KR101453959B1 - 램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법 - Google Patents

램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 램프 히터 설비의 온도 제어방법에 관한 것으로, 열처리될 기판의 상부측에 상호 수평하게 다수로 배치되는 다수의 램프 히터를 포함하는 히터장치부와, 상기 히터장치부에 마련된 다수의 상기 램프 히터 각각의 온도를 검출하는 히터 제어용 온도센서와, 상기 기판의 온도 검출 영역의 상부 또는 하부에 배치되는 다수의 모니터링 센서와, 상기 모니터링 센서에서 검출된 온도를 기저장된 온도 프로파일과 비교하여 기판의 온도 검출 영역의 온도를 각각 산출하고, 그 결과에 따라 상기 램프 히터들 각각의 온도를 제어하는 온도제어부를 포함한다. 본 발명은 램프의 온도에 따라 각 온도 검출 영역에서의 기판온도를 검출하여 그 차를 미리 구한 상태로, 열처리 과정에서 그 온도 검출 영역에서의 온도를 검출하여 해당 영역의 기판 온도를 산출하여, 그 산출 결과에 따라 해당 램프 히터의 온도를 조절함으로써, 대면적 기판을 균일하게 열처리할 수 있어 공정의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법{Substrate temperature control method for lamp-heater apparatus}
본 발명은 램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 다수의 대면적 기판을 동시에 열처리하는 램프 히터 설비에서 기판의 온도 분포를 확인하여 각 구간별 히터 온도를 제어하는 램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 평판 디스플레이 장치를 제조하기 위한 대면적의 유리 기판은 소정의 박막의 결정화 또는 상변화를 위하여 열처리가 이루어진다. 이때 열처리 설비는 하나의 기판을 처리할 수 있는 매엽식 또는 다수의 기판을 동시에 처리할 수 있는 배치식 열처리 설비가 있다.
이러한 대면적 기판의 열처리 설비에 대하여 등록특허 10-1016064호(히터, 등록일자 2011년 2월 11일)가 알려져 있다. 상기 등록특허는 램프형 히터에 관한 것이지만, 그 히터가 적용되는 열처리 설비의 구조 또한 상세히 기재되어 있다.
상기 등록특허 10-1016064호에 기재된 바와 같이 대면적 기판의 열처리 설비는 로봇에 의해 기판이 로딩 또는 언로딩 될 수 있는 공간이 마련되며, 기판을 지지할 수 있는 지지수단이 마련되고, 그 주변으로 기판을 열처리하기 위한 히터들이 다수로 마련된 것을 알 수 있다.
상기의 등록특허 10-1016064호에는 그 히터들의 온도를 검출하기 위한 수단에 대한 설명은 없으며, 히터의 온도를 낮추기 위하여 다중의 관을 마련하여 그 관 중 하나에 냉각수나 냉각기체를 공급하는 구조에 대하여 설명하고 있다. 통상적으로 기판의 온도를 직접 검출하는 것이 바람직하지만 열처리 공정 중에 기판의 온도를 직접 검출하는 것은 매우 어렵고, 기판에 접촉되는 센서를 사용하는 경우 기판의 표면에 도포된 열처리 대상 막을 손상시키거나 센서가 접촉되는 부분의 온도가 타 영역의 온도와 차이가 발생할 수 있다.
이와 같이 기판 영역에서의 온도 분포를 검출하기 위하여 이동식의 온도센서를 사용하는 예가 등록특허 10-0405909호(대형 기판용 고속 열처리 시스템, 2003년 11월 4일 등록)에 기재되어 있다. 상기 등록특허 10-04050909호에는 이동하는 기판의 하부에서 기판의 이송방향에 대하여 수직한 방향으로 왕복이동하는 스캐닝온도센서를 사용하여 기판의 온도를 검출하는 구성을 가지고 있다.
그러나 이와 같은 이동식 온도센서를 포함하는 열처리 시스템은 반드시 기판이 이송되는 열처리 시스템에서만 적용이 가능하다. 이는 기판이 고정된 상태에서 기판의 여러 위치의 온도를 검출하기 위해서는 하나의 이동식 온도센서가 특정한 경로를 따라 이동해야 하며, 그 여러 위치를 이동하기 위한 기계적인 구성이 복잡할 뿐만 아니라 필요한 여러 위치의 온도를 검출하기 위하여 소요되는 시간이 많은 문제점이 쉽게 예측될 수 있기 때문이다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 고정된 상태에서 열처리 되는 대면적 기판의 온도 프로파일을 검출하고, 그 온도 프로파일에 따라 히터의 온도를 제어하여 열처리의 균일성을 향상시킬 수 있는 램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법을 제공함에 있다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 열처리 장치의 기판의 온도를 직접 검출하기 어려운 환경에서, 온도 검출 영역에서의 히터의 온도와 기판의 온도의 온도차에 대한 프로파일을 미리 구현하고, 온도 검출 영역에서 검출된 온도를 기판의 온도로 환산하여 히터를 제어함으로써 보다 균일한 열처리를 수행할 수 있으며, 온도의 검출과 환산 과정을 빠르게 수행할 수 있는 램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법은, a) 다수의 램프 히터를 사용하여 더미 기판을 가열하되, 상기 다수의 램프 히터의 온도를 균일하게 한 상태에서, 상기 더미 기판의 온도 검출 영역의 온도를 측정하여 램프 히터와 더미 기판 사이의 온도차에 대한 온도 프로파일을 획득하는 단계와, b) 상기 다수의 램프 히터를 가열하여 실제 기판을 열처리하되, 상기 기판의 온도 검출 영역의 상부 또는 하부의 이격된 위치에서 모니터링 센서로 온도를 검출하는 단계와, c) 상기 b) 단계에서 검출된 온도를 상기 온도 프로파일을 고려하여 실제 상기 기판의 온도 검출 영역의 온도로 산출하는 단계와, d) 상기 산출된 기판 온도 검출 영역의 온도를 기준으로 상기 다수의 램프 히터의 온도를 제어하는 단계를 포함한다.
삭제
본 발명 램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법은, 램프의 온도에 따라 각 온도 검출 영역에서의 기판온도를 검출하여 그 차를 미리 구한 상태로, 열처리 과정에서 그 온도 검출 영역에서의 온도를 검출하여 해당 영역의 기판 온도를 산출하여, 그 산출 결과에 따라 해당 램프 히터의 온도를 조절함으로써, 대면적 기판을 균일하게 열처리할 수 있어 공정의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.
또한 본 발명은 기판의 온도를 검출하는데 소요되는 시간을 단축하여 열처리 온도의 불균일 상태의 지속시간을 최소화함으로써, 대면적 기판의 열처리에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
아울러 본 발명은 온도 센서의 설치 위치와 수량의 조절이 가능하기 때문에 로봇으로 기판을 로딩 및 언로딩하기 위한 공간의 확보가 용이하여, 기존의 램프 히터 설비의 설계를 변경하지 않고도 적용할 수 있어 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 램프 히터 설비의 기판 온도 제어장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에서 램프 히터의 구성도이다.
도 3 내지 도 6은 각각 본 발명에 적용되는 램프 히터들에 모니터링 센서들의 배치의 예들을 보인 평면 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 램프 히터 설비의 기판 온도 제어장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면 열처리될 기판(1)의 상부측에 상호 수평하게 다수로 배치되는 램프 히터(11~17)을 포함하는 히터장치부(10)와, 상기 다수의 램프 히터(11~17) 각각의 온도를 검출하는 히터 제어용 온도센서(20)와, 상기 램프 히터(11~17)에 설치되되 설치 위치가 상기 다수의 램프 히터(11~17) 중 적어도 인접한 램프 히터와 동일하지 않은 온도 검출 위치에 위치하는 다수의 모니터링 센서(30)와, 상기 모니터링 센서(30)에서 검출된 온도를 기저장된 온도 프로파일과 비교하여 기판 온도를 산출하고, 그 결과에 따라 각 램프 히터(11~17)의 온도를 제어하는 전류제어기(50)를 제어하는 온도제어부(40)를 포함하여 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 램프 히터 설비의 기판 온도 제어장치의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 기판(1)은 그 가장자리 하부 일부가 지지된 상태로 고정된 것이며, 이 때 기판(1)은 한 장일 수 있고, 아래에 설명되는 구조가 하부측으로 다층 연속되게 배치되는 구조일 수 있다. 즉, 본 발명이 적용되는 열처리장치인 램프 히터 설비는 기판을 한 장씩 적재하는 매엽식 또는 다수의 기판을 동시에 적재하는 배치식 구조일 수 있다.
상기 기판(1)을 실제로 열처리하기 이전에 더미 기판을 이용하여 상기 히터장치부(10)에 포함되는 다수의 램프 히터(11~17)에 동일한 전류를 공급하여 램프 히터(11~17)를 각각 가열한다. 이론상은 다수의 램프 히터(11~17) 각각은 모두 동일한 온도로 가열되어야 하나 제조 공정의 오차나 재질의 순도 차이 등에 의해 램프 히터(11~17) 각각의 특성은 미세하게 차이가 있을 수 있으며, 동일 전류가 공급되는 조건에서 각 램프 히터(11~17)의 온도를 검출하는 히터 제어용 온도센서(20)에서 검출된 온도를 측정하여 램프 히터(11~17)들의 특성과 온도 차이를 확인할 수 있다.
이와 같은 램프 히터(11~17)들의 차이는 히터 제어용 온도센서(20)의 온도 검출결과를 확인한 온도제어부(40)에서 확인하여, 전류제어기(50)를 제어하여 각 램프 히터(11~17)에 공급되는 전류를 조절하여 상기 다수의 램프 히터(11~17)들이 모두 온도가 동일하게 되는 전류를 알 수 있게 된다. 이때 램프 히터(11~17)들의 온도를 열처리 공정온도를 기판에 제공할 수 있는 온도인 것이 바람직하다.
이처럼 램프 히터(11~17)들이 균일한 온도로 제어되는 중에 더미 기판에 직접 접촉되는 온도 센서들을 온도 측정 영역에 배치하여 기판의 온도를 측정한다.
상기 램프 히터(11~17)들이 모두 동일한 온도로 히팅되고 있다고 하더라도, 그 램프 히터(11~17)들로부터 열을 전달받는 더미 기판의 모든 영역의 온도가 동일하지는 않다. 이는 더미 기판의 가장자리부분은 외부 공기와의 접촉되어 쉽게 열이 방출될 수 있으며, 더미 기판의 중앙부분은 상대적으로 외부 공기와 접하기 어려워 열이 쉽게 식지 않기 때문이다.
따라서 일반적인 경우 동일한 온도의 램프 히터(11~17)를 사용하더라도, 더미 기판의 가장자리 영역과 기판의 중앙부 영역은 온도에 차이가 발생하게 된다.
또한 램프 히터 설비의 설계 구조 등 여러 가지 다른 원인으로 인하여 국부적인 온도의 차이가 있을 수 있다.
이러한 온도의 차이는 상기 모니터링 센서(30)에서 검출된 위치와, 그 모니터링 센서(30)의 직하 방향에 위치하는 더미 기판에 접촉된 온도 센서의 검출온도의 차로 산출될 수 있다. 이러한 온도의 차이는 실제 열처리 공정에서 각 모니터링 센서(30)에서 검출된 온도를 이용하여 실제 열처리 되는 기판(1)의 해당 영역의 온도를 산출하는데 사용될 수 있다.
상기 검출된 모니터링 센서(30)와 온도 센서의 온도 차의 분포를 프로파일로 저장하되, 그 온도 분포 프로파일을 다수 회 검출하여 오차를 최소화할 필요가 있다.
이처럼 모니터링 센서(30)의 위치인 온도 검출 영역에서 검출된 온도와, 그 온도 검출 영역의 직하 방향의 기판 온도와의 차에 대한 온도 분포 프로파일을 완성하고, 그 온도 분포 프로파일을 온도제어부(40)에 저장한다.
그 다음, 실제 열처리가 수행될 기판(1)을 설비에 장입한 후 상기 제어부(40)는 상기 전류제어기(50)를 제어하여 히터장치부(10)의 각 램프 히터(11~17)들에 전류를 공급한다.
도 2는 램프 히터(11)의 일실시 단면 구성도이다.
도 2를 참조하면 램프 히터(11)는 내측에 열선(2)이 수용되는 내측관(3)과, 상기 내측관(3)을 수용하되, 그 내측관(3)과의 사이에 상기 모니터링 센서(30)와, 히터 제어용 온도센서(20)가 수용될 수 있는 공간을 마련하는 외측관(4)을 포함하여 구성된다.
상기 램프 히터(11) 이외의 다른 램프 히터(12~17)들도 위의 도 2와 동일한 구성이나, 상기 모니터링 센서(30)의 위치가 각각 다르게 배치될 수 있으며, 적어도 하나의 램프 히터(12)와 인접하여 배치되는 두 램프 히터(11,13) 각각에 배치되는 모니터링 센서(30)의 위치는 서로 다르게 배치해야 한다.
이는 기판(1)의 전체적인 온도의 검출을 위한 것이다.
상기 램프 히터(11~17)들에 전류가 공급되어 열을 방출하면서 열처리 공정이 진행되며, 이때 상기 모니터링 센서(30)들은 각각이 위치하는 온도 검출 영역의 온도를 검출하여 상기 온도제어부(40)에 제공한다.
상기 온도제어부(40)는 각 온도 검출 영역에서 검출된 온도와 상기 저장된 온도 분포 프로파일을 비교하여 그 온도 검출 영역 하부의 기판(1)의 각 위치의 온도를 산출한다. 이 산출결과에 의해 온도제어부(40)는 각 램프 히터(11~17)를 개별 제어하여 기판(1)의 온도가 균일하게 되도록 상기 전류제어기(50)를 제어한다.
즉, 상기 램프 히터(11)의 모니터링 센서(30)에서 검출된 온도와 기 설정된 온도 분포 프로파일의 해당 위치를 비교한 결과 기판(1)의 온도가 낮은 것으로 판단되면 상기 램프 히터(11)의 온도를 높이도록 상기 전류제어기(50)를 제어하며, 램프 히터(14)의 모니터링 센서(30)에서 검출된 온도를 온도 분포 프로파일과 비교한 결과 해당 위치에서 기판(1)의 온도가 높은 것으로 판단되면, 그 램프 히터(14)의 온도를 낮추도록 전류제어기(50)를 제어하게 된다.
따라서 본 발명은 종래의 이동식 스케닝 온도센서를 사용하는 방식에 비하여 더 빠르게 기판(1)의 여러 영역의 온도를 산출할 수 있으며, 따라서 기판(1)의 열처리 온도의 불균일 상태 유지시간을 단축시켜 열처리 공정의 신뢰성을 보다 향상시키며, 불량의 발생을 방지할 수 있게 된다.
도 3 내지 도 5는 각각 상기 모니터링 센서(30)의 배치 상태의 일례를 보인 평면도이다.
도 3은 중앙의 램프 히터(14)의 중앙에 모니터링 센서(30)가 위치하며, 그 램프 히터(14)와 인접한 두 램프 히터(13,15)의 모니터링 센서(30)는 각각 중앙에서 좌측과 우측으로 치우친 위치에 위치하며, 외측의 램프 히터(11,12,16,17)로 갈수록 상기 모니터링 센서(30)가 각 램프 히터(11,12,16,17)의 좌측 또는 우측 끝단에 위치하도록 배치할 수 있다.
도 4는 램프 히터(14~17)들의 좌측 또는 우측 끝단 측에 모니터링 센서(30)를 배치하되, 그 모니터링 센서(30)들이 교번하여 좌측 또는 우측 끝단 측에 배치되도록 하여 각각의 온도 검출 영역에서 온도를 검출하도록 구성된다.
도 5는 별다른 규칙성 없이 모니터링 센서(30)들을 램프 히터(14~17) 각각에 배치한 예를 나타낸다. 이러한 도 5의 배열 상태에서도 인접한 램프 히터에 위치하는 두 모니터링 센서(30)는 서로 다른 위치에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.
도 6은 모니터링 센서(30)의 배치 상태의 다른 예를 보인 평면도로서, 그 모니터링 센서(30)는 각 램프 히터(11~17) 마다 복수로 마련될 수 있음을 나타낸다.
이처럼 본 발명은 기판(1)을 열처리할 때 기판(1)의 온도 균일성을 확보하기 위하여 다수의 온도 검출 영역에서의 램프 히터(11~17)와 기판(1)의 해당 영역의 온도 차를 검출하여 이를 저장하고, 열처리 공정 중 다수의 온도 검출 영역에서 모니터링 센서(30)에 의해 검출된 램프 히터(11~17)의 온도를 이용하여 현재 기판(1)의 온도 분포를 산출하여 그 분포가 균일하게 되도록 각 램프 히터(11~17)를 제어하게 된다.
상기의 예들에서는 모니터링 센서(30)가 램프 히터(11~17)에 마련된 것으로 도시하고 설명하였으나, 모니터링 센서(30)를 램프 히터 설비의 다른 위치에 설치할 수 있다.
즉 모니터링 센서(30)를 기판(1)의 저면 가장자리를 지지하는 지지부에 설치할 수 있으며, 기판(1)을 로딩 및 언로딩하기 위한 공간을 제외한 어느 영역에나 설치할 수 있다.
또한 위의 실시예들에서는 모니터링 센서(30)와 제어용 온도센서(20)를 개별 구성한 것으로 설명하였으나, 모니터링 센서(30)과 제어용 온도센서(20)를 통합하여 하나의 온도 센서로 램프 히터의 온도를 검출하고, 그 램프 히터의 검출온도를 기 설정된 온도 프로파일을 고려하여 온도 검출 영역에서의 기판(1) 온도를 산출하고, 그 기판(1) 온도에 따라 각 램프 히터들을 제어하게 된다.
전술한 바와 같이 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
10:히터장치부 11~17:램프 히터
20:제어용 온도센서 30:모니터링 센서
40:온도제어부 50:전류제어기

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. a) 다수의 램프 히터를 사용하여 더미 기판을 가열하되, 상기 다수의 램프 히터의 온도를 균일하게 한 상태에서, 상기 더미 기판에 직접 접촉되는 온도 센서들을 이용하여 온도 검출 영역의 온도를 측정하여 램프 히터와 더미 기판 사이의 온도차에 대한 온도 프로파일을 획득하는 단계;
    b) 상기 다수의 램프 히터를 가열하여 실제 기판을 열처리하되, 상기 실제 기판의 상부 또는 하부의 이격된 위치에서 모니터링 센서로 온도를 검출하는 단계;
    c) 상기 b) 단계에서 검출된 온도를 상기 온도 프로파일에 따라 상기 실제 기판의 온도로 산출하는 단계; 및
    d) 상기 산출된 실제 기판 온도를 기준으로 상기 다수의 램프 히터의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 a) 단계를 다수 회 반복 수행하여, 상기 온도 프로파일의 오차를 줄이는 것을 특징으로 하는 램프 히터 설비의 기판 온도 제어방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 모니터링 센서에 의해 검출되는 온도는, 상기 실제 기판의 상부에 위치하는 상기 램프 히터의 온도인 것을 특징으로 하는 램프 히터 설비의 온도 제어방법.

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