KR102325891B1 - 복사 히터 장치 - Google Patents

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Abstract

진공 밀폐공간에서의 전기적 복사 히터 장치는 대응하는 갯수의 동축상 가열 구역들에 배치되는 적어도 2세트의 선형 가열원들, 상기 가열원들은 진공 밀폐공간의 진공측상에 직접 배치되고 진공측상에 배치되는 전류 레일들에 전기적으로 연결되며, 각각의 전류 레일은 진공에서 대기로 하나의 전기적 피드스루에 연결된다. 바람직하게는 가열원들은 원에 접근하는 다각형으로 배치되며, 기본적으로 방사상으로, 또는 이들의 조합으로 배치된다.

Description

복사 히터 장치{RADIATION HEATER ARRANGEMENT}
본 발명은 실리콘 웨이퍼, 유리 기판 등과 같은 기판 물질을 가열하기 위한 개선된 가열 시스템(heating system)에 관한 것이다. 바람직한 적용예는 이들 기판을 진공 시스템에서 높은 온도에서의 박막 증착을 위하여 가열하는 것이다. 본 발명의 목적은 비용 및 정비 수고를 줄이기 위하여 간단하고 효과적인 방법으로 히터들을 배치함으로써 기판의 온도 분포를 최적화하는 것이다.
진공 하에서 코팅의 많은 적용예들은, 온도를 상승시키기 위하여 종종 단시간에 섭씨 수백도까지 상승시키기 위하여 물질들(이하 '기판들')의 균일한 가열을 필요로 한다. 이러한 고온에서, 열 복사는 기판과 그 주위와의 열 전달을 위한 주요한 - 종종 가장 적절한- 수단이다. 가열 시간이 대단히 중요한 경우, 기판의 가열은 열 전도(즉 기판을 뜨거운 열원에 직접 접촉시키는 것)에 의해서가 아니라 열 복사에 의해 달성된다. 기판 물질의 흡수 특성에 따라서, 자외선, 가시광선, 적외선이 복사 가열의 에너지원으로 사용된다.
가열 장치의 크기가 제한되기 때문에, 기판들은 특히 기판의 둘레 및 모서리에서 복사 손실을 당하며 및/또는 가열되는 영역 전체에 걸쳐 불균일한 열 분포를 갖는다. 균일한 온도 분포를 얻는 것은 매우 어렵다. 고온의 박막 증착에 있어서, 이러한 균일하지 않은 온도 분포는 원하지 않는 불균일 박막 특성들(결정학, 스트레스, 저항, 광학 특성들)을 초래한다
이하에서는 수 개의 램프-가열(lamp-heating) 구현예들이 기술된다. 상기 리스트는 완전하거나 결론적인 것이 아니며 일부 문서들은 철저하고 포괄적이다.
EP811709A2, US8273670B1 및 US20060291823A1 등과 같은 여러 발행물에서 점광원과 같은 램프의 배열이 사용되었다. US20080116196A1 또는 US5268989A와 같은 많은 적용예에서, 램프는 창문(window) 뒤에 위치한다.
US20020007797에서는 선형 램프 배열이 사용되었다.
JP2012068002A는 평면상에 평행하게 있는 막대같은(rod-like) 적외선 램프들의 패턴을 청구하며, 다수의 막대같은 적외선 램프들을 평면에서 직각 방향의 패턴과 조합하여 배치한다. 또한 JP2001210604A도 직각의 램프 패턴을 사용한다. KR2003072073A는 웨이퍼 중앙에서 감소된 복사 밀도를 가지는 직각의 램프 패턴을 제안한다.
CN201839454U는 히터 배열을 청구하며, 이는 웨이퍼의 중앙부와 주변부의 균일한 가열을 얻기 위하여 밀도 기울기를 가지는 다수의 가열 램프 튜브를 포함한다. US20090214193A1 및 JP2010225342A는 램프의 내부에 비-복사 부분을 가지는 특별한 선형 램프들을 사용한다.
격자 형상으로 배치된 필라멘트들이 JP2003289042A에서 제안되었다.
서로 다른 반경을 가지며, 공정 챔버 내에 배치된 웨이퍼에 대해 동축상으로 배치된 링-형상 램프 히터들이 JP2004241565A 및 US20030038128A1에서 사용되었다.
JP11008204A는 부분적 링-형상의 램프 히터들을 사용한다.
JP2004186346A, JP2002075899A, JP2002075898A는 링-형상 램프 히터들을 사용한다.
복수 구역(multiple zone) 링 램프들 및 반사 측벽(side wall)을 가지는 램프 히터 배열이 EP1197989A2에 개시되어 있다.
복수 구역 링 램프들 및 선형 램프들의 배치를 가지는 램프 히터 배열이 WO0182348A1에 개시되어 있다. 램프들은 창문에 의해 진공으로부터 분리된다.
US6108490과 같은 여러 적용예에서, 기판은 회전한다. US20090116824A1은 선형 램프 배열 및 램프에 전력을 공급하는 구동 유닛을 개시하며, 여기에서 전력 제어 유닛은 각각의 필라멘트 그룹의 필라멘트들에 전력을 공급하기 위하여 구동 유닛을 제어한다.
종래 기술의 단점
기존의 해결책들은 다음의 단점 중 적어도 하나를 통상적으로 갖는다.
a) 2-구역 또는 복수-구역 히터가 가능하지 않음.
b) 이들은 램프들의 효율을 감소시키는 창문을 필요로 함.
c) 이들은 램프 배열을 위하여 다수의 전기적 피드스루를 필요로 함.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명은 둥근 기판을 위한 최소 갯수의 전기적 피드스루(electrical feedthroughs)를 가지는 2-구역(zone) 복사 히터에 관계한다.
도 1은 3개(위쪽) 또는 2개(아래쪽)의 전기적 피드스루를 사용하는 2개의 육각형의 램프 장치를 도시한다.
도 2는 내측 히터(좌측) L1: 3 kw, 외측 히터(우측) L2: 4 kw 및 L3: 2 kw와 같은 3상의 전력 수준을 갖는 3상 전력 공급을 위한 배선도이다.
도 3은 3개의 전류 레일 및 2개의 전기적 피드스루를 가지는 디개서(degasser)의 단면도이다.
도 4는 3개의 전류 레일 및 2개의 전기적 피드스루를 가지는 램프 배열의 평면도이다.
도 5는 추가적인 램프 장치를 도시한다.
본원에서 도시되고 기술되는 모든 구현예들은 공통적으로 복사 히터 장치의 램프들에 전력을 공급하기 위한 전도 레일들(conducting rails)을 진공상에서 가지는 적어도 2개의 동축상의 가열 구역(heating zones)에 의존한다. 이들 전도 레일은 진공 또는 공정 챔버에서 대기로 최소 갯수의 전기적 피드스루에 연결된다.
첫번째 구현예는 진공 챔버 내에서 원형에 접근하는 다각형으로 배치되는 적어도 2세트의 선형 표준 램프들을 사용하며, 여기에서 램프의 말단들은 최소 갯수의 공통의 전기적 포인트들(points)에 연결된다. 이들 전기적 포인트는 램프 설치의 진공 측에서 전도 레일들을 통하여 연결된다. 전도 레일들은 진공 또는 공정 챔버에서 대기로 최소 갯수의 전기적 피드스루에 연결된다.
두번째 구현예에서, 적어도 2세트의 램프들이 진공 또는 공정 챔버에서 대기로 최소 갯수의 전기적 피드스루에 연결되는 원형의 전도 레일들 사이에 기본적으로 방사상으로 배치된다.
여기에서 램프들이라는 용어는 그것이 방전할 때까지 그것을 관통하는 전류에 의해 고온으로 가열되는 필라멘트 와이어에 의해 빛을 생성하는 전기적 빛을 의미한다. 고온의 필라멘트는 불활성 가스(또는 진공화)로 충진된 유리 전구에 의해 산화로부터 보호된다. 할로겐 램프에 있어서, 필라멘트 증발은 금속 증기를 필라멘트상에 재증착시키는 화학 공정에 의해 방지되어 그 수명이 연장된다. 전구는 피드스루 단자들 또는 유리에 매설된 와이어들에 의해 전류가 공급된다. 모든 전구들은 기계적 지지와 전기적 연결을 제공하는 소켓 내에서 사용된다. 가열을 위하여 수백 또는 수천 와트의 전력을 가지는 할로겐 램프들이 통상적이다. 바람직하게는 이러한 가열 램프들은 막대 형상이다.
실시예 1)
도 1은 램프 장치의 평면도로서, 2개의 육각형이 동축상으로 함께 설치되며, 하나는 다른 것에 대해 30°회전되었다. 내측 히터는 램프당 최대 전력 500 와트를 갖는 길이 120 mm의 램프들 6개를 사용하며, 외측 히터는 램프당 최대 전력 1000 와트를 갖는 길이 190 mm의 램프들 6개를 사용한다. 따라서 각각의 육각형은 특정한 가열 출력(heating output)을 가지는 가열 구역을 형성한다. 2개의 육각형의 매 두번째 꼭지점(every second edge)은 접지 연결로 사용되며, 이는 디개서(degasser) 장치의 하우징에 연결될 수 있다. 입력 전력을 위하여, 나머지 3개의 꼭지점들이 연결되며, 바람직하게는 전류 레일들(current rails)에 의해 연결된다. 이들 전류 레일의 각각은 하나의 전기적 피드스루에 부착되거나, 도 1의 위쪽에서와 같이 외측 히터는 두 개의 접점들(contacts)이 하나의 레일에 연결되고 하나의 접점은 별도의 피드스루에(3상 운전 모드를 위하여) 연결될 수 있다. 도 2에서 3상 전력 공급을 위한 배선도가 도시된다. 내측 육각형은 L1에 연결되며, 반면 외측 육각형의 2개의 램프들은 L2에 연결되고 하나의 램프는 L3에 연결된다. 이러한 배선은 내측 램프는 300 mm 기판상에 우수한 온도 균일성을 얻기 위하여 적은 전력을 필요로 한다는 사실을 고려한 것이다. 그러면 3상의 전력 수준은 다음과 같은 특정 수치로 설정될 수 있다.
L1:3 kw L2: 4 kw L3: 2 kw
이러한 배선에 의해 전력 공급의 3상의 부하는 2상을 사용하는 경우보다 더욱 균형잡힐 수 있다. 3상 각각은 기판상에 원하는 온도 균일성을 달성하기 위하여 다이리스터 제어(thyristor control)에 의해 조절된다.
실시예 2)
도 3은 3개의 전류 레일들 및 단지 2개의 전기적 피드스루의 배치를 갖는 디개서의 단면도이다. 도 4에서 평면도로 도시된 바와 같이, 내측 히터는 램프당 최대 전력 500 와트를 갖는 길이 120 mm의 램프들 6개로 구성되며, 외측 히터는 동일한 타입의 램프들 12개를 사용한다. 기판상에 온도 균일성을 얻기 위하여 외측 히터에 보다 큰 전력이 필요로 한다. 두 히터 전력들 사이의 비율은 조절될 수 있다. 한가지 램프 타입을 사용하는 것이 정비 및 물류 측면에서 유리하다. 램프들은 3개의 원형 전도 레일들에 부착되며, 여기에서 외측 레일들은 내측 및 외측 히터 구역의 히터 전력에 연결된다. 중간의 전도 레일은 접지에 연결된다. 램프들의 말단 및 접촉 영역을 커버 쉴드(covering shields)에 의해 커버하는 것이 바람직하며 이로 인하여 피드스루 및 램프들의 접점들의 상호 가열을 최소화할 수 있다.
내측 및 외측 히터를 가지는 추가적인 램프 장치가 도 5에 도시된다.
3-1: 내측 히터용 분배 링
3-2: 외측 히터용 분배 링
3-3: 리턴 접지(히터)
3-4: 워터 냉각
3-5: 전기적 피드스루 내측 히터
3-6: 전기적 피드스루 외측 히터
3-7: 램프 커넥터(들)
3-8 : 모듈 플랜지
3-9: 램프들
3-10: 반사판
3-11: 하측 반사판
3-12: 터보 펌프쪽으로
3-13: 웨이퍼 핀들(3)
3-14:펌프 슬롯에 대한 핀들(3)
3-15: 분배 링들
3-16:웨이퍼

Claims (6)

  1. 대응하는 갯수의 동축상 가열 구역들(concentric heating zones)에 배치되는 적어도 2세트의 선형 가열원들(linear heating sources);
    상기 가열원들은 진공 밀폐공간(vacuum enclosure)의 진공측상에(on the vacuum side) 직접 배치되며, 진공측상에 배치되는 전류 레일들(current rails)에 전기적으로 연결되고;
    각각의 전류 레일은 진공에서 대기로 하나의 전기적 피드스루(feedthrough)에 연결되는 것을 포함하는 진공 밀폐공간에서의 전기적 복사 히터 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열 구역에서 가열원들은 원형에 접근하는 다각형으로(a polygon approaching a circle) 배치되는, 전기적 복사 히터 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가열 구역내의 가열원들은 기본적으로 방사상으로(essentially radially) 배치되는, 전기적 복사 히터 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가열 구역들 중 어느 하나에서 가열원들은 원형에 접근하는 다각형으로 배치되고 또 다른 하나에서 가열 구역들은 기본적으로 방사상으로 배치되는, 전기적 복사 히터 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선형 가열원들은 램프인, 전기적 복사 히터 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 램프는 할로겐 램프인, 전기적 복사 히터 장치.
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