유리-세라믹 패널 및 박막 리본 히터를 갖춘 기판 가열 장치

유리-세라믹 패널 및 박막 리본 히터를 갖춘 기판 가열 장치{Substrate heating apparatus with glass-ceramic panels and thin film ribbon heater element}

미국 특허 제 4,903,754 호에는 나선형 열선으로 구성된 가열판이 소개되어 있다. 미국 특허 제 4,919,614 호에는 열전도체의 히터가 소개되어 있다. PCT 특허공고 제 WO 95/16800 호에는 램프 히터가 소개되어 있다.

본 발명은 기판 가열 장치, 특히 기판 가열 장치에서 사용되는 히터에 관한 것이다.

도 1은 기판 전송 챔버에 부착된 기판 가열 장치의 개략적인 단면도.

도 2는 도 1에 나타난 기판 가열 장치에서 사용되는 히터들 중 하나에 대한 개략적인 단면도.

도 3은 도 2에 나타난 히터의 평면도.

도 4는 도 3에 나타난 히터에 사용되는 박막 리본 히터 소자의 평면도.

도 4a는 도 4에 나타난 히터 소자의 루프들 중 하나의 확대도.

도 5는 도 3에 나타난 히터의 일정 부분의 확대된 단면도.

도 6은 기판 가열 장치의 대체적 실시예에 대한 개략적인 단면도.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 하우징과 히터로 구성된 기판 가열 장치가 제공된다. 하우징은 기판 수용 챔버를 형성한다. 히터는 기판 수용 챔버 안에 위치하고 있다. 히터는 두 개의 유리-세라믹 패널사이에 삽입된 히터 소자로 구성된다. 유리-세라믹 패널은 금속 프레임에 의해 지지될 수도 있다. 상부 패널은 기판 받침대가 부착된 금속 차폐물에 의해 부분적으로 덮혀 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 세라믹 열전도 소자와 박막 리본 히터 소자 그리고 받침대로 구성된 기판 히터가 제공된다. 박막 리본 히터 소자는 세라믹 열전도 소자에 직접 부착되어 있다. 받침대는 세라믹 열전도 소자 상에 있는 기판을 지지하기 위해서 세라믹 열전도 소자에 연결되어 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 하우징, 상부 히터, 그리고 하부 히터로 구성된 기판 가열 장치가 있다. 하우징은 기판 수용 챔버를 형성한다. 상부 히터는 기판 수용 챔버 내부의 하우징에 연결되어 있다. 하부 히터는 기판 수용 챔버 내부의 하우징에 연결되어 있다. 상부 히터는 구조 및 열 전달량에 있어서 하부 히터와는 다른 종류의 히터이다. 기판은 상부와 하부 히터 사이에 상주해 있다. 상부 히터와 기판사이에는 상부 히터에서 기판으로 전달되는 방사열의 양을 조절하기 위해서 셔터 장치가 있는 것이 바람직하다. 상부 히터의 히터 소자들은 코일형태의 디자인이 바람직하다.

본 발명의 하나의 방법에 따르면, 기판 가열 장치에서 기판을 가열하는 방법이 제공되는데, 기판을 기판 가열 장치의 챔버 내부의 상부 히터와 하부 히터 사이에 배치하고, 기판은 하부 히터상의 받침대에 위치해 있으며, 상부 히터에서 발생한 열로 기판을 가열하고 상부 히터에서 발생한 열로 기판을 가열하는 것을 멈추게 하며, 하부 히터에서 발생한 열로 기판을 계속 가열하는 단계들로 구성된 방법이 있다. 이러한 방법은 기판의 빠른 열 상승시간과 소정의 온도에 도달한 후의 온도의 항상성 유지를 위해 제공된다.

도 1에 따르면, 기판 전송 챔버(12)에 부착되어 본 발명의 특징을 구체화시킨 기판 가열 장치(10)의 개략적인 단면도가 나타나 있다. 본 발명이 도면에 나타난 실시예에 따라 서술될 것이지만, 본 발명은 여러 다른 대체적 형태의 실시예들로 구현될 수 있음이 인지되어야 한다. 더욱이, 임의의 적당한 크기나 모양 또는 종류의 소자들이나 재료들도 사용될 수 있다.

기판 가열 장치(10)는 전송 챔버(12) 및 전송 챔버(12)에 부착된 다수의 가공 모듈들(미도시)을 구비한 전송기(16)를 포함하는 기판 가공 장치(14)의 일부이다. 기판 가공 장치의 예는 미국 특허 4,715,921에 나타나 있는데, 여기서 상기 특허를 참고 문헌으로써 인용한다. 기판 가공 장치(14)는 평판 디스플레이를 위한 반도체 웨이퍼나 반도체 패널과 같은 기판들을 가공하는데 응용된다. 전송기(16)는 말단 장치(20)를 가진 로봇 팔(18)을 포함한다. 로봇 팔(18)은 기판을 가공 모듈들과 기판 가열 장치(10)에 출입시키는데 응용된다. 대체적 실시예에서는, 임의의 적당한 종류의 기판 전송기도 사용될 수 있으며, 기판 가열 장치(10)는 임의의 적당한 종류의 기판 가공 장치에서도 사용될 수 있다. 기판 가열 장치(10)는 하우징(22), 다수의 히터들(24), 그리고 승강기(26)를 포함한다. 하우징(22)은 전송 챔버(12)에 부착되어 있으며, 하우징 내부(30)를 향한 출입구(28)를 구비하고 있다. 전송 챔버(12)로부터 하우징 내부(30)를 차단하기 위해서는 출입구(28)에 도어를 장치하는 것이 바람직하다. 히터들(24)은 하우징 내부(30)에 위치해 있으며, 화살표 A로 표시되어 있듯이 하우징 내부(30)에서 상승과 하강을 위한 승강기(26)의 팔(32)에 부착되어 있다. 대체적 실시예에서는, 기판 가열 장치는 단일의 기판 히터일 수도 있다. 또한, 기판 가열 장치는 승강기를 필요로 하지 않는다. 기판 가열 장치(10)는 예열(豫熱) 및 가스제거 모듈로써 사용되는 것이 바람직하다.

도 2에 따르면, 히터들(24)중 하나의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 본 실시예에서는, 히터(24)가 하나의 프레임(34), 두 개의 열 전달 요소(36,37), 및 히터 소자(38)를 포함하고 있다. 프레임(34)은 하부 요소(40)와 상부의 테두리 차폐물(42)로 구성되어 있다.

도 3에 따르면, 테두리 차폐물(42)은 표면상의 받침대(46)와 함께 지지대(44)를 포함하고 있다. 받침대(46)는 히터(24) 위에 놓여 있는 기판을 지지하는데 응용되었다. 테두리 차폐물(42)의 대부분은 상부의 열 전달 요소(36)로부터 전방 상향의 받침대(46)위에 있는 기판에 방사열이 직접 전달될 수 있도록 개방되어 있다. 테두리 차폐물(42)과 하부 요소(40)는 그 사이에 있는 다른 요소들을 붙잡고 있다. 프레임(34)은 스테인리스강으로 구성되는 것이 바람직하다. 하부 요소(40)는 히터(24)로부터 열이 하향으로 전달될 수 있도록 실질적으로 개방되어 있는 것이 바람직하다.

두 개의 열 전달 요소(36,37)들은 일반적인 패널 모양을 하고 있으며, 세라믹으로 구성되는 것이 바람직하다. 특히, 열 전달 요소(36,37)들은 유리-세라믹 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 유리-세라믹은 유리를 결정화시켜 생산된 다결정질의 고체이다. 바람직한 실시예에서는, 유리-세라믹 패널은 두께가 0.2인치 정도이지만, 임의의 적당한 두께의 패널도 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서는, 패널(36,37)은 가로 29인치, 세로 25인치 정도이지만, 임의의 적당한 크기도 제공될 수 있다. 유리-세라믹 패널은 사각형일 필요는 없다. 원형이나 다른 임의의 적당한 모양을 가질 수도 있다. 유리-세라믹 재료는, 다른 무엇보다도, 높은 방사율(약 0.8) 때문에 패널(36,37)로 선택되었다. 유리-세라믹 재료는, 특히, 낮은 열 팽창률 때문에 넓이나 길이가 20인치 이상인 상대적으로 큰 크기를 가진 기판의 히터로 적당하다는 것이 역시 발견되었다. 두 개의 유리-세라믹 패널(36,37)사이에는 히터 소자(38)가 위치해 있다.

도 4에 따르면, 도시된 실시예와 같이, 히터 소자(38)가 박막(薄膜) 평판 리본 히터이다. 리본 히터(38)는 0.004 - 0.005인치 정도의 바람직한 두께를 가진 도전성 금속으로 만들어져 있다. 그림에 나타난 형태는 평평한 박판(薄板)으로부터 불필요한 금속부분을 깍아내어 형성된 것이다. 본 형태는 고정구멍(48), 전기 접촉대 부분(50,52), 열전대(thermocouple) 간극 부분(54), 및 불균일하고 구불구불한 루프를 형성하는 구역들을 포함하고 있다. 두 개의 전기 접촉대(56,58)(도 3에 도시)는 리본 히터(38)의 전기 접촉대 부분(50,52)에 부착되고 히터(24)의 측면에 연장되어 있다. 열전대(60)는 열전대 간극 부분(54)안에 위치해 있으며 역시 히터(24)의 측면에 연장되어 있다. 테두리 차폐물(42)은 두 개의 인접한 히터들 사이에서 나타나는 열교환 현상으로부터 열전대를 보호하는데 도움이 된다. 두 개의 유리-세라믹 패널(36,37)은 물리적으로 히터 소자와 열전대를 배치하고 지지하는 홈들을 가지고 있다.

리본 히터(38)의 형태는 실질적으로 기판의 균일한 가열을 제공하기 위해 고안된 것이다. 구불구불한 루프를 형성하는 띠 모양을 한 금속의 폭과 인접한 금속 띠 사이의 공간은 열 발생에 있어서 서로 다른 강도를 가진 구역을 만들기 위해 선택된 것이다. 중심 구역(B)은 상대적으로 띠 폭이 넓고 상대적으로 인접 띠 사이의 공간이 넓다. 중심 구역(B)을 둘러싸고 있는 중간 구역(C)은 다양한 띠 폭과 띠 간격을 가지고 있다. 띠 폭이 가늘수록 전기저항은 커진다. 따라서, 띠가 가늘수록 폭이 넓은 띠보다 더 큰 열 발생을 초래한다. 바깥쪽 루프는 측면 구역(D)과 모서리 구역(E)으로 구성되어 있다. 열 손실이 히터의 모서리에서 가장 클 것이기 때문에 모서리 구역(E)의 띠는 가장 폭이 좁다. 따라서, 히터로부터 균일하게 기판을 가열하기 위해서는 모서리에서 가장 큰 열 발생이 요구된다.

도 4A에 따르면, 측면 구역(D) 루프 중 하나의 확대도가 도시되어 있다. 대부분의 루프들은 29a와 29b의 루프 띠 쌍을 포함한다. 29a와 29b는 간극(31)에 의해 분리되어 있다. C와 D구역에서는, 29a와 29b의 띠들이 띠 폭이 좁은 바깥쪽 구역(F)과 띠 폭이 넓은 안쪽 구역(G)을 가진다. 따라서, C와 D지역에 있는 대부분의 루프에서는 바깥쪽 구역(38번 소자의 가장자리에 가장 근접해 있다)이 안쪽 구역보다 더 많은 열을 발생한다. 따라서, C구역에 있는 루프들은 바깥쪽과 안쪽의 열 발생량이 서로 다르며, D구역에 있는 루프들도 바깥쪽과 안쪽의 열 발생량이 서로 다르다. 히터로에서 발생한 총열량이 36번 판의 상부 표면으로부터 기판을 가급적 균일하게 가열할 수만 있다면 다른 변수가 주어질 수도 있다. 균일한 가열은 기판이 가열실을 이탈한 이후의 불균일한 기판 가공 공정에 대한 위험을 줄일 수 있는 장점을 제공한다. 이것은 균일성을 제공하기 위해 가열 시스템으로부터 보다 많은 것을 요구하게 될 폭 및(또는) 길이가 20인치 이상이 되는 큰 기판에 있어서는 더욱 중요한 문제가 된다. 리본 히터(38) 형태의 독특한 모양은 매우 정확한 온도 균일성을 유지하면서 약 섭씨 500도까지 진공 또는 가스 환경에서 기판을 가열할 수 있도록 해준다. 가열은 수증기와 같은 불순물이 기판에서 가열되어 나온 후 가스제거 공정에서 진공 펌핑에 의해 제거될 수 있도록 해준다. 대체적 실시예에서는, 전도체 띠 폭과 띠 밀도의 변형을 포함하여, 기판의 모양, 히터의 모양 및 히터로부터 기판을 가열하는 소망하는 열 방사의 형태와 같은 변수들에 따라 리본 히터의 형태가 고안되거나 변형될 수 있다. 본 실시예에서는 리본 히터(38)가 사각형의 평판 디스플레이 기판을 가열하기 위해 고안되었다. 따라서, B구역에서 발생한 열은 다른 구역에서 발생한 열보다 적을 필요가 있다. 왜냐하면, 바깥쪽 구간에 비해서 중심 구간에서는 보다 적은 열 손실이 발생하기 때문이다. 모든 구역(B, C, D, E)에 있는 구불구불한 띠 루프들은 띠 밀도를 최대화하기 위해 선택된 것이다. 그러나, 유리-세라믹 패널(36,37)과 결합되는 중에 실수로 깨질 정도로 띠들을 작게 만들지는 않았다.

도 5에 따르면, 패널(36,37)과 리본 히터(38)의 개략적인 단면이 도시되어 있다. 두 개의 패널(36,37)사이로는 리본 히터(38)를 삽입하였다. 패널(36,37)은 서로 마주보고 있는 핀 홈(62,63)을 가지고 있다. 고정용 와셔 핀(64)은 핀 홈(62,63)과 리본 히터(38)의 고정용 러그(lug)안에 위치해 있다. 이러한 홈들과 고정용 러그(lug)들은 결합을 정렬하고 히터의 결합상태를 유지할 수 있도록, 필요에 의해서, 히터를 가로질러서 위치해 있다. 대체적 실시예에서는, 결합을 정렬하고 존속시키는 다른 형태의 방식들이 사용될 수도 있다.

반도체 산업에서의 기존의 관습은 기판을 가열하고 기판의 가스를 제거하기 위해 금속판 히터나 가열 램프를 사용해 왔다. 큰 평판 디스플레이 기판의 경우에, 금속판 히터는 실용적이지가 않았다. 왜냐하면, 그것들은 도달 가능한 상위 온도가 제한적이며, 램프의 경우에는 정확한 온도와 기판 온도의 균일성 모두를 조절하는데 어려움이 따랐다. 상술한 히터는 히터의 상부 표면에 걸쳐 정확한 온도 분배를 가능하게 한다. 더욱이, 하우징 내부(30)가 진공 상태로 유지되어 있을 때와 같이, 방열(放熱)이 가능한 유일한 열 전달 수단이라면, 세라믹 재료의 사용은 높은 열 전달율을 제공한다. 방열율은 0.8정도까지 높을 수 있다. 이것은 금속판 히터에서 예상되는 방열율보다 두 배 가까이 높은 수치이다. 열전대를 36과 37번 판 사이에 직접 위치시키면, 히터 소자(38)로 전달되는 전력 공급을 제어하기 위한 정확한 열 측정이 가능하다. 히터 소자를 고정하기 위해서 어떠한 부착물이나 설비도 필요로 하지 않는다. 왜냐하면, 와셔 핀(64)이 샌드위치 결합을 완성하는 프레임(34)과 함께 패널과 히터 소자의 결합체를 묶어 두기 때문이다. 대체적 실시예에서는, 36과 37번 패널을 다른 종류의 세라믹이나 유리 및(혹은) 금속과 같은 대체 재료로 만들 수 있다. 히터 상부의 가열만이 요망된다면, 프레임(34)의 하부 요소(40)는 감싸서 절연시킬 수도 있다. 36과 37번 패널은 또한 서로 다른 재료로 만들어 질 수도 있다. 다른 대체적 실시예에서는, 캘로드(calrod)와 같은 다른 종류의 가열 소자가 사용될 수 있다. 왜냐하면, 캘로드는 자체적으로 세라믹 전기 절연 기능이 있고, 금속 열전달 패널에 직접적으로 사용될 수 있기 때문이다. 그러나, 히터의 상부에 걸쳐서 실질적으로 정확하게 균일한 열 분배를 위해서, 캘로드는 불균일한 구불구불한 형태를 가져야 할 필요가 있다. 캘로드가 유리-세라믹 패널과 함께 사용된다면, 패널은 패널 한 쪽면을 따라서 캘로드를 수용할 수 있는 홈을 가질 수도 있다.

도 6에 따르면, 대체적 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서는 기판 가열 장치(70)에 챔버(72), 상부 히터(74) 및 하부 히터(24)를 포함하고 있는 하우징(71)이 제공되어 있다. 기판(S)은 챔버(72)의 받침대(46)위에 위치해 있다. 좀 더 구체적으로는, 기판(S)은 상부 히터(74) 아래 및 하부 히터(24) 위에 위치해 있다. 상부 히터(74)는 하부 히터(24)와는 다른 종류의 히터이다. 본 실시예에서는, 상부 히터(74)가 코일류의 가열 소자를 위한 형태를 제공하기 위해 안으로 홈이 패여 있는 세라믹 판(75)으로 구성되어 있다. 그러나, 대체적 실시예에서는 다른 종류의 히터들도 사용될 수도 있다. 본 장치(70)는 2-단계 가열 방식을 설명하기 위해 특별히 소개되었다. 상부 히터(74)가 켜지면 상대적으로 빠른 기판 온도 상승을 제공한다. 기판이 정해진 온도에 빠르게 접근함에 따라, 상부 히터 소자는 꺼지고, 차단 시스템으로서의 일조(一組)의 날개(77)가 차단 위치로 이동한다. 날개가 개방위치와 차단위치 사이를 움직일 수 있도록 모터(80)가 날개(77)에 연결되어 있다. 그러나, 임의의 적당한 종류의 구동 시스템이 사용될 수도 있다. 더욱이, 상부 히터와 기판 사이에 있는 셔터가 반드시 있을 필요는 없다. 차단 위치에 있는 날개(77)는 기판으로부터 상부 히터를 차단시켜 준다. 하부 히터(24) 역시 켜져 있다. 정해진 온도 부근에서 작동되도록 고안된 하부 히터(24)는 기판(S)에 대한 균일한 열 전달을 보장하고, 기판(S)의 온도를 최종적으로 소망하는 온도까지 꾸준히 상승시킬 수 있다. 이러한 2-단계 방식은 상부 히터(74)로부터 상대적으로 빠른 속도로 가열을 할 수 있다는 장점과 단일 장치(70)에 있는 하부 히터(24)로부터 나온 열에 대한 제어성과 균일성을 보장한다. 대체적 실시예에서는, 히터(24)는 기판의 상부에 놓일 수 있으며, 다른 종류의 히터가 기판의 아래에 놓일 수도 있다. 또 다른 실시예에서는, 본 장치가 하나는 기판위에 하나는 기판 아래에 위치하는 두 개의 히터(24)를 가질 수도 있다. 다른 종류의 히터들도 역시 사용될 수 있다. 상부와 하부의 히터들을 ON, OFF 시키고, 날개(77)를 개방위치와 차단위치로 이동시키는 것은 컴퓨터로 제어하는 것이 바람직하다. 제어는 하부 히터(24)에 있는 열전대로부터 나온 신호뿐만이 아니라, 상부 히터가 켜져있는 시간이나 온도 센서를 바탕으로 이루어 질 수도 있다.

전술한 사항들은 단지 본 발명의 실제적 예일 뿐임을 인지하여야 한다. 본 발명의 영역을 벗어나지 않으면서도, 당업자에 의해서 다양한 대체물과 변형물이 고안될 수 있다. 따라서, 본 발명은 후술할 청구항의 사상영역에 합치하는 상기 모든 대체물과 변형물을 포함하도록 해석되어야 한다.