KR20170021582A - 아크 램프 및 이를 갖는 기판 가열 장치 - Google Patents

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Abstract

아크 램프는 내부에 반응 기체를 수용하기 위한 아크 튜브, 및 상기 아크 튜브 내에서 서로 대향하도록 배치되며 전기 아크를 발생시키기 위한 양극 및 음극을 포함한다. 상기 양극은 상기 아크 튜브의 일단부로부터 내부로 연장하는 양극 헤드부, 및 상기 양극 헤드부 상에 접합되고 상부면의 가장자리를 따라 연장 형성된 트렌치를 갖는 양극 팁부를 포함한다.

Description

아크 램프 및 이를 갖는 기판 가열 장치{ARC LAMP AND SUBSTRATE HEATING APPARATUS HAVING THE ARC LAMP}
본 발명은 아크 램프 및 이를 갖는 기판 가열 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 웨이퍼를 열처리하기 위해 사용되는 아크 램프 및 이를 갖는 기판 가열 장치에 관한 것이다.
반도체 소자를 형성하는 과정에서 급속 열처리 공정이 수행되고, 상기 급속 열처리 공정에 아크 램프가 사용될 수 있다. 상기 아크 램프의 전극들은 전기 아크와 접촉하여 열 하중(thermal load)에 의해 소모되어 수명이 단축된다. 최근 아크 램프의 전류 용량이 증가함에 따라 상기 전극들에 가해지는 열 하중의 크기가 상당히 증가하여 전극의 수명이 감소되는 문제점이 있다.
본 발명의 일 과제는 전극 수명을 연장시킬 수 있는 전극 구조를 갖는 아크 램프를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 상술한 아크 램프를 갖는 기판 가열 장치를 제공하는 데 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 아크 램프는 내부에 반응 기체를 수용하기 위한 아크 튜브, 및 상기 아크 튜브 내에서 서로 대향하도록 배치되며 전기 아크를 발생시키기 위한 양극 및 음극을 포함한다. 상기 양극은 상기 아크 튜브의 일단부로부터 내부로 연장하는 양극 헤드부, 및 상기 양극 헤드부 상에 접합되고 상부면의 가장자리를 따라 연장 형성된 트렌치를 갖는 양극 팁부를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 헤드부는 제1 금속을 포함하고, 상기 양극 팁부는 상기 제1 금속의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 제2 금속을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 헤드부의 열전도율은 상기 양극 팁부의 열전도율보다 높을 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 헤드부는 구리를 포함하고, 상기 양극 팁부는 텅스텐을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 팁부의 상부면 중심부는 상기 트렌치에 의해 둘러싸이고 상기 전기 아크와 접촉할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 팁부는 상기 상부면 중심부로부터 상부로 연장하는 돌출부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 팁부는 상기 상부면 중심부로부터 상부로 연장하는 계단 형상의 돌출부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극은 내부에 냉각 유체의 흐름을 수용하기 위한 냉각 채널을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극은 일단부가 상기 아크 튜브의 일단부에 설치되고 상기 몸체부에 연결되고 내부에 상기 냉각 채널을 형성하기 위한 공간을 제공하는 양극 몸체부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 아크 튜브는 실린더형 튜브를 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 아크 램프는 내부에 반응 기체를 수용하기 위한 아크 튜브, 및 상기 아크 튜브 내에서 서로 대향하도록 배치되며 전기 아크를 발생시키기 위한 양극 및 음극을 포함한다. 상기 양극은 상기 아크 튜브의 일단부로부터 내부로 연장하고 제1 금속을 포함하는 양극 헤드부, 및 상기 양극 헤드부 상에 접합되고 상기 제1 금속보다 높은 용융점을 갖는 제2 금속을 포함하고 상부면의 중심부로부터 상부로 연장하는 돌출부를 갖는 양극 팁부를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 팁부는 상기 상부면의 가장자리를 따라 상기 돌출부를 둘러싸도록 연장 형성된 트렌치를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 돌출부는 계단 형상을 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 헤드부는 열전도율은 상기 양극 팁부의 열전도율보다 높을 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극은 내부에 냉각 유체의 흐름을 수용하기 위한 냉각 채널을 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 기판 가열 장치는 기판을 수용하기 위한 공간을 제공하는 챔버, 상기 챔버 내에서 상기 기판을 지지하는 지지 플레이트, 상기 기판 하부에 배치되며 상기 기판의 후면을 가열하기 위한 적어도 하나의 제1 아크 램프, 및 상기 기판 상부에 배치되며 상기 기판의 상면을 가열하기 위한 적어도 하나의 제2 아크 램프를 포함한다. 상기 제1 및 제2 아크 램프들 중 적어도 하나는 내부에 반응 기체를 수용하기 위한 아크 튜브, 및 상기 아크 튜브 내에서 서로 대향하도록 배치되며 전기 아크를 발생시키기 위한 양극 및 음극을 포함한다. 상기 양극은 상기 아크 튜브의 일단부로부터 내부로 연장하는 양극 헤드부, 및 상기 양극 헤드부 상에 접합되고 상부면의 가장자리를 따라 연장 형성된 트렌치를 갖는 양극 팁부를 포함한다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 챔버는 상부와 하부에 선택적으로 방사선을 흡수하는 제1 및 제2 윈도우들을 각각 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 아크 램프는 램프 업(ramp up) 가열을 수행하고, 상기 제2 아크 램프는 순간 가열(flash heating)을 수행할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 팁부는, 상기 양극 팁부의 상부면 중심부로부터 상부로 연장하는 돌출부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 양극 팁부는 상기 상부면 중심부로부터 상부로 연장하는 계단 형상의 돌출부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 아크 램프의 양극은 양극 헤드부 및 상기 양극 헤드부 상에 배치되며 상부면에 가장자리를 따라 연장 형성된 트렌치를 갖는 양극 팁부를 포함할 수 있다. 상기 양극 팁부의 상부면 중심부는 상기 트렌치에 의해 둘러싸이고 전기 아크와 접촉할 수 있다.
따라서, 상기 양극 팁부의 중심부에서만 상기 전기 아크가 집중되므로 상기 중심부 일부만 녹고 응고되는 것이 반복되고 녹아 내리는 금속은 상기 중심부 둘레에 있는 상기 트렌치로 흘러가 쌓이게 된다. 이에 따라, 상기 양극 팁부가 녹아 내려 상부면 가장자리로부터 외측으로 핑거 형상으로 자라지 않도록 하여 아크 발생을 용이하게 하고 양극의 내구성을 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 아크 방전 램프를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 아크 방전 램프의 양극을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 양극의 전단부의 일부를 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 2의 양극의 양극 헤드부와 양극 팁부를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 1의 아크 방전 램프의 아크 튜브 내부의 유체 흐름을 나타내는 단면도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 아크 방전 램프의 양극을 나타내는 단면도이다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 아크 방전 램프의 양극을 나타내는 단면도이다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 기판 가열 장치를 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 8의 기판 가열 장치에 의해 가열되는 기판의 표면 온도를 나타내는 그래프이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 아크 램프를 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 아크 램프의 양극을 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 2의 양극의 전단부의 일부를 나타내는 분해 사시도이다. 도 4는 도 2의 양극의 양극 헤드부와 양극 팁부를 나타내는 단면도이다. 도 5는 도 1의 아크 램프의 아크 튜브 내부의 유체 흐름을 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 아크 램프(100)는 내부에 반응 기체를 수용하기 위한 아크 튜브(110) 및 아크 튜브(110) 내에서 서로 대향하도록 배치되며 전기 아크(112)를 발생시키기 위한 음극(cathode)(200) 및 양극(anode)(300)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 아크 램프(100)는 음극(200)과 양극(300) 사이에 전기 아크(112)를 발생시켜 전자기적 방사선(electromagnetic radiation)을 발생시킬 수 있다. 음극(200)과 양극(300)은 전력 공급 시스템(도시되지 않음)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전력 공급 시스템은 상기 음극과 상기 양극에 전기적으로 연결된 복수 개의 전력 공급 회로부들을 포함할 수 있다. 아크 램프(100)는 상기 전력 공급 시스템으로부터 전력을 공급받아 음극(200)과 양극(300) 사이에 전기 아크(112)를 발생시킬 수 있다. 아크 램프(100)는 일정 시간 동안 연속 복사(continuous irradiation)을 위한 고강도 DC 아크 램프로서 동작하거나 순간 복사(irradiation flash)을 위한 플래시 램프로서 동작할 수 있다.
상기 반응 기체는 아크 튜브(110) 내에 밀봉되고, 상기 반응 기체의 종류에 따라 복사 스펙트럼이 결정된다. 예를 들면, 상기 반응 기체는 Ar, Xe 등을 포함할 수 있다. 아크 튜브(110)는 석영(quartz)을 포함할 수 있다. 또한, 아크 튜브(110)는 실린더형 튜브를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않고, 벌브(bulb)형 튜브도 포함할 수 있으며, 목적 및 출력 용량에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다.
아크 튜브(100)의 일단부에는 음극 하우징(120)이 설치되고, 아크 튜브(100)의 타단부에는 양극 하우징(130)이 설치될 수 있다. 음극 하우징(120)은 음극(200)을 고정 지지하고 양극 하우징(130)은 양극(300)을 고정 지지할 수 있다.
또한, 음극 하우징(120)에는 음극(200)을 냉각시키기 위한 제1 유체 입구 포트(122) 및 제1 유체 출구 포트(124)가 구비될 수 있다. 양극 하우징(130)에는 양극(300)을 냉각시키기 위한 제2 유체 입구 포트(132) 및 제2유체 출구 포트(134)가 구비될 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 유체 입구 포트들(122, 132)은 냉각 유체 공급 라인들(도시되지 않음)에 각각 연결되고, 제1 및 제2 유체 출구 포트들(124, 134)은 냉각 유체 회수 라인들(도시되지 않음)에 각각 연결될 수 있다.
따라서, 냉각 유체는 제1 유체 입구 포트(122)를 통해 음극(200)의 냉각 채널을 통해 흐른 후 제1 유체 출구 포트(124)를 통해 배출됨으로써, 음극(200)을 냉각시킬 수 있다. 또한, 냉각 유체는 제2 유체 입구 포트(132)를 통해 양극(300)의 냉각 채널을 흐른 후 제2 유체 출구 포트(134)를 통해 배출됨으로써, 양극(300)을 냉각시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 음극(200)과 양극(300)은 아크 튜브(110) 내에서 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 음극(200)은 음극 하우징(120)에 지지되고 아크 튜브(110) 내부로 연장하는 음극 헤드부(210) 및 음극 헤드부(210)에 접합되는 음극 팁부(220)를 포함할 수 있다. 양극(300)은 양극 하우징(130)에 지지되고 아크 튜브(110) 내부로 연장하는 양극 헤드부(310) 및 양극 헤드부(310) 상에 접합되는 양극 팁부(320)를 포함할 수 있다. 음극(200)은 팁부의 형상 및 두께를 제외하고는 양극(300)과 실질적으로 유사하다. 이하에서는, 양극(300)에 대하여만 첨부된 도면들을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 양극(300)은 양극 몸체부(314), 양극 헤드부(310), 양극 파이프(312), 양극 인서트(316) 및 양극 팁부(320)를 포함할 수 있다. 양극 몸체부(314)는 양극 하우징(130)에 설치되고, 양극 파이프(312)는 양극 몸체부(314) 내부에 배치되고 양극 하우징(130)에 설치될 수 있다.
구체적으로, 양극 파이프(312)의 외측 단부는 양극 하우징(130)에 형성된 홀 내부로 나사 결합될 수 있다. 양극 몸체부(314)는 일단부는 양극 하우징(130)에 형성된 홀 내부로 나사 결합될 수 있다. 양극 파이프(312)는 양극 인서트(316)에 나사 결합되고, 양극 헤드부(310)는 양극 몸체부(314) 상에 배치될 수 있다. 양극 몸체부(314)와 양극 헤드부(310)는 양극 파이프312)와 양극 인서트(316)을 둘러쌀 수 있다. 양극 팁부(320)는 양극 헤드부(310) 상에 배치될 수 있다. 양극 파이프(312), 양극 몸체부(314), 양극 인서트(316) 및 양극 헤드부(310)는 브레이징, 용접 등과 같은 적당한 연결 방법들을 이용하여 결합될 수 있다.
양극(300)은 내부에 냉각 유체의 흐름을 수용하기 위한 냉각 채널(311, 313, 315, 317)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 냉각 유체는 양극 하우징(130)에 구비된 제2 유체 입구 포트(132)를 통해 양극 파이프(312)의 채널(311) 및 양극 인서트(316)를 관통하는 채널(313)로 전달될 수 있다. 이어서, 상기 냉각 유체는 양극 인서트(316) 및 양극 헤드부(310) 사이의 채널(315)을 통과한 후, 양극 파이프(312)의 외측면과 양극 몸체부(314)의 내측면 사이의 채널(317)을 거쳐 양극 하우징(130)에 구비된 제2 유체 출구 포트(134)를 통해 배출될 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각 유체는 제2 유체 입구 포트(132)를 통해 양극(300)의 냉각 채널(311, 313, 315, 317)을 흐른 후 제2 유체 출구 포트(134)를 통해 배출됨으로써, 양극(300)을 냉각시킬 수 있다.
양극 헤드부(310)는 제1 금속을 포함하고, 양극 팁부(320)는 상기 제1 금속의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 제2 금속을 포함할 수 있다. 양극 헤드부(310)는 열전도율은 양극 팁부(320)의 열전도율보다 높을 수 있다. 전기 아크(112)와 접촉하는 양극 팁부(320)는 고온을 견디기 위하여 높은 용융점을 갖는 금속을 포함할 수 있다. 양극 헤드부(310)는 양극 팁부(320)의 열을 빠르게 전달하기 위하여 높은 열전도율을 갖는 금속을 포함할 수 있다. 다른 부품들은 높은 기계적 강도를 갖는 금속을 포함할 수 있다. 예를 들면, 양극 헤드부(310)는 구리를 포함하고, 양극 팁부(320)는 텅스텐을 포함할 수 있다. 양극 몸체부(314), 양극 파이프(312) 및 양극 인서트(316)는 황동을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 양극 팁부(320)는 상부면에 가장자리를 따라 연장 형성된 트렌치(322)를 가질 수 있다. 트렌치(322)는 양극 팁부(320)의 중심부를 둘러싸도록 원주 방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 양극 팁부(320)의 최외측에는 트렌치(322)의 일측벽을 정의하며 원주 방향으로 연장하는 장벽(321)이 형성될 수 있다. 양극 팁부(320)의 상부면 중심부(324)는 트렌치(322)에 의해 둘러싸이고 전기 아크(112)와 접촉할 수 있다. 트렌치(322)는 중심부(324)를 둘러싸는 환형 형상을 가질 수 있다.
양극 팁부(320)의 중심부(324)는 종래의 전극보다 더 긴 수명을 갖기 위하여 비교적 큰 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 양극 팁부(320)의 중심부(324)는 적어도 1 센티미터의 두께를 가질 수 있다. 양극 팁부 중심부(324)의 두께는 장벽(321)의 두께와 실질적으로 동일하거나 더 클 수 있다.
따라서, 양극 팁부(320)의 중심부에만 전기 아크가 집중되므로 열 하중에 의해 중심부에서만 일부가 녹고 응고되는 것이 반복되고, 녹아 내리는 금속은 상기 중심부 둘레에 있는 트렌치(322)로 흘러가 쌓이게 된다. 이에 따라, 양극 팁부(320)가 녹아 내려 상부면 가장자리로부터 외측으로 핑거 형상으로 자라지 않도록 하여 아크 발생을 용이하게 하고 양극의 수명을 연장시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 양극(300)은 양극 헤드부(310)와 양극 팁부(320) 사이에 확산 접합층(diffusion interlayer)(330)을 포함할 수 있다. 확산 접합층(330)은 상기 제1 금속과 상기 제2 금속이 조직 결합된 복합층일 수 있다. 양극 팁부(320)는 양극 헤드부(310)에 고상확산접합(solid diffusion bonding)에 의해 접합될 수 있다. 열과 압력에 의하여 미소한 간격을 갖는 접합부가 최소 변형을 일으키면서 서로 접촉하는 표면이 합체되어 확산 접합층(330)을 형성할 수 있다. 따라서, 양극 헤드부(310)와 양극 팁부(320) 사이에 이들을 결합하기 위한 접합용제가 사용되지 않아 상기 접합용제에 의한 보이드(void)의 발생을 방지함으로써 양극 팁부(320)로부터 양극 헤드부(310)의 열전달을 향상시켜 아크 방전 전극(100)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예들에 있어서, 아크 램프(100)는 아크 튜브(110)의 내부면을 따라 유체의 흐름을 발생시키기 위한 유동 발생기를 더 포함할 수 있다. 상기 유동 발생기는 음극 하우징(120)에 구비되며, 음극 하우징(120)에 형성된 가스 공급 포트(126) 및 액체 공급 포트(128)로부터 각각 공급된 가스 및 액체를 아크 튜브(110)의 내부면을 따라 유동시킬 수 있다. 상기 유동 발생기는 아크 튜브(110)의 내부면을 따라 가스 및 액체의 와류 흐름들(SG, SW)을 생성할 수 있다. 상기 가스는 아르곤을 포함할 수 있고, 상기 액체는 탈이온수를 포함할 수 있다.
상기 가스와 상기 액체가 아크 튜브(110)의 내부면을 따라 이동할 때, 가스와 액체 소용돌이들(SG, SW)은 동일한 방향으로 회전할 수 있다. 상기 가스와 상기 액체는 양극 하우징(130)에 형성된 가스/액체 배출 포트(136)을 통해 배출되어 유체 순환 시스템(도시되지 않음)으로 회수될 수 있다. 이에 따라, 아크 튜브(110)의 내부면을 따라 소용돌이 흐름들은 아크 튜브(110) 내의 온도 상승을 막고 내부의 불순물들을 외부로 배출함으로써, 아크 램프(100)의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 아크 램프의 양극을 나타내는 단면도이다. 상기 아크 램프는 양극 팁부의 형상을 제외하고는 도 1 내지 도 4를 참조로 설명한 아크 램프와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대하여는 동일한 참조부호들로 나타내고, 이에 대한 자세한 생략한다.
도 6을 참조하면, 아크 방전 전극의 양극은 양극 헤드부(310) 및 양극 헤드부(310)에 접합된 양극 팁부(320)를 포함할 수 있다. 양극 팁부(320)의 상부면에는 가장자리를 따라 트렌치(322)가 연장 형성될 수 있다. 트렌치(322)는 양극 팁부(320)의 중심부(324)를 둘러싸도록 원주 방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 양극 팁부(320)의 최외측에는 트렌치(322)의 일측벽을 정의하며 원주 방향으로 연장하는 장벽(321)이 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 양극 팁부(320)는 상부면 중심부(324)로부터 상부로 연장하는 돌출부(326)를 더 포함할 수 있다. 양극 팁부(320)의 돌출부(326)는 트렌치(322)에 의해 둘러싸이고 전기 아크(112)와 접촉할 수 있다. 양극 팁부(320)의 돌출부(326)의 두께는 장벽(321)의 두께보다 클 수 있다. 돌출부(326)의 직경은 중심부(324)의 직경보다 작을 수 있다.
전기 아크(112)는 양극 팁부(320)의 돌출부(326)에만 집중되고 이 부분에서만 일부가 녹고 응고되는 것이 반복되고, 녹아 내리더라도 상기 돌출부 둘레에 있는 트렌치(322)로 흘러가 쌓이게 된다. 이에 따라, 아크 발생을 용이하게 하고 양극의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 7은 예시적인 실시예들에 따른 아크 램프의 양극을 나타내는 단면도이다. 상기 아크 램프는 양극 팁부의 형상을 제외하고는 도 1 내지 도 4를 참조로 설명한 아크 램프와 실질적으로 동일하거나 유사하다. 이에 따라, 동일한 구성요소들에 대하여는 동일한 참조부호들로 나타내고, 이에 대한 자세한 생략한다.
도 7을 참조하면, 아크 방전 전극의 양극은 양극 헤드부(310) 및 양극 헤드부(310)에 접합된 양극 팁부(320)를 포함할 수 있다. 양극 팁부(320)의 상부면에는 가장자리를 따라 트렌치(322)가 연장 형성될 수 있다. 트렌치(322)는 양극 팁부(320)의 중심부(324)를 둘러싸도록 원주 방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 양극 팁부(320)의 최외측에는 트렌치(322)의 일측벽을 정의하며 원주 방향으로 연장하는 장벽(321)이 형성될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 양극 팁부(320)는 상부면 중심부(324)로부터 상부로 연장하며 계단 형상을 갖는 돌출부(326)를 더 포함할 수 있다. 돌출부(326)는 적어도 제1 단(327)과 제2 단(328)으로 이루어진 복수 개의 계단들을 포함할 수 있다. 제1 단(327)의 직경은 제2 단(328)의 직경보다 클 수 있다.
전기 아크(112)는 양극 팁부(320)의 돌출부(326)에만 집중되고 복수 개의 단들이 순차적으로 녹아 내리므로, 아크 발생을 용이하게 하고 양극의 수명을 연장시킬 수 있다.
이하에서는, 도 1의 아크 램프를 포함하는 기판 가열 장치에 대하여 설명하기로 한다.
도 8은 예시적인 실시예들에 따른 기판 가열 장치를 나타내는 단면도이다. 도 9는 도 8의 기판 가열 장치에 의해 가열되는 기판의 표면 온도를 나타내는 그래프이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 기판 가열 장치는 기판을 수용하기 위한 공간을 제공하는 챔버(10), 챔버(10) 내에서 상기 기판을 지지하는 지지 플레이트(20), 상기 기판 하부에 배치되며 상기 기판의 후면을 가열하기 위한 적어도 하나의 제1 아크 램프(30), 및 상기 기판 상부에 배치되며 상기 기판의 상면을 가열하기 위한 적어도 하나의 제2 아크 램프(40)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 기판은 반도체 웨이퍼(W)를 포함할 수 있다. 웨이퍼(W)는, 예를 들어 반도체 칩들의 제조에서 사용하기 위한 300 mm 직경의 실리콘 반도체 웨이퍼일 수 있다. 상기 기판의 상면은 웨이퍼(W)의 상면 또는 활성면을 포함하고, 상기 기판의 후면은 웨이퍼(W)의 후면을 포함할 수 있다.
웨이퍼(W)를 상기 기판 가열 장치에 로딩하기 전에, 웨이퍼(W)의 디바이스면(활성면) 상에 이온 주입 공정을 수행하여 상기 디바이스면의 표면 영역에 불순물 원자들 또는 도펀트들을 도입할 수 있다. 이러한 이온 주입 공정은 웨이퍼(W)의 표면 영역의 결정 격자 구조에 손상을 주게 된다. 이러한 이온 주입 공정 동안 일어난 결정 격자 구조의 손상을 수선하기 위하여 웨이퍼(W)의 활성면의 표면 영역은 상기 기판 가열 장치를 이용한 가열 공정에 의해 어닐링될 수 있다.
챔버(10)는 상부와 하부에 선택적으로 방사선을 흡수하는 제1 및 제2 윈도우들(12, 14)을 각각 포함할 수 있다. 또한, 챔버(10)는 정반사성의 반사성 측벽들을 포함할 수 있다. 웨이퍼(W)는 챔버(10) 내의 지지 플레이트(20) 상에 지지될 수 있다. 웨이퍼(W)는 석영 윈도우(quartz window) 상에서 복수 개의 지지 핀들에 의해 지지될 수 있다.
상기 기판 가열 장치는 웨이퍼(W)의 후면을 가열하기 위한 제1 가열부를 포함할 수 있다. 상기 제1 가열부는 제1 윈도우(12) 하부에 배치되는 적어도 하나의 제1 아크 램프(30) 및 제1 반사기(reflector)(32)를 포함할 수 있다. 상기 제1 가열부는 2개의 제1 아크 램프들(30)을 포함할 수 있다. 제1 아크 램프(30)는 연속 복사(continuous irradiation)을 위한 고강도 DC 아크 램프로서 동작할 수 있다.
상기 기판 가열 장치는 웨이퍼(W)의 상면을 가열하기 위한 제2 가열부를 포함할 수 있다. 상기 제2 가열부는 제2 윈도우(14) 상부에 배치되는 적어도 하나의 제2 아크 램프(40) 및 제2 반사기(reflector)(42)를 포함할 수 있다. 상기 제2 가열부는 4개의 제2 아크 램프들(40)을 포함할 수 있다. 제2 아크 램프(40)는 순간 복사(irradiation flash)을 위한 플래시 램프로서 동작할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 아크 램프(30)는 웨이퍼(W)의 램프 업(ramp up) 가열을 수행하고, 제2 아크 램프(40)는 상기 램프 업 가열에 의해 가열된 웨이퍼(W)의 상면에 대하여 순간 가열(flash heating)을 수행할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)가 지지 플레이트(20) 상에 장착되면, 제1 아크 램프(30)에 의해 상기 램프 업 가열을 수행한다. 이에 따라, 웨이퍼(W)는 중간 온도(T1)까지 먼저 사전 가열될 수 있다. 이 후, 제2 아크 램프(40)에 의해 상기 순간 가열을 수행한다. 이에 따라, 웨이퍼(W)는 최종 어닐링 온도(T2)까지 가열될 수 있다. 이어서, 제2 아크 램프(40)에 의한 순간 가열을 중단하여 웨이퍼(W)의 상면으로부터 웨이퍼 벌크로의 열적 이동(thermal conduction)에 의한 순간 냉각을 유도하고, 제1 아크 램프(30)에 의해 가열을 중단하여 웨이퍼 벌크로의 열적 복사(thermal radiation)에 의한 램프 다운 냉각을 유도할 수 있다.
초기의 사전 가열 단계(502)에서, 상기 램프 업 가열은 웨이퍼(W)를 통한 열전도 시간보다 더 느린 속도로 일어날 수 있다. 이후의 순간 가열 단계(504)에서, 상기 순간 가열은 웨이퍼(W)를 통한 열전도 시간보다 훨씬 더 급속하게 일어나서, 디바이스면 표면만 최종 어닐링 온도(T2)까지 가열되고, 웨이퍼(W)의 대부분은 이보다 더 낮은 중간 온도(T1) 가까이에서 유지될 수 있다. 이러한 원하는 온도 범위에서의 표면 가열은 수 밀리초(milli second)와 같은 상대적으로 짧은 지속 시간(Δt) 동안 달성될 수 있다.
이와 같이, 제2 가열 램프(40)에 의해 수행되는 순간 가열을 통해, 웨이퍼(W) 표면에 대해서 급격하게 열처리를 수행할 수 있다. 이 때, 웨이퍼(W)의 벌크는 상대적으로 낮은 온도 상태로 유지될 수 있다. 따라서, 도펀트가 이온주입된 웨이퍼(W)의 표면에서의 도펀트의 활성화가 이루어지면서도, 웨이퍼(200) 벌크의 온도 상승을 억제하여 벌크로의 도펀트 확산을 억제할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 아크 램프(30) 또는 제2 아크 램프(40)는 도 1의 아크 램프일 수 있다. 제1 아크 램프(30)는 제2 아크 램프(40)에 비해 상대적으로 긴 지속 시간동안 작동될 수 있다. 또한, 제1 아크 램프(30)는 고출력 DC 아크 램프일 수 있다. 따라서, 제1 아크 램프(30)의 양극은 상당한 크기의 열 하중을 받을 수 있다.
상술한 바와 같이, 아크 램프용 양극 팁부(320)는 상부면에 가장자리를 따라 연장 형성된 트렌치(322)를 가질 수 있다. 양극 팁부(320)의 상부면 중심부는 트렌치(322)에 의해 둘러싸이고 전기 아크(112)와 접촉할 수 있다.
따라서, 양극 팁부(320)의 중심부에서만 상기 전기 아크가 집중되므로 상기 중심부 일부만 녹고 응고되는 것이 반복되고, 녹아 내리는 금속은 상기 중심부 둘레에 있는 트렌치(322)로 흘러가 쌓이게 된다. 이에 따라, 양극 팁부(320)가 녹아 내려 텅스텐이 상부면 가장자리로부터 외측으로 핑거 형상으로 자라지 않도록 하여 아크 발생을 용이하게 하고 양극의 내구성을 향상시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에 따른 아크 램프 및 이를 갖는 기판 가열 장치는 급속 열처리 공정에 사용될 수 있다. 상기 급속 열처리 공정은 도펀트의 활성화 이외에도, 실리콘 결함 큐어링이나 금속 실리사이드화(silicidation), 옥시데이션 등에 적용될 수 있다
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 챔버 12: 제1 윈도우
14: 제2 윈도우 20: 지지 플레이트
30: 제1 아크 램프 32: 제1 반사기
40: 제2 아크 램프 42: 제2 반사기
100: 아크 램프 110: 아크 튜브
112: 전기 아크 120: 음극 하우징
122: 제1 유체 입구 포트 124: 제1 유체 출구 포트
126: 가스 공급 포트 128: 액체 공급 포트
130: 양극 하우징 132: 제2 유체 입구 포트
134: 제2 유체 출구 포트 136: 가스/액체 배출 포트
200: 음극 210: 음극 헤드부
220: 음극 팁부 300: 양극
310: 양극 헤드부 312: 양극 파이브
314: 양극 몸체부 316: 양극 인서트
320: 양극 팁부 311: 장벽
322: 트렌치 324: 중심부
326: 돌출부 327: 제1 단
328: 제2 단 330: 확산 접합층

Claims (10)

  1. 내부에 반응 기체를 수용하기 위한 아크 튜브; 및
    상기 아크 튜브 내에서 서로 대향하도록 배치되며 전기 아크를 발생시키기 위한 양극 및 음극을 포함하고,
    상기 양극은
    상기 아크 튜브의 일단부로부터 내부로 연장하는 양극 헤드부; 및
    상기 양극 헤드부 상에 접합되고, 상부면의 가장자리를 따라 연장 형성된 트렌치를 갖는 양극 팁부를 포함하는 아크 램프.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 헤드부는 제1 금속을 포함하고, 상기 양극 팁부는 상기 제1 금속의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 제2 금속을 포함하는 아크 램프.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 양극 헤드부의 열전도율은 상기 양극 팁부의 열전도율보다 높은 아크 램프.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 양극 헤드부는 구리를 포함하고, 상기 양극 팁부는 텅스텐을 포함하는 아크 램프.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 양극 팁부의 상부면 중심부는 상기 트렌치에 의해 둘러싸이고 상기 전기 아크와 접촉하는 아크 램프.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 양극 팁부는 상기 상부면 중심부로부터 상부로 연장하는 돌출부를 더 포함하는 아크 램프.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 양극 팁부는 상기 상부면 중심부로부터 상부로 연장하는 계단 형상의 돌출부를 더 포함하는 아크 램프.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 양극은 내부에 냉각 유체의 흐름을 수용하기 위한 냉각 채널을 포함하는 아크 램프.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 양극은 외측 단부가 상기 아크 튜브의 일단부에 설치되고 상기 몸체부에 연결되고 내부에 상기 냉각 채널을 형성하기 위한 공간을 제공하는 양극 몸체부를 포함하는 아크 램프.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 아크 튜브는 실린더형 튜브를 포함하는 아크 램프.
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