KR20230098884A - 열 처리 시스템을 위한 성형 가스를 갖는 아크 램프 - Google Patents

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KR20230098884A
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마이클 엑스. 양
랄프 브레멘즈도르퍼
데이브 캄
조셉 시베레
디터 헤즐러
샤우밍 마
윈 양
Original Assignee
매슨 테크놀로지 인크
베이징 이타운 세미컨덕터 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
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Abstract

워크피스를 프로세싱하기 위한 장치, 시스템, 및 방법이 제공된다. 아크 램프는 튜브를 구비할 수 있다. 상기 아크 램프는 아크 램프를 냉각하도록 구성된 수벽(water wall)으로서 작동 중에 아크 램프를 통해 순환될 물을 수용하도록 구성된 하나 이상의 입구를 구비할 수 있다. 상기 아크 램프는 하나 이상의 입구를 통해 아크 램프에 도입된 성형 가스에 플라즈마를 생성하도록 구성된 복수의 전극을 구비할 수 있다. 성형 가스는 수소 가스 및 불활성 가스의 혼합물일 수 있거나 이를 포함할 수 있고, 혼합물 내의 수소 가스는 4 체적% 미만의 농도를 갖는다. 수소 가스는 플라즈마를 생성하기 전에 아크 램프에 도입될 수 있다. 아크 램프는 워크피스를 프로세싱하기 위해 사용될 수 있다.

Description

열 처리 시스템을 위한 성형 가스를 갖는 아크 램프
본 개시내용은 일반적으로 열 처리 시스템에 관한 것이다.
밀리세컨드 어닐링 시스템은 실리콘 웨이퍼와 같은 기판의 초고속 열처리를 위한 반도체 프로세싱을 위해 사용될 수 있다. 반도체 프로세싱에서, 고속 열처리는 주입 손상을 보수하고, 증착된 층의 품질을 개선하고, 층 인터페이스의 품질을 개선하고, 도펀트를 활성화시키고, 다른 목적을 달성하기 위해, 그리고 동시에 도펀트 종의 확산을 제어하는 어닐링 단계로서 사용될 수 있다. 반도체 기판의 밀리세컨드(millisecond) 또는 초고속(ultra-fast) 온도 처리는 초당 104℃를 초과할 수 있는 레이트로 기판의 전체 상부 표면을 가열하기 위해 광의 강하고 짧은 노출을 사용하여 달성될 수 있다. 기판의 단지 하나의 표면의 신속한 가열은 기판의 두께를 통해 큰 온도 구배를 생성할 수 있는 반면, 기판의 벌크는 광 노출 전에 온도를 유지한다. 따라서, 기판의 벌크는 히트 싱크(heat sink)로서 작용하여 상부 표면의 신속한 냉각 속도를 초래한다.
본 개시내용의 관점 및 이점은 하기의 설명에서 일부 설명되거나, 설명으로부터 학습될 수도 있거나, 실시예의 실시를 통해 학습될 수 있다.
본 개시내용의 일 예시적인 관점은 아크 램프에 관한 것이다. 상기 아크 램프는 튜브를 구비할 수 있다. 상기 아크 램프는, 상기 아크 램프를 냉각시키도록 구성된 수벽(water wall)으로서 작동 중에 상기 아크 램프를 통해 순환될 물을 수용하도록 구성된 하나 이상의 입구를 구비할 수 있다. 상기 아크 램프는 상기 하나 이상의 입구를 통해 상기 아크 램프에 도입된 성형 가스(forming gas) 내에 플라즈마를 생성하도록 구성된 복수의 전극을 구비할 수 있다. 상기 성형 가스는 수소 가스 및 불활성 가스의 혼합물을 포함하고, 상기 혼합물 내의 수소 가스는 4 체적% 미만의 농도를 갖는다. 상기 수소 가스는 상기 플라즈마를 생성하기 전에 상기 아크 램프에 도입될 수 있다.
본 개시내용의 다른 예시적인 관점은 열 처리 시스템에 관한 것이다. 상기 열 처리 시스템은 워크피스 및 아크 램프 열원을 열처리하도록 구성된 프로세싱 챔버를 구비할 수 있다. 상기 아크 램프 열원은 성형 가스 내에 플라즈마를 생성하도록 구성된 복수의 전극을 구비할 수 있다. 상기 성형 가스는 수소 가스 및 불활성 가스의 혼합물이거나 이를 구비할 수 있으며, 상기 혼합물 내의 수소 가스는 4 체적% 미만의 농도를 갖고, 상기 수소 가스는 상기 플라즈마를 생성하기 전에 상기 아크 램프에 도입될 수 있다.
본 개시내용의 다른 예시적인 관점은 아크 램프에 관한 것이다. 상기 아크 램프는 튜브를 구비할 수 있다. 상기 아크 램프는, 상기 아크 램프를 냉각시키도록 구성된 수벽으로서 작동 중에 상기 아크 램프를 통해 순환될 물을 수용하도록 구성된 하나 이상의 입구를 구비할 수 있다. 상기 아크 램프는 상기 하나 이상의 입구를 통해 상기 아크 램프에 도입된 성형 가스 내에 플라즈마를 생성하도록 구성된 복수의 전극을 구비할 수 있으며, 상기 성형 가스는 상기 플라즈마를 생성하기 전에 아크 램프에 도입된다. 상기 성형 가스는 하나 이상의 불활성 가스를 구비할 수 있다. 상기 복수의 전극은, 상기 복수의 전극 중 적어도 하나의 팁이 하프늄 합금 또는 탄탈륨 하프늄 탄화물을 포함하는 팁, 및 상기 팁 주위의 히트 싱크를 구비할 수 있다.
본 개시내용의 예시적인 관점에 대해 변경 및 수정이 이루어질 수 있다. 본 개시내용의 다른 예시적인 관점은 반도체 기판을 열처리하기 위한 시스템, 방법, 장치, 및 프로세스에 관한 것이다.
다양한 실시예들의 이들 및 다른 특징, 관점 및 이점은 하기의 설명 및 첨부된 청구범위를 참조하여 더 잘 이해될 것이다. 본 명세서에 포함되고 그 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 개시내용의 실시예들을 예시하고, 상세한 설명과 함께, 관련된 원리들을 설명하는 역할을 한다.
본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 관련된 실시예의 상세한 논의는 본 명세서에 기술되어 있으며, 이는 첨부된 도면들을 참조한다.
도 1은 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따른 예시적인 열 처리 시스템의 일부의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따른 예시적인 열 처리 시스템의 분해도를 도시한다.
도 3은 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따른 예시적인 열 처리 시스템의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따른 열 처리 시스템에서 사용되는 예시적인 램프들의 사시도를 도시한다.
도 5는 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따른 열 처리 시스템에서의 예시적인 아크 램프를 도시한다.
도 6은 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따른 열 처리 시스템에서의 아크 램프의 예시적인 동작을 도시한다.
도 7은 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따른 열 처리 시스템에서의 아크 램프의 예시적인 동작을 도시한다.
도 8은 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따른 열 처리 시스템에서의 아크 램프의 예시적인 동작을 도시한다.
도 9는 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따른 아크 램프의 예시적인 애노드를 도시한다.
도 10은 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따른 열 처리 시스템에서의 아크 램프의 예시적인 동작을 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 각각의 예는 본 개시내용의 제한이 아닌 실시예들의 설명에 의해 제공된다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 도시되거나 기술된 특징부는 또 다른 실시예와 함께 사용되어 또 다른 실시예를 산출할 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 관점은 이러한 수정 및 변형을 커버하는 것으로 의도된다.
본 개시내용의 예시적인 관점은 열 처리 시스템, 및 밀리세컨드 어닐링 열 처리 시스템과 같은 열 처리 시스템에서 사용되는 아크 램프에 관한 것이다. 열 처리 시스템은, 예를 들어 약 104℃/sec를 초과할 수 있는 가열 레이트로 워크피스의 표면을 가열하기 위해 광의 강한 및 짧은 노출을 제공하기 위한 하나 이상의 열원을 구비할 수 있다.
아크 램프 열원은 캐소드 전극, 애노드 전극, 물 및 가스의 주입을 위한 하나 이상의 입구, 및 석영 튜브를 구비할 수 있다. 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 전압이 인가될 수 있다. 가스는 아크 방전 동안 고압 플라즈마로 변환될 수 있다. 아크 방전은 음으로 대전된 캐소드 전극과, 이격된 양으로 대전된 애노드 전극 사이의 석영 튜브 내에서 발생할 수 있다(예를 들어, 약 300 mm 이격되어 있음). 캐소드 전극과 애노드 전극 사이의 전압이 가스의 항복 전압에 도달하면, 전자기 스펙트럼의 가시선 및 자외선 범위에서 광을 방출하는 안정적인 저 유도성 플라즈마가 형성될 수 있다.
아크 램프 열원은, 아크 램프 열원의 작동 중에 아크 램프 열원을 통해 물을 순환시키도록 구성된 물 루프에 결합될 수 있다. 예를 들어, 아크 램프 열원은 수벽으로서의 작동 중에 아크 램프 열원을 통해 순환될 물을 수용하도록 구성된 하나 이상의 입구를 구비할 수 있다. 수벽은 작동 중에 아크 램프 열원을 냉각하도록 구성될 수 있다. 아크 램프에서 생성된 플라즈마는 자유 산소가 아크 램프를 통해 흐르는 수벽으로부터 해리되게 할 수 있다. 자유 산소는 아크 램프 내의 전극(예를 들어, 텅스텐 전극)과 반응하여 전극을 산화시킴으로써, 램프 수명을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 램프 수명이 연장될 수 있도록 전극의 산화가 감소되는 것이 바람직할 수 있다. 추가적으로, 생성된 플라즈마는 전극을 부식시킬 수 있는 높은 열을 생성할 수 있다. 전극의 열 저항을 개선하는 것은 플라즈마에 의해 야기되는 부식을 감소시킬 수 있어 램프 수명을 연장할 수 있다.
본 개시내용의 예시적인 관점에 따르면, 열 처리 시스템은 반도체 웨이퍼와 같은 워크피스의 열처리를 위해 구성된 프로세싱 챔버를 구비할 수 있다. 열 처리 시스템은 하나 이상의 아크 램프 열원을 더 구비할 수 있다. 아크 램프 열원(들)은 가스로부터 플라즈마를 생성하는 복수의 전극을 구비할 수 있다. 가스는 하나 이상의 불활성 가스, 즉 아르곤 가스, 헬륨 가스, 네온 가스, 또는 크세논 가스 중 하나 이상과, 수소 가스의 혼합물을 구비할 수 있다. 수소 가스는 순수 수소 가스(H2)일 수 있고 그리고/또는 중수소 가스(D2)를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 가스는 사전 혼합된 성형 가스일 수 있다. 혼합물 내의 수소 가스의 농도는 약 4 체적% 미만, 예컨대 약 3 체적% 미만, 예컨대 약 2 체적% 미만, 예컨대 약 1 체적% 이하일 수 있다. 예시적인 성형 가스는 Linde Group으로부터의 Varigon H2 가스일 수 있다.
복수의 전극들 사이의 아크 방전 동안에 성형 가스에 존재하는 수소 가스는 자유 산소와 반응하여 복수의 전극의 산화를 감소시킬 수 있고, 이에 의해 아크 램프 열원의 램프 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 성형 가스 내의 수소 가스의 낮은 농도는 수소 가스에 대한 안전성/가연성 한계값 아래의 부분 압력에서 아크 램프 열원의 작동을 허용할 수 있다.
일부 실시예에서, 아크 램프 열원은 성형 가스가 복수의 전극 중 제1 전극에서 아크 램프 열원에 도입될 수 있고, 성형 가스가 복수의 전극 중 제2 전극에서 배출될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 성형 가스는 아크 램프 열원의 캐소드 단부 상에 높은 유량으로 석영 튜브 내로 도입될 수 있고, 애노드 단부에서 배출될 수 있다.
일부 실시예에서, 수소 가스(예를 들어, 성형 가스)는 아크 램프의 점화 전에 도입될 수 있다. 예를 들어, 복수의 전극들 사이의 아크 방전이 형성된 시간 이전의 시간에 성형 가스를 도입하여, 복수의 전극에 수소 가스가 충분히 존재하여 자유 산소와 반응함으로써, 복수의 전극의 산화를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 성형 가스는 아크 방전을 형성하기 전에 복수의 전극 중 일부 또는 모두에 존재할 수 있다. 예를 들어, 전극은 아크 방전을 생성하도록 여기될 때 자유 산소로부터의 산화로부터 보호될 수 있다. 일부 경우에, 수소는 추가적으로 및/또는 대안적으로 구리 산화물의 형성을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 입구는 아크 램프 열원의 캐소드 단부 상에 높은 유량으로 물(예를 들어, 고순도 물)을 주입할 수 있고 애노드 단부에서 배출될 수 있다. 하나 이상의 입구는 원심 작용이 수벽을 형성하기 위해 물 와류를 생성하도록 아크 램프 열원의 중심축에 수직인 물을 주입할 수 있다. 따라서, 아크 램프 열원의 중심축을 따라, 성형 가스를 위한 채널이 형성될 수 있다. 하나 이상의 입구는 아크 램프 열원의 작동 동안에 성형 가스가 아크 램프 열원의 중심축에 대한 수벽과 동일한 방향으로 회전하도록 구성될 수 있다. 일단 플라즈마가 형성되면, 수벽은 석영 튜브를 보호하고 플라즈마를 중심축에 국한시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 석영 튜브는 플라즈마, 성형 가스 및 수벽을 포함할 수 있다. 수벽 및 전극(예를 들어, 캐소드 및 애노드)은 플라즈마와 직접 접촉할 수 있다.
일부 실시예에서, 아크 램프 열원은, 아크 램프 열원 내의 성형 가스 및 물을 순환시키기 위한 순환 시스템을 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 순환 시스템은 아크 램프 열원을 작동시키기 위해 성형 가스 및 물을 공급하기 위한 폐쇄 루프 시스템일 수 있다. 성형 가스 및 물은 아크 램프 열원에 공급될 수 있다. 예를 들어, 성형 가스 및 물은 아크 램프 열원의 캐소드 단부 상의 하나 이상의 입구를 통해 아크 램프에 도입될 수 있다. 혼합물로서의 성형 가스 및 물은 아크 램프 열원의 애노드 단부 상에서 배출될 수 있다. 성형 가스 및/또는 물은 아크 램프의 점화 전에 아크 램프에 공급될 수 있다. 성형 가스 및 물의 혼합물은 성형 가스 및 물이 아크 램프 열원 내로 재공급될 수 있기 전에 세퍼레이터에 의해 건식 성형 가스 및 가스 없는 물로 분리될 수 있다. 아크 램프 열원에 걸쳐 원하는 압력 강하를 생성하기 위해, 성형 가스 및 물의 혼합물은 워터 구동식 제트 펌프(water driven jet pump)에 의해 펌핑될 수 있다.
일부 실시예에서, 고전력 전기 펌프는 아크 램프 열원 내의 수벽, 램프 전극을 위한 냉각수, 및 제트 펌프에 대한 동력 유동을 구동하기 위해 수압을 공급할 수 있다. 제트 펌프의 하류에 있는 세퍼레이터는 혼합물로부터 액체 및 물의 기체 상을 추출하는데 사용될 수 있다. 성형 가스가 아크 램프 열원에 재유입되기 전에, 성형 가스는 합체 필터(coalescing filter)에서 추가로 건조될 수 있고, 성형 가스의 유량은 제어 밸브 및/또는 질량 유량 제어기에 의해 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, 아크 램프 열원은 성형 가스를 순환 시스템에 제공할 수 있는 가스 공급부를 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 성형 가스는 사전 혼합될 수 있다. 가스 공급부는 사전 혼합된 성형 가스를 순환 시스템에 제공할 수 있다. 예를 들어, 가스 공급부는 플라즈마를 생성하기 전에 성형 가스 및/또는 적어도 수소 가스를 순환 시스템에 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 공급부는 하나 이상의 공급 가스 라인을 구비할 수 있다. 각각의 공급 가스 라인은 원하는 양의 성형 가스를 아크 램프 열원에 전달하기 위해 하나 이상의 제어 밸브 및/또는 질량 유량 제어기를 사용하여 제어될 수 있다. 제어 밸브 및/또는 질량 유량 제어기는 성형 가스를 아크 램프 열원으로 유동시키기 위해 공급 가스 라인의 유량을 제어하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 공급부는 순환 시스템의 일부일 수 있다. 일부 실시예에서, 순환 시스템 및 가스 공급 시스템은 아크 램프 열원에 구비될 수 있다.
일부 경우에, 램프 수명을 증가시키기 위해 생성된 플라즈마에 의해 형성된 높은 열에 복수의 전극이 저항성이 있는 것이 유익할 수 있다. 텅스텐 전극은 텅스텐의 높은 융점으로 인해 내열성이 있을 수 있다. 본 개시내용의 예시적인 관점에 따르면, 아크 램프 내의 전극 중 하나 이상(예를 들어, 애노드 전극)은 (예를 들어, 전극의 팁으로서) 하프늄 합금 및/또는 탄탈륨 하프늄 탄화물을 사용하여 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 하프늄 합금(예를 들어, 하프늄, 탄소, 및 질소의 합금)또는 탄탈륨 하프늄 탄화물을 이용하면, 텅스텐에 비해 증가된 융점을 갖는 전극을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 은 및 다이아몬드-구리 소결 재료가 전극의 열 전달을 개선하기 위해 아크 램프의 하나 이상의 전극 내의 히트 싱크 재료로서 사용될 수 있다.
본 개시내용의 예시적인 관점은 다수의 기술적 효과 및 이점을 제공한다. 예를 들어, 복수의 전극에서 은 및 다이아몬드-구리 소결 재료의 히트 싱크와 함께 하프늄 합금 팁을 사용하면, 생성된 플라즈마의 열에 대한 그 내열성을 증가시킬 수 있다. 또한, 성형 가스의 수소 가스가 수벽으로부터 해리된 자유 산소와 반응할 때 전극의 산화의 감소가 달성될 수 있다. 예를 들어, 수소 가스는 전극의 산화를 감소시키기 위해 플라즈마의 형성 전에 도입될 수 있다. 내열성의 증가 및 산화의 감소는 모두 아크 램프 열원의 램프 수명을 연장할 수 있다. 또한, 성형 가스 내의 수소 가스의 낮은 농도는 수소 가스에 대한 안전성/가연성 한계값 아래의 부분 압력에서 아크 램프 열원의 작동을 허용할 수 있다.
본 개시내용의 관점은, 예시 및 논의의 목적들을 위해, 반도체 웨이퍼 또는 반도체 웨이퍼를 참조하여 논의된다. 당업자는 본 명세서에 제공된 개시내용을 사용하여, 본 개시내용의 예시적인 관점이 임의의 워크피스 또는 다른 적절한 기판과 관련하여 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 수치 값 또는 다른 값과 함께 "약" 또는 "대략"이라는 용어의 사용은 언급된 수치 값의 10% 이내를 지칭하는 것으로 의도된다.
도면을 참조하여, 본 개시내용의 예시적인 실시예들을 상세히 설명한다. 도 1 내지 도 4는 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 열 처리 시스템(80)의 다양한 관점을 도시한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 열 처리 시스템(80)은 프로세스 챔버(100)를 구비할 수 있다. 프로세스 챔버(100)는 웨이퍼 평면 플레이트(110)에 의해 상부 챔버(102) 및 하부 챔버(104)로 분할될 수 있다. 워크피스(60)는 웨이퍼 지지 플레이트(114)(예를 들어, 웨이퍼 평면 플레이트(110) 내로 삽입된 석영 유리 플레이트)에 장착된 지지 핀(112)(예를 들어, 석영 지지 핀)에 의해 지지될 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 열 처리 시스템(80)은 강한 노출(예를 들어, 밀리세컨드 노출 시간 및/또는 워크피스에 대한 열전도 시간 미만), 소위 "플래시(flash)"를 위한 광원으로서 상부 챔버(102)에 근접하게 배열된 복수의 아크 램프(120)(예를 들어, 4개의 아크 램프)을 구비할 수 있다. 플래시는 기판이 중간 온도(예를 들어, 약 450℃ 내지 약 900℃)로 가열되었을 때 워크피스에 적용될 수 있다.
하부 챔버(104)에 근접하게 위치된 복수의 연속 모드 아크 램프(140)(예를 들어, 2개의 아크 램프)는 워크피스(60)를 중간 온도로 가열하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스(60)를 중간 온도로 가열하는 것은 워크피스(60)의 전체 벌크를 가열하는 램프 레이트로 하부 챔버로부터 워크피스의 하부면을 통해 성취된다.
도 2에 도시된 바와 같이, (예를 들어, 워크피스를 중간 온도로 가열하는데 사용되는) 하부 아크 램프(140)로부터 그리고 (예를 들어, 플래시에 의한 밀리세컨드 가열을 제공하는데 사용되는) 상부 아크 램프(120)로부터 워크피스(60)를 가열하기 위한 광은 물 윈도우(160)(예컨대, 수냉식 석영 유리 윈도우)을 통해 프로세싱 챔버(100)에 도입될 수 있다. 일부 실시예에서, 물 윈도우(160)는 2개의 석영 유리 팬(quartz glass panes)의 샌드위치(sandwich)를 구비할 수 있으며, 그 사이에 약 4mm 두께의 물의 층이 순환되어 석영 팬을 냉각시키고 파장, 예를 들어 약 1400 nm 이상의 파장에 대한 광학 필터를 제공한다.
도 2에 추가로 도시된 바와 같이, 프로세스 챔버 벽(150)은 가열 광을 반사하기 위한 반사 미러(170)을 구비할 수 있다. 반사 미러(170)는, 예를 들어 수냉식 폴리싱된 알루미늄 패널일 수 있다. 일부 실시예에서, 열 처리 시스템에 사용되는 아크 램프의 본체는 램프 방사를 위한 반사기를 구비할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 열 처리 시스템(80)에 사용될 수 있는 상부 아크 램프 어레이(120) 및 하부 아크 램프 어레이(140) 모두에 대한 사시도를 도시한다. 도시한 바와 같이, 각각의 아크 램프 어레이(120, 140)의 본체는 가열 광을 반사시키기 위한 반사기(162)를 구비할 수 있다. 이들 반사기들(162)은 열 처리 시스템(80)의 프로세스 챔버(100)의 반사 표면의 일부를 형성할 수 있다.
도 5 내지 도 9는 본 개시내용의 예시적인 관점에 따른 워크피스(60)의 상부 표면의 강한 노출(예를 들어, "플래시")을 위한 광원으로서 사용될 수 있는 예시적인 상부 아크 램프(120)의 관점을 도시한다. 예를 들어, 도 5는 예시적인 아크 램프(120)의 단면도를 도시한다. 아크 램프(120)는, 예를 들어 가압된 성형 가스(예를 들어, 혼합물 내의 수소 가스의 농도가 약 4 체적% 미만인 수소 가스 및 하나 이상의 불활성 가스의 혼합물)가 아크 방전 동안에 고압 플라즈마로 변환될 수 있는 개방 유동 아크 램프일 수 있다. 예를 들어, 성형 가스는 아크 방전과 같은 플라즈마의 생성 전에 도입될 수 있다. 성형 가스 내의 수소 가스는 아크 램프 내의 자유 산소와 반응하여 전극의 산화를 감소시킬 수 있다.
아크 방전은 음으로 대전된 캐소드(122)와 이격된 양으로 대전된 애노드(130)(예를 들어, 약 300mm 이격됨) 사이의 석영 튜브(125)에서 발생할 수 있다. 캐소드(122)와 애노드(130) 사이의 전압이 성형 가스의 항복 전압에 도달하자마자, 전자기 스펙트럼의 가시선 및 UV 범위에서 광을 방출하는 안정적인 저 유도성 플라즈마가 형성된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 아크 램프는 워크피스(60)의 프로세싱을 위해 램프에 의해 제공된 광을 반사하는데 사용될 수 있는 반사기(162)를 구비할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 열 처리 시스템(80) 내의 아크 램프(120)의 예시적인 작동의 관점을 도시한다. 보다 구체적으로, 플라즈마(126)는 수벽(128)에 의해 내부로부터 수냉되는 석영 튜브(125) 내에 수용된다. 수벽(128)은 아크 램프(120)의 캐소드 단부 상에 높은 유속으로 주입되고 애노드 단부에서 배출된다. 성형 가스는 캐소드 단부에서 아크 램프(120)에 도입되고 애노드 단부로부터 배출될 수 있다. 수벽(128)을 형성하는 물은 원심 작용이 물 와류를 생성하도록 램프 축에 수직으로 주입된다. 따라서, 램프의 중심선을 따라, 성형 가스(129)를 위한 채널이 형성된다. 성형 가스(129)는 수벽(128)과 동일한 방향으로 회전하고 있다. 일부 실시예에서, 성형 가스(129) 및/또는 수벽(128)은 플라즈마(126)의 생성 전에 주입될 수 있다. 일단 플라즈마(126)가 형성되면, 수벽(128)은 석영 튜브(125)를 보호하고 있고 플라즈마(126)를 중심축으로 한정한다. 수벽(128) 및 전극(캐소드(122) 및 애노드(130))만이 고 에너지 플라즈마(126)와 직접 접촉한다.
도 8은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 아크 램프와 함께 사용되는 예시적인 전극(예를 들어, 애노드(130))의 단면도를 도시한다. 도 8은 예시적인 애노드(130)를 도시한다. 그러나, 캐소드(122)에 유사한 구성이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 전극이 높은 열 부하를 받게 됨에 따라, 전극 중 하나 이상은 각각 팁(132)을 구비할 수 있다. 팁은 텅스텐으로 제조될 수 있다. 팁은 수냉식 구리 히트 싱크(1341)에 결합 및/또는 융합될 수 있다. 수냉식 구리 히트 싱크(134)는 적어도 일부의 전극, 예를 들어, 하나 이상의 물 냉각 채널(136.)을 포함할 수 있다. 전극은 물 또는 다른 유체의 순환 및 전극의 냉각을 제공하기 위해 하나 이상의 수냉 채널(136)을 갖는 황동 베이스(135)를 더 구비할 수 있다.
도 9는 전극(180)(예를 들어, 애노드(130))의 다른 실시예를 도시한다. 전극(180)의 팁(182)은 하프늄 합금으로 제조될 수 있다. 하프늄 합금은 하프늄, 탄소, 및 질소를 포함할 수 있다. 추가적으로 및/또는 대안적으로, 전극(180)의 팁(182)은 하프늄 탄화물로 제조될 수 있다. 이러한 금속은 더 높은 융점으로 인해 텅스텐에 비해 높은 열 부하를 더 잘 견딜 수 있다.
일부 실시예에서, 전극(180)은 팁(182) 주위에 적어도 부분적으로 배치된 히트 싱크를 구비할 수 있다. 히트 싱크는 내부 부분(184) 및 외부 부분(186)을 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 부분(184) 및 외부 부분(186)은 상이한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 내부 부분(184)은 다이아몬드-구리 소결 재료로 제조될 수 있다. 외부 부분(186)은 은(silver)으로 제조될 수 있다. 다이아몬드-구리 소결 재료 및 은은 구리보다 높은 열 전도율을 가지므로, 히트 싱크의 역할을 취급하는데 적합할 수 있다.
이러한 예시적인 실시예에는 변형 및 수정이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 탄탈륨 하프늄 탄화물은 전극(180)의 팁(182) 상의 하프늄 합금을 대체할 수 있다. 히트 싱크의 경우, 외부 부분(186)은 다이아몬드-구리 소결 재료로 제조될 수 있고, 내부 부분(184)은 은으로 제조될 수 있다. 더욱이, 다이아몬드-구리 소결 재료 또는 은의 내측 부분(184)의 경우, 외측 부분(186)은 구리로 제조될 수 있다.
전극에 대한 실시예 변형에서 발견될 수 있는 이점은 캐소드가 아니라 애노드에 인가될 때 더욱 두드러질 수 있다. 애노드는 종종 생성된 플라즈마로부터의 캐소드보다 더 높은 열 부하를 취할 수 있다. 실시예 변형은 열 저항의 개선을 초래할 수 있다. 따라서, 실시예 변형은 애노드에서 구현될 때 램프 수명을 연장하는데 더 많이 사용될 수 있다.
본 개시내용의 관점에 따른 예시적인 열 처리 시스템에서 사용되는 아크 램프는 물 및 성형 가스를 위한 개방 유동 시스템일 수 있다. 그러나, 보존의 이유로, 양자의 매체는 일부 실시예에서 폐쇄 루프 시스템에서 순환될 수 있다. 도 10은 본 개시내용의 예시적인 실시예에 따른 열 처리 시스템에서 사용되는 개방 유동 아크 램프를 작동시키기 위해 물 및 성형 가스를 공급하기 위한 예시적인 폐쇄 루프 시스템(200)(순환 시스템으로도 지칭됨)을 도시한다.
보다 구체적으로, 고순도 물 또는 가스 없는 물(202) 및 성형 가스(204)는 아크 램프(120)에 공급될 수 있다. 고순도 물 또는 가스 없는 물(202)은 수벽 및 전극의 냉각을 위해 사용된다. 램프를 떠나는 것은 가스/물 혼합물(206)이다. 가스/물 혼합물(206)은 아크 램프(120)의 입구에 재공급될 수 있기 전에 세퍼레이터(210)에 의해 고순도 물 또는 가스 없는 물(202) 및 건식 성형 가스(204)로 분리된다. 아크 램프(120)에 걸쳐 요구되는 압력 강하를 생성하기 위해, 가스/물 혼합물(206)은 워터 구동식 제트 펌프(220)에 의해 펌핑된다.
고출력 전기 펌프(230)는 수압을 공급하여 아크 램프(120) 내의 수벽, 램프 전극을 위한 냉각수, 및 워터 구동식 제트 펌프(220)를 위한 동력 유동을 구동한다. 워터 구동식 제트 펌프(220)의 하류에서의 세퍼레이터(210)는 혼합물로부터 액체 및 기체상을 추출하는데 사용될 수 있다. 성형 가스(204)가 아크 램프(120)에 재유입되기 전에, 성형 가스(204)는 합체 필터(240)에서 추가로 건조되고, 성형 가스(204)의 유량은 제어 밸브 및/또는 질량 유량 제어기(212A)에 의해 제어된다.
물은 하나 이상의 입자 필터(260)를 통과하여 아크에 의해 물에 스퍼터링된 입자를 제거한다. 이온 교환 수지에 의해 이온 오염에 제거된다. 물의 일부는 혼합된 베드 이온 교환 필터(270)를 통해 작동된다. 혼합 베드 이온 교환 필터(270)에 대한 입구 밸브(272)는 물 저항률에 의해 제어될 수 있다. 물 저항률이 더 낮은 값 아래로 떨어지면, 입구 밸브(272)는 개방된다. 더 높은 값에 도달할 때, 입구 밸브(272)는 폐쇄된다. 시스템은 물의 일부가 추가적으로 필터링되어 유기 오염물을 제거할 수 있는 활성탄 필터 바이패스 루프(280)를 구비할 수 있다. 수온을 유지하기 위해, 물은 열교환기(290)를 통과할 수 있다.
폐쇄 루프 시스템(200)은 가스 공급부(250)를 더 구비할 수 있다. 가스 공급부(250)는 성형 가스(204)를 아크 램프(120)에 전달하기 위한 공급 가스 라인을 구비한다. 성형 가스(204)는 성형 가스원(255)에서 사전 혼합될 수 있다. 사전 혼합된 성형 가스는 원하는 양의 성형 가스(204)를 아크 램프(120) 내로 전달하기 위해 하나 이상의 제어 밸브 및/또는 질량 유동 제어기(212B)을 사용하여 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 폐쇄 루프 시스템(200)은 아크 램프(120)에 구비될 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 공급부(250)는 폐쇄 루프 시스템(200)으로부터 분리된다.
본 요지가 특정 예시적인 구현예에 대해 상세하게 설명되었지만, 당업자는 상술한 내용을 이해할 때, 이러한 구현예에 대한 대체물, 변형물 및 등가물을 용이하게 생성할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시내용의 범위는 제한이 아닌 예시로서 해석되어야 하며, 본 개시내용은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 본 개시내용의 주제에 대한 그러한 변경, 변형 및/또는 추가의 포함을 배제하지 않는다.

Claims (44)

  1. 아크 램프(arc lamp)에 있어서,
    튜브;
    상기 아크 램프를 냉각시키도록 구성된 수벽(water wall)으로서 작동 중에 상기 아크 램프를 통해 순환될 물을 수용하도록 구성된 하나 이상의 입구; 및
    상기 하나 이상의 입구를 통해 상기 아크 램프에 도입된 성형 가스(forming gas) 내에 플라즈마를 생성하도록 구성된 복수의 전극
    을 포함하고,
    상기 성형 가스는 수소 가스 및 불활성 가스의 혼합물을 포함하고, 상기 혼합물 내의 수소 가스는 4 체적% 미만의 농도를 갖고, 상기 수소 가스는 상기 플라즈마를 생성하기 전에 상기 아크 램프에 도입되는,
    아크 램프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전극들 사이의 아크 방전 동안에, 상기 성형 가스의 수소 가스는 상기 복수의 전극의 산화를 감소시키기 위해 상기 수벽으로부터 해리된 자유 산소와 반응하는,
    아크 램프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 성형 가스는 사전 혼합되는,
    아크 램프.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 아크 램프에서 성형 가스 및 물을 순환시키도록 구성된 순환 시스템; 및
    상기 성형 가스를 상기 순환 시스템에 제공하도록 구성된 가스 공급부
    를 더 포함하는,
    아크 램프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 성형 가스는 상기 복수의 전극 중 제1 전극에서 상기 아크 램프에 도입되고, 상기 성형 가스는 상기 복수의 전극 중 제2 전극에서 배출되는,
    아크 램프.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 튜브는 석영 튜브를 포함하는,
    아크 램프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 입구는 상기 수벽을 형성하기 위해 원심 작용이 물 와류를 생성하도록 상기 아크 램프의 중심축에 수직인 물을 주입하도록 구성되는,
    아크 램프.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하나 이상의 입구는 상기 아크 램프의 작동 중에 상기 성형 가스가 상기 중심축에 대한 상기 수벽과 동일한 방향으로 회전하도록 구성되는,
    아크 램프.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전극은 팁과, 상기 팁 주위에 적어도 부분적으로 히트 싱크를 포함하는,
    아크 램프.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 팁은 하프늄 합금을 포함하는,
    아크 램프.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하프늄 합금은 하프늄, 탄소 및 질소를 포함하는,
    아크 램프.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 전극 중 적어도 하나의 상기 팁은 탄탈륨 하프늄 탄화물을 포함하는,
    아크 램프.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 은(silver)을 포함하는,
    아크 램프.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 다이아몬드-구리 소결 재료를 포함하는,
    아크 램프.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 다이아몬드-구리 소결 재료의 내부 부분과, 은 또는 구리의 외부 부분을 포함하는,
    아크 램프.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 수소 가스는 H2인,
    아크 램프.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 수소 가스는 D2인,
    아크 램프.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤 가스, 헬륨 가스, 네온 가스, 또는 크세논 가스 중 하나 이상을 포함하는,
    아크 램프.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물 내의 수소 가스의 농도는 3 체적% 미만인,
    아크 램프.
  20. 열 처리 시스템에 있어서,
    워크피스를 열처리하도록 구성된 프로세싱 챔버; 및
    아크 램프 열원
    을 포함하고,
    상기 아크 램프 열원은 성형 가스 내에 플라즈마를 생성하도록 구성된 복수의 전극을 포함하고,
    상기 성형 가스는 수소 가스 및 불활성 가스의 혼합물을 포함하고, 상기 혼합물 내의 수소 가스는 4 체적% 미만의 농도를 갖고, 상기 수소 가스는 상기 플라즈마를 생성하기 전에 상기 아크 램프에 도입되는,
    열 처리 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 성형 가스는 사전 혼합되는,
    열 처리 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 아크 램프 열원은,
    상기 아크 램프 열원에서 성형 가스를 순환시키도록 구성된 순환 시스템; 및
    상기 성형 가스를 상기 순환 시스템에 제공하도록 구성된 가스 공급부
    를 더 포함하는,
    열 처리 시스템.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 아크 램프 열원은 상기 성형 가스가 상기 복수의 전극 중 제1 전극에서 상기 아크 램프 열원에 도입되고, 상기 성형 가스가 상기 복수의 전극 중 제2 전극에서 배출되도록 구성되는,
    열 처리 시스템.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 아크 램프 열원은 상기 아크 램프 열원에 수벽이 형성되도록 상기 아크 램프 열원의 작동 중에 상기 아크 램프 열원을 통해 물을 순환시키도록 구성된 물 루프에 결합되는,
    열 처리 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 복수의 전극들 사이의 아크 방전 동안에, 상기 성형 가스의 수소 가스는 상기 복수의 전극의 산화를 감소시키기 위해 상기 수벽으로부터 해리된 자유 산소와 반응하는,
    열 처리 시스템.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 아크 램프 열원은 석영 튜브를 더 포함하는,
    열 처리 시스템.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 수벽을 형성하는 물은 상기 수벽을 형성하기 위해 원심 작용이 물 와류를 생성하도록 상기 아크 램프 열원의 중심축에 수직하게 주입되는,
    열 처리 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 아크 램프 열원은, 상기 아크 램프 열원의 작동 중에 상기 성형 가스가 상기 아크 램프 열원의 중심축에 대해 상기 수벽과 동일한 방향으로 회전하도록 구성되는,
    열 처리 시스템.
  29. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 전극은 팁과, 상기 팁 주위의 히트 싱크를 포함하는,
    열 처리 시스템.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 전극 중 적어도 하나의 상기 팁은 하프늄 합금을 포함하는,
    열 처리 시스템.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 하프늄 합금은 하프늄, 탄소, 및 질소를 포함하는,
    열 처리 시스템.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 전극 중 적어도 하나의 상기 팁은 탄탈륨 하프늄 탄화물을 포함하는,
    열 처리 시스템.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 은을 포함하는,
    열 처리 시스템.
  34. 제29항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 다이아몬드-구리 소결 재료를 포함하는,
    열 처리 시스템.
  35. 제29항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 다이아몬드-구리 소결 재료의 내부 부분과, 은 또는 구리의 외부 부분을 포함하는,
    열 처리 시스템.
  36. 제20항에 있어서,
    상기 수소 가스는 H2인,
    열 처리 시스템.
  37. 제20항에 있어서,
    상기 수소 가스는 D2인,
    열 처리 시스템.
  38. 제20항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤 가스, 헬륨 가스, 네온 가스, 또는 크세논 가스 중 하나 이상을 포함하는,
    열 처리 시스템.
  39. 제20항에 있어서,
    상기 혼합물 내의 수소 가스의 농도는 3 체적% 미만인,
    열 처리 시스템.
  40. 아크 램프에 있어서,
    튜브;
    상기 아크 램프를 냉각하도록 구성된 수벽으로서 작동 중에 상기 아크 램프를 통해 순환될 물을 수용하도록 구성된 하나 이상의 입구; 및
    상기 하나 이상의 입구를 통해 상기 아크 램프에 도입된 성형 가스(forming gas) 내에 플라즈마를 생성하도록 구성된 복수의 전극으로서, 상기 성형 가스는 상기 플라즈마를 생성하기 전에 상기 아크 램프에 도입되는, 상기 복수의 전극
    을 포함하고,
    상기 복수의 전극은,
    상기 복수의 전극 중 적어도 하나의 팁이 하프늄 합금 또는 탄탈륨 하프늄 탄화물을 포함하는 팁; 및
    상기 팁 주위의 히트 싱크
    를 포함하고,
    상기 성형 가스는 하나 이상의 불활성 가스를 포함하는,
    아크 램프.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 하프늄 합금은 하프늄, 탄소, 및 질소를 포함하는,
    아크 램프.
  42. 제40항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 은을 포함하는,
    아크 램프.
  43. 제40항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 다이아몬드-구리 소결 재료를 포함하는,
    아크 램프.
  44. 제40항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 다이아몬드-구리 소결 재료의 내부 부분과, 은 또는 구리의 외부 부분을 포함하는,
    아크 램프.
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