KR102053471B1 - 기판 가열 장치 - Google Patents

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스미트 써멀 솔루션스 비.브이.
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Abstract

본 발명은 재료를 기판에 결정화하기 위한 사전설정된 온도 프로파일에 따라 기판(12)을 가열하기 위한 장치(1)에 관한 것으로서, 하우징(2),하우징 내부에 위치하는 적어도 하나의 공정 챔버(3)를 포함하되, 공정 챔버는 기판을 통과시키기 위한 제1 및 제2 개구부, 증기 상태의 재료를 포함하는 공정 가스를 제1 공정 챔버 내로 도입하기 위한 유입구(17), 하우징(2)에 회전가능하게 부착되어 기판을 공정 챔버(3) 내로 이송하기 위한 적어도 두 개의 이송 롤러(15)를 포함하는 기판 가열 장치에 관한 것이다. 이러한 장치에는 또한 공정 가스가 공정 챔버로부터 공정 챔버(3)와 하우징(2) 사이의 공간으로 누출되는 것을 방지하기 위해 공정 챔버(3) 내 각각의 이송 롤러(15)들 단부에 근접하게 위치한 통로 공간(20, 25)들이 구비되는데, 각 통로 공간(20)은 공정 챔버(3)의 내벽(23) 상의 제1 통로 개구부(21), 공정 챔버(3)의 외벽(24) 상의 제2 통로 개구부(22), 및 이송 롤러(15) 주위에 고정된 제1 플랜지(25)가 구비되어 있다.

Description

기판 가열 장치{DEVICE FOR HEATING A SUBSTRATE}
본 발명은 기판을 가열하기 위한 장치에 관한 것으로서, 재료를 기판에 결정화하기 위한 사전설정된 온도 프로파일에 따라 기판을 가열하기 위한 장치에 관한 것이다.
이와 같은 장치는 미국특허 제5,578,503호에 공지되어 있으며 급속열처리장비(Rapid Thermal Processor, RTP)로 일컬어지기도 한다.
공지된 장치는, 예를 들어 기판 상에 재료를 결정화하기 위해, 특정 온도 프로파일에 따라 기판을 연이어 가열 및 냉각하는 데 사용된다. 사전에 도포된(applied) 셀레늄(selenium)층 등을 사용하여 광흡수성 박막층을 생성하는데, 이는 구리(Cu), 인듐(I), 갈륨(Ga) 및/또는 셀레늄(Se)을 포함하며, 예를 들어 태양광 전지의 광전 효율을 개선시키는 데 사용된다. 공지된 장치는, 예를 들어 금속 증기를 포함하는 공정 가스의 제어된 대기 내에서, 예를 들어 구리, 인듐, 갈륨 및/또는 셀레늄을 포함하는 이러한 기재(base material)를 결정화하는 데 사용될 수 있다.
공지된 장치는 여러 개의 공정 챔버를 포함할 수 있는데, 이러한 공정 챔버들을 가열 요소들에 의해 가열시킴으로써 각각에 특정 온도 프로파일이 적용되게 한다.
공지된 장치에는 또한 하우징 내로 정화(purge) 가스가 유입될 수 있도록 하는 가스 유입구가 제공될 수 있는데, 예를 들어 저산소(low-oxygen) 환경을 생성하기 위한 질소(N2)가 유입될 수 있다. 다음 공정 챔버는 재결정화를 수행하는 데 바람직한 후속 온도 프로파일에 따라 다른 온도로 설정될 수 있다.
더 나아가, 공정 챔버들은 제어된 대기를 수용하는데, 예를 들어 공정 가스를 수용할 수 있으며, 이는 예를 들어 셀레늄 증기를 포함하여, 재결정화가 소정의 상전이(phase transition)로 일어나도록 한다. 공지된 장치에는 또한 제1 및 제2의 개구부를 통해 기판을 공정 챔버 안으로 및 밖으로 이송하기 위한 이송 수단이 제공된다. 이러한 이송 수단은 기판을 수용하는 박스(box)를 포함할 수 있다. 이러한 박스 안에는 간단한 방식으로 기판의 소정 환경이, 예를 들면 셀레늄 증기가, 소정 압력 혹은 증기압(vapour pressure)으로 유지될 수 있다. 공지된 장치에서는 공정 챔버 내에서 기판의 환경을 제어하는 것이 문제가 된다.
본 발명의 목적은 개선된 재료 결정화가 수행될 수 있는 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 이 목적을 달성하기 위해, 재료를 기판에 결정화하기 위한 사전설정된 온도 프로파일에 따라 기판을 가열하기 위한 장치로서, 하우징, 하우징 내부에 위치하는 적어도 하나의 공정 챔버를 포함하되, 공정 챔버는 기판을 통과시키기 위한 제1 및 제2 실링가능(sealable) 개구부, 공정 가스를 공정 챔버 내로 도입하기 위한 유입구, 하우징에 회전가능하게 부착되어 기판을 공정 챔버 내로 이송하기 위한 적어도 2개의 이송 롤러, 및 공정 가스가 공정 챔버로부터 공정 챔버와 하우징 사이의 공간으로 누출되는 것을 방지하는 실링(sealing) 수단을 구비하고, 실링 수단은 각각 이송 롤러들 단부에 근접하게 위치한 통로 공간들을 포함하고, 통로 공간들 각각은 공정 챔버의 내벽 상의 제1 통로 개구부, 공정 챔버의 외벽 상의 제2 통로 개구부, 및 이송 롤러 주위에 고정된 제1 플랜지(flange)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치가 제공된다. 실링 수단은 공정 가스가 공정 챔버로부터 하우징과 공정 챔버 사이의 공간으로 누출되는 것을 방지한다. 이러한 공정 가스는 공정 챔버 내 이송 롤러들의 통로를 통해 누출될 수 있다. 손실을 방지함에 따라, 기판의 환경 내에서 공정 가스의, 예를 들면 증기상(vapour phase)의, 조건들이 보다 정확히 제어될 수 있어 개선된 재결정화로 이어질 수 있다. 더욱이, 공정 가스에 의한 정화 가스의 오염이 방지된다. 이러한 실링 수단을 사용함으로써, 이송 롤러들 위에 기판을 직접 안착시키는 것도 가능해진다. 더 이상 박스가 존재하지 않으므로, 기판은 원하는 온도 프로파일을 더 잘 따를 수 있고, 박스의 열용량이 존재하지 않으므로, 재료의 재결정화를 위한 조건들이 더욱 개선된다.
통로 공간에 플랜지를 제공하여, 예를 들어 플랜지가 축방향으로 내벽 중 일측 또는 양측을 가압하게 하면, 공정 가스가 통로를 통해 공정 챔버와 하우징 사이의 공간으로 누출되는 것을 더 방지할 수 있다. 이러한 구성의 또 다른 장점은, 플랜지 실링이 이송 액슬(axle)을 따라 축방향으로 슬라이딩할 수 있으며 공정 챔버의 벽에 대하여 방사 방향으로 이동할 수 있어, 다양한 열팽창에 의해 초래되는 이송 롤러들의 치수 및 위치에 대한 치수 변화를 보상하는 것이 가능해진다는 점이다.
상기 기판 가열 장치의 일실시예에서는 각 통로 공간이 제1 플랜지에 인접하여 이송 롤러 주위에 고정된 제2 플랜지를 포함하되, 제1 플랜지는 제1 통로 개구부에 근접하게 위치하고, 제2 플랜지는 제2 통로 개구부에 근접하게 위치한다. 제2 플랜지를 사용함으로써, 플랜지들의 측면들이 통로 공간의 내벽들에 대하여 서로 독립적으로 조절될 수 있고, 통로 공간의 내벽과 플랜지들 사이의 공차(tolerance)가 간단한 방식으로 보상될 수 있어 개선된 실링이 제공될 수 있다.
상기 기판 가열 장치의 일실시예에서는 제1 플랜지 또는 제2 플랜지와 통로 공간의 벽 사이에서 방사 방향으로 연장되는 스프링 공간이 구비된다. 이 스프링 공간은 공정 챔버의 가열 또는 냉각 중 플랜지들과 통로 공간의 벽들 간의 팽창의 차이를 보상할 수 있다.
상기 기판 가열 장치의 일실시예에서는 가스를 배출하기 위해 스프링 공간에 연결되는 배출 덕트가 구비된다.
이러한 배출 덕트를 통해, 제1 또는 제2 플랜지 및 이송 액슬의 주변을 따라 누출될 수도 있는 배기 가스 또는 공정 가스와 정화 가스의 가스 혼합물이 배출될 수 있고, 따라서 이러한 공정 가스가 공정 챔버와 하우징 사이의 공간에 유입되는 것을 방지할 수 있다.
상기 기판 가열 장치의 일실시예에서는 제1 플랜지의 두께(a)가 제2 플랜지의 두께(b)와 상이하다. 제1 플랜지의 두께(a)가 제2 플랜지의 두께(b)와 상이하게 선택함으로써, 기판 가열 장치가 동작하고 실링 플랜지들과 이송 롤러 사이에 동일한 간격이 존재할 때 공정 챔버 및 공정 챔버와 하우징 사이의 공간 사이의 누출 손실을 아래의 식에 따라 조절하는 것이 가능하다.
Dex = Dp (1+a/b) (1)
여기서, Dex는 배출 덕트를 통과하는 가스 혼합물의 유동(flow)을 나타내고, Dp는 공정 챔버 내로 도입되는 공정 가스의 유동을 나타낸다.
상기 기판 가열 장치의 일실시예에서는 정화 가스를 도입하기 위해 공정 챔버와 하우징 사이의 공간에 연결되는 공급원이 구비된다. 정화 가스는 불활성 대기를 제공할 수 있으며, 예를 들어 공정 챔버의 벽의 그라파이트가 연소하지 않게 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 기판 가열 장치가 제1 플랜지의 축방향 측면에 의해 통로 공간 중 제1 통로 개구부 주위의 일부분에 제1 힘을 가하도록 및/또는 제2 플랜지의 축방향 측면에 의해 통로 공간 중 제2 통로 개구부 주위의 일부분에 제2 힘을 가하도록 통로 공간 내에 배치되는 스프링 요소를 포함한다. 이러한 스프링 요소는 제1 및 제2 플랜지 각각으로 통로 공간의 측벽들에 축방향으로 힘을 가하며, 통로의 효율적인 실링이 달성된다.
본 발명의 일실시예에서는 기판 가열 장치에 공정 챔버의 유입구 내에 위치하여 공정 가스 기류를 조절하기 위한 조절가능한 제1 기류 제어 유닛 및 스프링 챔버의 배출 덕트 내에 위치하여 배기 가스(off-gas) 기류를 조절하기 위한 제2 기류 제어 유닛이 구비되고, 조절가능한 공정 가스 기류 및 조절가능한 배기 가스 기류에 의해, 실링된 상태의 실링가능한 공정 챔버 내 공정 가스의 압력 및 공정 챔버와 하우징 사이의 공간 내 정화 가스의 압력 사이에 원하는 압력차가 설정될 수 있다. 양수 또는 음수의 압력차로 인해, 폐쇄 상태의 실링가능 공정 챔버에 대한 누출 기류의 유입 또는 유출 방향이 조절될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 기판 가열 장치에 공정 챔버와 하우징 사이의 공간 내 정화 가스의 압력을 기록하기 위한 제1 압력 센서, 공정 가스의 압력을 기록하기 위해 공정 챔버 내에 위치하는 제2 압력 센서, 및 압력 센서들과 조절가능한 기류 제어 유닛들에 연결된 제어 유닛이 구비되고, 제어 유닛은 원하는 압력차를 유지하도록 구성된다.
상기 기판 가열 장치의 일실시예에서는 스프링 요소가 제1 및 제2 플랜지 사이에 장착되는 링을 포함한다.
상기 기판 가열 장치의 일실시예에서는 제1 및 제2 플랜지의 대향하는 측면들에 방사 방향의 리브가 구비되고, 제1 플랜지 및 제2 플랜지의 두 인접한 리브들에 의해 형성되는 협각(α)들은 서로 동일하다. 제1 및 제2 플랜지 상의 리브의 개수는 예를 들어 3개일 수 있다. 제1 및 제2 플랜지에 이러한 3개의 리브를 사용함으로써, 스프링 링의 압력이 조절될 수 있다. 이 경우, 협각은 120도이다.
상기 기판 가열 장치의 일실시예에서는, 제1 플랜지가, 제1 플랜지의 리브들이 제2 플랜지의 리브들에 대하여 이송 롤러의 세로축을 중심으로 고정 각도(β)만큼 회전되도록, 제2 플랜지에 대하여 위치하되, 고정 각도(β)는 협각의 절반과 동일하다. 제1 플랜지의 리브들을 제2 플랜지의 리브들 사이의 중앙에 위치시킴으로써, 스프링의 압력이 효율적으로 조절될 수 있다. 제1 및 제2 플랜지 각각에 3개의 리브들이 사용되는 경우, 제2 플랜지에 대하여 제1 플랜지가 위치한 이송 롤러의 세로축을 중심으로 한 고정 각도(β)는 대략 60도이다.
본 발명의 일실시예에서, 링은 탄소 함유 재료, 특히 탄소섬유 강화 탄소를 포함한다. 상기 탄소섬유 강화 탄소는 충분한 강도를 가지는 내열성 재료이다.
상기 기판 가열 장치의 일실시예에서는, 제1 플랜지 및 제2 플랜지가 그라파이트(graphite), 용융 실리카(fused silica), 또는 보로실리케이트(borosilicate)를 포함한다. 그라파이트, 보로실리케이트, 및 용융 실리카는 충분한 강성을 가지는 내열성 재료이다.
상기 기판 가열 장치의 일실시예에서, 통로 공간의 외벽에는 이송 롤러 주위에 탈착부가 구비된다. 제1 공정 챔버의 외벽의 일부를 탈착가능하게 함으로써, 이송 롤러는 간단한 방식으로 제1 공정 챔버 내에 장착될 수 있다.
상기 기판 가열 장치의 다른 일실시예에서는 기판의 이송 방향으로 적어도 제1 공정 챔버의 앞에 위치하는 증기 이송 증착 장치가 구비된다. 기판을 가열하기 위한 장치에 증기 이송 증착 장치를 포함시키는 것의 한 가지 장점은, 셀레늄층이 도포된 후 기판이 곧바로 장치 내의 공정 챔버 내로 이송될 수 있고, 그 결과 대량 생산이 보다 효율적인 방식으로 이루어질 수 있다는 점이다.
상기 기판 가열 장치의 다른 일실시예에서는 이송 롤러들을 회전시키기 위해 이송 롤러들에 결합된 구동 장치가 구비된다. 이로써, 기판은 제1 공정 챔버 내외로 이송될 수 있다.
상기 기판 가열 장치의 일실시예에서는, 구동 장치가 공정 챔버 내에서 기판의 왕복(oscillating) 이동을 구현하기 위해 이송 롤러들을 회전시키도록 구성된다. 이송 롤러들에 걸친 기판의 왕복 이동으로 인해, 기판과 이송 롤러들 간의 접촉에 의한 열전달이 기판에 걸쳐 분산(spread)된다.
본 발명이 일부 바람직한 실시예들에 대하여 설명될 것이지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 설명되는 실시예들은 본 발명의 가능한 해석의 예일 뿐이며, 본 발명의 장점들이 다른 방식으로도 달성될 수 있다는 점이 해당 분야의 기술자자에게 자명할 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 개선된 재료 결정화가 수행될 수 있는 장치가 제공된다.
도 1은 기판 가열 장치를 개략적으로 나타내는 측면도,
도 2는 공정 챔버 및 이송 롤러를 위한 통로의 상세 구조를 개략적으로 나타내는 단면도,
도 3은 제1 플랜지의 측면을 개략적으로 나타내는 도면,
도 4는 제1 플랜지 및 제2 플랜지 및 스프링의 조립체를 개략적으로 나타내는 단면도,
도 5는 공정 챔버를 개략적으로 나타내는 평면도,
도 6은 공정 챔버를 개략적으로 나타내는 측면도,
도 7은 조절가능한 기류 제어 유닛들이 구비된 기판 가열 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
도면들에서 동일한 부분은 동일한 참조번호로 표시되어 있다.
도 1은 재료를 기판에 결정화하기 위한 사전설정된 온도 프로파일에 따라 기판을 가열하기 위한 기판 가열 장치(1)의 측면도이다. 이러한 기판 가열 장치(1)는 급속열처리장비(Rapid Thermal Processor, RTP)로 일컬어지기도 하며, 예를 들어 기판으로부터 복수의 광발전 태양 전지를 제조하는 데 사용된다. 기판은 예를 들어 유리 또는 보로실리케이트를 함유할 수 있고, 예를 들어 60 x 40 cm, 120 x 60 cm, 또는 110 x 140 cm 의 크기를 가질 수 있다. 기판 가열 장치(1)는 예를 들어 강판의 스택(stack)과 같은 적층(layered) 재료, 예를 들어 암면(rock wool)과 같은 내열성 단열 재료, 및 그라파이트층으로 이루어진 하우징(2)을 포함한다. 기판 가열 장치는 또한 복수의, 예를 들면 3개의 공정 챔버(3,4,5)들을 포함하는데, 이들은 모두 하우징(2) 내부에 위치한다. 공정 챔버들에는 각각 제1 개구부(6,8,10) 및 제2 개구부(7,9,11)가 구비되어 기판(12)이 공정 챔버들 각각의 제1 및 제2 개구부를 통해 기판 가열 장치 내로 통과한다. 공정 챔버(3,4,5)들은 그라파이트, 보로실리케이트 또는 용융 실리카로 제작될 수 있다. 또한, 기판 가열 장치에는 유입 포트(13) 및 유출 포트(14)가 구비될 수 있으며, 이들 사이에 공정 챔버(3,4,5)들이 배치된다. 유입 포트 및 유출 포트는 실링될 수 있고, 기판(12)들이 들어가거나 나갈 수 있게 하는 도어(door)들이 구비될 수 있다. 유입 포트 및 유출 포트 또한 그라파이트, 보로실리케이트, 또는 용융 실리카로 제작될 수 있다.
공정 챔버(3,4,5)들에는 또한, 예를 들어 석영(quartz) 요소(45)와 같은, 전기식 가열 요소들이 구비되어 공정 챔버들 내에 원하는 온도 프로파일을 생성할 수 있다. 이 경우 프로파일 내의 온도 범위는 예를 들어 300 내지 550℃의 범위로 설정될 수 있다. 기판 가열 장치에는 또한 각각의 유입구(17)들을 통해 각각의 공정 챔버들에 결합된 증발기(16)들이 구비될 수 있다. 증발기(16)들은 기판에 도포될 재료를, 예를 들면 셀레늄을, 융해 및 증발시키도록 설계되며, 셀레늄의 융해점 이상으로 셀레늄 재료를 가열시키기 위한 전기식 가열 요소들이 구비될 수 있다. 적용될 수 있는 재료의 다른 예로서 은(Ag) 또는 황(S)을 들 수 있다.
증발된 재료 및 예를 들어 질소를 포함하는 공정 가스는 각각의 유입구(17)들을 통해 공정 챔버(3,4,5)들로 통과된다.
기판 가열 장치(1)에는 또한 기판(12)을 원하는 제1 온도로, 예를 들면 100℃로, 가열시키기 위한 예열기(preheater)(40)가 구비될 수 있다. 예열기는 석영 튜브(41)들을 포함할 수 있다. 기판 가열 장치(1)에는 또한 공지된 증기 이송 증착 장치(42)가 구비될 수 있다. 증기 이송 증착 장치(42)는 기판(12)의 이송 방향으로 적어도 제1 공정 챔버(4)의 앞에 위치하는데, 예를 들어 유입 포트(14)와 제1 공정 챔버(4) 사이에 위치한다.
증기 이송 증착 장치(42)는 도포될 재료를, 예를 들면 셀레늄을, 증발시키기 위한 증발기 및 질소의 공급을 위한 연결을 포함한다. 증기 이송 증착 장치에는 또한 방류 개구부(44)가 있는 유출 덕트(42)가 구비되는데, 증기 이송 증착 장치는 대략 500℃ 온도의 질소 셀레늄 증기(48)를 기판(12)의 상면에 공급하도록 구성된다. 방류 개구부(44)의 너비는 기판의 너비에 대응하며, 예를 들어 60 cm 이다. 방류 개구부의 길이는 예를 들어 20 mm 이다. 더 나아가, 증기 이송 증착 장치에는 기판에 증착되지 않은 질소 셀레늄 증기(48)를 방출(extract)하기 위해 기판을 향하는 방출 개구부를 가진 2개의 방출 덕트(46)가 구비되어 있다. 기판 가열 장치에 증기 이송 증착 장치를 포함시키는 것의 한 가지 장점은, 셀레늄층이 도포된 후 기판이 곧바로 장치 내부의 공정 챔버로 이송될 수 있고, 그 결과 대량 생산이 보다 효율적인 방식으로 이루어질 수 있다는 점이다.
기판 가열 장치(1)에는 또한 가스 유입구(18)가 구비되어 하우징 내로 정화 가스가, 예를 들어 질소(N2)와 같은 불활성 가스가, 유입될 수 있게 하여 하우징(2)과 공정 챔버(3,4,5) 사이의 공간에 저산소(low-oxygen) 환경을 생성하고, 그로 인해 그라파이트 재료가, 예를 들면 공정 챔버(3,4,5)들의 벽들의 그라파이트 재료가, 연소하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 기판 가열 장치에는 하우징(2) 내부에 진공을 형성하기 위한 진공 펌프(19)가 구비될 수 있다. 기판 가열 장치 내부의 압력은 0.001 및 1100 mbar absolute 사이의 범위로 설정될 수 있다.
기판의 온도 프로파일 및 셀레늄 증기의 제어된 증기압으로 인해, 재결정화는 원하는 상전이(phase transition)로 이루어질 수 있다.
기판 가열 장치에는 연이은 공정 챔버(3,4,5)들의 제1 개구부(6,8,10) 및 제2 개구부(7,9,11)들을 통하여 유입 포트(13)로부터 유출 포트(14)로 기판을 이동시키기 위한 이송 롤러(15)들이 구비될 수 있다. 이송 롤러(15)들은 용융 실리카로 제작될 수 있으며, 예를 들어 80 cm 의 길이 및 100 mm 의 직경을 가질 수 있다. 공정 챔버(3,4,5)들의 구조는 동일하다.
이송 롤러들은 하우징에 회전가능하게 부착되어 공정 챔버(3,4,5)들 내부에서 기판(12)들의 이송을 가능하게 할 수 있다.
공정 챔버(3,4,5)들의 치수들은 복수의 기판(12)들이 하나의 공정 챔버(3,4,5) 안에서 처리될 수 있도록 선택될 수 있다.
셀레늄 증기를 포함하는 공정 가스가 공정 챔버로부터 공정 챔버와 하우징 사이의 공간으로 손실되는 것을 방지하기 위해, 기판 가열 장치는 실링 수단을 포함한다. 본 발명의 일실시예에서, 이러한 실링 수단들은 공정 챔버들의 벽들에서 각 이송 롤러(15)의 단부들에 근접하게 구비된 통로 공간(20)들을 포함한다.
도 2는 통로 공간(20)이 있는 공정 챔버의 상세 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 통로 공간(20)에는 공정 챔버(3)의 내벽(23)에 형성된 제1 통로 개구부(21), 공정 챔버의 외벽(24)에 형성된 제2 통로 개구부(22), 및 이송 롤러(15)의 주위에 고정된 제1 플랜지(25) 및 제2 플랜지(26)가 구비되어, 증기 상태의 재료가 통로 공간을 통해 손실되는 것을 방지할 수 있다.
제2 플랜지(26)는 제1 플랜지(25)에 인접하여 이송 롤러 주위에 고정되되, 제1 플랜지(25)는 제1 통로 개구부(21)에 근접하게 위치하고 제2 플랜지(26)는 제2 통로 개구부(22)에 근접하게 위치할 수 있다. 제1 및 제2 플랜지(25,26)는 그라파이트, 보로실리케이트, 또는 용융 실리카로 제작될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 플랜지의 대향하는 면들에는 예를 들어 3개의 방사 방향 리브들이 구비될 수 있다. 도 3은 제1 플랜지(25)의 측면 및 이에 구비된 3개의 리브(27,28,29)들을 나타낸다. 또한, 도 3에는 제1 플랜지 상에 투영된 제2 플랜지(26)의 3개의 리브(27',28',29')들이 도시되어 있는데, 이 경우 제1 플랜지와 제2 플랜지의 인접하는 두 리브들에 의해 형성되는 협각(included angle)(α)들은 서로 동일하고, 제1 플랜지는 제1 플랜지의 3개의 리브들이 이송 롤러의 세로축을 중심으로 제2 플랜지의 3개의 리브들에 대하여 고정 각도(β)만큼 회전되도록 제2 플랜지에 대하여 위치할 수 있으며, 여기서 고정 각도는 협각의 절반과 동일하다. 플랜지마다 3개의 리브들이 있는 경우, 고정 각도는 60도이다.
도 3에는 플랜지(25)의 측면 및 이에 구비된 3개의 리브(27,28,29)들이 도시되어 있다. 또한, 도 3에는 제1 플랜지 상에 투영된 제2 플랜지(26)의 3개의 리브(27',28',29')들이 도시되어 있다.
통로 공간은 제1 및 제2 플랜지(25,26) 사이의 스프링 공간(31) 내에 장착되는 환형의 스프링 요소(30)를 포함하여, 제1 플랜지(25)의 축방향 측면에 의해 통로 공간 중 제1 통로 개구부(21) 주위의 일부분에 제1 힘이 가해질 수 있게 그리고/또는 제2 플랜지(26)의 축방향 측면에 의해 통로 공간 중 제2 통로 개구부 주위의 일부분에 제2 힘이 가해질 수 있게 할 수 있다. 스프링 공간(31)은 제1 플랜지(25) 및 제2 플랜지(26)와 공정 챔버의 벽 사이에서 방사 방향으로 연장된다. 환형 요소(30)는 탄소섬유 강화 탄소로 제작될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 스프링 요소는 제1 플랜지(25) 및 제2 플랜지(26)에 포함될 수 있다.
도 4는 제1 및 제2 플랜지(25,26)의 조립체의 단면도로서, 링(30)이 제1 플랜지(25)의 리브(28,29)들 및 제2 플랜지(26)의 리브(28')에 걸쳐 이어지는 것을 도시하고 있다. 제1의 연이은 리브(27,28,29)들 및 제2 플랜지의 연이은 리브(27',28',29')들에 의해 링(30)이 클램핑(clamp)됨에 따라, 링(30)은 프리스트레스(prestress) 하에 있게 되어, 제1 플랜지(25)의 축방향 측면에 의해 통로 공간 중 제1 통로 개구부 주위의 일부분에 제1 힘이 가해질 수 있고, 제2 플랜지의 축방향 측면에 의해 통로 공간 중 제2 통로 개구부 주위의 일부분에 제2 힘이 가해질 수 있다. 이로 인해 통로의 실링이 달성되어 통로를 통한 증발된 재료의 누출이 방지된다.
필요한 경우, 프리스트레스를 증가시키기 위해 복수의 링(30)들이 장착될 수 있다.
스프링 공간(31)은 제1 및 제2 플랜지(25,26) 사이 및 플랜지(25,26)들의 가장자리와 통로 공간(20)의 벽 사이에서 방사 방향으로 연장되어, 장치의 가열 또는 냉각으로 인한 플랜지(25,26)들의 재료와 공정 챔버의 벽들의 재료 사이의 팽창의 차이를 보상한다.
공정 챔버(3)에는 또한 스프링 공간(31)에 연결되는 배출 덕트(50)가 구비되는데, 이는 제1 플랜지(25)와 통로 공간(20)의 이송 액슬(15) 사이의 제1 틈새를 통해 누출될 수도 있는 배기 가스, 예를 들면 셀레늄 증기를 포함하는 공정 가스와 N2의 혼합물의 배출 및 제2 플랜지(26)와 이송 액슬(15) 사이의 제2 틈새를 통해 누출될 수도 있는 정화 가스 또는 불활성 가스의 배출을 위한 것이다. 스프링 챔버(31)들의 배출 덕트(50)들은 서로 연결될 수 있고 진공 펌프(미도시)에 연결될 수 있다. 제1 플랜지(25)의 두께(a)는 제2 플랜지(26)의 두께(b)와 동일할 수 있고, 또는 서로 상이하도록 선택될 수도 있다. 두께(a)와 두께(b) 사이에 고정된 비율을 선택하고 유입구(17)를 통과하는 공정 가스 기류를 기준으로 배출 덕트(50)를 통과하는 유동을 조절함으로써, 폐쇄된 공정 챔버(3) 내의 공정 공간과 공정 챔버와 하우징(2) 사이의 공간 내의 정화 가스의 압력 사이에 압력차를 설정하는 것이 가능하다. 이에 대해서는 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 공정 챔버(3)를 가진 기판 가열 장치(1)의 일실시예를 개략적으로 나타내는데, 기판 가열 장치에는 공정 가스 기류를 조절하기 위해 공정 챔버(3)의 유입구(17)에 위치하는 조절가능한 제1 기류 제어 유닛(51) 및 스프링 챔버(31)로부터의 배기 가스 기류를 조절하기 위해 배출 덕트(50)에 위치하는 제2 기류 제어 유닛(52)이 더 구비되어 있다. 조절가능한 기류 제어 유닛(51,52)들은 각각 공정 가스 기류 및 배기 가스 기류의 원하는 유동(Dp, Dex)이 통과할 수 있도록 구성되어 있다. 조절가능한 공정 가스 기류 및 조절가능한 배기 가스 기류로 인해, 실링된 상태의 실링가능 공정 챔버(3) 내 공정 가스의 압력 및 공정 챔버(3)와 하우징(2) 사이의 공간 내 정화 가스의 압력 사이에 원하는 압력차가 설정될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 기판 가열 장치에는 또한 공정 챔버(3,4,5)와 하우징(2) 사이의 공간 내 정화 가스의 압력(Pf)을 기록하기 위한 제1 압력 센서(53), 공정 가스의 압력(Pp)을 기록하기 위해 공정 챔버(3) 내에 위치하는 제2 압력 센서(53), 및 압력 센서(53,54)들과 조절가능한 기류 제어 유닛(51,52)들에 연결된 제어 유닛(55)이 구비될 수 있다. 제어 유닛(55)은 원하는 공정 가스 기류에서 조절가능한 압력차(Pf 및 Pp)를 유지하도록 더 구성되어 있다. 또한, 도 7에는 이송 액슬(15)이 도시되어 있는데, 이는 통로 공간(20)들에 의해 하우징(2)에 회전가능하게 연결되어 있다. 통로 공간(20)들에는 제1 및 제2 플랜지(25,26)들이 구비되어 있다. 더 나아가, 스프링 공간(31)은 플랜지(25,26)들 및 통로 공간(20)의 벽 사이에서 방사 방향으로 연장된다. 스프링 공간은 또한 이송 액슬(15) 및 통로 공간(20)의 벽과 연통 상태(open communication)에 있다. 스프링 공간(31)은 배출 덕트(50)를 통해 진공 펌프(미도시)에 연결된다. 공정 챔버가 폐쇄되어 있고, 공정 가스의 압력(Pp)이 공정 챔버(3)와 하우징(2) 사이의 공간 내부의 정화 가스의 압력(Pf)과 동일하고, 제1 플랜지(25) 및 제2 플랜지(26)와 이송 액슬(15) 사이에 각각 동일한 간격이 있는 상황에서, 배출 덕트를 통해 배출되는 배기 가스 기류의 유동은 아래의 식에 따라 결정된다.
Dex = Dp (1+a/b) (1)
여기서, Dex는 배출 덕트를 통하여 배출되는 배기 가스 기류의 유동을 나타내고,
Dp는 공정 챔버 내로 도입되는 공정 가스의 유동을 나타내고,
a는 제1 플랜지의 두께를 나타내고,
b는 제2 플랜지의 두께를 나타낸다.
본 발명의 일실시예에서는, 공정 챔버 내 배출 덕트(50)를 통과하는 배기 가스 기류의 유동(Dex)의 크기를 설정함으로써 공정 챔버(3)와 하우징(2) 사이의 공간 내의 정화 가스의 압력에 비해 과압(overpressure) 또는 부압(underpressure)을 달성하는 것이 가능한데, 이로써 원하는 공정에 따라 누출 기류가 공정 챔버 내로 또는 공정 챔버 외로 향하게 하는 것이 가능하다.
공정 챔버(3) 내에 이송 롤러(15)들의 장착을 가능하게 하기 위해, 통로 공간의 외벽(24)에는 이송 롤러(15) 주위에 탈착부(32)가 구비될 수 있다. 이송 롤러(15)들에는 또한 기판(3)과 이송 롤러(15)들 사이의 열전도를 감소시키기 위한 방사 방향의 리브(34)들이 구비될 수 있는데, 이는 기판 상에 보다 균일한 온도 분포를 획득하기 위함이다. 본 발명의 일실시예에서, 실링 수단은 공정 챔버들의 제1 및 제2 개구부들 각각을 실링하기 위한 공정 챔버 도어들을 포함하여, 셀레늄 증기가 공정 챔버로부터 누출되는 것을 방지한다.
도 5는 공정 챔버(3)의 평면도로서, 공정 챔버에는 공정 챔버(3)의 제1 개구부(6)를 실링하기 위한 제1 공정 챔버 도어(37) 및 공정 챔버(3)의 제2 개구부(7)를 실링하기 위한 제2 공정 챔버 도어(38) 및 각각의 공정 챔버 도어들을 개방 및 폐쇄하기 위한 액츄에이터(33)들이 구비되어 있다. 공정 챔버 도어(37,38)들도 그라파이트, 보로실리케이트, 또는 용융 실리카로 제작될 수 있다.
도 6은 공정 챔버(3)와 공정 챔버(3)의 공정 챔버 도어(37) 및 개구부(6)를 나타내는 측면도이다. 더 나아가, 도 6에는 공정 챔버 도어(37)를 개방 및 폐쇄하기 위한 액츄에이터(33)가 도시되어 있다. 또한, 기판 가열 장치에는 액츄에이터들을 작동시키기 위해 액츄에이터들에 전기적으로 결합된 제어 장치가 구비될 수 있고, 제어 장치는 기판이 제1 공정 챔버로부터 제2 공정 챔버로 통과할 수 있도록 공정 챔버들의 제1 및 제2 개구부들을 개방 및 폐쇄하도록 구성된다.
기판 가열 장치(1)에는 또한 기판(12)을 이송하기 위한 이송 롤러들을 회전시키기 위해 이송 롤러(15)들에 결합된 구동 장치(34)가 구비될 수 있다. 더 나아가, 도 6에는 기판(12), 이송 롤러(15)들, 및 구동 장치(34)가 도시되어 있다. 구동 장치(34)는 기판을 유입 포트(13)로부터 공정 챔버(3,4,6)들을 통해 유출 포트(14)까지 이송하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 최대 이송 속도는 50 내지 800 mm/s 의 범위 내에 있다.
구동 장치(34)는 또한 공정 챔버(3,4,5) 내부에서 기판(12)이 왕복(oscillating) 이동 혹은 수평적 전후(to-and-fro) 이동을 하도록 구성될 수 있다. 기판(12)의 최대 수평 이동은 5 내지 200 mm 사이의 범위 내에 있다. 이러한 왕복 이동의 주기는 10 내지 20초의 범위 내에 있다. 이로 인해 기판(12) 상에 보다 균일한 온도 분포가 얻어지며, 따라서 기판(12)의 새깅(sagging)을 방지한다.
본 발명은 전술한 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다. 오히려, 보호범위는 후술되는 청구항들에 의해 정의되는데, 여기에는 수많은 변형례들이 포괄된다.

Claims (18)

  1. 재료를 기판에 결정화하기 위한 사전설정된 온도 프로파일에 따라 기판(12)을 가열하기 위한 장치(1)로서,
    - 하우징(2),
    - 하우징(2) 내부에 위치하는 적어도 하나의 공정 챔버(3,4,5)를 포함하되, 상기 공정 챔버는,
    - 기판(12)을 통과시키기 위한 제1 및 제2 실링가능(sealable) 개구부(6,7 8,9; 10,11),
    - 공정 가스를 공정 챔버(13,14,15) 내로 도입하기 위한 유입구(17), 상기 하우징(2)에 회전가능하게 부착되어 상기 기판(12)을 상기 공정 챔버(3) 내로 이송하기 위한 적어도 두 개의 이송 롤러(15), 및
    상기 공정 가스가 상기 공정 챔버로부터 상기 공정 챔버(3)와 상기 하우징 사이의 공간으로 누출되는 것을 방지하는 실링(sealing) 수단(20;25,26;31,32)을 구비하고,
    상기 실링 수단은 각각 상기 이송 롤러(15)들 단부에 근접하게 위치한 통로 공간들을 포함하고, 상기 통로 공간(20)들 각각은 상기 공정 챔버(3)의 내벽(23) 상의 제1 통로 개구부(21), 상기 공정 챔버(3)의 외벽(24) 상의 제2 통로 개구부(22), 및 상기 이송 롤러(15) 주위에 고정된 제1 플랜지(25)를 포함하며,
    상기 각 통로 공간(20)은 상기 제1 플랜지(25)에 인접하여 상기 이송 롤러(15) 주위에 고정된 제2 플랜지(26)를 포함하되, 상기 제1 플랜지(25)는 상기 제1 통로 개구부(23)에 근접하게 위치하고, 상기 제2 플랜지(26)는 상기 제2 통로 개구부(22)에 근접하게 위치하며,
    상기 기판 가열 장치에는 상기 제1 플랜지(25) 또는 상기 제2 플랜지(26)와 상기 통로 공간(20)의 벽 사이에서 방사 방향으로 연장되는 스프링 공간(31)이 구비되고,
    상기 기판 가열 장치는, 상기 제1 플랜지(25)의 축방향 측면에 의해 상기 통로 공간 중 상기 제1 통로 개구부(21) 주위의 일부분에 제1 힘을 가하도록 및/또는 상기 제2 플랜지(26)의 축방향 측면에 의해 상기 통로 공간 중 상기 제2 통로 개구부(22) 주위의 일부분에 제2 힘을 가하도록 상기 통로 공간 내에 배치되는 스프링 요소(30)를 포함하여 상기 통로 공간을 실링하고,
    상기 제1 및 제2 플랜지(25,26)의 대향하는 측면들에는 방사 방향의 리브(27,28,29;27'28'29')가 구비되며, 상기 제1 플랜지(25) 및 상기 제2 플랜지(26)의 두 인접한 리브들에 의해 형성되는 협각(α)들은 서로 동일하고,
    상기 제1 플랜지(25)는, 상기 제1 플랜지의 리브(26,27,28)들이 상기 제2 플랜지의 리브(26',27',28')들에 대하여 상기 이송 롤러(15)의 세로축을 중심으로 고정 각도(β)만큼 회전되도록, 상기 제2 플랜지(26)에 대하여 위치하며,
    상기 스프링 요소는 상기 제1 및 제2 플랜지 사이에 장착되는 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 가열 장치에는 상기 스프링 공간(31)으로부터 가스를 배출하기 위해 상기 스프링 공간(31)에 연결되는 배출 덕트(50)가 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 플랜지(25)의 두께(a)는 상기 제2 플랜지(26)의 두께(b)와 상이한 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 가열 장치에는 정화 가스를 도입하기 위해 상기 공정 챔버(3)와 상기 하우징(2) 사이의 상기 공간에 연결되는 공급원(18)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  7. 삭제
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판 가열 장치에는 상기 공정 챔버(3)의 상기 유입구(17) 내에 위치하여 공정 가스 기류를 조절하기 위한 조절가능한 제1 기류 제어 유닛(51) 및 상기 스프링 챔버(31)의 배출 덕트(50) 내에 위치하여 스프링 챔버(31)로부터의 배기 가스(off-gas) 기류를 조절하기 위한 제2 기류 제어 유닛(52)이 구비되고,
    조절가능한 공정 가스 기류 및 조절가능한 배기 가스 기류에 의해, 실링된 상태의 실링가능한 상기 공정 챔버(3) 내 상기 공정 가스의 압력 및 상기 공정 챔버(3)와 상기 하우징(2) 사이의 상기 공간 내 정화 가스의 압력 사이에 원하는 압력차가 설정되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 기판 가열 장치에는, 상기 공정 챔버(3)와 상기 하우징(2) 사이의 상기 공간 내 상기 정화 가스의 압력을 기록하기 위한 제1 압력 센서(53), 상기 공정 가스의 압력을 기록하기 위해 상기 공정 챔버(3) 내에 위치하는 제2 압력 센서(54), 및 상기 압력 센서(53,54)들과 상기 조절가능한 기류 제어 유닛(51,52)들에 연결된 제어 유닛(55)이 더 구비되고, 상기 제어 유닛은 상기 원하는 압력차를 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정 각도(β)는 상기 협각(α)의 절반과 동일한 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 요소(30)는 탄소 함유 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 플랜지 및 상기 제2 플랜지(25, 26)는 그라파이트(graphite), 용융 실리카(fused silica), 또는 보로실리케이트(borosilicate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 통로 공간(20)의 상기 외벽에는 상기 이송 롤러 주위에 탈착부(32)가 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 가열 장치에는 상기 기판(12)의 이송 방향으로 적어도 제1 공정 챔버(3)의 앞에 위치하는 증기 이송 증착 장치(42)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 가열 장치에는 상기 이송 롤러들을 회전시키기 위해 상기 이송 롤러(15)들에 결합된 구동 장치(34)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 구동 장치(34)는 상기 공정 챔버 내에서 상기 기판의 왕복(oscillating) 이동을 구현하기 위해 상기 이송 롤러(15)들을 회전시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 가열 장치.
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