KR101623011B1 - 열처리 장치 및 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것으로, 상부히터를 포함하는 챔버와, 상기 챔버의 하부측에 위치하며, 하부히터를 포함하는 서셉터와, 상기 챔버에 공급된 처리대상물을 상기 서셉터측으로 하향 이동하거나 원위치로 상향 이동시키는 승강지지부와, 상기 처리대상물이 상기 승강지지부에 의해 하향 이동할 때 상기 상부히터에 의해 가열된 공정가스를 상기 챔버의 내부로 공급하며, 상기 처리대상물이 상기 승강지지부에 의해 상향 이동할 때 냉각가스를 상기 챔버의 내부로 공급하는 가스공급부를 포함한다. 본 발명은 챔버 내에 로딩된 처리대상물이 서셉터의 상부로 하향 이동하는 과정에서 열처리를 진행하고, 다시 상향으로 이동하는 과정에서 냉각공정을 진행함으로써, 하부히터의 열이 급속도로 전도되는 것을 방지하여, 처리대상물에 열 충격이 가해지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

열처리 장치 및 열처리 방법{Heating device and heating method}

본 발명은 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 열처리 대상물에 열 손상을 주지 않으면서 열처리를 수행할 수 있는 열처리 장치 및 열처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 후공정으로서 리플로우(reflow) 공정은 솔더링 되어야 할 땜납을 반도체 웨이퍼나 PCB에 공급하고, 그 땜납에 열을 가하여 전자부품이나 배선을 전기적으로 연결하는 공정이다. 리플로우를 수행하기 위해서는 땜납을 가열하는 열처리가 이루어져야 하며, 이러한 리플로우 장치들은 제작사에 따라 다양한 구조로 제작되고 있다.

특히 다수의 챔버를 원형으로 배치하고, 로딩된 반도체 웨이퍼를 각 챔버로 순차 이송시키기 위하여 각 챔버를 경유하는 턴테이블을 사용한 장비가 미국특허 US6,827,789호에 상세히 기재되어 있다.

상기 미국특허 US6,827,789호의 도면 1에는 로딩챔버와 언로딩챔버를 포함하는 총 6개의 챔버가 도시되어 있으며, 턴테이블을 사용하여 로딩된 웨이퍼를 다음의 공정챔버로 순차 이동시키며, 최종적으로 웨이퍼를 언로딩챔버로 이송하여, 처리가 완료된 웨이퍼를 로봇에 의해 언로딩 시키도록 구성되어 있다.

상기 미국특허 US6,827,789호에는 처리플레이트와 하부격리챔버를 상하로 이동 가능하게 구성하여, 턴테이블에 의해 이송되어진 웨이퍼를 격리시켜 공정을 진행하게 된다.

이러한 웨이퍼의 로딩 방식은 제조사마다 차이가 있으나, 공통적으로는 웨이퍼인 처리 대상물을 히터를 내장한 서셉터 상으로 이송한 후, 승강지지부로 그 처리 대상물을 서셉터에 접촉되도록 올려놓은 후 열처리 공정을 수행한 다음 다시 냉각 공정을 수행하게 된다.

도 1 내지 도 3은 종래 열처리 방법에 따른 열처리 장치의 동작 상태 수순 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 각각 참조하면 종래 열처리 장치를 이용한 열처리 과정은, 챔버(10)의 내부로 처리대상물(1)이 로딩된 상태에서 구동부(30)에 의해 승강되는 승강지지부(31)가 처리대상물(1)의 저면을 지지하는 단계(도 1)와, 상기 승강지지부(31)이 하강하여 상기 처리대상물(1)을 하부히터(21)를 포함하는 서셉터(20)에 올려 놓은 후, 가스노즐(40)을 통해 공정가스를 공급하여 처리대상물(1)을 열처리하고, 열처리가 완료되면 냉각하는 단계(도 2)와, 상기 승강지지부(31)가 상승하여 상기 열처리 및 냉각이 완료된 처리대상물(1)을 상기 서셉터(20)로부터 이격시켜 챔버(10)의 외부로 이송될 수 있도록 하는 단계(도 3)를 포함하여 구성된다.

먼저, 도 1에 도시한 바와 같이 종래 열처리 장치는 이송수단에 의해 챔버(10)의 내부로 처리대상물(1)이 이송된다. 상기 이송수단은 턴테이블을 이용할 수 있으며 기타의 로봇을 이용할 수 있다. 즉, 도어(11)가 오픈된 상태에서 반도체 웨이퍼인 처리대상물(1)을 챔버(10) 내에 장입한다.

이때, 구동부(30)에 의해 승강 제어되는 승강지지부(31)가 상향으로 이동하여, 상기 처리대상물(1)의 저면을 지지하여, 상기 처리대상물을 이송한 이송수단으로부터 분리하여 이송수단이 챔버(10)의 외부로 나가거나 하향으로 이동할 수 있도록 한다.

그 다음, 도 2에 도시한 바와 같이 처리대상물(1)의 저면을 지지한 승강지지부(31)가 구동부(30)의 구동에 따라 하향으로 이동하여 처리대상물(1)을 서셉터(20) 상에 안착시킨다.

그 다음, 공정가스가 가스노즐(40)을 통해 챔버(10)의 내부로 공급되며, 이때 공정가스는 상부히터(50)를 통해 가열된 상태로 공급되어, 챔버(10)의 내부 온도를 열처리 온도로 만든다.

이때, 상기 서셉터(20)는 내부에 하부히터(21)를 포함하여 처리대상물(1)을 직접 가열하게 되며, 이때 하부히터(21)의 열은 처리대상물(1)에 급속하게 전달되어 하부히터(21)의 온도와 처리대상물(1)의 온도가 거의 동일하게 유지된다.

그러나 하부히터(21)의 열이 처리대상물(1)에 급속하게 전달되기 때문에 처리대상물(1)에 열 충격을 주어, 특성을 열화시키는 문제점이 있었다.

이와 같이 열처리가 완료된 후에는 상기 하부히터(21)와 상부히터(50)의 동작을 정지시키고, 처리대상물의 냉각을 위한 가스를 상기 가스노즐(40)을 통해 공급하여 처리대상물(1)을 냉각시킨다.

그 다음, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 열처리와 냉각이 완료된 처리대상물(1)을 다시 승강지지부(31)로 상승시킨다. 이때 상승 위치는 앞서 설명한 이송수단이 챔버(10)의 내부로 이동하여 처리가 완료된 처리대상물(1)을 도어(11)를 통해 외부로 이송할 수 있는 높이가 된다.

이처럼 종래 열처리 장치 및 열처리 방법은 처리대상물(1)을 하부히터(21)를 포함하는 서셉터(20)에 안착시킨 후 가열 및 냉각 처리를 하기 때문에, 공정시간이 상대적으로 많이 소요되어 생산성이 저하되며, 또한 하부히터(21)의 열이 급속하게 처리대상물(1)에 전달되어 처리대상물(1)에 열 충격이 가해지는 문제점이 있었다.

이러한 열 충격에 의하여 상기 처리대상물(1)의 대상은 매우 제한적이다. 특히 리플로우 공정이 요구되는 PCB는 열 충격에 매우 취약하여 종래의 열처리 장치에는 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는, 처리대상물에 열 충격이 가해지는 것을 방지하며, 처리 시간을 단축할 수 있는 열처리 장치 및 열처리 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명 열처리 장치는, 상부히터를 포함하는 챔버와, 상기 챔버의 하부측에 위치하며, 하부히터를 포함하는 서셉터와, 상기 챔버에 공급된 처리대상물을 상기 서셉터측으로 하향 이동하거나 원위치로 상향 이동시키는 승강지지부와, 상기 처리대상물이 상기 승강지지부에 의해 하향 이동할 때 상기 상부히터에 의해 가열된 공정가스를 상기 챔버의 내부로 공급하며, 상기 처리대상물이 상기 승강지지부에 의해 상향 이동할 때 냉각가스를 상기 챔버의 내부로 공급하는 가스공급부를 포함한다.

또한 본 발명 열처리 방법은, a) 챔버 내에 처리대상물을 공급하고, 상기 처리대상물의 저면을 승강지지부로 지지하는 단계와, b) 상기 처리대상물을 하부히터가 마련된 서셉터측으로 하향 이동시키면서, 상부히터에 의해 가열된 공정가스를 상기 챔버 내로 공급하며, 하부히터를 동작시켜 상기 처리대상물을 열처리하는 단계와, c) 상기 치리대상물의 열처리가 완료되면 상기 상부히터와 상기 하부히터의 동작을 정지시키고, 상기 승강지지부에 의해 지지되는 상기 처리대상물을 상향으로 이동시키면서 냉각가스를 공급하여 상기 처리대상물을 냉각시키는 단계를 포함한다.

본 발명은, 챔버 내에 로딩된 처리대상물이 서셉터의 상부로 하향 이동하는 과정에서 열처리를 진행하고, 다시 상향으로 이동하는 과정에서 냉각공정을 진행함으로써, 하부히터의 열이 급속도로 전도되는 것을 방지하여, 처리대상물에 열 충격이 가해지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 서셉터의 상부로 처리대상물이 이송되는 시점부터 열처리를 수행하고, 그 서셉터의 상부측에서 상향으로 이동될 때 냉각 처리하여 언로딩 위치에서 챔버 외부로 언로딩 될 수 있도록 하여, 공정 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

도 1 내지 도 3은 종래 열처리 방법에 따른 열처리 장치의 동작 상태 수순 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리 방법에 따른 열처리 장치의 동작 상태 수순 단면도이다.
도 7 내지 도 10은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 열처리 장치의 단면 구성도이다.

이하, 본 발명 열처리 장치 및 열처리 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리 방법에 따른 열처리 장치의 동작 상태 수순 단면도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리 방법은, 처리대상물(1)이 챔버(100) 내에 로딩된 상태에서 승강지지부(310)가 상승하여 처리대상물(1)의 저면을 지지하고, 열처리를 시작하는 단계(도 4)와, 상기 승강지지부(310)를 하향으로 이동하면서 상기 열처리 상태를 유지하는 단계(도 5)와, 상기 열처리가 완료되면 상기 승강지지부(310)가 상향으로 이동시키면서 냉각하는 단계(도 6)을 포함한다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리 방법과 열처리 장치의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리 장치의 구성은 챔버(100) 내에 마련되며 내부에 하부히터(210)를 포함하는 서셉터(200)와, 상기 챔버(100)의 하부에 위치하며 승강지지부(310)를 상하로 이동시키는 구동부(310)와, 상기 챔버(100)의 내측 상부에 마련된 상부히터(500)와, 상기 챔버(100)의 상부측에서 공정가스를 공급하는 가스공급부(400)를 포함하여 구성되되, 처리대상물(1)이 승강지지부(310)에 지지된 상태에서 하향으로 이동하면서 가열 열처리되고, 열처리된 처리대상물을 상향으로 이동할 때 냉각시키도록 구성된다.

도 4에 도시한 바와 같이 이동수단(도면 미도시)에 의해 처리대상물(1)이 챔버(100)의 도어(110)가 열린 상태에서 챔버(100) 내부로 공급된다. 이때 구동부(300)는 승강지지부(310)를 상향으로 이동시켜 처리대상물(1)의 저면을 지지하며, 상기 이동수단은 챔버(100)의 외부로 이동하게 된다.

상기 이동수단이 챔버(100)의 외부로 이동된 상태에서 챔버(100)의 도어(110)가 닫히고, 상부히터(500)와 하부히터(210)가 동작하며, 가스공급부(400)를 통해 공정가스가 공급된다.

상기 공정가스는 상부히터(500)를 통해 가열되어 공급되는 것이며, 이때 상기 처리대상물(1)을 지지하는 승강지지부(310)가 하향으로 이동하게 된다.

즉, 처리대상물(1)을 가열 처리하는 과정이 종래처럼 서셉터(200)에 처리대상물(1)이 올려진 상태가 아닌 서셉터(200) 측으로 하향 이동하는 과정에서 이루어진다.

도 5는 상기 승강지지부(310)가 도 4의 상태에 비하여 더 하향 이동하여 처리대상물(1)이 서셉터(200)에 가까이 위치한 상태를 도시한 것이다. 상기 승강지지부(310)의 하향 이동에 따라 처리대상물(1)은 상기 서셉터(200)의 하부히터(210)에 가까이 근접하게 되면서 온도가 점차 상승하게 된다.

즉, 본 발명은 처리대상물(1)이 서셉터(200)에 안착된 상태에서 가열처리를 하지 않고, 서셉터(200) 측으로 하향 이동하면서 가열처리를 하기 때문에 처리대상물(1)에 열이 순간적으로 전달되는 것을 방지하여, 서서히 승온되도록 하여 열 충격을 받지 않도록 한다.

상기 승강지지부(310)의 하향 이동은 처리대상물(1)이 서셉터(200)에 안착되도록 진행될 수 있으며, 도 5에 도시한 바와 같이 처리대상물(1)이 서셉터(200)에 접촉되지 않는 상태에서 열처리 공정이 완료되도록 할 수 있다.

이는 열처리 조건과 승강지지부(310)의 하향 이동 속도 등에 따라 결정될 수 있다.

그 다음, 도 6에 도시한 바와 같이 상기 도 5의 상태 또는 도시하지는 않았으나 상기 처리대상물(1)이 서셉터(200)에 접한 상태에서 다시 구동부(300)에 의해 승강지지부(310)가 상향으로 이동하게 된다. 이때 상기 상부히터(500)와 하부히터(210)는 동작이 정지된 상태이며, 상기 가스공급부(400)에서는 처리대상물(1)을 냉각시키기 위한 냉각가스를 공급한다.

이처럼 본 발명은 처리대상물(1)이 하향으로 이동할 때 가열처리를 수행하도록 구성함으로써, 처리대상물(1)에 하부히터(210)의 열이 급격하게 전달되는 것을 방지하여 열 충격에 취약한 PCB의 리플로우 공정도 수행함이 가능하게 된다.

또한 본 발명은 처리대상물(1)이 챔버(100) 내에서 상하로 이동하는 동안 열처리와 냉각 공정을 수행할 수 있기 때문에 종래 서셉터(200)에 안착된 상태에서 열처리와 냉각 공정을 수행하는 방식에 비하여 공정 시간을 단축시켜 생산성을 높일 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열처리 장치의 단면 구성도이다.

도 7을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 열처리 장치는, 상기 챔버(100)의 하부에 배기구(120)를 더 포함한다. 상기 배기구(120)는 앞서 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이 가스공급부(400)를 통해 냉각가스를 상기 승강지지부(310)에 의해 상향으로 이동하는 처리대상물(1)의 냉각을 더욱 빠르게 할 수 있다.

상기 처리대상물(1)이 상향으로 이동하고, 하부히터(210)와 상부히터(500)의 동작이 정지된 상태에서도 상기 하부히터(210)와 상부히터(500)에는 잔열이 남아있으며, 따라서 처리대상물(1)의 냉각에 시간이 많이 소요될 수 있다.

상기 배기구(120)를 통해 배기하면서 상기 냉각가스를 공급하는 경우 상기 상부히터(500)와 하부히터(210)의 온도를 더 빠르게 낮출 수 있으며, 따라서 처리대상물(1)의 온도를 챔버(100) 외부의 온도 또는 외부의 온도에 가깝게 되도록 빠르게 냉각시킬 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열처리 장치의 단면 구성도이다.

도 8을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 열처리 장치는, 상기 가스공급부(400)로 상부히터(500)에 의해 가열되는 샤워헤드(410)를 사용할 수 있다. 앞선 예에서는 가스공급부(400)로 노즐을 사용한 예를 도시하고 설명하였으나 샤워헤드(410)의 형상을 사용함으로써 처리대상물(1)의 전체에 균일하게 가열된 공정가스나 냉각가스를 분사할 수 있게 된다.

특히 본 발명은 처리대상물(1)이 챔버(100)의 내부로 공급된 상태에서 바로 가열처리를 수행하기 때문에 처리대상물(1)이 챔버(100)의 내측 상부에 위치하게 되며, 이때 노즐로 공정가스를 분사하는 경우에는 그 처리대상물(1)의 가장자리까지 고르게 가열된 공정가스가 분사되지 못할 수 있으나, 면적이 넓으며 다수의 분사구를 가지는 샤워헤드(410)를 사용하여 열처리 초기부터 처리대상물(1)의 전체에 고르게 공정가스를 분사할 수 있게 된다.

또한 냉각가스도 처리대상물(1)의 전체에 고르게 분사할 수 있어, 냉각효율을 높일 수 있게 된다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열처리 장치의 단면 구성도이다.

도 9를 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 열처리 장치는, 서셉터(200)의 중앙부에 마련된 중앙배기구(220)를 더 포함하여 구성된다.

상기 중앙배기구(220)는 승강지지부(310)에 의해 처리대상물(1)이 상향으로 이동할 때, 상기 샤워헤드(410)에서 분사되는 냉각가스가 상기 처리대상물(1)의 상부에 분사되어 상기 처리대상물(1)의 측면을 통해 상기 서셉터(200)의 중앙부에 마련된 중앙배기구(220)로 배기 되도록 하여 상기 처리대상물(1)을 감싸는 기류(2)가 형성되도록 한다.

이러한 기류(2)의 형성은 하부히터(210)의 잔열이 처리대상물(1)에 영향을 주는 것을 최대한 억제하여 처리대상물(1)을 더 빠르게 냉각시킬 수 있게 된다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열처리 장치의 단면 구성도이다.

도 10을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 열처리 장치는, 상기 서셉터(200)에 냉각가스를 공급하는 냉각가스공급구(230)를 더 포함하여 구성된다.

상기 냉각가스공급구(230)는 복수로 마련될 수 있으며, 상기 서셉터(200)와 그 서셉터(200)에 마련된 하부히터(210)를 통해 냉각가스를 공급함으로써 하부히터(210)를 잔열을 냉각시킬 수 있으며, 서셉터(200)와 처리대상물(1)의 사이에 냉각가스를 공급하여 처리대상물(1)이 하부히터(210)의 잔열에 의한 영향으로 냉각이 지연되는 것을 방지할 수 있게 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.

100:챔버 110:도어
120:배기구 200:서셉터
210:하부히터 220:중앙배기구
230:냉각가스공급구 300:구동부
310:승강지지부 400:가스공급부
410:샤워헤드 500:상부히터

Claims (11)

1. 챔버;
   상기 챔버의 하부측에 위치하며, 하부히터를 포함하는 서셉터;
   상기 챔버에 공급된 처리대상물을 상기 서셉터측으로 하향 이동하거나 원위치로 상향 이동시키되,
   상기 처리대상물을 상기 서셉터에 접촉시키지 않는 승강지지부; 및
   상기 처리대상물이 상기 승강지지부에 의해 하향 이동할 때 가열된 공정가스를 상기 챔버의 내부로 공급하여 상기 처리대상물을 열처리하고, 상기 처리대상물이 상기 승강지지부에 의해 상향 이동할 때 냉각가스를 상기 챔버의 내부로 공급하여 상기 처리대상물을 냉각시키는 가스공급부를 포함하는 열처리 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 챔버는,
   상기 공정가스를 가열하는 상부히터를 더 포함하는 열처리장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 가스공급부는,
   노즐 또는 샤워헤드인 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 서셉터에는,
   상기 냉각가스를 배기하여, 상기 가스공급부를 통해 공급된 상기 냉각가스가 상기 처리대상물을 감싸는 기류를 형성하도록 하는 중앙배기구가 마련된 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
   
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 서셉터에는,
   상기 서셉터의 상면과 상기 처리대상물의 사이에 냉각가스를 공급하는 냉각가스공급구가 형성된 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 챔버는,
   상기 냉각가스를 외부로 배기하는 배기구가 형성된 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
   
7. a) 챔버 내에 처리대상물을 공급하고, 상기 처리대상물의 저면을 승강지지부로 지지하는 단계;
   b) 상기 처리대상물을 내부에 하부히터가 마련된 서셉터측으로 하향이동시키면서, 공정가스를 상기 챔버 내로 공급하며, 상기 하부히터를 동작시켜 상기 처리대상물을 열처리하되, 상기 처리대상물이 서셉터에 접촉되지 않은 상태에서 열처리하는 단계; 및
   c) 상기 처리대상물의 열처리가 완료되면 상기 챔버의 내부 상측벽에 마련된 상부히터와 상기 하부히터의 동작을 정지시키고, 상기 승강지지부에 의해 지지되는 상기 처리대상물을 상향으로 이동시키면서 냉각가스를 공급하여 상기 처리대상물을 냉각시키는 단계를 포함하는 열처리 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 b) 단계의 공정가스는,
   상기 챔버 내에 마련된 상부히터에 의해 가열된 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
   
9. 제7항에 있어서,
   c) 단계는,
   상기 챔버에 마련된 배기구를 통해 상기 냉각가스를 배기하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 서셉터에 마련된 중앙배기구를 통해 상기 냉각가스를 배기하여, 상기 냉각가스가 상기 처리대상물을 감싸도록 하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
    
11. 제9항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 서셉터에 마련된 냉각가스공급구를 통해 상기 처리대상물과 상기 서셉터의 사이에 냉각가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
    

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