거나 흡수되었다가 석영창(110)의 측단부를 통해 방출되는 것(D)으로 각각 나뉠 수 있다. 열원(100)을 중심으로 시야각이 100° 이내인 방출 에너지는 대부분 석영창(110)의 내부를 투과하지만 약 10% 정도는 석영창(110) 자체로 흡수되기 때문에 석영창(110) 자체의 온도가 상승하게 된다. 한편, 열원(100)을 중심으로 시야각이 100° 이상에 해당하는 석영창(110)의 가장자리부에 입사되는 방출 에너지는 석영창(110)에서 반사되거나 약 10%가 흡수되어 석영창(110)의 온도를 상승시키는 결과만 낳을 뿐 공정에 기여하지 못하게 된다.

따라서, 본 기술분야에서는 석영창을 투과하여 기판에 전달되는 열에너지의 양을 증대시키고 석영창에서 2차 방사된 흡수에너지의 확산을 막기 위한 연구가 진행되고 있다. 우선, 투과되는 열에너지의 양을 증대시키기 위해서는, 석영창의 상, 하면의 표면을 밀러표면 형태로 하여 투과도를 높이고 있으며, 석영창의 재질을 고순도화하는 방법을 주로 사용하고 있으나, 석영창 재질의 고순도화에 따라서 석영창의 제조원가가 상승한다는 문제점이 있다.

또한, 석영창에서 2차 방사된 흡수에너지의 확산을 막기 위해서는 석영창을 냉각시키는 냉각장치를 석영창의 주위에 부착하는 방법을 이용하고 있다. 따라서, 석영창의 측단부를 거칠게 가공하여 표면적을 늘림으로써, 측단부를 통하여 2차 방사에너지가 방출되도록 하고 냉각 시 측단부를 통해 온도 전달을 유도하여 석영창의 표면 온도를 낮게 유지하려 하고 있다. 그러나, 이와 같은 장치 구성으로는 열원을 중심으로 시야각이 100° 이상에 해당하는 석영창의 가장자리부에 입사되는 방출 에너지의 대부분이 반사 또는 흡수되어 버린다는 문제를 해결할 수 없게 되며, 당초에 상기 가장자리부에 흡수된 에너지의 양이 많기 때문에 냉각의 효과도 그다지 높지 않다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 석영창의 가장자리부에서 투과되는 열에너지의 양을 늘림으로써 열원에서 방출되는 열에너지를 효과적으로 이용할 수 있는 급속 열처리 장치용 석영창을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 기술적 과제는, 석영창의 측단부에서 발생하는 2차 방사 열에너지를 저가의 비용으로 효과적으로 줄일 수 있는 급속 열처리 장치용 석영창의 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 급속 열처리 장치에서 열원과 석영창 간의 에너지 출입관계를 모식적으로 나타낸 단면도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 급속 열처리 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 도면; 및

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 급속 열처리 장치의 개략적 평면도이다.

* 도면 중의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 … 열원

110 … 평판형 석영창

200 … 할로겐 램프

210 … 상부 덮개

220 … 석영창

222 … 석영창의 가장자리부

230 … 기판

240 … 챔버

250 … 고정장치

260 … 냉각가스 유로

262 … 냉각가스 흡입/분사구

264 … 냉각가스 유로의 주름부

270 … 냉각가스 공급로

272 … 냉각가스 배출로

280 … 냉각가스 저장부

290 … 압력 게이지

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 급속 열처리 장치는: 평탄면을 가지는 중심부와, 측단부를 향하여 오르막 경사면을 가지되 전후측 경사면이 서로 대칭되고 좌우측 경사면이 서로 대칭되도록 마련되는 가장자리부를 포함하여 이루어지고, 열원과 기판의 사이에 위치하여 상기 열원에서 나오는 열에너지를 투과시킴으로써 상기 기판에 전달하는 동시에 상기 기판에 대한 공정을 수행하는 공정가스가 상기 열원에 도달하는 것을 방지하는 석영창과; (a) 상기 석영창의 측단부의 적어도 일부를 따라서 이에 접촉되도록 형성된 냉각가스 유로와, (b) 상기 냉각가스 유로의 일단에 연결되어 냉각가스를 공급하는 냉각가스 공급로와, (c) 상기 냉각가스 유로의 타단에 연결되어 냉각작용을 완료한 상기 냉각가스를 배출시키는 냉각가스 배출로와, (d) 상기 냉각가스 유로와 연통되어 있으며, 상기 석영창의 가장자리부의 상부에 형성되어 냉각가스의 온도 변화에 따라 상기 석영창의 가장자리부의 상부에 냉각가스를 분사하거나 상기 석영창의 가장자리부의 상부로부터 냉각가스를 흡입하는 냉각가스 흡입/분사구와, (e) 상기 열원과 석영창의 상부를 덮어서 기밀을 유지함으로써 상기 석영창의 상부에 분사된 냉각가스의 외부 유출을 방지하는 상부 덮개와, (f) 상기 냉각가스 공급로 및 배출로와 연결되며, 상기 석영창과 이격된 위치에서 상기 냉각가스를 일시 저장하여 냉각시키는 냉각가스 저장부를 포함하는 냉각시스템;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 석영창은 원형, 사각형 및 마름모꼴로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 형상을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 냉각시스템에서, 상기 냉각가스 유로가, 상기 석영창의 측단부에 접촉하는 표면적을 늘리기 위해 다수의 주름부를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각가스로서 헬륨을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 석영창의 가장자리부를 고정하는 고정장치가 상기 석영창의 둘레에 마련되며, 상기 냉각가스 유로 및 냉각가스 흡입/분사구가 상기 고정장치 내에 일체로 형성되며, 상기 석영창, 고정장치 및 상부덮개가 밀폐구조를 이루는 것이 바람직하다.

상기 냉각 시스템의 냉각가스 압력을 측정하기 위한 압력 게이지를 상기 냉각가스 저장부에 설치할 수도 있다.

한편, 상기 냉각가스 흡입/분사구에서 나온 냉각가스가 하부에 놓인 상기 석영창을 향하도록 상기 흡입/분사구가 상기 석영창의 평탄면에 대해 소정 각도를 이루는 것이 바람직하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 석영창과 냉각 시스템을 채용한 급속 열처리 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 냉각 시스템은 그 전체가 도 2에 도시된 것은 아니며, 석영창 고정장치에 형성된 구성요소만이 도 2에 도시되었다. 도 2를 참조하면, 열원으로 사용되는 복수 개의 할로겐 램프(200)들의 상부에는 이 램프(200)들을 고정하는 (램프 고정수단은 미도시) 동시에 램프(200)들에서 나오는 열에너지를 석영창(220) 쪽으로 반사하도록 내면에 반사면을 가지는 상부 덮개(210)가 위치한다. 석영창(220)은 고정장치(250)에 의해 고정되며, 상부 덮개(210), 고정장치(250) 및 석영창(220)은 할로겐 램프(200)들을 둘러싸는 밀폐구조를 형성한다. 한편, 석영창(220)과 챔버(240)는 기판(230)을 둘러싸는 반응공간을 형성한다. 기판(230) 상에서 열에너지가 고르게 분포하기 위해서는 기판(230)의 가장자리부에도 열전달이 원활하게 이루어져야 한다. 그런데, 기판(230)의 가장자리부는 기판의 중앙부보다 챔버(240)에 가깝게 위치하여 챔버(240)와의 열전달이 활발하게 일어나므로 기판(230)의 가장자리부와 중앙부 사이에 온도 편차가 발생하게 되며 이는 공정 결함을 유발한다. 만약, 석영창의 전체 부위가 평탄면만을 갖는다면, 다수의 할로겐 램프(200)들 중에서 상부 덮개(210)의 측벽에 근접한 할로겐 램프들은 석영창의 가장자리부에 대해 대체로 시야각이 작게 열에너지를 입사시켜서 반사에 의한 에너지 낭비를 발생시키지 않지만 상부 덮개의 중앙부에 있는 할로겐 램프들은 석영창의 가장자리부에 대해 시야각이 크게 열에너지를 입사시켜서 반사에 의한 에너지 낭비를 발생시키게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 석영창(220)은, 그 중앙부가 평탄면을 가지며, 가장자리부(222)가 측단부를 향하여 오르막 경사면을 가진다. 이 때, 가장자리부에는 전후측(前後側) 경사면이 서로 대칭되고 좌우측(左右側) 경사면이 서로 대칭되도록 각각의 경사면이 마련된다. 여기서, 전측(前側)은 본 발명의 실시예에 따른 급속열처리를 정면에서 보았을 때를 말하는 것이지만 절대적인 개념이 아니며, 전후측 경사면 또는 좌우측 경사면의 대칭이란 서로 마주보는 오르막 경사면이 대칭임을 의미한다. 이와 같은 구조를 가지면, 석영창의 전체 부위가 평탄면만을 가질 경우에 석영창의 가장자리부에서 시야각 100°를 초과하여 반사되는 입사 열에너지가 본 발명의 실시예에 따른 석영창에서는 시야각 100° 미만에 해당되어서 석영창(220)의 가장자리부(222)를 투과하므로 석영창(220) 가장자리부(222)에서의 투과 열에너지가 많아지게 된다.

한편, 할로겐 램프(200)들에서 방출되는 열에너지는 기판(230) 뿐만 아니라 챔버(240), 석영창(220) 및 석영창 고정장치(250) 등의 주변 장치도 가열하게 된다. 종래기술의 급속 열처리 장치에서 이와 관련하여 가장 큰 문제는, 할로겐 램프들에서 열에너지의 방출이 없을 때에도 계속해서 기판의 온도가 잘 떨어지지 않는다는 것이다. 이것은 할로겐 램프들에서 방출된 열에너지가 석영창에 흡수되어 2차 방사 에너지로 작용하여 기판을 가열하기 때문이다. 통상적으로 챔버, 상부덮개 및 석영창 고정장치는 모두 반사율이 높은 금속재질로 만들어지며 모두 수냉식으로 냉각되므로 2차 방사 에너지를 유발할 가능성이 희박하다. 결국, 석영창에서 방출되는 2차 방사 에너지가 가장 크게 기판에 영향을 미친다. 그러므로, 석영창에 흡수된 할로겐 램프의 방사 에너지를 빠른 시간 내에 방출할 수 있는 방법은 석영창의 온도를 낮추는 것이다. 이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 냉각 시스템이 도 2와 같이 마련된다. 도 2를 참조하면, 석영창 고정장치(250)의 저면 일부에 단턱을 만들고 여기에 석영창(220)의 측단부를 넣게 하여 고정장치(250), 석영창(220) 및 챔버(240)의 상단으로 이루어진 냉각가스 유로(260)가 석영창(220)의 측단부에 접촉함을 볼 수 있다. 냉각가스 유로(260)는 석영창 고정장치(250)에 형성된 냉각가스 흡입/분사구(262)에 연결되어 있으며(연결부위 미도시), 상부 덮개(210), 고정장치(250) 및 석영창(220)으로 둘러싸인 밀폐구조에 대해서 냉각가스가 온도차이에 의해 냉각가스 흡입/분사구(262)를 통해 방출되거나 흡입된다. 냉각가스 흡입/분사구(262)는 석영창(220)의 평탄면, 즉 수평면에 대해 일정 각도를 가지고 아래를 향하고 있을 뿐 아니라 냉각가스 흡입/분사구(262)가 위치한 석영창 고정장치(250)의 단면도 경사면으로 처리되어 있기 때문에 냉각가스가 석영창(220)에 쉽게 접촉하여 석영창의 온도를 낮출 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 석영창과 냉각 시스템을 채용한 급속 열처리 장치의 개략적 평면도이다. 도 3에서 구성요소들을 명확히 나타내기 위해, 도 2에 나타낸 구성요소 중 할로겐 램프 및 상부 덮개를 생략하였으며, 구성요소의 일부에 표시한 해칭은 생략하고 나타내었다. 또한, 냉각시스템 전체 중에서 도 2에 도시하였던 냉각가스 흡입/분사구는 생략하고 도시하였다. 도 3을 참조하면, 석영창(220)이 전체적으로 사각형태로 되어있음을 알 수 있다. 석영창은 그 외에도 원형이나 마름모꼴과 같은 대칭형으로도 형성할 수 있다. 석영창(220)의 가장자리부(222)에는 석영창(220)의 측단부를 향한 오르막 경사면이 형성되어 있다. 그 경사각은 할로겐 램프들(미도시)에서 방사된 열에너지가 석영창(220)의 가장자리부(222)에서 쉽게 투과하도록 시야각에 맞춰서 적절히 정한다. 석영창 고정장치(250)의 내측에 형성된 냉각가스 유로(260)에는 많은 양의 냉각가스가 저장될 수 있는 다수의 주름부(264)들이 마련되어 있는데, 그 이유는 석영창(220)의 측단부에 접촉하는 표면적을 보다 넓게 유지하여 냉각효과를 극대화하기 위해서이다. 여기서, 냉각가스는 대류에 의해 열을 전달하는데, 본 발명의 실시예에서는 헬륨가스를 사용한다. 헬륨가스는 열전달 성질이 우수하고 비활성 가스이기 때문에 냉각가스로서 많은 장점을 가지나 가격이 비싸기 때문에 소모성으로 사용하기에는 부적합하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템과 같이 냉각시스템을 비강제적 폐쇄 순환식으로 구성하면, 냉각가스를 한 번만 충진해도 장기간 사용할 수 있을 뿐 아니라 냉각가스의 낭비를 방지할 수 있다. 즉, 냉각가스는 냉각가스 저장부(280), 냉각가스 공급로(270), 다수의 주름부(264)들을 가진 냉각가스 유로(260), 냉각가스 분사구, 냉각가스 흡입구, 냉각가스 배출로(272)를 차례로 거쳐 다시 냉각가스 저장부(280)로 들어가게 된다. 냉각가스는 외부와 완전히 차단된 상태로 보관되고 온도의 편차에 의해 자연적으로 발생한 압력변화에 의해 그 흐름이 유지된다. 따라서, 본 실시예의 냉각시스템은 폐쇄식이면서도 비강제적이다. 따라서, 냉각가스 공급로(270) 및 냉각가스 배출로(272)의 역할과, 냉각가스 분사구 및 냉각가스 흡입구의 역할은 항상 정해진 것이 아니라 냉각가스의 위치에 따른 압력변화에 따라 선택적으로 공급/분사 역할을 담당하거나 배출/흡입 역할을 담당한다는 것을 알 수 있다. 한편, 급속 열처리 장치의 반응기 외부에 냉각가스를 일시 저장하여 이를 냉각시키는 냉각가스 저장부(280)에는 그 내부의 가스압을 측정할 수 있도록 압력 게이지(290)가 설치된다.

상기한 본 발명의 석영창을 이용하면, 석영창의 가장자리부에서 투과되는 열에너지의 양이 늘어나므로 급속 열처리 장치에서 진행되는 공정의 균일도를 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 냉각시스템을 이용하면, 석영창의 측단부에서 발생하는 2차 방사 열에너지를 저가의 비용으로 신속하게 줄일 수 있으므로 빠른 시간 내에 원하는 공정결과를 얻을 수 있다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 평탄면을 가지는 중심부와, 측단부를 향하여 오르막 경사면을 가지되 전후측 경사면이 서로 대칭되고 좌우측 경사면이 서로 대칭되도록 마련되는 가장자리부를 포함하여 이루어지고, 열원과 기판의 사이에 위치하여 상기 열원에서 나오는 열에너지를 투과시킴으로써 상기 기판에 전달하는 동시에 상기 기판에 대한 공정을 수행하는 공정가스가 상기 열원에 도달하는 것을 방지하는 석영창과;

   (a) 상기 석영창의 측단부의 적어도 일부를 따라서 이에 접촉되도록 형성된 냉각가스 유로와, (b) 상기 냉각가스 유로의 일단에 연결되어 냉각가스를 공급하는 냉각가스 공급로와, (c) 상기 냉각가스 유로의 타단에 연결되어 냉각작용을 완료한 상기 냉각가스를 배출시키는 냉각가스 배출로와, (d) 상기 냉각가스 유로와 연통되어 있으며, 상기 석영창의 가장자리부의 상부에 형성되어 냉각가스의 온도 변화에 따라 상기 석영창의 가장자리부의 상부에 냉각가스를 분사하거나 상기 석영창의 가장자리부의 상부로부터 냉각가스를 흡입하는 냉각가스 흡입/분사구와, (e) 상기 열원과 석영창의 상부를 덮어서 기밀을 유지함으로써 상기 석영창의 상부에 분사된 냉각가스의 외부 유출을 방지하는 상부 덮개와, (f) 상기 냉각가스 공급로 및 배출로와 연결되며, 상기 석영창과 이격된 위치에서 상기 냉각가스를 일시 저장하여 냉각시키는 냉각가스 저장부를 포함하는 냉각시스템;

   을 구비하는 급속 열처리 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 냉각가스 유로가, 상기 석영창의 측단부에 접촉하는 표면적을 늘리기 위해 다수의 주름부를 가지는 것을 특징으로 하는 급속 열처리 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 냉각가스가 헬륨인 것을 특징으로 하는 급속 열처리 장치.
6. 제3항에 있어서, 상기 석영창의 가장자리부를 고정하는 고정장치가 상기 석영창의 둘레에 마련되며, 상기 냉각가스 유로 및 냉각가스 흡입/분사구가 상기 고정장치 내에 일체로 형성되며, 상기 석영창, 고정장치 및 상부덮개가 밀폐구조를 이루는 것을 특징으로 하는 급속 열처리 장치.
7. 제3항에 있어서, 상기 냉각 시스템의 냉각가스 압력을 측정하기 위한 압력 게이지가 상기 냉각가스 저장부에 설치된 것을 특징으로 하는 급속 열처리 장치.
8. 제3항에 있어서, 상기 냉각가스 흡입/분사구에서 나온 냉각가스가 하부에 놓인 상기 석영창을 향하도록 상기 흡입/분사구가 상기 석영창의 평탄면에 대해 소정 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 급속 열처리 장치.
9. 제3항에 있어서, 상기 석영창이 원형, 사각형 및 마름모꼴로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 급속 열처리 장치.