KR101632587B1 - 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치 - Google Patents

수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치 Download PDF

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Abstract

기판의 열 흡수율의 차이에 따른 온도편차를 해소하고, 장치의 위치마다 달라지는 복사에너지를 적절하게 보정하며, 기판에 전달되는 열효율을 최적화할 수 있는 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치를 제시한다. 그 장치는 내부격벽 및 외부격벽을 갖는 챔버로 이루어지고 내부격벽 및 외부격벽 사이에는 열배기에 의한 열순환부를 가지고, 내부격벽은 열원부가 장착되고 안쪽에는 내부격벽과 수직하게 장착된 복수개의 기판이 수납되는 열처리 공간을 확보하며, 열원부는 적외선을 방출하는 가열램프와, 가열램프의 배면에 아치 형태로 형성되고 복수개의 관통홀이 포함하는 반사판 및 가열램프 및 반사판 사이에 위치하며 제어가스를 공급하는 노즐을 포함한다.

Description

수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치{Apparatus of rapid thermal processing for substrate having vertical aligned heat source}
본 발명은 기판의 급속열처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상대적으로 대면적의 기판을 배치 방식으로 열처리하기 위하여 수직 배열의 열원을 갖는 열처리 장치에 관한 것이다.
RTA(Rapid Thermal Process)장치는 실리콘 웨이퍼나 유리기판 등과 같은 기판 상에 형성된 박막의 결정화, 상변화 등을 위하여 급속열처리를 수행하는 것이다. 예를 들어, 박막형 실리콘 태양전지는 유리 기판에 증착된 비정질실리콘을 폴리실리콘으로 결정화시키는 열처리 공정을 거친다. 통상적으로 열처리 장치는 하나의 기판에 대하여 열처리를 수행할 수 있는 매엽식과 복수개의 기판에 대하여 열처리를 수행할 수 있는 배치식이 있다. 그런데, 일반적인 급속열처리 장치는 다수의 기판을 동시에 처리하는 퍼니스에 비해 열처리되는 기판의 처리량이 상대적으로 적어서, 최근에는 대량으로 열처리하는 배치식 급속열처리 장치가 개발되어 사용되고 있다.
배치식 급속열처리 장치는 국내공개특허 제2008-0077780호, 국내공개특허 제2010-0088264호, 국내공개특허 제2012-0019645호 등에서 배치식 급속열처리 장치를 제시하고 있다. 그런데, 종래의 배치식 급속열처리 장치는 열을 흡수하는 기판마다 흡수율이 달라서 온도편차가 일어난다. 흡수율에 따른 온도편차로 인하여, 기판은 휘거나 깨워질 수 있다. 또한, 배치식의 경우, 복사에너지가 위치마다 달라지므로, 이를 적절하게 보정할 필요가 있다. 나아가, 종래의 배치식 장치는 기판에 가해지는 열전달 효율이 떨어진다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기판의 열 흡수율의 차이에 따른 온도편차를 해소하고, 장치의 위치마다 달라지는 복사에너지를 적절하게 보정하며, 기판에 전달되는 열효율을 최적화할 수 있는 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치는 내부격벽 및 외부격벽을 갖는 챔버로 이루어지고, 상기 내부격벽 및 상기 외부격벽 사이에는 열배기에 의한 열순환부를 가지고, 상기 내부격벽은 열원부가 장착되고 안쪽에는 상기 내부격벽과 수직하게 장착된 복수개의 기판이 수납되는 열처리 공간을 확보한다. 이때, 상기 열원부는 적외선을 방출하는 가열램프와, 상기 가열램프의 배면에 아치 형태로 형성되고, 복수개의 관통홀이 포함하는 반사판 및 상기 가열램프 및 상기 반사판 사이에 위치하며, 제어가스를 공급하는 노즐을 포함한다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 열원부는 커넥터가 포함하는 전원공급부로부터 전원을 공급받으며, 상기 커넥터의 오목부는 상기 열원부의 플러그 몸체의 돌출부와 결합된다. 상기 노즐은 상기 가열램프와 동일한 방향으로 배치된다. 상기 노즐의 출구는 상기 반사판의 중앙 부위에 위치한다. 상기 기판은 유리 기판 또는 실리콘 웨이퍼 중의 어느 하나일 수 있다. 상기 제어가스는 상기 가열램프 및 상기 반사판 사이에서 균일한 대류에너지를 유도한다. 상기 제어가스는 불활성가스로 이루어질 수 있다.
본 발명의 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치에 의하면, 반사판 및 제어가스를 이용하여 기판에 가해지는 온도를 조절함으로써, 기판의 열 흡수율 차이에 따른 온도편차를 해소하고, 장치의 위치마다 달라지는 복사에너지를 적절하게 보완하며, 기판에 전달되는 열효율을 최적화할 수 있다. 특히, 제어가스는 적외선을 방출하는 가열램프에 의한 복사에너지 단점을 대류에너지를 이용하여 해소하고, 열순환부를 유동하여 외부의 온도 영향을 차단한다.
도 1은 본 발명에 의한 기판의 급속열처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 기판의 급속열처리 장치에 적용된 열원부를 표현한 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 기판의 급속열처리 장치에 적용된 열원부 및 전원공급부를 설명하기 위한 분해단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예는 반사판 및 제어가스를 이용하여 기판에 가해지는 온도를 조절함으로써, 기판의 열 흡수율 차이에 따른 온도편차를 해소하고, 장치의 위치마다 달라지는 복사에너지를 적절하게 보완하며, 기판에 전달되는 열효율을 최적화할 수 있는 급속열처리 장치를 제시한다. 이를 위해, 반사판 및 노즐을 구비하는 급속열처리 장치에 대하여 구체적으로 알아보고, 이를 통하여 기판에 열이 전달되는 과정을 상세하게 설명하기로 한다. 특히, 노즐에 의해 공급되는 제어가스의 역할을 자세하게 살펴보기로 한다. 이때, 제어가스는 설명의 편의를 위하여, 그 기능을 중심으로 도출된 용어이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 기판의 급속열처리 장치를 나타내는 단면도이다. 물론, 본 발명의 범주 내에서 상기 급속열처리 장치에는 열처리에 필요한 장치가 더 부가될 수 있다.
도 1에 의하면, 급속열처리 장치는 내부격벽(20) 및 외부격벽(30)이 챔버(10)에 내장되어 있다. 구체적으로 도시하지는 않았지만, 챔버(10)는 본 발명의 급속열처리 장치를 동작시키고 감지하기 위한 다양한 부품들이 장착되어 있다. 예컨대, 전기를 제어하는 전장박스, 챔버(10)의 내부를 감지하는 창, 각종 정보를 표시하는 모니터, 로딩/언로딩 도어, 셔터 도어, 댐퍼 등이 있다. 여기서, 챔버(10)는 설명의 편의를 위하여 간략하게 표현하였다. 내부격벽(20)은 기판(110)이 로딩된 보트(100)를 수용하고, 내부격벽(20)은 사면체와 같은 다면체, 원통 등의 형태를 가질 수 있다. 내부격벽(20)은 기판(110)에 대하여 수직하게 배치된다. 이렇게 함으로써, 내부격벽(20)은 상대적으로 다수의 기판(110)을 한꺼번에 열처리할 수 있다.
내부격벽(20)은 세라크울이 충진된 세라믹과 같은 내열소재로 이루어지고, 산화가 일어나지 않도록 얇은 격자판인 외벽(21)을 부착할 수 있다. 외벽(21)은 다양한 소재가 가능하며, 니켈크롬 또는 인코넬이 바람직하다. 내부격벽(20)의 하측은 하부프레임(22)이 있고, 상측은 덮개(24)가 있다. 즉, 보트(100)를 하부프레임(22)에 안착시키고, 덮개(24)를 덮으면, 보트(100)에 탑재된 기판(110)을 열처리하기 위한 준비가 완료된다. 기판(110)은 유리 또는 실리콘 등일 수 있다. 다시 말해, 내부격벽(20)에 의해 기판(110)을 열처리하는 공간이 확보된다.
외부격벽(30)은 내부격벽(20)과 소정의 거리만큼 간격을 두고 배치되어, 열순환부(a)를 형성한다. 외부격벽(30)은 챔버(10)가 밀봉되었을 때, 챔버(10) 내부의 열이 챔버(10)에 전달되지 않도록 하는 차단벽의 역할을 한다. 다시 말해, 챔버(10) 내부의 열유동은 외부격벽(30)의 안쪽으로 제한된다. 외부격벽(30)은 유리 섬유, 콘크리트, 석고, 내열 플라스틱, 내열 세라믹 또는 돌가루 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 외부격벽(30)은 사면체와 같은 다면체, 원통 등의 형태를 가질 수 있으며, 그 두께는 본 발명의 범주 내에서 적절하게 조절될 수 있다.
열순환부(a)는 보트(100) 하방에 위치하는 제1 열순환부(a1), 내부격벽(20)의 측면에 위치하는 제2 열순환부(a2) 및 보트(100)의 상방에 위치하는 제3 열순환부(a3)를 통칭한다. 제3 열순환부(a3)는 덮개(24)를 거친 열이 수렴되는 부분이고, 제1 열순환부(a1)는 하부프레임(22)에 형성된 댐퍼(23)로부터 배출된 열이 통과하는 부분이다. 이때, 하부프레임(22) 및 덮개(24)는 내부격벽(20)에 부착된다. 내부격벽(20)에는 복수개의 열원부(50)가 설치되어 있으며, 열원부(50)에서 발생하는 열은 기판(110)을 열처리하고, 상기 열의 일부는 제1 열순환부(a1)로 방출되고 나머지는 제3 열순환부(a3)로 방출된다. 제1 열순환부(a1)로 방출된 열은 제2 열순환부(a2)를 거쳐 제3 열순환부(a3)로 향한다.
외부격벽(30) 및 챔버(10) 사이에는 브로워(40)가 설치되어, 열순환부(a)를 흐르는 열이 한쪽 방향으로 흐르도록 유도한다. 선택적으로, 외부격벽(30) 및 내부격벽(20)의 일측에는 열의 유동을 방향을 명확하게 하기 위하여, 보조격벽(31)을 더 형성할 수 있다. 열순환부(a)는 일종의 열배기로써, 기판(110)을 열처리하는 동안, 챔버(10) 외부의 영향으로부터 내부격벽(20) 내측 온도의 균일도가 변하지 않도록 한다. 실질적으로, 챔버(10) 외부는 상온이므로 열순환부(a)가 없으면, 내부격벽(20) 내측의 온도는 외부의 영향으로 국부적으로 떨어질 우려가 크다. 이렇게 되면, 기판(110)의 열처리가 원활하게 이루어지지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 기판의 급속열처리 장치에 적용된 열원부를 표현한 사시도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절단한 단면도이다. 이때, 급속열처리 장치는 도 1을 참조하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 열원부(50)는 지지프레임(51), 복수개의 가열램프(52), 복수개의 노즐(53), 반사판(54), 격벽(55) 및 횡대(56)를 포함한다. 지지프레임(51)은 내부격벽(20)에 결합되고, 본 발명의 열원부(50)를 지지한다. 가열램프(52)는 적외선에 의한 복사에너지를 발생하는 열원으로 카본램프가 바람직하며, 가로 방향(x축 방향)으로 소정의 간격만큼 이격되어 장착된다. 카본램프는 적외선을 방출하는 램프이다. 경우에 따라, 카본램프 대신에 다른 형태, 예를 들어 할로겐램프와 같은 적외선램프를 채용할 수 있다. 가열램프(52)는 세로 방향(y축 방향)으로 지지프레임(51)의 양단에 고정되며, 전원공급부(60)에 의해 전원을 공급받는다.
노즐(53)은 가열램프(52) 및 반사판(54) 사이에 위치하며, 제어가스를 공급한다. 노즐 몸체(53a)는 수개 단위의 가열램프(52)에 사이에 가열램프(52)와 동일한 방향으로 배치되며, 노즐 출구(53b)는 반사판(54)의 중앙 부위에 다다르는 것이 바람직하다. 노즐 출구(53b)가 반사판(54)의 중앙 부위에 있으면, 가열램프(52) 및 반사판(54) 사이에 공급되는 제어가스가 균일하게 확산될 수 있다. 상기 제어가스는 불활성가스인 질소, 아르곤, 헬륨 등이 사용되며, 가열램프(52) 및 반사판(54) 사이에 균일한 대류에너지 흐름을 유도한다. 이를 위해, 노즐 몸체(53a)는 일정한 간격을 유지하도록 한다. 노즐(53)로부터 공급된 제어가스는 가열램프(52)의 열에 대한 대류에너지를 형성하고 난 후에, 하부프레임(22)의 댐퍼(23)를 거쳐 제1 열순환부(a1)로 방출된다. 상기 제어가스 중의 일부는 덮개(24)를 통과하여, 제3 열순환부(a3)로 배출된다.
반사판(54)은 둥근 아치 형태의 반사판 몸체(54a) 및 복수개의 관통홀(54b)로 구성된다. 반사판 몸체(54a)를 아치 형태로 하면, 가열램프(52)의 열이 손실을 최대한 줄이고, 상기 제어가스의 대류가 원활하게 한다. 관통홀(54b)은 가열램프(52) 및 반사판(54) 사이의 압력을 일정하게 하여, 상기 제어가스의 유동을 균일하게 한다. 관통홀(54b)을 통과한 상기 제어가스는 제2 열순환부(a2)로 배출된다. 상기 제어가스는 제1 내지 제3 열순환부(a1, a2, a3)를 흐르는 매체이다. 각각의 반사판(54)은 격벽(55)에 의해 분리되며, 격벽(55)은 가로 방향으로 형성된 횡대(56)에 고정된다. 횡대(56)는 격벽(55)을 고정하며, 또한 지지프레임(51)을 상호 결합시킨다.
본 발명의 실시예에 의한 반사판(54)은 가열램프(52)의 복사에너지, 고온에서 저온의 물체로 에너지가 전달되는 형태의 복사에너지 극대화한다. 노즐(53)에 의해 공급되는 제어가스는 가열램프(52) 및 반사판(54)에 대류에너지를 제공한다. 상기 대류에너지에 의해 상기 제어가스의 온도가 상승하면, 온도가 높아진 제어가스는 팽창하여 밀도가 낮아지고 가벼워진다. 가벼워진 제어가스는 부력에 의해 상승하여, 차가운 제어가스를 밀어낸다. 이와 같은 제어가스의 순환이 계속해서 발생하면서 열이 이동하게 되는데, 이를 대류에너지라고 한다. 이러한 대류에너지는 열의 유동이 제한적인 복사에너지의 단점을 해소한다.
한편, 상기 제어가스는 제1 및 제2 열순환부(a1, a2)를 거쳐 제3 열순환부(a3)로 수렴한다. 상기 제어가스는 제1 내지 제3 열순환부(a1, a2, a3)를 흐르면서, 가열램프(52)에 의한 열을 이동시킨다. 본 발명의 실시예에 의한 열순환부(a)는 가열램프(52)의 열이 노즐(53)의 제어가스에 의해 운반되면서, 챔버(10) 외부의 온도 영향을 차단한다. 이에 따라, 열순환부(a)는 내부격벽(20) 내부의 열처리 공간의 온도가 균일하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 기판의 급속열처리 장치에 적용된 열원부 및 전원공급부를 설명하기 위한 분해단면도이다. 이때, 열원부(50)는 도 2 및 도 2를 참조하기로 한다.
도 4에 의하면, 전원공급부(60)는 체결부(61), 절연체(62a, 62b) 및 커넥터(63)가 수용되는 소켓(64)을 구비한다. 절연체(62a, 62b)는 각각 체결부(61)와 커넥터(63) 및 커넥터(63)와 소켓(64) 사이의 전기적인 절연을 위한 것으로, 공지된 소재를 사용할 수 있다. 체결부(61)는 절연체(62a, 62b)를 포함한 커넥터(63)를 소켓(64)에 체결하며, 너트가 바람직하다. 커넥터(63)에는 가열램프(52)의 양단에 결합된 플러그(57)가 삽입된다. 한편, 플러그(57) 및 커넥터(63)가 단단하게 고정되기 위해서, 플러그 몸체(57a)에 돌출부(57b)를 형성하고, 커넥터 몸체(63a)에 형성된 오목부(63b)에 돌출부(57b)를 정합시킬 수 있다. 돌출부(57b) 및 오목부(63b)에 의해, 플러그(57)는 커넥터(63)에 단단하게 결합한다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 챔버 20; 내부격벽
21; 외벽 22; 하부프레임
23; 댐퍼 24; 덮개
30; 외부격벽 31; 보조격벽
40; 브로워 50; 열원부
51; 지지프레임 52; 가열램프
53; 노즐 54; 반사판
55; 격벽 56; 횡대
57; 플러그 60; 전원공급부

Claims (7)

  1. 내부격벽 및 외부격벽을 갖는 챔버로 이루어지고, 상기 내부격벽 및 상기 외부격벽 사이에는 열배기에 의한 열순환부를 가지고,
    상기 내부격벽은 열원부가 장착되고, 안쪽에는 상기 내부격벽과 수직하게 장착된 복수개의 기판이 수납되는 열처리 공간을 확보하며,
    상기 열원부는,
    적외선을 방출하는 가열램프;
    상기 가열램프의 배면에 아치 형태로 형성되고, 복수개의 관통홀이 포함하는 반사판; 및
    상기 가열램프 및 상기 반사판 사이에 위치하며, 제어가스를 공급하는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열원부는 커넥터가 포함하는 전원공급부로부터 전원을 공급받으며, 상기 커넥터의 오목부는 상기 열원부의 플러그 몸체의 돌출부와 결합되는 것을 특징으로 하는 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 노즐은 상기 가열램프와 동일한 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 노즐의 출구는 상기 반사판의 중앙 부위에 위치하는 것을 특징으로 하는 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기판은 유리 기판 또는 실리콘 웨이퍼 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어가스는 상기 가열램프 및 상기 반사판 사이에서 대류에너지가 유도되고, 상기 대류에너지는 열의 유동을 일으키는 것을 특징으로 하는 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어가스는 불활성가스로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직 배열의 열원을 갖는 기판의 급속열처리 장치.
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