KR101016061B1 - 열처리 장치용 히터 - Google Patents

Abstract

소정의 막이 형성되어있는 기판을 열처리하는 열처리 장치에서 기판에 인가되는 열을 공급하는 히터가 개시된다. 본 발명에 따른 히터(100)는 제1 관(120); 제1 관(120)과 일정한 간격을 가지면서 제1 관(120)을 둘러싸는 제2 관(140); 및 상기 제1 관(120) 내부에 삽입되는 발열체(160)를 포함하며, 제1 관(120)과 제2 관(140) 사이의 공간(130)을 통하여 냉각용 가스가 흐르도록 하는 것을 특징으로 한다.

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Description

열처리 장치용 히터{Heater For Heat Treatment Apparatus}

본 발명은 열처리 장치용 히터에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 열처리 공정이 종료된 후 열처리 장치의 챔버 내부를 신속하게 냉각시키기 위하여 냉각용 가스가 흐를 수 있는 공간이 마련된 히터에 관한 것이다.

반도체, 평판 디스플레이 및 태양전지 제조에 사용되는 어닐링(annealing) 장치는 실리콘 웨이퍼나 글래스와 같은 기판 상에 증착되어 있는 소정의 박막에 대하여 결정화, 상 변화 등의 공정을 위하여 필수적인 열처리 단계를 담당하는 장치이다.

대표적인 어닐링 장치로는 액정 디스플레이 또는 박막형 결정질 실리콘 태양전지를 제조하는 경우 글래스 기판 상에 증착된 비정질 실리콘을 폴리 실리콘으로 결정화시키는 실리콘 결정화 장치가 있다.

이와 같은 결정화 공정(열처리 공정)을 수행하기 위해서는 소정의 박막이 형성되어 있는 기판의 히팅이 가능한 열처리 장치가 있어야 한다. 예를 들어, 비정질 실리콘의 결정화를 위해서는 최소한 550 내지 600℃의 온도가 필요하다.

통상적으로 열처리 장치에는 하나의 기판에 대하여 열처리를 수행할 수 있는 매엽식과 복수개의 기판에 대하여 열처리를 수행할 수 있는 배치식이 있다. 매엽식은 장치의 구성이 간단한 이점이 있으나 생산성이 떨어지는 단점이 있어서 최근의 대량 생산용으로는 배치식이 각광을 받고 있다.

그러나, 종래의 열처리 장치는 열처리 공정을 종료한 후 기판을 열처리 장치에서 언로딩하는 단계에서 많은 시간이 소요되어 열처리 공정의 생산성을 저하시키는 문제점이 있었다. 이와 같은 생산성이 저하되는 현상은 열 충격에 의한 기판 손상을 방지하기 위하여 열처리 공정이 끝나고 챔버 내부를 일정 온도 미만으로 냉각시킨 후 기판을 언로딩시켜야 하는 관계로 챔버 내부의 온도를 떨어뜨리는 과정에서 시간이 많이 걸리기 때문에 발생한다.

이에 본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열처리 공정의 종료 후에 챔버 내부를 신속하게 냉각시켜서 평판 디스플레이 또는 태양전지 등의 제조에 필요한 열처리 공정의 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 열처리 장치용 히터를 제공하는 데에 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 히터는 소정의 막이 형성되어 있는 기판을 열처리하는 열처리 장치에서 상기 기판에 인가되는 열을 공급하는 히터로서, 상기 히터는 제1 관; 상기 제1 관과 일정한 간격을 가지면서 상기 제1 관을 둘러싸는 제2 관; 및 상기 제1 관 내부에 삽입되는 발열체를 포함하며, 상기 제1 관과 상기 제2 관 사이의 공간을 통하여 냉각용 가스가 흐르도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 발열체는 칸탈일 수 있다.

상기 발열체의 양 단부의 단면적은 중앙부의 단면적보다 클 수 있다.

상기 제1 관 및 상기 제2 관의 재질은 석영일 수 있다.

상기 발열체는 상기 제1 관 또는 상기 제2 관으로부터 분리할 수 있다.

상기 열처리 장치는 복수개의 기판을 동시에 열처리할 수 있는 배치형 열처리 장치로서, 상기 복수개의 기판에 대하여 열처리 공간을 제공하는 챔버; 상기 복수개의 기판이 로딩되어 지지되는 보트; 및 상기 기판의 적층 방향을 따라 일정 간격을 가지면서 배치되는 복수개의 히터 유닛 - 상기 히터 유닛은 상기 복수개의 히터를 포함함 -; 을 포함하고, 상기 기판은 상기 복수개의 히터 유닛 사이에 배치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 히터 내부에 냉각용 가스가 흐를 수 있는 공간이 마련되어 열처리 공정이 종료된 후 열처리 장치의 챔버 내부를 신속하게 냉각시킬 수 있음으로써 기판의 언로딩 과정에 소요되는 시간이 단축되어 평판 디스플레이 또는 태양전지 등의 제조에 필요한 열처리 공정의 생산성을 획기적으로 향상시키는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히터(100)의 구성을 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이, 히터(100)는 전체적으로 길이가 긴 봉 형상을 가지고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 히터가 적용되는 열처리 장치의 사양에 따라 다양하게 변경할 수 있다.

도 2 및 도 3은 도 1의 a 부분을 상세하게 나타내는 단면 사시도 및 단면도이다. 도 1에서 a 부분의 반대측 부분은 a 부분과 동일하므로 이하에서는 a 부분에 대해서만 설명한다.

도 2를 참조하면, 히터(100)는 소정의 길이를 갖는 제1 관(120), 소정의 길이를 가지면서 제1 관(120)을 둘러싸는 제2 관(140), 제1 관(120) 내부에 삽입되는 발열체(160)를 포함하여 구성된다.

제1 관(120) 및 제2 관(140)의 재질은 제1 관(120) 및 제2 관(140) 모두 열처리 장치에 적용되기 때문에 융점이 높은 재질, 예를 들어 석영인 것이 바람직하다.

제1 관(120) 및 제2 관(140))의 길이는 모두 실질적으로 동일하며, 제1 관(120) 및 제2 관은 모두 동축을 갖도록 하는 것이 좋다.

제1 관(120)은 외경이 대략 10mm, 내경은 대략 6mm, 두께는 2mm 정도인 것이 바람직하다.

제2 관(140)은 제1 관(120)과 일정한 간격을 가지면서 제1 관(120)을 둘러싸는 형태로 설치된다. 제2 관(140)은 외경이 대략 18mm, 내경은 대략 14mm, 두께는 2mm 정도인 것이 바람직하다. 제1 관(120)과 제2 관(140) 사이에는 대략 2mm 정도 의 간격을 갖는 빈 공간(130)이 형성된다.

제1 관(120)의 내부에는 발열체(160)가 삽입되어 있다. 발열체(160)는 봉 형상을 가지는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 발열체(160)의 재질은 칸탈(Kanthal)인 것이 바람직하다. 칸탈은 철을 주체로 하고 전기저항이 큰 합금으로서, 선재(線材)로 가공되어 발열체 등으로 사용되며, 철-크롬-알루미늄계에 속하며, 표준 성분은 크롬 23%, 알루미늄 6%로 그 외에 코발트 2%를 함유한다.

발열체(160)를 제1 관(120)에 삽입시킬 때 제1 관(120)의 내주면과 발열체(160)의 외주면은 떨어져 있게 하는 것이 좋다. 이는 만일 제1 관(120)의 내주면과 발열체(160)의 외주면이 접하게 되면 열처리 공정 중에 제1 관(120)과 발열체(160)의 열 팽창 계수의 차이로 인하여 제1 관(120)이 파손될 우려가 있기 때문이다. 따라서, 제1 관(120)의 내주면과 발열체(160)의 외주면 사이의 이격 거리는 발열체(160)의 열 팽창 계수를 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.

발열체(160)의 단부에는 발열체(160)에 전원을 인가할 수 있도록 단자(180)가 설치된다. 단자(180)를 통하여 발열체(160)과 외부 전원(미도시)간의 연결 방식은 특별하게 제한되지 않으며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 상술한 바와 같이, 발열체(160)의 단부는 외부 전원과 연결되기 때문에 발열체(160)로부터 발생하는 열로부터 발열체(160)와 외부 전원간의 연결 수단, 예를 들어 도선(구리선) 등을 보호할 필요가 있다. 이를 위하여, 발열체(160)의 직경은 발열체(160)의 중앙부와 단부에서 서로 다른 값을 갖도록 할 수 있다. 즉, 도 3을 참조하면, 발열체(160)의 단면적은 중앙부보다 양 단부에서 더 크도록 발열체(160)를 구성하는 것이 바람직하다. 발열체(160)에서 발생하는 열의 양은 발열체(160)의 단면적에 반비례하기 때문에 발열체(160)의 단부의 단면적을 크게 하면 발열체(160)의 단부에서 발생하는 열의 양이 작아져서 발열체(160)와 외부 전원간의 연결 수단이 열에 의해 손상을 입는 것을 예방할 수 있다.

본 발명에 따른 히터(100)는 히터(100)의 내부를 냉각용 가스가 흐를 수 있도록 제1 관(120)과 제2 관(140) 사이에 공간(130)을 갖는 것을 특징적 구성으로 한다. 즉, 히터(100) 내부의 공간(130)을 통하여 냉각용 가스가 흐르게 된다. 공간(130)을 통하여 냉각용 가스가 흐르도록 하는 방식은 특별하게 제한되지 않으며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

냉각용 가스로는 공기, 헬륨, 질소, 아르곤을 사용할 수 있다. 냉각용 가스의 온도는 대략 상온인 것이 바람직하나 필요에 따라서는 상온 미만의 온도로 냉각된 가스를 사용할 수도 있다.

한편, 히터(100)는 발열체(160)가 제1 관(120) 또는 제2 관(140)으로부터 용이하게 탈착이 가능하도록 구현되는 것이 바람직하다. 이는 히터(100)의 사용 도중에 발열체(160)가 끊어지는 등의 문제점이 발생한 경우에 열처리 장치에 장착되어 있는 히터(100)에서 발열체(160)만을 분리시켜 이를 수리 또는 교체함으로써 불량이 난 히터(100)를 간단하게 수리 또는 교체할 수 있는 이점이 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히터(100)가 적용된 열처리 장치(300)의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 5는 도 4의 열처리 장치(300)에서 기판(10)과 히 터(100)의 배열 상태를 나타내는 사시도이다.

열처리 장치(300)는 복수개의 기판(10)을 동시에 열처리할 수 있으며 기판(10)은 기판(10)에 대응하는 복수개의 히터(100)에 의해 가열됨으로써 기판(10)의 전면적에 걸쳐 균일한 열처리를 수행할 수 있는 배치식 열처리 장치이다.

먼저, 도 4를 참조하면, 열처리 장치(300)는 열처리 공간을 제공하는 직육면체 형상의 챔버(310)와, 챔버(320)를 지지하는 프레임(320)을 포함하여 구성된다.

챔버(310)의 일측에는 챔버(320)에 기판을 로딩하기 위하여 소정의 방향으로 슬라이딩 하면서 개폐되는 도어(330)가 설치된다. 도어(330)가 개방된 상태에서 트랜스퍼 암과 같은 기판 로딩 장치(미도시)를 이용하여 기판(10)을 챔버(320)로 로딩할 수 있다. 한편, 열처리가 종료된 후 도어(340)를 통하여 챔버(320)로부터 기판(10)을 언로딩할 수도 있다.

챔버(310)의 상측에는 챔버(310)의 내부에 설치되는 다양한 구성요소의 수리 및 교체를 위하여 커버(340)가 개폐 가능하도록 설치된다.

챔버(310)의 내부에는 기판(10)에 열을 인가하기 위한 복수개의 히터(100)가 설치된다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에서는 챔버(310) 내부에 14개의 히터로 구성되는 히터 유닛이 4개가 설치된다. 이때, 1개의 히터 유닛을 구성하는 14개의 히터(100)는 기판(10)의 장변 방향으로 일정한 간격을 가지면서 배치되고, 4개의 히터 유닛은 기판(10)의 적층 방향으로 일정한 간격을 가지면서 배치된다. 1개의 히터 유닛을 구성하는 히터(100)의 개수 및 챔버(310) 내부에 배치되는 히터 유닛의 개수는 챔버(100)에 로딩되는 기판(10)의 크기 및 개수에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

이때, 기판(10)은 4개의 히터 유닛 사이에 배치된다. 따라서, 본 실시예에서는 3개의 기판(10)이 4개의 히터 유닛 사이에 배치되어 동시에 열처리가 진행된다. 기판(10)은 히터 유닛 사이의 중앙에 배치하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 기판(10)의 상부측 및 하부측에 기판(10)의 전면적을 커버할 수 있는 14개의 히터(100)로 구성되는 히터 유닛이 각각 설치됨으로써, 열처리 장치(300)는 기판(10)이 28개의 히터(100)로부터 전면적에 걸쳐서 균일하게 열을 인가 받아 열처리가 균일하게 이루어질 수 있는 이점이 있다.

또한, 도 5를 참조하면, 챔버(310)의 내부에는 챔버(310)로 로딩된 기판(10)을 지지하기 위한 복수개의 보트(350)가 설치된다. 보트(350)는 기판(10)의 장변측을 지지하도록 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 도 5를 참조하면, 기판(10)은 홀더(12)에 탑재된 상태로 보트(350)에 로딩되는 것이 바람직하다. 열처리 과정 중에 열처리 온도가 기판(10)의 연화(softening) 온도에 도달하면 기판(10) 자체의 무게 때문에 기판(10)의 아래 방향으로의 휨 현상이 발생하는데, 특히 이러한 휨 현상은 기판(10)이 대면적화 됨에 따라 더 큰 문제가 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 기판(10)을 홀더(12)에 탑재한 상태로 열처리를 진행한다.

한편, 상술한 바와 같이, 히터(100)는 히터(100) 내부로 냉각용 가스가 흐를 수 있는 공간(130)을 포함하고 있다. 따라서, 열처리 장치(300)에서 열처리 공정이 종료된 후에 히터(100)의 공간(130)을 통하여 냉각용 가스를 흘려 주면 히 터(100) 자체의 온도를 신속하게 떨어뜨리고 나아가 챔버(310) 내부의 온도를 신속하게 떨어뜨릴 수 있다. 그 결과, 열처리 공정 종료 후에 기판(10)의 언로딩을 위하여 챔버(310) 내부의 온도를 소정의 온도 미만으로 떨어뜨리는 데에 걸리는 시간을 단축할 수가 있어서 평판 디스플레이 및 태양전지의 제조에 필요한 열처리 공정의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 장치용 히터(100)의 구성을 나타내는 사시도.

도 2는 도 1의 a 부분을 상세하게 나타내는 단면 사시도.

도 3은 도 1의 a 부분을 상세하게 나타내는 단면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히터가 적용된 열처리용 장치의 구성을 나타내는 사시도.

도 5는 도 4의 열처리 장치에서 기판과 히터의 배열 상태를 나타내는 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 기판

12: 홀더

100: 히터

120: 제1 관

140: 제2 관

160: 발열체

180: 단자

300: 열처리 장치

310: 챔버

320: 프레임

330: 도어

340: 커버

350: 보트

Claims (6)

1. 소정의 막의 형성되어 있는 기판을 열처리하는 열처리 장치에서 상기 기판에 인가되는 열을 공급하는 히터로서,

   상기 히터는,

   제1 관;

   상기 제1 관과 일정한 간격을 가지면서 상기 제1 관을 둘러싸는 제2 관; 및

   상기 제1 관 내부에 삽입되는 발열체

   를 포함하며,

   상기 제1 관과 상기 제2 관 사이의 공간을 통하여 상기 기판에 대하여 열처리 공간을 제공하는 챔버 내부를 냉각하기 위한 냉각용 가스가 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 히터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 발열체는 칸탈인 것을 특징으로 하는 히터.
3. 제1항에 있어서,

   상기 발열체의 양 단부의 단면적은 중앙부의 단면적보다 큰 것을 특징으로 하는 히터.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 관 및 상기 제2 관의 재질은 석영인 것을 특징으로 하는 히터.
5. 제1항에 있어서,

   상기 발열체는 상기 제1 관 또는 상기 제2 관으로부터 분리 가능한 것을 특징으로 하는 히터.
6. 제1항에 있어서,

   상기 열처리 장치는 복수개의 기판을 동시에 열처리할 수 있는 배치형 열처리 장치로서,

   상기 복수개의 기판에 대하여 열처리 공간을 제공하는 챔버;

   상기 복수개의 기판이 로딩되어 지지되는 보트; 및

   상기 기판의 적층 방향을 따라 일정 간격을 가지면서 배치되는 복수개의 히터 유닛 - 상기 히터 유닛은 상기 복수개의 히터를 포함함 -;

   을 포함하고,

   상기 기판은 상기 복수개의 히터 유닛 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 히터.

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