KR20170095983A - 작업물의 온도 균일성을 개선하기 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

프로세싱 동안 작업물의 온도 균일성을 개선하기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 장치는 플래튼의 외부 둘레를 따라 배치된 링 가열기 어셈블리를 포함한다. 링 가열기 어셈블리는 그 안에 또는 그 위에 배치된 가열 엘리먼트들을 포함하며, 여기에서 이러한 가열 엘리먼트들은 작업물의 외부 에지를 덥히기 위한 열을 생성한다. 일부 실시예들에 있어서, 링 가열기 어셈블리는 작업물의 에지를 넘어 연장하며, 이온 빔에 노출될 수 있다.

Description

작업물의 온도 균일성을 개선하기 위한 장치{APPARATUS FOR IMPROVING TEMPERATURE UNIFORMITY OF A WORKPIECE}
본 개시의 실시예들은 프로세싱 동안 작업물의 온도 균일성을 개선하기 위한 장치 및 방법들에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 가열된 작업물의 온도 균일성을 개선하기 위한 장치 및 방법들에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조는 복수의 개별적이고 복잡한 프로세스들을 수반한다. 이러한 프로세스들을 수행하기 위하여, 작업물은 전형적으로 플래튼(platen) 상에 배치된다. 플래튼은 플래튼 내의 전극들에 의해 생성되는 정전력의 인가를 통해 작업물을 유지하도록 설계된 정전 척(chuck)일 수 있다.
플래튼들은 전형적으로 이들이 지지하는 작업물의 직경보다 약간 더 작은 직경을 갖도록 설계된다. 이는, 플래튼이 인입 이온 빔에 노출되지 않는다는 것을 보장한다. 이온 빔과의 접촉은 오염물질들의 생성을 초래할 수 있거나, 또는 플래튼에 손상을 가할 수 있다.
작업물을 제 위치에 유지하는 것에 더하여, 플래튼은 또한 작업물을 가열하거나 또는 냉각시키도록 역할할 수 있다. 특히, 플래튼은 전형적으로 일부 실시예들에 있어서 작업물로부터 열을 추출하는 것 또는 다른 실시예들에 있어서 작업물에 열을 공급하는 것이 가능한 재료의 큰 덩어리이다. 특정 실시예들에 있어서, 플래튼은 후면 가스를 플래튼의 상부 표면과 작업물의 후면 사이의 공간에 공급하는 도관들을 그것의 상부 표면 상에 갖는다.
플래튼이 작업물보다 어느 정도 더 작기 때문에, 작업물의 외부 에지(edge)는 플래튼에 의해 효과적으로 가열되지 않거나 또는 냉각되지 않을 수 있다. 따라서, 플래튼이 작업물에 열을 공급하는 실시예들에 있어서, 작업물의 외부 에지는 작업물의 나머지 부분보다 더 차가울 수 있다. 반대로, 플래튼이 작업물로부터 열을 제거하는 실시예들에 있어서, 작업물의 외부 에지는 작업물의 나머지 부분보다 더 뜨거울 수 있다.
이러한 온도의 차이는 작업물의 수율에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 작업물에 걸쳐 양호한 온도 균일성을 달성하기 위한, 특히, 작업물이 플래튼에 의해 가열되는 실시예들에 있어서 작업물에 걸쳐 양호한 온도 균일성을 달성하기 위한 장치 및 방법이 존재하는 경우 유익할 것이다.
프로세싱 동안 작업물의 온도 균일성을 개선하기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 장치는 플래튼의 외부 둘레를 따라 배치된 링 가열기 어셈블리를 포함한다. 링 가열기 어셈블리는 그 안에 또는 그 위에 배치된 가열 엘리먼트들을 포함하며, 여기에서 이러한 가열 엘리먼트들은 작업물의 외부 에지를 덥히기 위한 열을 생성한다. 일부 실시예들에 있어서, 링 가열기 어셈블리는 작업물의 에지를 넘어 연장하며, 이온 빔에 노출될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 작업물 홀딩 및 가열 장치가 개시된다. 장치는, 플래튼; 및 플래튼의 외부 둘레를 둘러싸는 링 가열기 어셈블리로서, 링 가열기 어셈블리는 상단 표면 상의 보호 실드(shield) 및 보호 실드 아래에 배치되는 가열 엘리먼트를 포함하는, 링 가열기 어셈블리를 포함한다. 추가적인 실시예에 있어서, 가열 엘리먼트는 보호 실드 내에 케이싱(encase)될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 보호 실드는 세라믹 재료이다. 특정 실시예들에 있어서, 장착 시스템이 링 가열기 어셈블리를 제 위치에 홀딩하며, 복수의 굴곡부(flexure)들을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 장착 시스템은 플래튼을 홀딩하기 위하여 사용되는 베이스에 연결된다. 특정 실시예들에 있어서, 링 가열기 어셈블리는 또한 상단 표면 근처에 배치된 온도 센서를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 전원 공급장치가 링 가열기 어셈블리와 연통한다.
다른 실시예에 따르면, 작업물을 가열하는 방법이 개시된다. 방법은, 작업물의 제 1 부분에 열을 제공하기 위하여 후면 가스의 사용을 통해 전도성 가열을 사용하는 단계; 및 작업물의 제 2 부분에 열을 제공하기 위하여 방사성 가열을 사용하는 단계를 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 제 2 부분은 작업물의 외부 에지일 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 링 가열기 어셈블리가 개시된다. 링 가열기 어셈블리는, 링형 보호 실드; 및 링형 보호 실드 아래에 배치되는 가열 엘리먼트; 및 링형 보호 실드를 제 위치에 위치시키기 위한 장착 시스템을 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 장착 시스템은 베이스와 연통하는 장착 프레임, 및 장착 프레임으로부터 가열 엘리먼트를 향해 연장하는 복수의 굴곡부들을 포함한다.
본 개시의 더 양호한 이해를 위하여, 본원에 참조로서 포함되는 첨부된 도면들에 대한 참조가 이루어진다.
도 1은 일 실시예에 따른 링 가열기 어셈블리의 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 링 가열기 어셈블리의 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 가열 엘리먼트들의 상이한 실시예들을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 가열 엘리먼트들 및 장착 프레임의 도면이다.
도 5a 내지 도 5b는 일 실시예에 따른 링 가열기와 플래튼 베이스 사이의 연결을 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 상이한 돌출(overhang) 부분들을 갖는 다양한 실시예들을 도시한다.
이상에서 설명된 바와 같이, 전통적인 플래튼들 상에 배치된 작업물들의 에지들은 플래튼으로부터 돌출할 수 있으며, 이는 이러한 에지들이 작업물의 나머지 부분들과는 상이한 온도로 유지되게끔 한다.
도 1은 링 가열기 어셈블리(100)의 제 1 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 링 가열기 어셈블리(100)는 플래튼(10)의 외부 둘레 근처에 그리고 이를 둘러싸도록 배치된다. 플래튼(10)은 정전 척(electrostatic chuck; ESC) 또는 임의의 다른 유형의 플래튼일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 플래튼(10)은 플래튼(10)의 상부 표면 상에서 끝나는 복수의 도관들을 포함하며, 이들은 후면 가스를 플래튼(10)의 상부 표면과 작업물(30)의 하부 표면 사이의 용적에 전달한다. 플래튼(10)은 또한 그것의 외부 에지 근처에 외부 밀봉 링(미도시)을 가질 수 있으며, 이는 후면 가스를 이러한 용적 내에 국한시키고 후면 가스 누출을 최소화하도록 역할한다. 외부 밀봉 링은 플래튼(10)의 상부 표면으로부터 위쪽으로 연장하며 작업물(30)과 접촉하고, 이는 후면 가스를 포함하는 벽을 형성한다. 이러한 외부 밀봉 링은, 외부 밀봉 링이 작업물(30)과 접촉하기 때문에 효과적이다. 추가로, 플래튼(10)은 그 아래에 복수의 전극들이 배치되는 상부 유전체 층을 포함할 수 있다. 교류 전압 파형들이 이러한 전극들에 인가될 수 있으며, 이는 작업물(30)을 플래튼(10) 상에서 제 위치에 홀딩하는 정전력을 생성한다. 이러한 상부 유전체 층은 이온 빔 충돌에 견디는 것이 불가능할 수 있다. 따라서, 외부 밀봉 링이 작업물(30)과 접촉하기 때문에, 플래튼(10)이 전형적으로 그 위에 배치된 작업물(30)보다 더 작으며, 이는 이온 빔이 플래튼(10)에 충돌하지 못한다는 것을 보장한다. 일부 실시예들에 있어서, 작업물(30)은 플래튼(10)으로부터 2-3 mm 돌출할 수 있지만, 다른 치수들이 또한 가능하고 이는 본 개시의 범위 내에 속한다.
플래튼(10)은 플래튼(10)을 지지하기 위하여 사용되는 베이스(20) 상에 배치될 수 있다. 베이스(20)는 플래튼(10)과는 상이한 재료로 만들어질 수 있다. 장착 시스템은 베이스(20)로부터 바깥쪽으로 연장하며, 이는 하나 이상의 굴곡부들(110)을 포함할 수 있다. 이러한 굴곡부들(110)은 일 단부 상에서 베이스(20)에 결합되며, 플래튼(10)의 에지를 지나 바깥쪽으로 그리고 위쪽으로 연장한다. 이러한 굴곡부들(110)은 임의의 적절한 재료일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 굴곡부들(110)은, 이하에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 그 내부에 전기적 와이어들이 배치되는 튜브들일 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 굴곡부들(110)은 속이 차 있을 수 있으며, 전기적 와이어들(120)이 굴곡부들(110) 외부에 배치될 수 있다. 이러한 굴곡부들(110)은, 링 가열기 어셈블리(100)를 제 위치에 홀딩하는데 사용되는 장착 프레임(160)에 연결될 수 있다. 장착 프레임(160)은 또한 하나 이상의 가열 엘리먼트들(130)을 제 위치에 홀딩할 수 있다. 장착 프레임(160)은, 굴곡부(110)의 하나의 단부를 홀딩하며 이를 베이스(20)에 연결할 수 있는 블록일 수 있다. 장착 프레임(160)과 굴곡부(110) 사이의 연결은 기계적인 연결, 예컨대 나사 또는 클램프(clamp)일 수 있다. 물론, 다른 장착 시스템들이 링 가열기 어셈블리(100)를 제 위치에 홀딩하기 위하여 사용될 수 있다.
도 1이 가열이 엘리먼트들(130)의 2개의 층들을 도시하지만, 본 개시가 임의의 특정한 수의 가열 엘리먼트들에 한정되지 않는다. 이러한 가열 엘리먼트들(130)은 보호 실드(140)에 의해 보호될 수 있다. 이러한 보호 실드(140)는 세라믹 재료일 수 있지만, 다른 재료들이 사용될 수도 있다. 보호 실드(140)에 대한 재료는, 이것이 스퍼터링(sputtering)에 저항하도록 이온 빔에 대하여 상대적으로 영향을 받지 않도록 선택될 수 있다. 추가로, 재료는, 임의의 스퍼터링되는 재료가 작업물을 최소한으로 오염시키도록 선택될 수 있다. 실리콘 탄화물 및 흑연이 이러한 재료들이지만, 다른 재료들이 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 보호 실드(140)는, 작업물(30)이 플래튼(10) 상에 배치될 때 작업물(30)이 보호 실드(140)와 접촉하지 않도록 배치될 수 있다.
추가적으로, 열 실드(150)가 가열 엘리먼트들(130) 아래에 배치될 수 있다. 이러한 열 실드(150)는, 가열 엘리먼트들(130)로부터 보호 실드(140)로의 열 전달을 최대화하기 위하여 가열 엘리먼트들(130)에 의해 생성된 열을 보호 실드(140)를 향해 위쪽으로 보내도록 역할한다. 열 실드(150)가 이온 빔에 노출되지 않기 때문에, 이는 금속으로 구성될 수 있지만, 다른 재료들이 또한 사용될 수 있다.
동작 시에, 전기적 와이어들(120)을 통해 전력이 가열 엘리먼트들(130)로 공급되며, 이는 전기적 에너지를 열로 변환한다. 이러한 열은 열 실드(150)에 의해 보호 실드(140)를 향해 위쪽으로 반사된다. 보호 실드(140)는 이러한 열을 흡수하며, 이는 그것의 온도를 상승시킨다. 그러면, 보호 실드(140)는 방사성 가열을 통해 그 위에 배치된 작업물(30)을 가열한다.
전력을 공급하기 위하여 링 가열기 어셈블리(100)는 전원 공급장치(미도시)와 연통한다. 일부 실시예들에 있어서, 전원 공급장치는, 가열 엘리먼트들(130)에 의해 생성되는 열의 양이 제어될 수 있도록 가변 출력을 공급하는 것이 가능할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 전원 공급장치의 출력들은 폐 루프 제어를 사용하여 제어되며, 여기에서 온도 센서(미도시)가 링 가열기 어셈블리(100) 상에 또는 그 근처에 배치된다. 다른 실시예들에 있어서, 온도 센서는 링 가열기 어셈블리(100) 내에 내장될 수 있다. 전원 공급장치는 링 가열기 어셈블리(100)의 희망되는 온도 및 온도 센서에 의해 측정되는 실제 온도에 기초하여 출력을 조절한다. 다른 실시예에 있어서, 전원 공급장치의 출력은, 희망되는 온도 대 출력 레벨을 등식화하는 테이블이 생성되도록 교정된다. 그런 다음, 이러한 테이블은 희망되는 온도에 기초하여 전원 공급장치의 적절한 출력을 결정하기 위하여 사용된다.
도 1은 가열 엘리먼트들(130)의 2개의 층들을 갖는 링 가열기 어셈블리(100)를 도시한다. 그러나, 다른 실시예들이 또한 가능하다. 예를 들어, 가열 엘리먼트들(130)은 세라믹 또는 포화 흑연 재료 내에 배치될 수 있다.
도 2는 링 가열기 어셈블리(200)의 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 가열 엘리먼트들은 하나 이상의 링 가열기(210)들 내에 케이싱된다. 링 가열기(210)는 세라믹 또는 포화 흑연 재료일 수 있으며, 여기에서 가열 엘리먼트들이 그 내부에 배치된다. 일부 실시예들에 있어서, 링 가열기(210)를 구성하기 위하여 사용된 재료가 또한 보호 실드로서 기능함에 따라, 별개의 보호 실드가 사용되지 않는다. 이러한 실시예에 있어서, 열 실드(220)는 링 가열기(210)의 밑면 상에 배치될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 플래튼(10)이 테이퍼진(tapered) 에지를 갖는다는 것을 주의해야 한다. 이러한 실시예에 있어서, 링 가열기(210)는 플래튼(10)에 대하여 동일 평면이거나 또는 거의 동일 평면이 되도록 구성될 수 있다. 플래튼(10)이 테이퍼를 갖지 않는 경우, 링 가열기(210)는 또한 이러한 테이퍼 없이 구성될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 링 가열기(210) 내의 가열 엘리먼트들이 이상에서 설명된 바와 같이 전원 공급장치와 연통한다.
추가로, 링 가열기(210)는 그 안에 배치되는 온도 센서(230)를 포함할 수 있다. 온도 센서는 열전대 또는 저항 온도 검출기(resistance temperature detector; RTD)일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 온도 센서(230)가 캐비티(cavity)(231) 내에 삽입될 수 있도록 캐비티(231)가 링 가열기(210) 내로 드릴링될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 온도 센서(230)는 작업물(30) 근처의 온도를 더 양호하게 결정하기 위하여 링 가열기(210)의 상부 표면에 가깝게 배치된다.
작업물(30)이 플래튼(10)의 에지를 넘어 연장하며 링 가열기(210)의 일 부분 위에 배치된다는 것을 주목해야 한다. 돌출 부분으로서 지칭되는 이러한 부분이 변화할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 작업물의 단지 2-3 mm만이 돌출 부분을 포함한다. 그러나, 다른 실시예들에 있어서, 플래튼(10)은, 돌출 부분이 더 클 수 있도록 작업물에 비하여 더 작게 만들어질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 돌출 부분은 15-20 mm만큼 클 수 있다. 예를 들어, 도 2는 약 2-3 mm의 돌출 부분을 도시한다. 그러나, 플래튼(10)의 직경이 5mm, 10mm, 15mm, 20mm, 또는 25mm만큼과 같이 감소될 수 있으며, 동시에 링 가열기(210)의 폭이 그에 따라서 증가된다. 돌출 부분은 본 개시에 의해 한정되지 않는다.
도 3a는 도 2에 도시된 실시예에서 사용될 수 있는 링 가열기(300)의 일 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 하나 이상의 가열 엘리먼트들(310)이 외부 재료(320) 내에 배치된다. 이러한 가열 엘리먼트들(310)은 열의 생성에 의해 에너지를 소산시키도록 설계된 저항성 와이어 가열기들일 수 있다. 외부 재료(320)는 세라믹, 포화 흑연 또는 다른 재료일 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 가열 엘리먼트들(310)은 이들을 물리적으로 외부 재료(320)로부터 분리하기 위하여 금속 튜브(315) 내에 봉입(encapsulate)될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 링 가열기(300)는 온도 센서를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에 있어서, 캐비티가 외부 재료(320) 내에 드릴링될 수 있으며, 온도 센서가 드릴링된 캐비티 내에 위치될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 온도 센서(380)는 상부 표면 근처에서 외부 재료(320) 내에 형성될 수 있다. 대안적으로, 캐비티가 외부 재료(320)의 상단 표면 내에 형성될 수 있으며, 온도 센서(380)가 그 캐비티 내에 위치될 수 있다.
도 3b는 도 2에 도시된 실시예에서 사용될 수 있는 링 가열기(350)의 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 가열 엘리먼트들(360)은 평평할 수 있으며, 제 1 층(370)과 제 2 층(371) 사이에 봉입될 수 있다. 이러한 링 가열기(350)를 생성하기 위하여, 가열 엘리먼트들(360)이 비소성(unfired) 세라믹 재료일 수 있는 제 2 층(371) 상에 실크 스크린(silk screen)되거나, 직접 기입(written)되거나 또는 달리 증착된다. 그런 다음, 또한 비소성 세라믹 재료일 수 있는 제 1 층(370)이 제 2 층(371)의 상단 상에 위치된다. 그런 다음, 어셈블리가 구워지거나 또는 소결되며, 내장된 가열기를 갖는 세라믹의 모놀리식(monolithic) 피스(piece)가 된다. 다시, 온도 센서(380)는 이상에서 설명된 방법들 중 임의의 방법을 사용하여 제 1 층(370) 내에 내장될 수 있다.
도 4는 플래튼(10)으로부터 분리된 링 가열기 어셈블리(400)의 일 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에 있어서, 링 가열기 어셈블리(400)는 3개의 링 가열기들(410)로 이루어지며, 각각의 링 가열기는 총 둘레의 약 1/3이다. 더 많은 링 가열기들이 사용되는 경우, 각각의 링 가열기는 도 4에 도시된 것들보다 더 작을 것이다. 별개의 링 가열기들(410)의 사용은 열 응력을 감소시키면서 열 팽창을 가능하게 할 수 있다. 장착 프레임(420)은 각각의 인접한 쌍의 링 가열기들(410) 사이에 배치된다. 장착 프레임(420)은 링 가열기들(410)을 지지하기 위하여 굴곡부(도 1참조)을 홀딩하며, 또한 링 가열기들(410) 내에 배치된 가열 엘리먼트들에 전력을 공급하는 전기적 도관들을 제공한다. 도시되지는 않았지만, 링 가열기들(410)이 보호 실드에 의해 커버될 수 있다. 링 가열기들(410)은 도 3a 내지 도 3b에 도시된 유형들일 수 있거나, 또는 임의의 다른 적절한 유형일 수 있다.
도 5a는 베이스(20)와 도 4에 도시된 링 가열기들(410) 사이의 연결의 일 실시예의 저면도를 예시한다. 도 5b는 이러한 실시예의 상면도를 예시한다. 이러한 실시예에 있어서, 베이스(20)는 장착 프레임(420)과 짝짓기 위한 하나 이상의 리셉터클(receptacle)들(500)을 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 3개 이상의 리셉터클들(500)이 베이스(20)의 외부 주변부 둘레에 균등하게 배치된다. 장착 프레임(420)은 링 가열기들(410)을 지지하기 위하여 굴곡부(510)를 홀딩할 수 있다. 이상에서 언급된 바와 같이, 굴곡부(510)는 기계적인 연결, 예컨대 나사 또는 클램프를 사용하여 장착 프레임(420)에 고정될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 장착 프레임(420)은 또한 링 가열기들(410)에 전력을 공급하는 하나 이상의 전기적 도관들(520)을 포함한다. 특정 실시예들에 있어서, 전기적 도관들(520)은 굴곡부(510) 내에 배치될 수 있다.
굴곡부(510)는 다양한 방식들로 링 가열기들(410)에 연결될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 굴곡부(510)의 원위 단부에 결합되는 플랜지(flange)가 존재할 수 있다. 플랜지는 고온 납땜을 사용하여 결합될 수 있다. 스레딩된(threaded) 특징부를 갖는 블록(522)이 링 가열기들(410)의 밑면에 부착될 수 있다. 스레딩된 특징부는 플랜지를 받아 들인다. 플랜지와 스레딩된 특징부 사이의 연결은 스레딩된 조인트(joint)일 수 있다. 링 가열기(410)에 대한 블록(522)의 부착은 다양한 방식들로 이루어질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 링 가열기(410)는 세라믹일 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 블록(522)은 금속일 수 있으며, 링 가열기(410)에 납땜될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 링 가열기(410)는 흑연일 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 흑연이 삽입부(insert)들을 갖는 스레드들을 받아들일 수 있음에 따라, 전통적인 스레딩된 하드웨어가 사용될 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서, 블록(522)은 흑연 링 가열기의 하단 상에 기계가공된 특징부 주변에 클램핑될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 열 실드(도 2 참조)가 링 가열기(410) 아래에 배치된다. 이러한 열 실드가 금속인 경우, 굴곡부(510)는 열 실드에 연결될 수 있다.
도 4, 도 5a 및 도 5b가 베이스(20)를 링 가열기 어셈블리에 부착하기 위하여 사용될 수 있는 장착 프레임(420)의 일 실시예를 도시하지만, 본 개시가 이러한 실시예에 한정되지 않는다. 다른 지지 메커니즘들이 링 가열기 어셈블리를 제 위치에 홀딩하기 위하여 사용될 수 있다.
이러한 실시예들 전부에 있어서, 링 가열기 어셈블리는 플래튼(10)의 외부 둘레를 둘러싸는 환형 링이다. 링 가열기 어셈블리의 상단은, 작업물(30)이 링 가열기 어셈블리와 접촉하지 않는 것을 보장하기 위하여 이것이 플래튼(10)의 상단 표면의 레벨 약간 아래에 존재하도록 위치될 수 있다.
각각의 실시예에 있어서, 링 가열기 어셈블리는, 링 가열기 어셈블리의 상부 표면 상에 배치되는 보호 실드를 포함한다. 보호 실드가 이온 빔에 노출되기 때문에, 보호 실드는 스퍼터링에 대하여 저항성이 있는 세라믹 또는 포화 흑연 또는 임의의 적절한 재료로 만들어질 수 있다.
하나 이상의 가열 엘리먼트들은 보호 실드 아래에 존재한다. 이러한 가열 엘리먼트들은 전형적으로 전원 공급장치로부터 전력을 공급받는 저항성 엘리먼트들이다. 가열 엘리먼트들을 통과하는 전기적 에너지는 열로 변환되며, 이는 보호 실드와 같은 주변 엘리먼트들 및 가열 엘리먼트들은 가열하도록 역할한다. 일부 실시예들에 있어서, 가열 엘리먼트들은 보호 실드로서 역할하는 세라믹 또는 흑연 쉘(shell) 내에 케이싱되거나 또는 봉입된다. 일부 실시예들에 있어서, 쉘 또는 외부 재료에 온도 센서가 내장되거나 또는 달리 부착된다.
열 실드는 가열 엘리먼트들 아래에 배치될 수 있으며, 이는 열을 링 가열기 어셈블리의 상부 표면을 향해 반사한다. 이러한 열 실드는, 이것이 이온 빔에 노출되지 않기 때문에 금속일 수 있다.
추가적으로, 링 가열기 어셈블리는 장착 시스템의 사용을 통해 제 위치에 홀딩될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 장착 시스템은 베이스로부터 연장하는 복수의 굴곡부들을 포함한다. 그러나, 다른 장착 시스템들이 또한 사용될 수 있다.
마지막으로, 링 가열기 어셈블리는 가열 엘리먼트들에 전력을 공급하는 전원 공급장치와 연통할 수 있다. 이상에서 설명된 바와 같이, 전원 공급장치는, 가열 엘리먼트들에 의해 생성되는 열의 양이 제어될 수 있도록 가변 출력을 공급하는 것이 가능할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 전원 공급장치의 출력들은 폐 루프 제어를 사용하여 제어되며, 여기에서 온도 센서가 링 가열기 어셈블리의 상단 표면 상에 또는 그 근처에 배치된다. 이러한 실시예에 있어서, 제어기(미도시)는 온도 센서 및 전원 공급장치와 통신할 수 있다. 제어기는 또한 링 가열기 어셈블리의 희망되는 온도에 관한 입력들을 수신할 수 있다. 그런 다음, 제어기는 전원 공급장치의 출력을 조정하기 위하여 온도 센서로부터의 입력을 사용한다. 이는, 링 가열기 어셈블리의 온도가 플래튼의 온도와 매칭되게 하도록 이루어질 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 전원 공급장치의 출력은, 희망되는 온도 대 출력 레벨을 등식화하는 테이블을 사용하여 제어기에 의해 제어될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 제어기는 링 가열기 어셈블리의 희망되는 온도에 관한 입력들을 수신한다. 그런 다음, 제어기는 전원 공급장치로부터의 적절한 출력을 결정하기 위하여 테이블을 인덱싱(index)한다.
일부 실시예들에 있어서, 링 가열기 어셈블리는, 작업물이 주변 온도 이상으로 가열되어야 하는 상황들에서 사용된다. 이상에서 설명된 바와 같이, 전통적인 플래튼들에 있어서, 작업물은 약 2-3 mm만큼 플래튼의 에지로부터 돌출한다. 추가적으로, 외부 밀봉 링이 플래튼의 에지 이전 몇 밀리미터에 배치될 수 있다. 이상에서 설명된 바와 같이, 외부 밀봉 링은, 작업물(30)과 플래튼(10) 사이에 후면 가스를 포함시키는 장벽을 제공한다. 이러한 후면 가스는, 후면 가스가 플래튼에 의해 가열되고 그 열을 작업물로 전달함에 따라, 플래튼과 작업물 사이의 가열 메커니즘을 제공한다. 다시 말해서, 플래튼(10)은 후면 가스의 사용을 통한 전도성 가열을 제공한다. 따라서, 외부 밀봉 링을 넘어 연장하는 작업물(30)의 부분이 플래튼(10) 및 후면 가스에 의해 효과적으로 가열되지 않는다. 실제로, 일 예에 있어서, 플래튼(10)이 작업물(30)을 600℃로 유지하기 위하여 가열되었다. 작업물(30)의 대부분은 이러한 온도로 유지되었지만, 반면 작업물(30)의 외부 부분은 그렇지 않았다. 실제로, 일 예에 있어서, 작업물(30)의 외부 에지는 작업물(30)의 나머지 부분보다 50℃만큼 더 차가웠다.
플래튼 주변에 장착된 링 가열기 어셈블리를 이용하여 이상의 시나리오가 반복되었다. 이러한 예에 있어서, 작업물(30)의 외부 에지의 온도는 작업물(30)의 나머지 부분의 5℃ 이내였으며, 이는 이러한 접근방식의 유효성을 증명한다.
링 가열기 어셈블리는, 링 가열기 어셈블리와 작업물(30) 사이의 접촉이 존재하지 않기 때문에, 방사성 가열을 통해 작업물을 가열한다. 추가로, 링 가열기 어셈블리와 작업물(30) 사이의 공간에 후면 가스가 존재하지 않는다.
특정 실시예들에 있어서, 작업물에 대한 플래튼(10)의 직경이 링 가열기 어셈블리의 존재에 기인하여 감소될 수 있다. 이상에서 설명된 바와 같이, 일부 실시예들에 있어서, 작업물(30)의 돌출 부분은 2-3mm일 수 있다. 그러나, 특정 실시예들에 있어서, 돌출 부분은 10mm, 15mm, 20mm, 또는 훨씬 더 큰 값들까지 증가될 수 있다. 이러한 접근방식이 링 가열기 어셈블리에 구조적인 강성도를 부가할 수 있으며, 작업물(30)의 전체 온도 프로파일에 영향을 주지 않는다.
도 6a 내지 도 6c는 상이한 돌출 부분들을 갖는 다양한 실시예들을 도시한다. 이러한 실시예들에 있어서, 플래튼의 에지가 테이퍼지지 않는다는 것을 주목해야 한다. 따라서, 이러한 실시예들에 있어서, 링 가열기의 내부 둘레는 직선이며 플래튼에 대하여 정렬된다.
도 6a에서, 돌출 부분은 약 2-3 mm이다. 다시 말해서, 작업물(30)의 약 2-3 mm가 링 가열기(600) 위에 배치된다. 일 실시예에 있어서, 작업물(30)은 300 mm의 직경을 가질 수 있으며, 반면 플래튼(10)은 약 295 mm의 직경을 갖는다. 이러한 실시예에 있어서, 링 가열기(600)는 약 7 내지 22 mm 사이의 폭을 가질 수 있다.
도 6b에서, 돌출 부분은 약 17 mm이다. 일 실시예에 있어서, 작업물(30)은 300 mm의 직경을 가질 수 있으며, 반면 플래튼(610)은 약 266 mm의 직경을 갖는다. 이러한 실시예에 있어서, 링 가열기(611)는 약 22 내지 35 mm 사이의 폭을 가질 수 있다.
도 6c에서, 돌출 부분은 약 30 mm이다. 일 실시예에 있어서, 작업물(30)은 300 mm의 직경을 가질 수 있으며, 반면 플래튼(620)은 약 240 mm의 직경을 갖는다. 이러한 실시예에 있어서, 링 가열기(621)는 약 35 내지 50 mm 사이의 폭을 가질 수 있다.
이러한 실시예들의 각각에 있어서, 링 가열기의 외측 직경은 변화되지 않으며, 이는 작업물(30)의 외측 직경과 연관된다. 링 가열기의 내부 직경은 플래튼의 외측 직경에 기초하여 변화한다. 링 가열기의 외측 직경은 임의의 양만큼 작업물(30)의 외측 직경을 넘어 연장할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 작업물(30)의 외측 직경을 지나 링의 외측 직경을 증가시키는 것이 작업물(30)의 외부 에지에서의 열 손실을 감소시킨다. 일부 실시예들에 있어서, 링 가열기의 외측 직경은 작업물(30)의 외부 에지를 지나서 적어도 5 mm 연장하도록 선택된다. 다른 실시예들에 있어서, 링 가열기의 외측 직경은 작업물의 외부 에지를 지나 20 mm보다 더 많이 연장할 수 있다. 물론, 작업물(30)의 직경과 링 가열기의 외측 직경 사이의 다른 관계들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 링 가열기의 외측 직경은, 링 가열기의 전체 크기 및 작업물(30)의 에지에서의 방사성 열 손실을 최적화하도록 선택될 수 있다.
따라서, 일 실시예에 있어서, 링 가열기 어셈블리는 작업물 홀딩 및 가열 장치의 부분이다. 작업물 홀딩 및 가열 장치는 플래튼 및 플래튼의 외부 둘레를 둘러싸는 링 가열기 어셈블리를 포함한다. 플래튼은 후면 가스를 사용하여 전도성 가열을 가지고 작업물을 가열한다. 플래튼은 또한 정전력의 사용을 통해 작업물을 제 위치에 홀딩할 수 있다. 플래튼을 둘러싸는 환형 링인 링 가열기 어셈블리는 방사성 가열을 사용하여 작업물을 가열한다. 이러한 조합은 효과적이며, 달리 생성될 수 있던 것보다 작업물의 전체에 걸쳐 더 균일한 온도 프로파일을 생성한다.
본 개시가 가열형 플래튼과 함께 링 가열기의 사용을 개시하지만, 본 개시가 이러한 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 일부 실시예들에 있어서, 이온 주입이 실온에서 수행될 수 있다. 그러나, 심지어 실온에서도, 작업물의 외부 둘레 근처에서 작업물의 온도의 어떤 변화가 존재할 수 있으며, 여기에서 작업물의 외부 에지가 작업물의 나머지 부분보다 더 차가울 수 있다. 링 가열기 어셈블리의 사용은 외부 에지에서의 이러한 온도 롤 오프(roll off)를 최소화할 수 있다.
본 개시는 본원에서 설명된 특정 실시예에 의해 범위가 제한되지 않는다. 오히려, 본원에서 설명된 실시예들에 더하여, 본 개시의 다른 다양한 실시예들 및 이에 대한 수정예들이 이상의 설명 및 첨부된 도면들로부터 당업자들에게 자명해질 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 수정예들이 본 개시의 범위 내에 속하도록 의도된다. 추가로, 본 개시가 본원에서 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현예의 맥락에서 설명되었지만, 당업자들은 이의 유용함이 이에 한정되지 않으며, 본 개시가 임의의 수의 목적들을 위한 임의의 수의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 이하에서 기술되는 청구항들은 본원에서 설명된 바와 같은 본 개시의 완전한 폭과 사상의 관점에서 해석되어야만 한다.

Claims (15)

  1. 작업물 홀딩 및 가열 장치로서,
    플래튼; 및
    상기 플래튼의 외부 둘레를 둘러싸는 링 가열기 어셈블리로서, 상기 링 가열기 어셈블리는 상단 표면 상의 보호 실드(shield) 및 상기 보호 실드 아래에 배치되는 가열 엘리먼트를 포함하는, 상기 링 가열기 어셈블리를 포함하는, 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열 엘리먼트는 상기 보호 실드 내에 케이싱(encase)되는, 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 보호 실드는 세라믹 재료인, 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 링 가열기 어셈블리는 상기 링 가열기 어셈블리를 제 위치에 홀딩하기 위한 장착 시스템을 더 포함하는, 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 장착 시스템은 베이스에 연결되며, 상기 베이스는 또한 상기 플래튼을 지지하고, 상기 장착 시스템은 복수의 굴곡부들을 포함하는, 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 장치는 상기 링 가열기 어셈블리와 연통하는 전원 공급장치를 더 포함하는, 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 장치는 상기 링 가열기 어셈블리의 상기 상단 표면 근처에 배치되는 온도 센서를 더 포함하며, 상기 전원 공급장치는 상기 온도 센서로부터의 피드백에 기초하여 출력을 제어하는, 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전원 공급장치는 희망되는 온도에 기초하여 출력을 조절하는, 장치.
  9. 작업물을 가열하는 방법으로서,
    작업물의 제 1 부분에 열을 제공하기 위하여 후면 가스의 사용을 통해 전도성 가열을 사용하는 단계; 및
    상기 작업물의 제 2 부분에 열을 제공하기 위하여 방사성 가열을 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 2 부분은 상기 작업물의 외부 에지이며, 상기 방법은, 상기 작업물을 제 위치에 홀딩하는 단계로서, 플래튼이 상기 작업물을 홀딩하기 위한 정전력을 제공하기 위하여 사용되며, 상기 플래튼은 상기 플래튼의 상부 표면과 상기 작업물의 하단 표면 사이의 용적에 상기 후면 가스를 공급하는, 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 링 가열기 어셈블리로서,
    링형 보호 실드;
    상기 링형 보호 실드 아래에 배치된 가열 엘리먼트; 및
    상기 링형 보호 실드를 제 위치에 위치시키기 위한 장착 시스템을 포함하는, 링 가열기 어셈블리.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 장착 시스템은 베이스와 연통하는 장착 프레임 및 상기 장착 프레임으로부터 상기 가열 엘리먼트를 향해 연장하는 복수의 굴곡부들을 포함하는, 링 가열기 어셈블리.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 링형 보호 실드는 세라믹 또는 흑연을 포함하는, 링 가열기 어셈블리.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 가열 엘리먼트는 상기 링형 보호 실드 내에 케이싱되는, 링 가열기 어셈블리.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 링 가열기 어셈블리는, 상기 링 가열기 어셈블리의 상단 표면 근처에 배치되는 온도 센서를 더 포함하는, 링 가열기 어셈블리.
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