KR101073435B1 - 열처리 장치 - Google Patents

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KR101073435B1
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시성수
김상두
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(주) 예스티
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Abstract

본 발명은 승온 및 강온 특성이 우수하고 상압 또는 진공상태에서 열처리 공정이 가능한 돔형의 투과창과 투명창과 동일한 곡률을 가지는 가열수단을 포함하는 열처리 장치에 관한 것으로, 열처리 장치는 이다.곡률을 가지는 돔형의 투명창과, 상기 투명창과 결합하여 열처리 공간을 제공하는 본체를 포함하는 공정챔버; 상기 열처리 공간에 위치하고 기판이 안치되는 기판지지부; 및 상기 공정챔버의 상부에 위치하고, 상기 투명창과 동일한 곡률을 가지며 상기 기판을 가열하기 위해 복사열을 공급하는 다수의 복사열 공급원을 포함하는 가열수단;을 포함한다.

Description

열처리 장치{Apparatus for thermal annealing process}
본 발명은 승온 및 강온 특성이 우수하고 상압 또는 진공상태에서 열처리 공정이 가능한 돔형의 투과창과, 투명창과 동일한 곡률을 가지는 가열수단을 포함하는 열처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로 급속 열처리(rapid thermal annealing)은, 반도체 소자의 제조과정에서 급속열처리(rapid thermal anneal), 급속열세정(rapid thermal cleaning) 및 급속 열화학 증착(rapid thermal chemical vapor deposition)과 더불어, 불순물의 확산, 산화 및 질화처리, 스파이크 열처리(spike Anneal) 등에 폭넓게 적용되고, 특히 대구경의 웨이퍼를 사용하여 나노수준의 고접적 반도체 소자를 제조하는 경우 유용하게 적용된다. 그리고, 급속 열처리를 수행하는 장치는, 기판의 급속한 승온 및 강온특성, 온도의 균일성 및 생산성이 확보되어야 하고, 뿐만 아니라 상압 및 진공상태에서 사용 가능해야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 열처리 장치의 개략도이다.
열처리 장치(10)는 본체(12) 및 본체(12)와 결합하는 투명창(14)으로 구성되어 열처리 공간을 제공하는 공정챔버(16), 공정챔버(16) 내부에 위치하고 기판(18)이 안치되는 기판지지부(20), 투명창(14) 상의 가열수단(22) 및 투명창(14) 상에 위치하고 가열수단(22)을 수용하는 하우징(30)을 포함하여 구성된다.
열처리 장치(10)는 열처리 공정을 진행하는 동안 공정챔버(16)의 내부에 공정가스를 공급하기 위한 가스공급수단(40), 공정챔버(16) 내부를 진공으로 배기하기 위한 제 1 배기수단(42) 및 기판(18)을 열처리 공간으로 출입시키기 위한 기판 출입구(도시하지 않음)를 더욱 포함한다.
공정챔버(16) 내부에는 기판 출입구를 통하여 외부로부터 반입되는 기판(18)이 안치되는 기판 지지부(20)가 설치된다. 기판 지지부(20)는 기판(18)을 지지하는 기판 지지판(60), 기판(18)을 회전시키는 샤프트(62), 기판 지지판(60)으로부터 기판(18)을 분리하는 다수의 리프트 핀(64) 및 기판(18)을 회전시키기 위한 샤프트(62)에 동력을 인가하기 위한 제 1 구동장치(66)를 포함하여 구성된다. 기판 지지부(20)는 다수의 리프트 핀(64)을 승강시키기 위한 제 2 구동장치(68)를 더욱 포함할 수 있다.
가열수단(22)은 지지부(24), 다수의 복사열 공급원(26) 및 다수의 복사열 공급원(26)이 개별적으로 삽입되는 다수의 관통홀(28)를 포함한다. 다수의 복사열 공급원(26)은 투명창(14) 상에 위치하여 기판(18)을 향하여 복사열을 공급한다. 본체(12)는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속으로 제작되고, 투명창(14)은 가열수단(22)의 복사열을 투과할 수 있는 투명재질의 평판 석영을 4 내지 5mm 정도의 두께로 설치한다
종래기술의 급속열처리 장치(10)에서, 열처리 공정을 수행하기 위하여 공정챔버(16)의 내부에 진공이 설정되는 경우, 4 내지 5mm 정도의 두께로 설치되는 투과창(14)은 공정챔버(16) 내부의 작은 진공 압력에도 견디기 어려운 취약한 강도를 가진다. 따라서, 공정챔버(16)의 내부가 진공상태로 설정되면 투명창(14)의 취약한 강도를 보완하기 위하여, 가열수단(22)이 수용된 하우징(30)의 내부를 진공펌프(도시하지 않음) 및 압력제어장치(도시하지 않음)를 포함하는 제 2 배기수단(44)을 사용하여 공정챔버(16)의 내부와 유사한 진공압력으로 배기한다.
만약, 하우징(30)의 내부를 제 2 배기수단(44)을 통하여 진공으로 배기하지 않는다면, 석영 평판으로 제작되는 투명창(14)은 공정챔버(16)의 진공압력을 견딜 정도의 기계적 강도를 유지하기 위해 20cm 이상의 충분한 두께로 설치되어야 한다. 그런데, 투과창(14)의 두께가 20cm 이상으로 증가하면, 투과창(14)의 잠열이 증가하여 가열수단(22)으로부터 기판(18)에 전달되는 열전달 특성이 저하된다. 따라서, 투과창(14)의 잠열에 의해 열처리 장치(10)의 성능이 현저하게 저하되어 기판(18)의 승온 및 강온 시간이 확연히 증가하고, 또한, 기판(18)의 균일한 온도제어를 방해할 수 있다.
그리고, 열처리 장치(10)에서 열처리 공정을 수행하는 경우, 기판(18)의 중심부는 기판(18)의 주변부보다 승온 및 강온의 시간이 빠르고, 기판(18)의 주변부는 주변부 효과(edge effect) 및 기판지지부(20)에 의한 열손실로 인해, 기판(18)의 중심부보다 많은 복사열을 필요로 한다. 따라서, 종래기술에서는 기판(18)의 중심부 및 주변부에 대응되는 다수의 복사열 공급원(28)에 서로 다른 전력을 인가하여 기판(18)의 중심부와 주변부에서 나타나는 온도분포의 불균형을 제어하여야 하는 문제점을 가지고 있다.
특히, 스파이크 열처리(spike anneal)와 같이 높은 온도 균일도와 급속한 승온 특성이 필요한 공정의 경우, 기판(18)의 주변부는 기판(18)의 중심부에 공급되는 복사열과 비교하여 많은 양의 복사열이 공급되어야 한다. 다시 말하면, 기판(18)의 주변부에 대응되는 다수의 복사열 공급원(28)에는 기판(18)의 중심부에 대응되는 다수의 복사열 공급원(28)보다 높은 전력이 인가되어야 하므로, 다수의 복사열 공급원(28) 각각에는 불균일한 전력이 인가된다.
그리고, 기판(18)의 주변부에 대응되는 다수의 복사열 공급원(28)에는 필요한 전력보다 낮은 전력이 인가되는 경우, 기판(18)의 주변부에 필요한 복사열을 제대로 공급하지 못하여, 기판(18)의 중심부에서 주변부로 기울어지는 열 구배로 인해, 기판(18)의 휨, 슬립(slip) 및 파손을 유발시킬 수 있다. 또한, 정격용량을 초과하는 과도한 전력이 기판(18)의 주변부에 대응하는 다수의 복사열 공급원(28)에 공급되는 경우, 다수의 복사열 공급원(28)의 고장을 유발하거나 수명을 단축시킬 수 있다.
상기와 같은 종래기술의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 본체와 결합하여 열처리 공간을 제공하고 복사열을 투과시키는 투명창을 얇은 두께를 가지면서 우수한 기계적 강도를 가지는 돔형으로 제작하여, 별도의 장치를 설치하지 않고 상압 및 진공상태에서 열처리 공정을 수행할 수 있으며, 투명창의 작은 잠열에 의해 기판의 승온시간 및 투명창의 강온시간이 감소되어 생산성을 개선할 수 있는 열처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 가열수단이 투명창과 동일한 곡률을 가지는 돔형으로 제작되어, 열처리 공간에 위치한 기판 중심에서 주변부로의 열적구배 및 전력구배가 최소화되어, 균일한 열처리 공정이 가능한 열처리 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 곡률을 가지는 돔형의 투명창과, 상기 투명창과 결합하여 열처리 공간을 제공하는 본체를 포함하는 공정챔버; 상기 열처리 공간에 위치하고 기판이 안치되는 기판 지지부; 및 상기 공정챔버의 상부에 위치하고, 상기 투명창과 동일한 곡률을 가지며 상기 기판을 가열하기 위해 복사열을 공급하는 다수의 복사열 공급원을 포함하는 가열수단;을 포함하는 열처리 장치를 제공한다.
상기 가열수단은 지지부, 다수의 복사열 공급원 및 상기 다수의 복사열 공급원을 개별적으로 수용하는 다수의 관통홀을 포함하고, 상기 지지부의 하면과 상기 투명창은 서로 일치하는 곡률을 가지는 열처리 장치를 제공한다.
상기 지지부와 상기 투명창은 일체형 또는 분리형을 제작되는 열처리 장치를 제공한다.
상기 다수의 복사열 공급원은 각각 소켓, 램프 및 상기 소켓과 램프를 연결시키는 연결부를 포함하고, 상기 지지부는 다수의 상기 연결부을 수용하는 다수의 관통홀과 상기 다수의 관통홀 각각의 하부에 위치하고 다수의 상기 램프를 수용하는 다수의 수용영역을 포함하는 열처리 장치를 제공한다.
상기 다수의 수용영역 각각은 다수의 격벽에 의해 구분되는 열처리 장치를 제공한다.
상기 지지부의 하면에는 동심형태의 다수의 도형과 상기 다수의 도형 사이에 다수의 배치영역이 정의되고, 상기 다수의 격벽은, 상기 다수의 도형을 따라 설치되는 다수의 제 1 격벽과 상기 다수의 배치영역 각각을 분할하는 다수의 제 2 격벽을 포함하는 열처리 장치를 제공한다.
상기 다수의 도형은 원, 정사각형 및 정팔각형 중 하나인 열처리 장치를 제공한다.
상기 기판에는 상기 다수의 배치영역에 대응되는 다수의 피가열영역이 정의되고, 상기 다수의 배치영역 각각에 설치되는 다수의 상기 램프에 의해 상기 다수의 피가열영역을 가열되는 열처리 장치를 제공한다.
상기 다수의 격벽은 상기 기판과 수직한 수직면에 1 내지 20도 정도의 경사면을 가지고, 상기 기판은 상기 다수의 수용영역 각각에 대응되는 제 1 영역과 상기 다수의 격벽 각각에 대응되는 제 2 영역을 포함하고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역에 대하여 5%의 면적을 가지는 열처리 장치를 제공한다.
상기 다수의 수용영역 각각의 내부에는 상기 램프로부터 조사된 복사열을 상기 기판을 향하여 반사시키는 반사판이 설치되어 있는 열처리 장치를 제공한다.
상기 열처리 공간에 공정가스를 공급하기 위한 가스공급수단; 및 상기 열처리 공간을 진공배기 또는 공정가스를 배출시키기 위한 배기수단;을 더욱 포함하는 열처리 장치를 제공한다.
상기 가스공급수단은, 가스공급원과 연결되는 가스공급관; 상기 가스공급관으로부터 분기되는 다수의 분기관; 및 상기 다수의 분기관과 연결되고, 상기 열처리 공간에 상기 공정가스를 분사하는 다수의 확산부;를 포함하는 열처리 장치를 제공한다.
상기 다수의 분기관은, 상기 가스공급관에서 분기되는 다수의 제 1 분기관; 상기 다수의 제 1 분기관 각각에서 분기되는 다수의 제 2 분기관; 및 상기 다수의 제 2 분기관 각각에서 분기되고, 상기 다수의 확산부 각각과 연결되는 다수의 제 3 분기관;을 포함하는 열처리 장치를 제공한다.
상기 다수의 확산부 각각은, 상기 다수의 제 3 분기관 각각과 연통되는 도입부; 상기 다수의 제 3 분기관 각각에서 공급되는 상기 공정가스가 확산되는 확산영역; 및 상기 공정가스가 상기 열처리 공간으로 분사되는 분사구;를 포함하는 열처리 장치를 제공한다.
상기 확산부는 반원형 형태로 형성되는 열처리 장치를 제공한다.
상기 분사구와 평행한 방향으로 상기 확산영역을 절단했을 때, 상기 확산영역의 단면적이 상기 도입구에서 상기 분사구의 방향으로 증가하는 열처리 장치를 제공한다.
다수의 상기 분사구는 서로 연결되는 열처리 장치를 제공한다.
본 발명의 열처리 장치는 본체 및 본체와 결합하여 열처리 공간을 제공하고 복사열을 투과시키는 투명창으로 구성된다. 투명창을 얇은 두께을 가지면서 우수한 기계적 강도를 가지는 돔형으로 제작하여 투명창의 우수한 기계적 강도에 의해 열처리 공간이 진공상태일 때, 별도의 장치를 설치하지 않고 상압 및 진공상태에서 열처리 공정을 수행할 수 있으며, 투명창의 작은 잠열에 의해 기판의 승온시간 및 투명창의 강온시간이 감소되어 생산성을 개선할 수 있다.
부연하면, 얇은 두께을 가지면서 우수한 기계적 강도를 가지는 돔형으로 제작된 투명창에 의해, 열처리 공간이 진공상태일지라도 투명창의 외부를 대기업으로 유지할 수 있다. 또한, 열처리 공간에 위치한 기판 중심에서 주변부로의 열적구배 및 전력구배가 최소화되어, 균일한 열처리 공정이 가능한다.
도 1은 종래기술에 따른 열처리 장치의 개략도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 급속 열처리 장치의 개략도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열처리 장치의 수평 단면도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가열수단의 지지부에 대한 절단 사시도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가열수단의 부분 단면도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동심원 형태의 배열을 가지는 지지부의 저면도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 동심 사각형 형태의 배열을 가지는 지지부의 저면도
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 동심 팔각형 형태의 배열을 가지는 지지부의 저면도
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가스분사수단에 대한 사시도
도 10은 본 발명에 따른 확산부의 상세 사시도
도 11은 본 발명에 따른 확산부의 단면도
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 급속 열처리 장치의 개략도이다.
열처리 장치(110)는 열처리 공간을 제공하는 공정챔버(116), 공정챔버(116) 내부에 위치하고 기판(118)이 안치되는 기판 지지부(120), 공정챔버(116) 상의 가열수단(122) 및 가열수단(122)을 수용하는 하우징(130)을 포함하여 구성된다.
열처리 장치(110)는 열처리 공정을 진행하는 동안 공정챔버(116)의 내부에 공정가스를 공급하기 위한 가스공급수단(140) 및 공정챔버(116)의 내부를 진공으로 배기하기 위한 배기수단(142)을 더욱 포함하여 구성된다. 또한, 열처리 장치(110)는 기판(110)을 열처리 공간으로 출입시키기 위한 기판 출입구(150)를 더욱 포함한다.
공정챔버(116)는 본체(112) 및 본체(112)와 결합하는 투명창(114)으로 구성되어 열처리 공간을 제공한다. 기판 지지부(120)는 기판(118)이 안치되는 기판 지지판(120a), 기판 지지판(120a)과 연결되어 기판(118)을 회전시키는 회전장치(120b), 기판 지지판(120a)로부터 기판(118)을 분리시키는 다수의 리프트 핀(120c) 및 회전장치(120b)를 회전시키는 동력을 제공하는 제 1 구동장치(120d)를 포함하여 구성된다. 다수의 리프트 핀(120c)에는 제 2 구동장치(120e)가 연결되어 기판 지지판(120a)으로부터 기판(118)을 분리시키기 위한 승강 동력을 제공한다.
기판 지지판(120a)에는 기판(118)의 주변부와 접촉하는 단차부(121a)와 기판(118)의 중심부에 대응되어 기판(118)의 하면과 공간을 두고 이격되는 우묵부(121b)가 형성될 수 있다. 특히, 기판(118)으로 사파이어(sapphire) 기판을 사용고, 가열수단(122)으로 기판 지지판(120a)을 가열하는 경우, 기판 지지판(120a)을 거치하기 위한 단차부(121a)가 필요하다. 기판 지지판(120a)의 단차부(121a)에 기판(118)의 주변부가 거치되면, 기판(118)의 상부 평면은 기판 지지판(120a)의 상부 평면과 동일한 높이를 유지하거나, 기판 지지판(120a)의 상부 평면보다 낮은 높이를 유지하는 것이 바람직하다.
도 2에서, 기판 지지판(120a)에 하나의 기판(118)이 안착된 것으로 도시되어 있으나, 2 내지 20 개의 정도의 기판(118)을 안치하여, 다수의 기판(118)에 대하여 일괄적인 열처리 공정을 수행할 수 있다.
본체(112)는 알루미늄(Al) 또는 스테인레스 스틸(stainless steal) 등과 같은 금속으로 제작되고, 투명창(114)은 가열수단(122)의 복사열이 투과할 수 있는 투명재질의 석영으로 제작된다. 투명창(114)은 곡률을 가지는 돔(dome) 형태로 제작되고, 기판(118)과 투명창(114) 사이의 간격은 공정챔버(116)의 주변부에서 중앙부 방향으로 증가한다.
가열수단(122)은 지지부(124), 다수의 복사열 공급원(126) 및 다수의 복사열 공급원(126)을 개별적으로 수용하는 다수의 관통홀(128)을 포함한다. 지지부(124)의 하면은 투명창(112) 상부와 일치하는 곡률을 가진다. 지지부(124)의 하면과 기판(118) 사이의 간격은 공정챔버(116)의 주변부에서 중앙부 방향으로 증가한다. 따라서, 지지부(124)의 하면은 곡면을 가지는 함몰부 형태이다.
지지부(124)는 투명창(114)과 일체형 또는 분리형으로 형성될 수 있다. 지지부(124)와 투명창(114)을 일체형으로 형성하는 경우, 지지부(124)는 기밀을 유지하기 위한 오링(O-ring)(도시하지 않음)을 개재하여 투명창(114)에 직접 접촉하여 결합시키고, 일체형의 지지부(124)와 투명창(114)을 공정챔버(116)의 본체(112)와 결합시켜 열처리 장치(110)를 구성한다. 지지부(124)와 투명창(114)을 분리형으로 형성하는 경우, 공정챔버(116)를 구성하는 본체(112)와 투명창(114) 사이에 기밀을 유지하기 위한 오링을 개재하여 결합시키고, 일체형의 공정챔버(116)와 이격시켜 지지부(124)를 설치한다. 지지부(124)와 투명창(114)이 일체형 및 분리형으로 형성되는 모든 경우에도 지지부(124)의 하면은 투명창(112) 상부와 동일한 곡률 반경과 동일한 간격이 유지된다.
다수의 복사열 공급원(126)은 다수의 수용부(128)에 수용되고 투명창(114) 상에 위치하여 기판(118)을 향하여 복사열을 공급한다. 열처리 과정에서, 기판(118) 또는 기판지지판(120a)의 온도를 측정하기 위하여, 비접촉 방식의 광 온도계(190)를 사용한다. 광온도계(190)으로 파이로미터(pyrometer)를 사용할 수 있다. 광 온도계(190)는 서셉터(120)의 하부에 설치되어 서셉터(120)에서 방출되는 복사광 중 일정 파장을 가지는 복사광을 감지한다. 광 온도계(190)에서 측정된 온도가 전력 제어부(192)에 인가되고, 전력 제어부(192)는 측정온도에 응답하여 다수의 복사열 공급원(126)에 공급되는 전력을 제어한다. 전력 제어부(192)는 다수의 복사열 공급원(126) 각각을 독립적으로 제어할 수 있다.
종래기술의 열처리 장치와 같이 투명창(114)이 평판으로 제작되면, 공정챔버(116)의 측벽과 인접하고 기판 지지판(120a)에 접촉하고 있는 기판(118)의 주변부는 기판(118)의 중앙부와 비교하여 열 손실이 매우 크다. 따라서, 기판(118)의 중심부 및 주변부에 대응되는 다수의 복사열 공급원(126)에 동일한 전력을 공급하면, 기판(118)의 중심부에서 기판(118)의 주변부로 급격하게 기울어지는 열 구배가 발생하고, 이로 인해 기판(118)의 휨, 슬립(slip) 및 파손을 유발시킬 수 있다. 또한, 기판(118)의 균일한 온도분포를 위하여, 기판(118)의 주변부에 대응되는 다수의 복사열 공급원(126)에 기판(118)의 중심부에 대응되는 다수의 복사열 공급원(126)보다 큰 전력을 공급하게 되면, 기판(118)의 주변부에 대응하는 다수의 복사열 공급원(126)에 과도한 부하가 인가되어 전력부족의 문제를 야기시킬 수 있다.
본 발명의 열처리 장치(110)에서는, 돔형의 투명창(114) 및 투명창(114)과 동일한 곡률을 가지는 가열수단(122)을 사용하므로, 가열수단(122)의 주변부와 기판(118)의 주변부 사이의 제 1 간격이 가열수단(122)의 중앙부와 기판(118)의 중앙부 사이의 제 2 간격보다 작게 설정된다. 통상적으로, 가열수단(122)으로 복사열을 공급하여 기판(118)을 가열하는 열처리 공정을 진행할 때, 공정챔버(116)의 측벽과 인접한 기판(118)의 주변부는 기판(118)의 중앙부와 비교하여 열손실이 크다. 그런데, 본 발명의 열처리 장치(110)에서는 가열수단(122)이 기판(118)의 중앙부보다 기판(118)의 주변부에 가깝게 위치하여, 기판(118)의 온도분포를 균일하게 제어할 수 있다. 다시 말하면, 기판(118)의 중심부 및 주변부에 대응하는 다수의 복사열 공급원(126)에 동일한 전력을 인가하여도, 기판(118)의 온도분포를 균일하게 제어할 수 있다.
통상적으로 열처리 공정을 수반하는 기판처리공정은 상압 또는 진공상태에서 진행할 수 있다. 상압에서 수행하는 기판처리공정은 공정챔버(116)의 내부와 외부사이의 압력차이가 크기 않기 때문에, 투명창(114)의 기계적 강도에 대한 문제가 발생하지 않지만, 진공상태에서 수행하는 기판처리공정은, 공정챔버(116)의 내부와 외부사이의 압력차이가 크기 않기 때문에, 투명창(114)은 공정챔버(116)의 내부와 외부사이의 압력차이를 견딜 수 있을 정도의 기계적 강도를 가져야 한다. 곡률을 가지는 돔형으로 투명창(114)을 제작하면 평판으로 제작하는 경우보다 얇은 두께를 가지면서 높은 기계적 강도를 유지할 수 있다.
투명창(114)이 공정챔버(116) 내부의 진공압력을 견디기 어려운 경우, 하우징(130)의 내부를 공정챔버(116) 내부와 유사한 진공압력으로 배기하여야 한다. 그러나, 투명창(114)의 기계적 강도가 우수하다면 하우징(130)의 내부를 대기압으로 유지할 수 있다. 투명창(114)을 기계적 강도가 우수한 돔형으로 제작하면, 하우징(130)의 내부를 진공으로 배기하지 않기 때문에, 진공배기를 위한 별도의 장치를 설치할 필요가 없다. 따라서, 열처리 장치(110)의 제작단가가 낮아지며, 가열수단(122)의 복사열에 의해 고온에 노출되어 있는 하우징(130)의 내부를 자연 배기하여 적절한 온도로 유지할 수 있다.
투명창(114)을 곡률을 가지는 돔형으로 구성하면 평판으로 구성할 때보다 얇은 두께로 제작할 수 있다. 투명창(114)은 두께가 얇아짐에 따라 잠열이 낮아지고 복사열의 투과도가 높아지기 때문에, 기판(118)의 급격한 승온 및 강온에 유리하다. 투명창(114)을 완전한 반구형의 돔형으로 제작하는 것이 가장 기계적 강도가 우수하지만, 가열수단(122)과 기판(118) 사이의 간격에 따른 기판(118)의 온도분포를 고려하여 투명창(114)의 적절한 곡률을 설정한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열처리 장치의 수평 단면도이다.
도 3은 도 2의 투명창(114)을 제거하고 위에서 바라본 본체(112)의 평면도를 도시한다. 공정챔버(116)의 내부에는 기판(116)이 거치되는 단차부(121a)를 제공하는 기판지지판(120a)가 위치한다. 공정챔버(116)의 일측벽에는 열처리 공정을 진행하는 동안 공정챔버(116)의 내부에 공정가스를 공급하기 위한 가스공급수단(140)이 설치되고, 일측벽과 대향하는 타측벽에는 공정챔버(116)의 내부를 진공으로 배기하기 위한 배기수단(142)이 설치된다. 그리고, 공정챔버(116)의 일측벽과 타측벽 사이에는 기판(118)을 반입 또는 반출하기 위한 기판 출입구(150)가 설치된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가열수단의 지지부에 대한 부분 절단 사시도이다.
지지부(124)는 도 2의 돔 형태의 투명창(114)에 대응되도록 함몰부(142)가 형성된다. 도 2의 투명창(112)이 원형의 외주연을 그린다면, 도 4와 같이 지지부(124)는 원통형으로 형성된다. 지지부(124)의 하면에는 도 2의 투명창(114)과 정합되도록, 투명창(114)과 동일한 곡률을 가지는 함몰부(142)가 형성되고, 지지부(124)의 상면은 지지부(124)은 수평면을 가진다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가열수단의 부분 단면도이다.
가열수단(122)은 지지부(124), 다수의 복사열 공급원(126) 및 다수의 복사열 공급원(126)을 개별적으로 수용하는 다수의 관통홀(128)을 포함한다. 다수의 복사열 공급원(126)은 전원을 공급받는 소켓(184), 복사열을 공급하는 램프(180) 및 소켓(184)과 램프(180)를 연결하는 연결부(182)를 포함하여 구성된다. 지지부(124)는 연결부(182)가 위치되는 관통홀(128) 및 램프(180)가 수용되는 수용영역(136)을 포함한다. 수용영역(136)은 격벽(132)에 의해 구분된다.
램프(180)의 열 효율을 증가시키기 위하여, 수용영역(136)의 표면에 코팅에 의한 반사판(186)을 설치할 수 있다. 급속한 승온에 대한 열 효율을 증가시키기 위하여, 수용영역(136) 및 램프(180)의 형상과 크기를 다양하게 선택할 수 있다. 그리고, 반사효율을 고려하면 구형의 램프(180)를 사용하는 것이 바람직하고, 관통홀(128)의 단면적은 수용영역(136)의 단면적보다 작게 형성한다.
램프(180)가 수용되는 수용영역(136)은 반복적인 열처리 공정을 수행하는 과정에 의해 반사판(186)이 가열되어 급속히 열화될 수 있으므로, 지지부(124)와 다수의 격벽(132)의 내부에 냉매 순환유로(도시하지 않음) 및 순환유로와 연결되는 냉매 공급부(도시하지 않음)를 설치할 수 있다. 다수의 격벽(132)은 소정의 경사각(a)을 가질 수 있다. 다수의 격벽(132)과 대응되는 기판(118)은 다수의 램프(180)와 직접 대응되는 기판(118)보다 낮은 온도 분포를 가질 수 있다. 따라서, 다수의 격벽(132)과 대응되는 기판(118)의 온도를 보상하기 위하여, 다수의 격벽(132)에 경사각(a)을 설치한다.
기판(118)은 다수의 램프(180)와 대응되는 제 1 영역(A)과 다수의 격벽(132)과 대응되는 제 2 영역(B)로 구분된다. 제 1 영역(A)은 균일한 휘도의 복사열이 공급되지만, 제 2 영역(B)은 제 1 영역(A)보다 낮은 휘도의 복사열이 공급되는 경향이 있다. 따라서, 다수의 격벽(132)은 상부에서 하부까지 수평 단면적이 순차적으로 감소하는 경사면을 가진다. 다시 말하면, 다수의 격벽(132)은 기판(118)과 수직한 수직면을 기준으로, 1 내지 20도 정도의 경사각(a)을 가지는 경사면을 가진다. 다수의 격벽(132)에 경사각(a)이 형성되면, 다수의 램프(180)로부터 조사된 복사열이 제 2 영역(B)에서 중첩되어 제 1 영역(A)과 제 2 영역(B)의 휘도차이를 줄일 수 있다. 경사각(a)에 의해 램프(180)의 광출사 영역이 증가되므로, 제 1 영역(A)에 대하여 대략적으로 5% 내외의 면적을 가지는 제 2 영역(B)을 제 1 영역(A)과 동일한 복사열로 가열할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동심원 형태의 배열을 가지는 지지부의 저면도이다.
지지부(124)의 하면에는 동일한 중심과 등차적으로 증가하는 직경을 가지는 제 1 내지 제 n 원(C1 내지 Cn)과, 제 1 내지 제 n 원(C1 내지 Cn) 사이에 수용영역(136)이 설치되는 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn)이 정의된다. 제 1 배치영역(R1)에는 제 1 원(C1)을 60도의 중심각을 가지는 6 개의 부채꼴로 분할하여 6 개의 수용영역(136)을 설치하고, 제 1 원(C1)과 제 2 원(C2) 사이에 위치한 제 2 배치영역(R2)에는 동일한 면적을 가지는 12개 영역으로 분할되어, 12개의 수용영역(136)이 설치된다. 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn)에는 각각 6, 12, 18,..., 6n의 수용영역(136)이 설치된다. 부연하면, 제 1 내지 제 n 배치영역(Rn)에는 6배수로 증가하는 수용영역(136)이 설치된다. 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn) 각각의 내부에서 서로 이웃하는 수용영역(136) 사이의 간격과, 서로 인접한 배치영역에 배열되어 서로 이웃하는 수용영역(136) 사이의 간격은 동일하다.
다수의 격벽(132)은 제 1 내지 제 n 원(C1 내지 Cn)을 따라 설치되는 다수의 제 1 격벽(132a)과 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn)을 분할하는 다수의 제 2 격벽(132b)을 포함한다. 다수의 제 1 및 제 2 격벽(132a, 132b)에 의해 감싸진 수용영역(136)은 사각형상으로 형성된다. 보다 구체적으로, 다수의 제 1 및 제 2 격벽(132a, 132b)에 의해 감싸진 하나의 수용영역(136)의 수평 단면은 상변보다 하변이 긴 사다리꼴 형태이다. 지지부(124)의 저면에 방사형으로 배치되는 다수의 수용영역(136) 각각에 도 5의 다수의 램프(180)이 배열되고 다수의 램프(180)의 작동에 의해, 도 2의 기판(118)을 균일한 온도분포를 유지하면서 급격하게 승온시킬 수 있다.
도 2의 기판(118)은 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn)에 대응되는 제 1 내지 제 n 피가열영역으로 구분되고, 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn) 각각에 설치되는 다수의 램프(180)는 제 1 내지 제 n 피가열영역을 가열한다. 따라서, 도 2의 열처리 장치(110)에서 기판(118)이 회전하지 않는다면, 도 6의 격벽(132)에 의해 감싸진 수용영역(136)과 대응되는 기판(118)만이 가열된다. 이러한 경우, 도 5의 다수의 램프(180) 각각에 대하여 독립적인 제어가 가능하다. 다시 말하면, 도 2의 광 온도계(190)를 사용하여 기판(118)의 온도를 측정하고, 기판(118)에서 공정온도보다 낮거나 높은 국부영역을 추출한 후, 도 5의 램프(180)를 제어하여 온도를 균일하게 조정할 수 있다.
도 2의 회전장치(120b)의 동작에 의해 기판(118)이 회전한다면, 도 6의 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn) 각각에 대응되는 도 2의 기판(118)의 제 1 내지 제 n 피가열영역이 균일하게 가열된다. 다시 말하면, 도 2와 같이 기판(118)이 회전하면, 동일한 피가열영역은 동일한 배치영역 내에 위치한 다수의 램프(180) 모두에 의해 영향을 받는다.
도 2의 기판(118)이 회전하는 경우, 동일한 배치영역에 위치한 다수의 램프(180) 사이에서 발열온도의 차이가 있어도, 다수의 램프(180)에 대응하는 동일한 피가열영역은 다수의 램프(180)의 평균온도로 가열된다. 그러나, 기판(118)의 다수의 피가열영역 각각은 다수의 배치영역과 대응되어 가열되므로, 기판(118)의 다수의 피가열영역 사이에서의 온도간섭은 최소화될 수 있다. 따라서, 도 2의 광 온도계(190)를 사용하여 기판(118)의 다수의 피가열영역 별로 온도를 측정하고, 공정온도보다 낮거나 높은 피가열영역과 대응하는 배치영역에 위치한 도 5의 다수의 램프(180)를 일괄적으로 제어하여 온도를 균일하게 조정할 수 있다. 다시 말하면, 도 2의 기판(118)에서 다수의 피가열영역 각각에 대한 국부적인 온도제어가 가능하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 동심 사각형 형태의 배열을 가지는 지지부의 저면도이다.
지지부(124)의 하면에는 동일한 중심과 등차적으로 증가하는 변 길이를 가지는 제 1 내지 제 n 정사각형(S1 내지 Sn)과, 제 1 내지 제 n 정사각형(S1 내지 Sn) 사이에 수용영역(136)이 설치되는 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn)이 정의된다. 제 1 배치영역(R1)에는 하나의 수용영역(136)이 설치되고, 제 1 정사각형(S1)과 제 2 정사각형(S2) 사이에 위치한 제 2 배치영역(R2)에는 동일한 면적을 가지는 8개 영역으로 분할되어, 8개의 수용영역(136)이 설치된다. 제 1 배치영역(R1)을 제외한 제 2 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn)에는 각각 8, 16, 24,..., 8n의 수용영역(136)이 설치된다.
그런데, 지지부(124)이 원통형으로 형성되기 때문에, 정사각형의 변 길이가 지지부(124)의 직경보다 작거나 같지만, 지지부(124)의 외주연을 벗어나는 정사각형의 모서리 부분에는 수용영역(136)이 설치되지 않는다. 따라서, 지지부(124)의 외주연에 인접하는 정사각형에는 지지부(124)와 중첩되는 부분에만 수용영역(136)이 형성된다. 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn) 각각의 내부에서 서로 이웃하는 수용영역(136) 사이의 간격과, 서로 인접한 배치영역에 배열되어 서로 이웃하는 수용영역(136) 사이의 간격은 동일하다.
다수의 격벽(132)은 제 1 내지 제 n 정사각형(S1 내지 Sn)을 따라 설치되는 다수의 제 1 격벽(132a)과 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn)을 분할하는 다수의 제 2 격벽(132b)을 포함한다. 다수의 제 1 및 제 2 격벽(132a, 132b)에 의해 감싸진 수용영역(136)은 정사각형으로 형성된다. 지지부(124)의 저면에 방사형으로 배치되는 다수의 수용영역(136) 각각에 도 5의 다수의 램프(180)이 배열되고 다수의 램프(180)의 작동에 의해, 도 2의 기판(118)을 균일한 온도분포를 유지하면서 급격하게 승온시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 동심 팔각형 형태의 배열을 가지는 지지부의 저면도이다.
지지부(124)의 하면에는 동일한 중심과 등차적으로 증가하는 변 길이를 가지는 제 1 내지 제 n 정팔각형(O1 내지 On)과, 제 1 내지 제 n 팔각형(O1 내지 On) 사이에 수용영역(136)이 설치되는 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn)이 정의된다. 제 1 배치영역(R1)에는 제 1 정팔각형(O1)을 40도의 중심각을 가지는 8 개의 삼각형으로 분할하여 8개의 수용영역(136)을 설치하고, 제 1 내지 제 2 정팔각형(O1, O2) 사이에 위치한 제 2 배치영역(R2)은 동일한 면적을 가지는 24개의 삼각형으로 분할되어, 24개의 수용영역(136)이 설치된다. 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn)에는 각각 8, 24, 40,..., (2n-1)*8의 수용영역(136)이 설치된다. 제 1 내지 제 n 설치영역(R1 내지 Rn) 각각에서 이웃하는 수용영역(136) 사이의 간격과, 서로 인접한 제 1 내지 제 n 설치영역(R1 내지 Rn)에서 이웃한 수용영역(136) 사이의 간격은 동일하다.
다수의 격벽(132)은 제 1 내지 제 n 정팔각형(O1 내지 On)을 따라 설치되는 다수의 제 1 격벽(132a)과 제 1 내지 제 n 배치영역(R1 내지 Rn)을 분할하는 다수의 제 2 격벽(132b)을 포함한다. 다수의 제 1 및 제 2 격벽(132a, 132b)에 의해 감싸진 수용영역(136)은 정삼각형으로 형성된다. 지지부(124)의 저면에 방사형으로 배치되는 다수의 수용영역(136) 각각에 도 5의 다수의 램프(180)이 배열되고 다수의 램프(180)의 작동에 의해, 도 2의 기판(118)을 균일한 온도분포를 유지하면서 급격하게 승온시킬 수 있다.
도 6 내지 도 8에서 다양한 형태로 배열되는 다수의 수용영역(136)이 배열되며, 필요에 따라 하나를 선택하여 사용한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가스분사수단에 대한 사시도이고, 도 10은 본 발명에 따른 확산부의 상세 사시도이고, 도 11은 본 발명에 따른 확산부의 단면도이다.
도 2의 공정챔버(116)의 내부에 공정가스가 균일하게 공급되어 기판(118) 상에서 층류(laminar flow)을 형성해야한다. 공정가스는 기판(118)을 열처리 및 불순물의 확산 공정의 경우, 불활성 가스를 공급하고, 산화처리 및 질화처리 공정의 경우, 산소 및 질소를 포함한 공정가스를 공급한다.
도 9와 같이, 가스공급수단(140)은 도 2의 가스공급원(182)과 연결되는 가스 공급관(184), 가스 공급관(184)으로부터 분기되는 다수의 분기관(186), 및 다수의 분기관(186)과 연결되는 다수의 확산부(188)를 포함하여 구성된다. 도 9는 가스공급수단(140)의 하부를 도시한 사시도이고, 가스공급수단(140) 상에 도 11과 같은 플레이트(198)가 조립되어 공정가스가 공급되는 공간을 형성한다.
다수의 분기관(186)은 가스 공급관(184)과 연결되는 다수의 제 1 분기관(186a), 다수의 제 1 분기관(186a)에서 분기되는 다수의 제 2 분기관(186b) 및 다수의 제 2 분기관(186b)에서 분기되고 다수의 확산부(188)과 각각 연결되는 다수의 제 3 분기관(186c)을 포함한다. 다수의 확산부(188)에 균일한 분압을 가진 공정가스가 공급되기 위하여, 가스 공급관(184)으로부터 공급되는 공정가스가 다수의 제 1 내지 제 3 분기관(186a, 186b, 186c)을 경유한다.
도 10과 같이, 확산부(188)는 제 3 분기관(186c)과 연통되는 도입부(188a), 제 3 분기관(186c)에서 공급되는 공정가스가 확산되는 확산영역(188b) 및 공정가스를 공정챔버(116)의 내부로 분사하는 분사구(188c)를 포함하여 구성된다. 확산영역(188b)은 반원형 형태로 제작되어 원호부분에 도입부(188a)가 연결되고, 직경부분에 분사구(188c)가 설치된다. 도 11과 같이, 확산영역(188b)은 도입부(188a)에서 분사구(188c) 방향으로 저면이 낮아진다. 다시 말하면, 분사구(188c)와 평행한 방향으로 확산영역(188b)을 절단했을 때, 확산영역(188b)의 단면적이 도입구(188a)에서 분사구(188c)의 방향으로 증가한다.
확산부(188)는 제 3 분기관(186c)을 통과한 공정가스를 균일하게 확산시키는 기능을 한다. 다수의 확산부(188) 각각은 서로 인접하여 배치된다. 따라서, 다수의 분사구(188c)는 서로 연결된 형태로 제작될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (17)

  1. 곡률을 가지는 돔형의 투명창과, 상기 투명창과 결합하여 열처리 공간을 제공하는 본체를 포함하는 공정챔버;
    상기 열처리 공간에 위치하고 기판이 안치되는 기판지지부;
    상기 공정챔버의 상부에 위치하고, 상기 기판을 가열하기 위해 독립적으로 제어가 가능한 다수의 램프를 가지는 다수의 복사열 공급원과, 상기 투명창과 동일한 곡률을 가지며 상기 다수의 램프를 수용하는 지지부를 포함하는 가열수단; 및
    상기 가열수단을 수용하는 하우징;
    을 포함하고,
    상기 다수의 램프는 각각 구형의 형태를 가지고,
    상기 투명창과 직면하는 상기 지지부의 저면에는, 상기 투명창과 동일한 곡률을 가지며 동심형태의 다수의 도형을 따라 설치되는 다수의 제 1 격벽과, 상기 다수의 제 1 격벽 중 인접한 2개의 상기 제 1 격벽 사이에서 정의되는 다수의 배치영역 각각을 분할하고 상기 투명창과 동일한 곡률을 가지는 다수의 제 2 격벽에 의해서, 상기 다수의 램프를 각각 수용하고 방사형으로 배치되는 다수의 수용영역이 형성되고, 상기 공정챔버가 진공일 때, 상기 하우징의 내부는 대기압 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지부와 상기 투명창은 일체형 또는 분리형을 제작되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 복사열 공급원 각각은, 상기 다수의 램프 각각에 전원을 공급하는 다수의 소켓 및 상기 다수의 램프와 소켓을 연결하는 다수의 연결부를 포함하고, 상기 지지부는 상기 다수의 연결부를 수용하고 상기 다수의 수용영역과 연결되는 다수의 관통홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 도형은 원, 정사각형 및 정팔각형 중 하나인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판에는 상기 다수의 배치영역에 대응되는 다수의 피가열영역이 정의되고, 상기 다수의 배치영역 각각에 설치되는 다수의 상기 램프에 의해 상기 다수의 피가열영역을 가열되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 제 1 및 제 2 격벽은 상기 기판과 수직한 수직면에 대하여 1 내지 20도의 경사면을 가지고, 상기 기판은 상기 다수의 수용영역 각각에 대응되는 제 1 영역과 상기 다수의 제 1 및 제 2 격벽 각각에 대응되는 제 2 영역을 포함하고, 상기 제 2 영역은 상기 제 1 영역에 대하여 5%의 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 수용영역 각각의 내부에는 상기 램프로부터 조사된 복사열을 상기 기판을 향하여 반사시키는 반사판이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리 공간에 공정가스를 공급하기 위한 가스공급수단; 및
    상기 열처리 공간을 진공배기 또는 공정가스를 배출시키기 위한 배기수단;
    을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가스공급수단은,
    가스공급원과 연결되는 가스공급관;
    상기 가스공급관으로부터 분기되는 다수의 분기관; 및
    상기 다수의 분기관과 연결되고, 상기 열처리 공간에 상기 공정가스를 분사하는 다수의 확산부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 다수의 분기관은,
    상기 가스공급관에서 분기되는 다수의 제 1 분기관;
    상기 다수의 제 1 분기관 각각에서 분기되는 다수의 제 2 분기관; 및
    상기 다수의 제 2 분기관 각각에서 분기되고, 상기 다수의 확산부 각각과 연결되는 다수의 제 3 분기관;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 다수의 확산부 각각은,
    상기 다수의 제 3 분기관 각각과 연통되는 도입부;
    상기 다수의 제 3 분기관 각각에서 공급되는 상기 공정가스가 확산되는 확산영역; 및
    상기 공정가스가 상기 열처리 공간으로 분사되는 분사구;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 확산부는 반원형 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 분사구와 평행한 방향으로 상기 확산영역을 절단했을 때, 상기 확산영역의 단면적이 상기 도입부에서 상기 분사구의 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    다수의 상기 분사구는 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
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