KR100811390B1 - 가열 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 균열판에 대신하여, 변형하지 않고 신속하게 온도 변화하는 전열판을 구비하는 가열 유닛을 제공하기 위한 것이다.

광원(1)에 의해 전열판(4)을 조사하고, 상기 조사된 전열판(4)으로부터의 전열에 의해 피가열물(6)을 가열하는 가열 유닛에 있어서, 상기 전열판(4)은 광 투과성을 갖는 유지체(2)와 이 유지체(2)의 표면에 설치되고, 상기 광원(1)으로부터 상기 유지체(2)를 투과한 광을 흡수하여 발열하는 전열층(3)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

균열판, 웨이퍼, 전열판, 가열 유닛, 유지체

Description

가열 유닛{HEATING UNIT}

도 1은 본 발명의 가열 유닛의 구성을 도시하는 정면 단면도이다.

도 2는 전열층(3)의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 유지체에 석영 글래스(두께 1mm)를 사용하고, 전열층에 다이아몬드라이크 카본(두께100㎛)을 코팅한 본 발명에 관한 전열판과, 그라파이트(두께 1mm)를 사용한 종래 기술에 관한 전열판과의 승온 속도의 대비 결과를 도시하는 도면이다.

도 4는 도 3에 도시하는 그래프의 각 경과 시간에서의 본 발명의 램프 바로 위의 전열층에서의 온도와 램프간의 전열층에서의 온도와의 차(△TDLC℃), 및 도 3에 도시하는 그래프의 각 경과 시간에서의 종래 기술의 램프 바로 위의 균열판에서의 온도와 램프간의 균열판에서의 온도와의 차(△TC℃)를 도시하는 표이다.

도 5는 통상의 가열 유닛에서의 램프의 조사 강도 분포를 도시하는 도면이다.

도 6은 전열판의 유지체의 중앙부를 두껍게 한 가열 유닛의 평면도 및 정면도이다.

도 7은 전열판의 기계적 강도를 보강한 유지체의 구성을 도시하는 가열 유닛의 평면도 및 정면도이다.

도 8은 전열판의 기계적 강도를 보강한 유지체의 구성을 도시하는 가열 유닛 의 평면도 및 정면도이다.

도 9는 전열판의 일단측을 타단측에 비해 두껍게 한 유지체의 구성을 도시하는 가열 유닛의 평면도 및 정면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 광원 2 : 유지체

3 : 전열층 4 : 전열판

5 : 가열 유닛 본체 6 : 피가열물

본 발명은 웨이퍼나 디스플레이 패널 등의 기판을 가열 처리하는 광 조사식의 가열 유닛에 관한 것이다.

종래, 반도체 웨이퍼를 처리하는 프로세스에서는 어닐 처리나 성막 처리, 스퍼터 처리 등의 각종 가열 처리가 이용되고 있다. 또, 웨이퍼의 처리뿐만 아니라, 디스플레이 패널을 제조하기 위한 글래스 기판 처리 프로세스에서도 가열 처리가 행해진다.

이러한 가열 처리를 행하는 장치의 가열 유닛으로서는 시스 히터나 카본 히터를 가열 수단으로서 사용하는 가열 유닛이 사용되고 있다. 또, 가열 수단으로서 효율적으로 적외선을 방사하는 할로겐 램프를 사용한 광 조사식 가열 유닛이 있다. 글래스 기판을 가열하는 가열 장치에서 가열 수단에 램프를 사용한 것으로는, 특개 평 6-260422호 공보에 개시된 것이 알려져 있다. 가열 수단으로서 램프를 사용하면, 램프의 출력을 변화시킴으로써 단시간에 웨이퍼나 글래스 기판의 온도를 제어할 수 있는 이점이 있다.

또, 웨이퍼나 글래스 기판(이하, 양자를 합쳐 워크라고 한다)을 가열할 때에는 워크 표면의 온도 분포가 균일하게 되도록 가열하지 않으면 안된다. 그 이유는, 예컨대, 성막 처리를 할 경우 온도 분포가 불균일하면, 형성되는 막 두께도 그것에 따라 불균일하게 되고, 불량의 원인이 되기 때문이다.

이 대책으로서는 워크와 가열 수단(광 조사식 가열 유닛의 경우에는 램프) 사이에, 균열판(均熱板)이라는 부재를 설치하는 것이 일반적으로 행해지고 있다. 균열판은 가열 수단으로부터 전해진 열이 균열판 전체에 균일한 분포로 되어 전해져, 워크를 가열할 시에 워크의 온도 분포를 균일하게 할 수 있는 것이다. 균열판으로서는 열 전도성이 좋은 금속제나 카본제가 많이 알려져 있다. 특개평 7-172996호 공보에는 균열판과 스테인레스판을 사용하는 것이 개시되어 있다.

(특허문헌1)특개평 6-260422호 공보

(특허문헌2)특개평 7-172996호 공보

통상, 균열판은 가열 중에 외란의 영향을 받지 않게 하기 위해, 열전도율이 높고, 사이즈 상으로도 크고 두꺼우며, 열 용량이 큰 것이 좋지만, 광 조사식 가열 유닛의 경우 균열판의 열용량을 크게 하면 가열 수단인 램프의 출력 변화에 대한 균열판의 온도 변화의 대응 시간이 길어져, 단시간에서의 워크의 온도 제어가 어려 워진다. 따라서, 실온의 워크가 가열 처리를 위해 처리 장치에 반입되어 가열될 시에, 되도록 신속하게 원하는 설정 온도로까지 상승시키기 위해서는, 균열판은 열 용량이 작고, 램프의 출력 변화에 따라서 단시간에 추종하여 온도가 변화하는 것이 바람직하다.

따라서, 가열 유닛에 사용되는 균열판은, 워크의 온도 분포에 영향을 미치지 않는 한 열용량이 작은 것이 바람직하지만, 균열판의 열 용량을 작게하기 위해서는 면적이 워크의 면적보다도 작게 할 수는 없으므로 얇게하는 것 외에 방법이 없다.

종래, 균열판으로서는, 금속이나 카본 그라파이트가 알려져 있지만, 이들을 사용하여, 예컨대, 두께 3mm라는 얇은 균열판을 제작하여 사용하면, 다음과 같은 문제가 발생한다.

균열판으로서 금속판을 사용한 경우에는 사용하는 동안에 휘어짐(변형)이 발생한다. 이것은 가열 중에 가열 수단(램프) 측의 표면 온도가 워크 측의 표면 온도보다도 높은 상태가 되기 쉬우므로 열에 의한 뒤틀림(熱歪)이 발생하고, 이 열에 의한 뒤틀림의 힘에 두께가 얇아지므로 견디지 못해 발생하는 것으로 생각할 수 있다.

또, 균열판으로서 카본판을 사용하는 경우, 가공 성형 후 얼마간 방치하면 길이 300mm에 대하여 1mm정도의 휘어짐(변형)이 발생하는 경우가 있다. 이것은 가공 시에 고온이었던 카본판이 냉각됨에 따라, 가공 시의 잔류 뒤틀림이 서서히 해방되어 발생되는 것이라고 생각할 수 있다.

이와 같이 균열판에 휘어짐이나 변형이 생기면, 균열판과 워크와의 간격이 균일하게 되지 않는다. 예컨대, 카본판의 길이 300mm에 대하여 1mm정도의 휘어짐의 경우, ø300mm의 웨이퍼에 대하여 직경 방향의 양단에서 1mm의 간격 차를 만들게 된다.

균열판과 워크와의 간격이 일정하지 않으면, 균열판으로부터 워크에 전열되는 열량이 장소에 따라 상이하게 되어 워크를 균일한 온도 분포에서 가열하지 못하게 된다.

본 발명의 목적은 상기의 여러가지의 문제점을 감안하여, 광 조사식 가열 처리 유닛에서 종래의 균열판에 대신하여, 변형되는 것이 적고, 또 램프의 출력 변화에 따라 신속하게 온도 변화하는 전열판을 구비하는 가열 유닛을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서 다음과 같은 수단을 채용하였다.

제1 수단은 광원에 의해 전열판을 조사하고, 상기 조사된 전열판으로부터의 전열에 의해 피가열물을 가열하는 가열 유닛에 있어서, 상기 전열판은 광 투과성을 갖는 유지체와, 이 유지체의 표면에 설치되고, 상기 광원으로부터의 상기 유지체를 투과한 광을 흡수하여 발열하는 전열층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제2 수단은, 제1 수단에 있어서, 상기 전열층은 다이아몬드라이크 카본, 산화 크롬 등의 금속 산화물, 질화 알루미늄이나 질화 붕소 등의 질화물, 탄화 규소, 은이나 금 페이스트 등의 금속, 규화 몰리브덴 등의 실리사이드 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제3 수단은, 제1 수단 또는 제2 수단에 있어서, 상기 유지체는 석영 글래스, 붕규산 글래스, 소결 석영 글래스, 소다 석회 글래스 등의 글래스, 글래스 세라믹, 투광성 알루미나, 사파이어 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제4 수단은 제1 수단 내지 제3 수단 중의 어느 한 수단에 있어서, 상기 유지체의 두께 중의 일부를 변화시킨 것을 특징으로 한다.

청구항 1 기재의 발명에 의하면, 광원에 의해 전열판을 조사하고, 상기 조사된 전열판으로부터의 전열에 의해 피가열물을 가열하는 가열 유닛에 있어서, 상기 전열판은 광이 투과하기 위해 발열이 적은 유지체와, 이 유지체의 표면에 설치되어 상기 광원으로부터 상기 유지체를 투과한 광을 흡수하여 발열하는 얇은 전열층으로 구성하였으므로, 전열판은 변형이 적으며, 전열판에서의 램프의 출력 변화에 대한 온도 변화를 신속하게 하는 것을 가능하게 한다.

청구항 2 기재의 발명에 의하면, 전열층으로서, 다이아몬드라이크 카본, 산화 크롬 등의 금속 산화물, 질화 알루미늄, 질화 붕소 등의 질화물, 탄화 규소, 은이나 금 페이스트 등의 금속, 규화 몰리브덴 등의 실리사이드 중의 어느 하나로부터 선택할 수 있으므로, 화학적으로 견고하고 오염이 적으며, 내열성이나 열 전도성에 우수하고, 자외역으로부터 가시역의 광을 차단하여 발열하는 전열층을 CVD나 스퍼터에 의해 원하는 두께로 제어하여 형성할 수 있다.

청구항 3 기재의 발명에 의하면, 유지체로서, 석영 글래스, 붕규산 글래스, 소결 석영 글래스, 소다 석회 글래스 등의 글래스, 글래스 세라믹, 투광성 알루미나, 사파이어 중의 어느 하나로부터 선택할 수 있으므로, 금속이나 카본 그라파이트에 비해 열 팽창 계수가 작아 변형이 발생하기 어려우며, 화학적으로 견고하고 내열성에 우수하며, 자외역으로부터 가시역의 광을 주로 투과하여 발열이 적은 유 지체를 용이하게 구성할 수 있다.

청구항 4 기재의 발명에 의하면, 유지체의 두께의 일부를 변화시킴으로써, 광원으로부터 방사 강도의 분포에 약간의 불균일이 있는 경우에도 전열층의 온도 분포를 더욱 균일한 분포에 접근시키는 것이 가능하게 된다. 또 기체의 이동 방향을 고려하여 유지체의 일단측을 타단측에 비해 두껍게 구성함으로써, 전열층의 온도 분포를 더욱 균일한 분포에 접근시키는 것도 가능하게 된다.

본 발명의 일 실시 형태를 도 1 내지 도 9를 이용하여 설명한다.

도 1은 본 실시 형태의 발명에 관한 가열 유닛의 구성을 도시하는 정면 단면도이다.

동 도면에서, 1은 후술하는 유지체(2)를 투과하는 파장의 광을 내는 예컨대, 할로겐 램프 등의 백열 램프, 크세논 램프나 세라믹 메탈 할로겐 램프 등의 방전 램프로 이루어지는 광원, 2는 석영 글래스, 붕규산 글래스, 소결 석영 글래스, 소다 석회 글래스 등의 글래스, 글래스 세라믹, 투광성 알루미나, 사파이어 등으로 이루어지는 유지체, 3은 다이아몬드라이크 카본(DLC), 산화 크롬 등의 금속 산화물, 질화 알루미늄, 질화 붕소 등의 질화물, 탄화 규소, 은이나 금 페이스트 등의 금속, 규화 몰리브덴 등의 실리사이드 등으로 이루어지며, 유지체(2)를 투과한 광을 수광하여 발열하는, 예컨대, 40∼100㎛의 두께를 갖는 전열층, 4는 유지체(2) 및 전열층(3)으로 구성되는 전열판, 5는 광원(1) 및 전열판(4)을 지지하는 가열 유닛 본체, 6은 전열판(4)의 전열층(3)의 발열에 의해서 가열되는 웨이퍼나 글래스 기판 등으로 이루어지는 피가열물이다.

전열층으로서 선택한 다이아몬드라이크 카본(DLC), 산화 크롬 등의 금속 산화물, 질화 알루미늄, 질화 붕소 등의 질화물, 탄화 규소, 은이나 금 페이스트 등의 금속, 규화 몰리브덴 등의 실리사이드는 화학적으로 견고하고 내열성에 뛰어나며, 또 자외역으로부터 가시역의 광을 차단하여 발열하므로 열 전도율이 높다.

유지체(2)로의 상기 전열층(3)의 코팅은 다이아몬드라이크 카본(DLC)의 경우에는 CVD에 의해, 또, 산화 크롬 등의 금속 산화물, 질화 알루미늄, 질화 붕소 등의 질화물, 탄화 규소 등은 스퍼터, 은이나 금 페이스트 등의 금속은 스크린 인쇄, 규화 몰리브덴 등의 실리사이드는 CVD, 스퍼터, 또는 증착 후 가열하여 형성한다. CVD, 스퍼터, 증착, 인쇄를 이용하면, 유지체의 표면에 다소의 요철이 있는 경우에도, 전열층의 두께를 원하는 두께로 제어하여 형성할 수 있다.

또, 유지체로서 선택한 석영 글래스, 붕규산 글래스, 소결 석영 글래스, 소다 석회 글래스 등의 글래스, 글래스 세라믹, 투광성 알루미나, 사파이어는 금속이나 카본 그라파이트에 비해 열 팽창 계수가 작으므로 변형이 발생하기 어렵고, 화학적으로 견고하여 내열성에 우수하며, 또, 자외역으로부터 가시역의 광을 주로 투과하여 발열이 적다.

본 발명의 가열 유닛에 의하면, 광원(1)으로부터 방사된 광은 전열판(4)에 조사되고, 조사된 광은 유지체(2)를 투과하며, 유지체(2)의 피가열물(6) 측에 설치된 전열층(3)에 조사된다. 전열층(3)에 광이 조사되면 전열층(3)이 발열하여 웨이퍼나 글래스 기판 등의 피가열물(6)에 전열되어 피가열물(6)을 한꺼번에 가열하는 것이 가능하게 된다.

도 2는 전열층(3)의 작용을 설명하기 위한 도면이다. 또한, 동 도면의 부호는 도 1에 도시한 동일한 부호에 대응한다.

동 도면에 도시하는 바와 같이, 광원(1)으로부터 나온 광의 대부분은 유지체(2)를 투과하여 전열층(3)에 흡수된다. 전열층(3)에 광이 흡수되면, 발열하고 전열판에서 열 전도를 일으킨다. 이 작용에 의해 온도 분포를 완화하면서 승온하여 전열한다.

도 3은 유지체에 석영 글래스(두께 1mm)를 사용하여, 전열층에 다이아몬드라이크 카본(두께100㎛)을 코팅한 본 발명에 관한 전열판과, 카본 그라파이트(두께1mm)를 사용한 종래 기술에 관한 균열판과의 승온 속도의 대비 결과를 도시하는 도면이다.

또한, 본 발명도 종래 기술의 경우에도, 광원으로서, 소비 전력 55W의 할로겐 램프 5개를 피치 56mm에서 일렬로 나열하여 필라멘트 중심으로부터 50mm의 위치에 70mm×260mm의 크기의 전열판 또는 균열판을 배치하고, 중앙 부분 ø50의 범위의 승온 특성을 측정한 것이다.

측정 결과는, 동 도면에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 전열판의 경우에는 승온에 약 13초를 요하였지만, 종래 기술의 전열판의 경우의 승온에 약 22초를 요한 경우에 비해, 승온 속도가 대폭으로 개선된 것을 알 수 있다. 이것은, 즉, 본 발명의 전열판은 램프의 출력을 변화시킴으로써 신속하게 온도를 변화시킬 수 있는 것을 나타내는 것이고, 본 전열판을 사용함으로써 피가열물을 단시간에 승온시킬 수 있다.

도 4는 도 3에 도시하는 그래프의 각 경과 시간에서의 본 발명의 램프 바로 위의 전열층에서의 온도와 램프 간의 전열층에서의 온도와의 차(△TDLC℃), 및 도 3에 도시하는 그래프의 각 경과 시간에서의 종래 기술의 램프 바로 위의 전열판에서의 온도와 램프 간의 전열판에서의 온도와의 차(△TC℃)를 도시하는 표이다.

동 표에 도시하는 바와 같이, 10초 경과 후의 A점에서는, 본 발명에서는, 램프 바로 위의 전열층에서의 온도와 램프간의 전열층에서의 온도와의 차는 0.8℃이었지만, 25초 경과 후의 C점에서는 램프 바로 위의 전열층에서의 온도와 램프간의 전열층에서의 온도와의 차는 0.1℃가 되고, 종래 기술의 램프 바로 위의 균열판에서의 온도와 램프간의 균열판에서의 온도와의 차 0.1℃와 대략 같은 정도가 되는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 전열판을 사용함으로써 종래의 균열판과 동일한 성능으로 피가열물을 균일한 온도 분포로 가열 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 전열판은 가공 후의 휘어짐이 발생하지 않고, 또 가열 처리 전후에도 변형이 발생하지 않았다. 그 이유로서 전열판의 유지체는 광을 투과하기 위해 발열이 적은 것과, 금속이나 카본 그라파이트에 비해 열 팽창 계수가 작기 때문이라고 생각할 수 있다.

도 5는 통상의 가열 유닛에서의 램프의 조사 강도 분포를 도시하는 도면이다.

동 도면에 도시하는 바와 같이 광원으로부터의 조사 강도는 중앙부 정도로 강하고, 단부 정도로 저하하며, 전체로서 중심으로부터 회전 축 대칭의 분포가 된다. 따라서, 유지체를 가공할 때에는 유지체의 두께를 변화시킴으로써 전열판의 열용량을 부분적으로 변화시키는 것이 가능하다.

도 6(a)는, 전열판의 유지체의 중앙부를 두껍게 한 가열 유닛의 평면도, 도 6(b)는 그 정면도이다.

동 도면에 도시하는 바와 같이, 전열판(4)의 유지체(2)의 중앙 부분에서 단부를 향해 서서히 얇아지는 형상으로 가공하면, 광원(1)으로부터의 방사 강도의 분포에 약간 불균일이 있는 경우에도, 전열층(3)으로부터의 온도 분포로 더욱 균일한 분포에 접근하는 것이 가능하게 된다.

도 7(a) 및 도 8(a)는 각각 전열판의 기계적 강도를 보강한 유지체의 구성을 도시하는 가열 유닛의 평면도, 도 7(b) 및 도 8(b)는 이들의 정면도이다.

유지체(2)의 두께를 얇게하면, 열용량이 작아지므로 전열층(3)의 승온 속도는 빠르게 되지만 기계적 강도는 저하하게 된다. 유지체(2)는 용이하게 기계 가공할 수 있으므로 광원(1)과 가깝고, 주로 전열에 기여하는 부분의 유지체(2)를 얇게 한다. 한편, 광원(1)으로부터 비교적 먼 부분의 유지체(2)를 두껍게 하여, 주로 기계적 강도를 이 부분에서 갖는 구조로 하면 기계적으로 강하고 전열층(3)의 승온도 빠른 전열판(4)을 가공할 수 있다.

도 9(a)는 전열판의 일단측을 타단측에 비해 두껍게 한 유지체의 구성을 도시하는 가열 유닛의 평면도, 도 9(b)는 정면도이다.

도 9(b)에 도시하는 바와 같이 전열판(3)의 표면을 도면 중의 화살표 방향으 로 기체가 이동하도록 하는 조건 하에서는, 이것에 의해 전열판(4)의 바람을 맞기 시작하는 부분(동 도면 전열판(4)의 좌단)이 냉각된다. 이 기체는 도면 중의 우 방향으로 이동하면서 전열판(4)으로부터 열을 받으므로 서서히 온도가 상승하고, 바람의 흐름이 끝나는 부분(동 도면 전열판(4)의 우측)에서는 고온의 기체는 전열판(4)에 대하여 열을 가하게 된다. 따라서 바람을 맞기 시작하는 부분의 전열층(3)과 바람의 흐름이 끝나는 부분의 전열층(3)에서는 후자의 쪽이 온도가 높아진다. 이 때 유지체(2)의 두께를 도시하는 바와 같이, 풍하(風下)를 향해 유지체(2)의 두께가 두꺼워지도록 가공하면, 바람의 흐름이 끝나는 부분의 전열판(4)의 열용량이 커지고, 따라서 바람의 흐름이 끝나는 부분의 전열층(3)의 온도가 저하하므로 전열층(3)의 온도 분포를 보다 균일한 분포에 가까워지도록 하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에서의 실시예에서는 광원(1)에 대하여 전열판(4)이 상측으로 되는 구성예를 나타내었지만, 광원(1)에 대하여 전열판(4)이 하측, 혹은 측면에 배치된 구성으로도 동일한 효과를 기대할 수 있다.

Claims (4)

1. 광원에 의해 전열판을 조사하고, 상기 조사된 전열판으로부터의 전열에 의해 피가열물을 가열하는 가열 유닛에 있어서,

   상기 전열판은 광 투과성을 갖는 유지체와, 이 유지체의 표면에 코팅되고, 상기 광원으로부터의 상기 유지체를 투과한 광을 흡수하여 발열하는 전열층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열 유닛.
2. 제1항에 있어서, 상기 전열층은, 금속 산화물, 질화물, 실리사이드 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열 유닛.
3. 제1항에 있어서, 상기 유지체는 글래스, 글래스 세라믹, 투광성 알루미나, 사파이어 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가열 유닛.
4. 제1항에 있어서, 상기 유지체의 두께를 상기 광원으로부터의 방사 강도 분포에 따라 변화시킨 것을 특징으로 하는 가열 유닛.

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