KR20190031324A - 열적 프로세스 디바이스 - Google Patents

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샌드빅 써멀 프로세스. 인크.
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Abstract

본 발명은 대향된 원위 단부들 및 복수의 제어 가능한 가열 구역들을 갖는 열적 프로세싱 챔버를 포함하는 제품 또는 복수의 제품들을 열처리하기 위한 열적 프로세스 디바이스에 관한 것이다. 적어도 하나의 버퍼 구역은 원위 단부들의 각각에 배치된다. 열적 프로세싱 챔버의 가열 구역들 및 버퍼 구역들은 가열 요소 어셈블리를 형성한다. 가열 어셈블리는 내부 및 외부 표면을 갖고 2 차 쉘은 가열 요소 어셈블리를 따라 온도 조정 매체의 유동을 위한 유입구 유동 통로를 형성하도록 그로부터 이격되고 가열 요소 어셈블리의 외부 표면 주위에 배치된다. 수단은 가열 구역들에서 온도를 조정하기 위해 가열 어셈블리의 상이한 구역들로 유입구 유동 통로에서 온도 조정 매체의 유동을 지향시키고, 온도 조정 매체의 대부분의 유동은 가열 온도 어셈블리의 중앙 구역으로 그리고 그후 원위 단부들의 적어도 하나를 향해 외향으로 이송된다.

Description

열적 프로세스 디바이스
본 개시는 개선된 온도 제어로 제품 또는 복수의 제품들을 열처리하기 위한 열적 프로세스 디바이스에 관한 것이다.
많은 제품들은 상이한 이유들로 노들에서 열처리를 받을 수 있다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼 제조에서 반도체 웨이퍼들은 열적 큐어링을 받고, 강 제조에서 강은 강을 경화시키기 위해 어닐링 프로세스를 거친다. 종종 반도체 제조에서 온도는 온도에서 매우 작은 편차들이 산출에 영향을 줄 수 있기 때문에 매우 정확하게 제어되어야 하고, 온도는 특정 양의 시간 동안 제어될 필요가 있을 수 있고 종종 온도는 제조 프로세스의 다음의 단계가 시작될 수 있도록 빠르게 안정화될 필요가 있다. 따라서 열처리가 정확하게 제어될 수 있는 것이 필수적이다.
활성 유체 냉각에 대해 배치 프로세싱 노들에서 사이클 시간을 감소시키는 공지된 방법이 있다. 이러한 경우에 제품들은 열적 프로세스 챔버 내에 존재하고 온도 조정 매체는 열적 프로세스 디바이스의 온도를 조정하도록 노와 접촉하는 통로를 통해 강제된다. 기존의 시스템들은 단일-방향 유동 방법을 포함함으로써, 온도 조정 매체는 하나의 원위 단부에서 주입되고 열적 프로세스 챔버의 다른 원위 단부에서 배기되며, 이러한 시스템에서 온도 조정 매체가 주입되는 원위 단부가 에너지의 전달로 인해 배기 단부에서보다 빠르게 냉각되고, 이는 로드 (load) 에 걸쳐 경사진 온도 기울기를 발생시키고 여기서 실질적인 시간은 프로세스 사이클의 마지막에서 동등화되도록 취해진다
일부 개선예들은 양-방향 유동을 도입함으로써 제조되고, 이로써 온도 조정 매체는 양쪽 원위 단부들에서 교호로 도입된다. 이러한 경우 두개의 원위 단부들 사이의 냉각은 보다 균일하고 밸런싱되지만, 그러나 중앙 질량은 그것이 중앙을 향해 트레블링할 때 일부 열 용량이 손실되기 때문에 보다 느리게 냉각된다.
열적 프로세스 챔버에서 실리콘 기판들의 배치 프로세싱을 위해, 새로운 세대의 열적 프로세스 챔버들은 양쪽의 보다 큰 배치 사이즈들 및 보다 큰 사이즈 기판들을 지지하도록 요구되어, 양쪽에서 프로세싱될 재료의 보다 높은 질량을 발생시키고, 따라서 제품이 높은 온도들, 예를 들면 600 - 1200℃에서 처리될 때에, 보다 많은 에너지가 질량에 저장된다. 따라서 기존의 냉각 시스템들에서 사이클 시간이 증가되어 결국 프로세싱 용량을 감소시키게 된다.
따라서, 열적 프로세싱 시스템들의 냉각 용량 뿐만 아니라 냉각 중에 열적 균일성을 개선함으로써 얻어지는 이점을 증가시킬 필요성이 존재한다.
본 개시의 하나의 양상은 상기 언급된 문제점들 및 단점들을 해결하고 적어도 감소시키는 것이다. 본 개시는 따라서 제품 또는 복수의 제품들을 열처리하기 위한 열적 프로세스 디바이스를 제공하고, 어셈블리는 대향된 원위 단부들 및 복수의 제어 가능한 가열 구역들을 갖는 열적 프로세싱 챔버; 원위 단부들의 각각에 배치된 적어도 하나의 버퍼 구역으로서, 열적 프로세싱 챔버의 가열 구역들 및 버퍼 구역들은 가열 요소 어셈블리를 형성하고, 가열 어셈블리는 내부 및 외부 표면을 포함하는, 상기 적어도 하나의 버퍼 구역; 가열 요소 어셈블리를 따라 온도 조정 매체의 유동을 위한 유동 통로를 형성하도록 이격된 가열 요소 어셈블리의 외부 표면 주위에 배치된 2 차 쉘; 및 가열 구역들에서 온도를 조정하도록 가열 어셈블리의 상이한 구역들로 유입구 유동 통로에서 온도 조정 매체의 유동을 지향시키기 위한 수단을 포함하고, 온도 조정 매체의 대부분의 유동은 가열 온도 어셈블리의 중앙 구역으로 이송되고 그후 원위 단부들의 적어도 하나를 향해 외향으로 이송된다.
실시형태에 따르면, 온도 조정 매체는 중앙 구역으로부터 양쪽 원위 단부들로 가열 요소 어셈블리의 원하는 가열 구역들에서 유동을 제어하도록 적어도 두개의 상이한 방향들로 유동한다.
실시형태에 따르면, 관통식 어셈블리는 각각의 원위 단부에 배치되고, 각각의 관통식 어셈블리는 가열 요소 어셈블리의 일부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
실시형태에 따르면, 온도 조정 매체의 유동을 지향시키기 위한 수단은 가열 요소 어셈블리의 원하는 가열 구역들에서 유동을 제어하기 위해 적어도 두개의 상이한 방향들로 유동을 분할하도록 유동 통로에 배치되는 적어도 하나의 배리어를 포함한다.
실시형태에 따르면, 가열 요소 어셈블리의 외부 표면과 2 차 쉘 사이의 유동 통로는 유입구 유동 통로를 형성하고 가열 요소 어셈블리의 내부 표면과 프로세스 챔버의 외부 표면 사이에 환형 공간을 추가로 포함하고, 환형의 공간은 온도 조정 매체의 유동을 위한 배기 유동 통로를 형성한다.
실시형태에 따르면, 가열 요소 어셈블리는 가열 요소 어셈블리의 내부 표면에 위치된 절연 재료의 적어도 하나의 층을 포함하고, 절연 재료의 적어도 하나의 층은 가열 요소 어셈블리의 최내부 표면을 형성한다.
실시형태에 따르면, 온도 조정 매체의 유동을 지향시키기 위한 수단은 절연 재료의 적어도 하나의 층에 배치되는 복수의 주입 포트들을 포함한다.
실시형태에 따르면, 절연 재료의 적어도 하나의 층은 밀집형 내부 내화물 층 및 보다 다공성의 외부 내화물 층을 갖고, 보다 다공성의 외부 내화물 층은 인젝터 내에서 그를 통해 유동하는 온도 조정 매체의 유동을 용이하게 하도록 배열된다.
실시형태에 따르면, 인젝터는 복수의 주입 포트들의 각각에 배치되고, 인젝터는 실질적으로 원통형 또는 비-원통형이다.
실시형태에 따르면, 열적 프로세싱 챔버는 중앙 부분을 포함하고, 복수의 주입 포트들은 가열 요소 어셈블리의 중앙 부분에서의 가열 구역들에서 보다 높은 집중도로 그리고 가열 요소 어셈블리의 중앙 부분으로부터 원위에 위치된 가역 구역들에서 보다 낮은 집중도로 배치된다.
실시형태에 따르면, 각각의 관통식 어셈블리는 배기 유동 통로와 유체 소통하는 적어도 하나의 배기 구멍을 포함한다.
실시형태에 따르면, 각각의 관통식 어셈블리는 온도 조정 매체 주입 연결부를 포함하고, 적어도 하나의 배기 구멍은 온도 조정 매체 주입 연결부 내에서 동축으로 배열된다.
실시형태에 따르면, 프로세싱 챔버는 유체 냉각 시스템를 갖는 수평의 열적 프로세싱 챔버이다.
실시형태에 따르면, 공기 수집기 서브-어셈블리는 유입구 유동 통로에서 배기 유동을 발생시키도록 배열되고, 공기 수집기 서브-어셈블리는 배기 링의 적어도 하나의 배기 포트에 유입구 유동 통로를 연결하도록 배열되는 배기 링을 포함하고, 적어도 하나의 배기 포트는 열 교환기 유동 커플러에 셔터 밸브를 통해 연결되고, 셔터 밸브는 개방된 위치와 폐쇄된 냉각 위치 사이에서 이동하도록 배열되고, 폐쇄된 위치에서 유입구 유동 통로는 가압된다.
실시형태에 따르면, 유동 커플러는 열 교환기로 이송되는 냉각 공기 유동을 조정하도록 배열되는 이동 가능한 유동 댐퍼를 포함한다.
이전에 요약, 뿐만 아니라 실시형태들의 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면들과 함께 정독된다면 보다 잘 이해될 것이다. 설명된 실시형태들은 도시된 정확한 배열들 및 방편에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
도 1 은 본 개시에 따른 열적 프로세스 디바이스의 사시도이다.
도 2 는 외부 쉘이 부분적으로 제거된 도 1 의 열적 프로세스 디바이스의 사시도이다.
도 3 은 도 1 의 열적 프로세스 디바이스 부분적인 횡단면도이다.
도 4 는 가열 요소 어셈블리의 사시도이다.
도 5a 및 도 5b 는 주입 포트들 및 인젝터들을 갖는 절연부 층들의 부분적인 횡단면도이다.
도 6 은 열적 프로세싱 디바이스의 인젝터의 횡단면도이다.
도 7 은 열적 프로세싱 챔버 및 인젝터들의 횡단면도이다.
도 8a 및 도 8b 은 인젝터를 통한 유동 시나리오들을 예시한다.
도 9 는 유입구 유동 통로 및 배플들의 횡단면도이다.
도 10a 는 축방향 핀들인 배플들을 예시하는 사시도이고, 도 10b 는 도 10a 의 라인 I-I 을 따라 취해진 횡단면도이다.
도 11a 는 방사상 핀들인 배플들을 예시한 사시도이고, 도 11b 는 도 10a 의 라인 I-I 을 따라 취해진 횡단면도이다.
도 12 는 관통식 어셈블리 부분적인 횡단면도이다.
도 13 은 관통식 어셈블리의 환형의 채널의 부분적인 사시도이다.
도 14 는 도 15-도 17 에 도시된 도표에서 사용된 바와 같은 그리고 열적 프로세싱 챔버를 따른 구역들을 예시한다.
도 15 는 단일-방향 냉각이 사용될 때에 열적 프로세스 챔버에 걸친 온도 프로파일의 도표이다.
도 16 은 양-방향 냉각이 사용될 때에 열적 프로세스 챔버에 거친 온도 프로파일의 도표이다.
도 17 은 본 개시의 디바이스가 사용될 때에, 즉 주입 포인트는 가열 구역의 중앙에 있을 때에 열적 프로세싱 챔버에 거친 온도 프로파일의 도표이다.
도 1-도 3 을 참조하면, 제품 또는 복수의 제품들을 열처리하기 위한 열적 프로세스 디바이스 (10) 는 복수의 제어 가능한 가열 구역들 (14) (도 3) 을 갖는 열적 프로세싱 챔버 (12) (도 3) 를 포함한다. 예를 들면 강의 어닐닝으로 또는 큐어링 또는 도핑으로 처리될 제품들은 반도체 웨이퍼들을 포함할 수 있다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 버퍼 구역 (16) 은 원위 단부들 (11, 13) 의 각각에 배치된다. 열적 프로세싱 챔버 (12) 의 버퍼 구역들 (16) 및 가열 구역들 (14) 은 가열 요소 어셈블리 (20) 를 형성한다. 가열 어셈블리 (20) 는 내부 표면 (22) 및 외부 표면 (24) 을 갖는다. 2 차 쉘 (30) 은 가열 요소 어셈블리 (20) 의 외부 표면 (24) 주위에 배치되고 가열 요소 어셈블리 (20) 를 따라 온도 조정 매체 (34) 의 유동을 위해 유입구 유동 통로 (32) 를 형성하도록 그로부터 이격된다. 2 차 쉘 (30) 은 알루미늄 또는 스테인레스 강으로부터 제조될 수 있다. 그러나, 다른 재료들이 쉘 (30), 뿐만 아니라 가열 요소 어셈블리에 대해 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 온도 조정 매체 (34) 는 수행되는 프로세스에 적용 가능한 바와 같은 공기 또는 다른 가스일 수 있다. 열적 프로세싱 챔버 (12) 및 가열 요소 어셈블리 (20) 는 실질적으로 원통형일 수 있다.
본원에 추가로 설명되는 바와 같이, 유동 통로 (32) 는 가열 구역들 (14) 에서 온도를 조정하도록 가열 어셈블리의 상이한 구역으로 유동 통로에서의 온도 조정 매체의 유동을 지향시키기 위한 수단을 포함한다. 이는 온도 조정 매체가 냉각 요구 조건들에 비례하여 정확한 양으로 정확한 영역으로 이송되기 때문에 냉각 중 열적 균일성을 개선시키고, 따라서 열적 프로세싱이 완료된 후에 회복 시간을 감소시킴으로써 디바이스의 수율을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 열적 프로세스 디바이스는 각각의 원위 단부에 배치된 복수의 관통식 (vestibule) 어셈블리들 (40) 을 포함하고, 관통식 어셈블리들 (40) 는 가열 요소 어셈블리의 일부를 형성한다. 본원에 추가로 설명된 바와 같이, 각각의 관통식 어셈블리 (40) 는 유동 통로 (32) 와 유체 소통한다.
상기 논의된 바와 같이, 통로 (32) 에서 온도 조정 매체의 유입구 유동의 방향은 제어될 수 있다. 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 배리어 (46) 는 가열 요소 어셈블리의 원하는 가열 구역들 (14) 으로의 유동을 제어하기 위해 적어도 두개의 상이한 방향들로 유동을 분할하도록 유동 통로 (32) 에 배치된다. 배리어는 금속 또는 열적 절연부 또는 그 조합으로 제조될 수 있고 전형적으로 동등한 부분들로 유동 통로를 분할한다.
앞에서 논의된 바와 같이, 가열 요소 어셈블리 (20) 의 외부 표면 (24) 과 2 차 쉘 (30) 사이의 유동 통로 (32) 는 유입구 유동 통로를 형성한다. 도 3 을 다시 참조하면, 환형의 공간 (42) 은 가열 요소 어셈블리 (20) 의 내부 표면 (22) 과 프로세스 챔버 (12) 의 외부 표면 (26) 사이에 존재한다. 환형의 공간 (42) 은 유동이 유입구 유동 통로 (32) 로부터 통과할 때에 온도 조정 매체 (34) 의 유동을 위해 배기 유동 통로 (44) 를 형성한다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 절연 재료 (36) 의 적어도 하나의 층은 환형의 공간 (42) 에서 가열 요소 어셈블리의 내부 표면 (22) 에 배치된다. 절연 재료 (36) 의 적어도 하나의 층은 가열 요소 어셈블리의 최내부 표면을 형성한다. 배리어(들) (46) 뿐만 아니라, 온도 조정 매체 (34) 의 유동을 지향시키기 위한 수단은 절연 재료 (36) 의 적어도 하나의 층에 배치된 복수의 주입 포트들 (48) 을 포함한다.
상기 설명된 바와 같이, 온도 조정 매체 (34) 가 관통식 어셈블리들 (40) 로부터 유입구 유동 통로 (32) 를 통해 유동할 때에 온도 조정 매체 (34) 는 그것이 배리어(들) (46) 와 조우할 경우 두개 이상의 유입구 유동 플리넘들로 분리되거나 분할된다. 유입구 유동 경로들을 두개 이상의 유동 플리넘들로 분할하는 것은 온도 조정 매체 유동 용량을 증가시키고 따라서 보다 높은 냉각 속도들을 산출한다. 두개 이상의 유동 플리넘들은 개별적으로 가압될 수 있고 따라서 유동은 챔버의 상이한 구역들에 대해 별개로 조정될 수 있다. 온도 조정 매체의 유동은 각각의 단부 관통부에 적용된 진공을 조정함으로써 챔버의 상이한 구역들의 냉각 요구 조건들에 적절하게 비례될 수 있다.
온도 조정 매체 (34) 는 그후 주입 포트들 (48) 를 통해 배기 유동 통로 (44) 로 통과할 것이다. 추가로 아래에 설명된 바와 같이, 가장 냉각된 온도 조정 매체는 가장 필요하다면 열적 프로세스 디바이스의 중앙에 도입되어, 열적으로 프로세싱되는 제품 질량에 걸쳐 훨씬 보다 균일한 냉각 속도를 산출한다. 따라서, 효율성을 개선시키도록, 대부분의 온도 조정 매체는 어셈블리의 중앙 부분 (18) 으로 이송되어, 그안에서 냉각 유체 용량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 온도 조정 매체는 중앙 구역에서의 가열 구역들로 유동하고 그후 어셈블리의 양쪽 단부들로 두개의 상이한 방향들로 또는 적어도 하나의 단부로 외향으로 유동한다.
도 2-도 4 를 다시 참조하면, 열적 프로세싱 챔버 (12) 는 중앙 부분 (18) 을 포함하고 복수의 주입 포트들 (48) 은 유리하게 냉각 유동을 가열 구역들 (14) 전체에 걸쳐 비례시키도록 가열 요소 어셈블리의 중앙 부분 (18) 에서의 가열 구역에서 보다 높은 집중도로 그리고 가열 요소 어셈블리의 중앙 부분 (18) 으로부터 원위에 위치된 가열 구역들 (28) 에서 보다 낮은 집중도로 배치될 수 있다.
도 5a 및 도 5b 를 참조하면, 절연 재료 (36) 의 층은 보다 다공성의 외부 내화물 층 (38) 를 갖는 밀집형 내부 내화물 층일 수 있고, 외부 내화물 층은 온도 조정 매체 (34) 의 유동을 용이하게 하고 인젝터들에 의해 생성된 콜트 스폿들 (cold spots) 및 임의의 열 손실을 최소화시킬 수 있다. 예를 들면, 밀집형 내부 내화물 층 (36) 은 약 12 내지 약 100 ㎜, 예를 들면 약 32 ㎜ 의 전형적인 두께를 갖는 몰딩된 내화물 섬유로부터 제조될 수 있고 보다 다공성의 외부 내화물 층 (38) 은 6 내지 75 ㎜, 예를 들면 약 12 ㎜ 의 전형적인 두께를 갖는 내화물 세라믹 섬유 블랭킷으로 제조될 수 있다.
주입 포트들 (48) 는 단지 밀집형 내부 내화물 층 (36) (도 5a) 만을 통해 연장되고 보다 다공성의 외부 내화물 층 (38) 을 통해서는 연장되지 않거나 또는 양쪽 내부 내화물 층 (36) 및 외부 내화물 층 (38) (도 5b) 을 관통할 수 있다. 냉각 매체 (34) 는 점선 화살표에 의해 도시된 바와 같이 층들을 통해 강제될 수 있다.
2 차 쉘 (30) 은 외부 내화물 층 (38) 과 함께 사용되고 포트들의 위치들에 상응하는 그안에 구멍들을 갖는다. 인젝터 (50) 는 복수의 주입 포트들 (48) 의 각각에 위치될 수 있다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 각각의 인젝터 (50) 는 인젝터 헤드 (52) 및 보디 (54) 를 포함한다.
도 7 을 참조하면, 열적 프로세싱 챔버 (12) 에 접하는 가상 라인 (L1) 과 주입 포트 (L2) 의 축선 사이의 각도 (α) 는 전형적으로 약 30°- 90°이다. 각도 (α) 는 챔버에서 프로세싱되는 재료로부터 멀리 인젝터의 개구를 지향시키도록 변할 수 있고, 이는 온도 균일성을 추가로 개선시킬 수 있다.
인젝터들은 낮은 전도성 및 양호한 열적 충격 저항성을 갖는 세라믹 재료로부터 제조될 수 있다. 인젝터들 (50) 은 약 3 ㎜ 내지 약 10 ㎜ 의 직경을 갖는, 예를 들면, 약 6 ㎜ 의 외부 직경 및 약 5 ㎜ 의 내부 직경을 갖는 실질적으로 원통형일 수 있다. 주입 포트들 (50) 은 또한 비-원통형일 수 있다. 인젝터 구성은 열 방출 표면을 관통하는 인젝터 개구로부터 열 손실을 최소화한다.
인젝터들의 직경들은 절연부 (36) 를 통해 매우 큰 압력 하강을 발생시키지 않고 다공성 절연부 (36) 를 통해 유동하기 위해 냉각 유체 매체 (34) 에 대해 충분한 구역을 제공하도록 선택되고, 이는 도 8a 를 참조하라. 따라서, 인젝터들 (50) 은 도 6 에서 알 수 있는 바와 같이 상대적으로 큰 직경 및 얕은 깊이를 갖는 헤드공간을 가질 수 있다. 추가로, 이러한 특징은 다공성 절연부 내부 표면과 인젝터 사이에 원하는 이격을 유지하는 데 도움을 주는 온도 조정 매체 유동의 충돌의 포인트에서 일부 배압을 생성한다. 도 8b 를 참조하면, 다공성 절연부가 그 두께를 가로질러 생성되는 압력 차이로부터 변형되고 붕괴되도록 허용된다면 그것은 온도 조정 매체 (34') 가 유동할 수 있는 표면적을 감소시키고 따라서 인젝터를 통해 유동 (F') 을 감소시킬 수 있다.
도 3 및 도 9 를 참조하면, 그리고 위에서 논의된 바와 같이, 열적 프로세싱 챔버 (12) 는 가열 요소 (20) 의 외부 표면 (24) 과 2 차 쉘 (30) 사이의 유입구 유동 통로 (32) 에서 배리어(들) (46) 을 포함한다. 단지 하나의 배리어만이 도시되지만, 복수의 배리어들 (46) 이 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 배리어(들) (46) 은 도 9 에서 배플 (56) 일 수 있다.
배플들은 정적 대류 유동을 차단하고 온도 조정 매체 (34) 의 유동을 바람직한 방향으로 편향시키고 추가로 가열 요소 어셈블리와 2 차 쉘 (30) 사이에 정확한 기하학적 형상을 유지하도록 기계적인 지지부를 제공하는 데 사용될 수 있다. 도 10a 및 도 10b 을 참조하면, 배리어들은 가열 요소 어셈블리 (20) 의 외부 표면 (24) 의 길이를 따라 부분적으로 또는 완전히 연장되는 축방향 핀들 (64) 일 수 있다. 복수의 주입 포트들 (48) 은 가열 어셈블리에서 핀들 사이에서 분포될 수 있어서 매체 (34) 의 유동은 포트들 (48) 및 따라서 인젝터들 (50) 에 걸쳐 지향된다.
배플들은 또한 도 11a 및 도 11b 에 도시된 바와 같이 가열 어셈블리 (20) 주위로 연장되는 방사상 핀들 (68) 일 수 있다. 주입 포트들 (48) 및 인젝터들 (50) 은 위에서 논의된 바와 같이 매체 (34) 의 유동을 지향시키도록 방사상 핀들 (68) 에 위치될 수 있다.
도 12 를 참조하면, 열적 프로세싱 챔버의 양쪽 단부들에서 관통식 어셈블리들 (40) 은 하우징 (68) 에 위치된 적어도 하나의 온도 조정 매체 유입구 (58) 및 적어도 하나의 배기 유출구 (60) 를 포함한다. 환형의 배기 채널 (70) 은 배기 덕트 (72) 에 연결된다. 배기 채널 (70) 은 일련의 배기 포트들 (74) 이 표면에 방사상으로 분포되는 활성 가열 구역에 가까운 내부 포트형 표면이다. 도 13 에 도시된 바와 같이, 표면은 프로세스 챔버의 중앙 축선에 대해 각도 (β) 로 바람직하게 배향되고, 각도 (β) 는 약 45°이고, 따라서 표면은 표면이 프로세스 챔버의 중앙 축선에 대해 90 도의 각도로 배향되는 경우보다 더 큰 직경의 배기 포트들을 포함하도록 보다 넓은 표면적을 갖는 원뿔대로서 구성된다. 배기 포트들 (74) 은 원통형 포트로서 구성될 때 약 9㎜ 의 직경 내지 약 25㎜ 의 직경을 가질 수 있다. 배기 포트들은 또한 관통식 포트형 표면을 통해 최적의 유동 특성을 달성하는 데 적절한 바와 같은 비-원통형 형상으로 구성될 수 있다.
도 12 를 다시 참조하면, 덕트 (72) 는 배기 유출구 포트 (60) 와 소통하고 하우징 (68) 내에 위치된다. 냉각 매체는 하우징의 관통부를 충전하고 동축 구성으로 덕트 (72) 를 둘러싼다. 환언하면, 유입구 및 유출구 유동 경로들은 온도 조정 매체 유입구 (58) 내에 포함되는 뜨거운 배기 덕트 (72) 와 동축 구성으로 열적 프로세싱 챔버에 바람직하게 연결된다. 이러한 배열은 뜨거운 배기 파이프로부터 열적 프로세싱 챔버를 둘러싸는 환경으로 임의의 열 전달을 최소화하여, 그것이 설치된 시스템의 안전성, 열적 안정성 및 유지 보수에서 긍정적인 효과를 산출한다.
열적 프로세스 디바이스는 임의의 종류의 다-구역 냉각 프로세스일 수 있고 구체적으로 유체 냉각 시스템을 갖는 수평의 열적 프로세싱 챔버를 위해 사용될 수 있다. 전체 구성은 어떠한 기계적인 조정들도 요구되지 않는 튼튼한 구성을 갖는 복잡한 파이핑 시스템들을 구비한 다른 시스템들과 비교하여 복잡성에서 감소된다. 온도 균일성에서 개선은 챔버에 걸쳐 온도 프로파일을 비교함으로써 증명될 수 있다. 도 14 는 버퍼 구역들 (16) 과 관련된 구역들 B1 및 B2, 중앙 부분 (18) 으로부터 원위의 가열 구역들 (28) 과 관련된 C1 및 C3 및 가열 구역 (14) 의 중앙 부분 (18) 과 관련된 C2 를 도시한다.
단일-방향 냉각 유동의 경우에 열적 프로세스 디바이스의 길이에 걸친 온도 프로파일은 온도 조정 매체가 B1 에서 주입되고 B2 에서 추출되는 온도 프로파일의 예를 도시하는 도 15 에서 알 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 온도 조정 매체가 주입되는 단부는 가장 빠르게 냉각되는 한편, 에너지는 배기 단부로 전달되고, 냉각은 훨씬 더 느리게 되고, 따라서 로드 전체에 걸쳐 큰 경사 기울기로 남겨지고, 여기서 실질적인 시간은 프로세스 사이클의 마지막에서 동등화되도록 취해진다.
도 16 은 양-방향 냉각 유동을 위한 경우를 도시한다. 이러한 경우에 온도 조정 매체 주입 및 추출 포인트들은 B1 과 B2 사이에서 교호하고 온도 프로파일이 보다 균일하고 단부로부터 단부로 밸런싱되지만, 중앙 부분은 보다 느리게 냉각되는 것을 알 수 있는 데, 왜냐하면 온도 조정 매체가 단부들에 주입되고 따라서 중앙을 향해 트레블링할 때 열 용량을 손실하고, 뿐만 아니라 중앙 부분으로 열을 전달하기 때문이고, 따라서 여기서 여전히 시간은 프로세스 사이클의 마지막에 동등화되도록 취해진다.
도 17 은 본 개시에서 설명된 바와 같이 열적 프로세스 디바이스로부터 온도 프로파일을 도시한다. 본 개시는 본질적으로 주입 포인트가 가열 구역의 중앙에 존재한다는 것을 의미한다. 결국 프로세스 사이클의 마지막에서 온도 프로파일은 훨씬 보다 균일하다. 이는 따라서 프로세스의 마지막에서 회복 시간을 짧게하고, 따라서 보다 높은 수율을 산출한다.
가열 요소 어셈블리 (20) 의 열 팽창으로부터 2 차 쉘 (30) 에 대한 손상을 회피하도록 바람직하게 열적 프로세스 디바이스 (10) 에의 추가의 변경들이 행해질 수 있다. 첫번째로, 가열 요소 어셈블리 (24) 의 외부 표면에 대해 사용된 재료는 낮은 열적 팽창 계수 (Cte) 를 갖는 스테인레스 강, 예를 들면 11.0-11.5 ㎛/m-°K 의 범위에서 Cte 를 갖는 스테인레스 강으로부터 제조될 수 있다.
도 18-도 22 를 참조하면, 열적 팽창의 결과로서 발생될 수 있는 임의의 손상을 감소시키도록 구성에 대한 추가의 개선이 강제된 대류 유동을 도입함으로써 달성된다. 도 18 에 도시된 바와 같이, 유입구 유동 통로 (32) (도 19) 와 소통하는 공기 수집기 서브어셈블리 (80) 는 열적 프로세스 디바이스 (10) 의 2 차 쉘 (30) 주위에 위치되는 배기 링 (82) 을 포함한다. 본원에 추가로 설명된 바와 같이 그리고 도 19 에 도시된 바와 같이, 공기는 배기 링 (82) 에서 강제된 대류 배기 포트들 (78) 를 통해 디바이스 (10) 로부터 배기됨으로써 유입구 유동 통로 (32) 를 통한 일부 공기 유동을 허용한다. 공기는 열 교환기들 (84) 의 정면에서 포트들 (78) 로부터 나간다. 이는 가열 요소 어셈블리 (20) 의 외부 표면 및 2 차 쉘 (30) 의 온도를 감소시킬 것이다.
강제된 대류 공기는 예를 들면 거의 분당 25-60 입방피트 (cfm) 의 유동으로 유입구 (58) 를 통해 진입할 수 있다. 공기는 유동 통로 (32) 에서 유동하고 열 교환기로 배기 링 (82) 의 배기 포트들 (78) 을 통해 나간다. 이러한 공기의 유동은 주입 포트들 (48) 내로 유동하는 데 충분한 압력을 발생시지 못할 정도로 충분히 낮다.
도 20 을 참조하면, 공기 수집기 서브-어셈블리 (80) 는 시스템 배기 열 교환기들 (84) 에 유동 통로 (32) 를 커플링하고 배기 인출을 조정하는 수단을 제공한다. 포트(들) (78) 은 셔터 밸브 (90) 를 통해 열 교환기 유동 커플러 (92) 에 연결된다. 커플러 (92) 는 열 교환기와 소통하고 배기 링 (82) 으로부터 유동을 조정하는 수단을 제공한다.
도 21 및 도 22 에 도시된 바와 같이, 커플러 (92) 는 왕복으로 슬라이딩하여 공기 밸런스 구멍들 (96) 을 개방하고 폐쇄하고 따라서 밸런스 구멍들을 개방/폐쇄함으로써 배기 링으로부터 끌어당겨지는 공기의 양 대 쉘의 외측을 가로질러 끌어당겨지는 공기 양을 밸런싱하도록 그에 이동 가능하게 장착되는 조정 댐퍼 (94) 를 포함한다. 따라서, 댐퍼 (94) 는 커플러를 따라 축방향으로 왕복으로 이동한다.
가열 요소 어셈블리 (20) 에서 셔터 밸브 (90) 의 존재는 그렇게 원한다면 가열 구역들 (14) 을 빠르게 냉각시키는 것을 용이하게 한다. 정상 작동 하에서, 셔터 밸브 (90) 는 개방된 위치에 존재하고, 셔터 밸브 (90) 를 폐쇄함으로서 유동 통로 (32) 는 가압되고, 동시에 유동은 도 12 의 유입구 (58) 및 유출구 (60) 에서 조정되거나 증가되고, 이는 원한다면 가열 구역들 (14) 의 빠른 냉각을 발생시킬 것이다. 따라서, 가열 요소 어셈블리 (20) 의 외측에서의 구역 주위에 그리고 그를 통한 공기 유동의 밸런스는 어셈블리와 쉘 사이의 유동 통로 (32) 를 바이패스하는 공기의 양을 제어하도록 축방향으로 왕복으로 슬라이딩할 수 있는 댐퍼들 (94) 을 갖는 네개의 유동 커플러들 (92) 을 통해 조정된다.
따라서 본 실시형태들은 특정한 양상과 관련하여 설명되지만, 많은 다른 변형예들 및 변경예 및 다른 사용예는 본 기술 분야의 당업자에게는 명백할 것이다. 따라서, 본 실시형태들은 본원에서의 구체적인 개시에 의해 제한되지 않고, 단지 첨부된 청구항들에 대해서만 제한되는 것이 바람직하다.

Claims (15)

  1. 제품 또는 복수의 제품들을 열처리하기 위한 열적 프로세스 디바이스 (10) 로서, 상기 디바이스는,
    대향된 원위 단부들 및 복수의 제어 가능한 가열 구역들을 갖는 열적 프로세싱 챔버;
    상기 원위 단부들의 각각에 배치된 적어도 하나의 버퍼 구역으로서, 상기 열적 프로세싱 챔버의 상기 가열 구역들 및 상기 버퍼 구역들은 가열 요소 어셈블리를 형성하고, 상기 가열 요소 어셈블리는 내부 표면 및 외부 표면을 갖는, 상기 적어도 하나의 버퍼 구역;
    상기 가열 요소 어셈블리를 따라 온도 조정 매체의 유동을 위한 유동 통로를 형성하도록 이격된 상기 가열 요소 어셈블리의 상기 외부 표면 주위에 배치된 2 차 쉘; 및
    상기 가열 구역들에서 온도를 조정하도록 상기 가열 어셈블리의 상이한 구역들로 유입구 유동 통로에서 상기 온도 조정 매체의 상기 유동을 지향시키기 위한 수단을 포함하고,
    상기 온도 조정 매체의 대부분의 상기 유동은 상기 가열 온도 어셈블리의 중앙 구역으로 그리고 그후 상기 원위 단부들의 적어도 하나를 향해 외향으로 이송되는, 열적 프로세스 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 조정 매체는 중앙 구역으로부터 양쪽 원위 단부들로 상기 가열 요소 어셈블리의 원하는 가열 구역들에서 상기 유동을 제어하도록 적어도 두개의 상이한 방향로 유동하는 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 원위 단부에 배치된 관통식 (vestibule) 어셈블리를 추가로 포함하고,
    각각의 관통식 어셈블리는 상기 가열 요소 어셈블리의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 조정 매체의 상기 유동을 지향시키기 위한 수단은 상기 가열 요소 어셈블리의 원하는 가열 구역들에서 상기 유동을 제어하기 위해 적어도 두개의 상이한 방향들로 상기 유동을 분할하도록 상기 유동 통로에 배치된 적어도 하나의 배리어를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 요소 어셈블리의 상기 외부 표면과 상기 2 차 쉘 사이의 상기 유동 통로는 유입구 유동 통로를 형성하고 상기 가열 요소 어셈블리의 상기 내부 표면과 상기 프로세스 챔버의 상기 외부 표면 사이의 환형의 공간을 추가로 포함하고,
    상기 환형의 공간은 상기 온도 조정 매체의 상기 유동을 위한 배기 유동 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 요소 어셈블리는 상기 가열 요소 어셈블리의 상기 내부 표면에 위치된 절연 재료의 적어도 하나의 층을 포함하고,
    상기 절연 재료의 적어도 하나의 층은 상기 가열 요소 어셈블리의 최내부 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 조정 매체의 상기 유동을 지향시키기 위한 수단은 절연 재료의 적어도 하나의 층에 배치된 복수의 주입 포트들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    절연 재료의 적어도 하나의 상기 층은 밀집형 내부 내화물 층 및 보다 다공성의 외부 내화물 층을 갖고,
    상기 보다 다공성의 외부 내화물 층은 인젝터 내에서 상기 보다 다공성의 외부 내화물 층을 통해 유동하는 상기 온도 조정 매체의 유동을 용이하게 하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  9. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 주입 포트들의 각각에 배치된 인젝터를 추가로 포함하고,
    상기 인젝터는 실질적으로 원통형 또는 비-원통형인 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  10. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열적 프로세싱 챔버는 중앙 부분을 포함하고,
    상기 복수의 주입 포트들은 상기 가열 요소 어셈블리의 상기 중앙 부분에서의 상기 가열 구역들에서 보다 높은 집중도로 그리고 상기 가열 요소 어셈블리의 상기 중앙 부분으로부터 원위에 위치된 가열 구역들에서 보다 낮은 집중도로 배치되는 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  11. 제 18 항에 있어서,
    각각의 관통식 어셈블리는 배기 유동 통로와 유체 소통하는 적어도 하나의 배기 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 관통식 어셈블리는 온도 조정 매체 주입 연결부를 포함하고,
    적어도 하나의 배기 구멍은 상기 온도 조정 매체 주입 연결부 내에 동축으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로세싱 챔버는 유체 냉각 시스템을 갖는 수평의 열적 프로세싱 챔버인 것을 특징으로 하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입구 유동 통로에서 배기 유동을 발생시키도록 배열되는 공기 수집기 서브-어셈블리를 추가로 포함하고,
    상기 공기 수집기 서브-어셈블리는 배기 링의 적어도 하나의 배기 포트에 상기 유입구 유동 통로를 연결시키도록 배열된 배기 링을 포함하고,
    적어도 하나의 배기 포트는 셔터 밸브를 통해 열 교환기 유동 커플러에 연결되고,
    상기 셔터 밸브는 개방된 위치와 폐쇄된 냉각 위치 사이에서 이동하도록 배열되고,
    상기 폐쇄된 위치에서 상기 유입구 유동 통로는 가압되는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유동 커플러는 상기 열 교환기로 이송되는 냉각 공기 유동을 조정하도록 배열되는 이동 가능한 유동 댐퍼를 포함하는, 열적 프로세스 디바이스 (10).
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