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KR101846509B1 - 열원 장치 및 이를 구비하는 기판 처리 장치 - Google Patents

열원 장치 및 이를 구비하는 기판 처리 장치 Download PDF

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KR101846509B1
KR101846509B1 KR1020170040014A KR20170040014A KR101846509B1 KR 101846509 B1 KR101846509 B1 KR 101846509B1 KR 1020170040014 A KR1020170040014 A KR 1020170040014A KR 20170040014 A KR20170040014 A KR 20170040014A KR 101846509 B1 KR101846509 B1 KR 101846509B1
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heat source
substrate
cooling
light transmitting
cooling gas
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정지영
정경천
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(주)앤피에스
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Abstract

본 발명은 열원 장치 및 이를 구비하는 기판 처리 장치에 관한 것으로서, 중공형의 투광관; 상기 투광관 내부에 삽입 고정되는 열원; 및 상기 투광관 내부에 상기 열원과 이격되도록 배치되고, 냉각 가스를 분사할 수 있는 분사홀이 형성되는 냉각관;을 포함하고, 기판 처리 중 기판의 온도를 효율적으로 제어할 수 있다.

Description

열원 장치 및 이를 구비하는 기판 처리 장치{Heater and substrate processing apparatus having the same}
본 발명은 열원 장치 및 이를 구비하는 기판 처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판의 온도를 효율적으로 제어할 수 있는 열원 장치 및 이를 구비하는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 기판 등을 열처리하는 방법으로 급속열처리(rapid thermal processing; RTP) 방법이 많이 사용되고 있다.
급속열처리 방법은 텅스텐 램프 등의 열원에서 나오는 방사광(放射光)을 기판에 조사하여 기판을 가열 처리하는 방법이다. 이러한 급속열처리 방법은 퍼니스(furnace)를 이용한 기존의 기판 열처리 방법과 비교하여, 신속하게 기판을 가열하거나 냉각시킬 수 있으며, 압력 조건이나 온도 대역의 조절 제어가 용이하여, 기판의 열처리 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
급속열처리 방법이 이용되었던 종래의 기판 처리 장치는, 주로 기판이 처리되는 공간을 제공하는 챔버와, 챔버 내부에서 기판을 지지하는 서셉터(susceptor)와, 기판을 가열하도록 방사광을 조사하는 열원과, 챔버에 연결되며 열원을 장착하기 위한 히팅 블록과, 히팅 블록과 챔버의 연결 부위에 배치되어 열원으로부터 조사된 방사광을 투과시키는 투과창을 포함하여 구성된다.
한편, 그래핀(graphene)은 탄소원자들이 2차원 상에서 벌집 모양의 배열을 이루면서 원자 한 층의 두께를 가지는 전도성 물질로서, 다양한 저차원 나노 현상을 연구하는데 중요한 모델이 되어 왔다. 그리고 그래핀은 구조적, 화학적으로도 매우 안정할 뿐 아니라 매우 뛰어난 전도체로서, 실리콘에 비해 대략 100배 가량 빠르게 전자를 이동시킬 수 있으며, 구리에 비해 대략 100배 가량 더 많은 전자를 흐르게 할 수 있는 것으로 예측되었다.
그래핀은 상대적으로 가벼운 원소인 탄소만으로 이루어져 1차원 혹은 2차원 나노패턴을 가공하기가 매우 용이하다는 장점이 있다. 특히 이러한 장점을 활용하면 반도체-도체 성질을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 탄소가 가지는 화학결함의 다양성을 이용해 센서, 메모리 등과 같은 광범위한 기능성 소자의 제작이 가능해 진다.
다만, 상기에서 언급한 바와 같이 그래핀은 뛰어난 전기적/기계적/화학적 장점을 지니고 있음에도 불구하고, 아직까지도 실제 상용에 적용할 수 있는 현실적인 대량합성법이 소개되지 못하고 있다. 종래에는 주로 흑연을 기계적으로 분쇄하여 용액 상에 분산시킨 후 자기조립 현상을 이용해 박막으로 제조하는 방법이 알려져 있을 뿐, 이 경우 저 비용의 장점이 있으나 수많은 그래핀 조각들이 서로 겹치면서 연결된 구조로 이루어져 전기적, 기계적 성질은 기대에 미치지 못하였다.
최근에는 그래핀을 급속열처리에 의한 화학증기증착법으로 합성하는 기술이 소개되면서 대면적 그래핀 합성이 가능해졌다. 이와 같은 방법으로 그래핀을 증착하는 방법은 고온에서 장시간 공정을 통해 수행되고, 이후 그래핀을 균일하게 증착하기 위해 기판의 냉각속도를 제어하면서 공정이 진행된다. 이때 기판을 냉각시키는 동안 기판의 온도 불균일이 발생할 경우 그래핀 품질에 영향을 미치는 문제점이 있다.
또한, 기판을 균일하고 신속하게 냉각시키기 위해서는 그래핀 증착 후 다량의 냉각가스를 챔버에 공급하여 기판을 냉각시킬 수 있지만, 챔버 내부에 진공을 유지하기 위해 펌프에 부하가 발생하고, 냉각 가스에 의한 기판이 손상되는 등의 문제점이 있다.
게다가 냉각가스가 챔버의 일측으로 공급되기 때문에 냉각가스가 주입되는 부분와 떨어진 부분에서는 냉각가스의 온도 차이로 인해 냉각효율이 저하되고, 이에 기판이 전체적으로 균일하게 냉각되지 않기 때문에 그래핀의 품질이 저하되는 문제점이 있다.
KR 1398970 B JP 5531385 B
본 발명은 대면적의 기판을 용이하게 처리할 수 있는 열원 장치 및 이를 구비하는 기판 처리 장치를 제공한다.
본 발명은 기판의 온도를 균일하게 제어할 수 있는 열원 장치 및 이를 구비하는 기판 처리 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 열원 장치는, 중공형의 투광관; 상기 투광관 내부에 삽입 고정되는 열원; 및 상기 투광관 내부에 상기 열원과 이격되도록 배치되고, 냉각 가스를 분사할 수 있는 분사홀이 형성되는 냉각관;을 포함할 수 있다.
일측이 개방된 중공형으로 형성되고, 측면에 삽입구가 형성되는 지지체를 포함하고, 상기 투광관은 상기 삽입구에 고정되어 상기 지지체를 가로지르도록 배치하고, 상기 열원과 상기 냉각관은 상기 투광관의 길이방향을 따라 배치할 수 있다.
상기 투광관의 온도를 측정할 수 있는 제1센서를 포함할 수 있다.
상기 냉각관에 냉각가스를 공급하는 공급관에 구비되고, 상기 냉각가스의 공급량 또는 공급 압력을 조절할 수 있는 조절기를 포함할 수 있다.
상기 투광관에 상기 냉각가스를 외부로 배출하는 배출구를 형성할 수 있다.
상기 분사홀은 상기 냉각관의 길이방향을 따라 복수개가 이격되도록 형성하고, 상기 복수개의 분사홀은 동일한 크기의 직경을 가질 수 있다.
상기 분사홀은 상기 냉각관의 길이방향을 따라 복수개가 이격되도록 형성하고, 상기 복수개의 분사홀은 상기 냉각관의 길이방향으로 중심부에서 양쪽 가장자리방향으로 갈수록 직경이 점점 작아질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는, 기판이 처리되는 내부공간이 형성되는 챔버; 상기 챔버 내부에 구비되고 상기 기판을 지지하는 기판지지대; 상기 기판을 가열하도록 상기 챔버에 상기 기판지지대와 나란하게 구비되고, 상기 특징을 갖는 열원장치;를 포함할 수 있다.
상기 기판지지대에 설치되어 상기 기판의 온도를 측정할 수 있는 제2센서를 포함할 수 있다.
상기 열원장치는 상기 투광관, 상기 열원 및 상기 냉각관을 포함하는 열원 유닛을 포함하고, 상기 열원 유닛은 상기 지지체에 복수개로 구비되며, 상기 조절기는 상기 열원 유닛마다 구비되고, 상기 제1센서에서 측정된 상기 투광관의 온도와 상기 제2센서에서 측정된 상기 기판의 온도를 비교하여 상기 조절기의 동작을 독립적으로 제어할 수 있는 제어기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 대면적의 기판을 균일하게 냉각시킬 수 있다. 즉, 열원에 냉각가스를 직접 분사하여 열원을 신속하고 균일하게 냉각시킬 수 있다. 따라서 기판 처리 후 열원의 잔열에 의해 기판의 냉각이 지연되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다. 또한, 복수의 열원을 독립적으로 냉각시킬 수 있도록 하여 냉각 속도 차이로 인해 발생할 수 있는 기판의 위치별 온도 불균형을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는 급속열처리(rapid thermal processing: RTP) 방식을 응용하여 챔버 내에 수용된 기판을 가열하여 그래핀을 대량 생산해 낼 수 있다. 이로써, 전기적, 기계적, 화학적으로 많은 장점을 지니고 있는 그래핀의 상용화를 도모할 수 있다.
특히, 대면적의 기판을 이용하여 그래핀을 합성할 때 발생할 수 있는 위치별 온도 불균일에 의해 그래핀의 품질이 저하되는 것을 억제 혹은 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 선A-A에 따른 기판 처리 장치의 단면도.
도 3은 도 1에 도시된 선B-B에 따른 기판 처리 장치의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열원 장치의 분리 사시도.
도 5는 투과창의 다양한 예를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 냉각시키는 상태를 보여주는 도면.
도 7은 기판 온도와 냉각 가스의 공급량의 상관 관계를 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 선A-A에 따른 기판 처리 장치의 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 선B-B에 따른 기판 처리 장치의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열원 장치의 분리 사시도이고, 도 5는 투과창의 다양한 예를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치는, 기판(S)이 처리되는 내부 공간을 제공하는 챔버(100)와, 챔버(100) 내부에 구비되고 기판(S)을 지지하는 기판지지대(200)와, 기판(S)을 가열하도록 챔버(100) 내부에서 기판지지대(200)와 나란하게 구비되는 열원장치(300)를 포함할 수 있다. 또한, 기판 처리 장치는 기판(S)을 간접 가열하기 위한 서셉터(120)를 구비할 수도 있다. 서셉터(120)는 필수 구성 요소는 아니지만, 여기에서는 기판 처리 장치가 서셉터(120)를 포함하는 경우에 대해서 설명하며, 필요에 따라 서셉터가 구비되지 않는 구조에 대해서도 설명한다.
챔버(100)는 내부에 기판(S)을 수용하여 가열해주기 위한 공간, 즉 진공의 가열공간이 마련된 구성으로서, 대략적인 형상은 도시된 바와 같이 중공의 박스 형상 또는 블록 형상으로 이루어질 수 있다. 그리고 챔버(100)는 하나의 몸체로 일체 제작될 수도 있으나, 여러 부품이 연결 또는 결합된 조립 몸체를 지닐 수도 있는데, 이 경우 각 부품 간의 연결 부위에는 밀폐(sealing) 수단(미도시)이 부가적으로 구비될 수 있다. 이에 따라 기판(S)의 가열 또는 냉각 시 장치 내에 투입되는 에너지를 절감해 줄 수 있다.
챔버(100)는 중공형의 몸체(102)와, 몸체(102)의 일측에 결합되는 도어(104)를 포함할 수 있다. 이때, 몸체(102)는 열원장치(300)를 결합할 수 있도록 서로 대향하는 면, 예컨대 상부면과 하부면 또는 양측면이 개방되어 있을 수 있고, 도어(104)가 결합될 수 있도록 열원장치(300)가 결합되는 방향과 교차하는 방향에 게이트(103)가 형성될 수 있다.
챔버(100)는 수직방향 또는 수평방향으로 배치될 수 있다. 예컨대 대면적의 기판을 처리하는 경우, 기판의 처침 현상 등을 억제하기 위해서 챔버(100)를 수직방향으로 배치할 수 있다. 또한, 기판의 면적이 비교적 작은 경우에는 챔버를 수평방향으로 배치할 수 있다.
챔버(100)의 외부에는 챔버(100)의 내부공간으로 공정가스를 공급하는 가스공급부(미도시)가 구비되고, 챔버(100)의 일측면, 즉 몸체(102)의 일측면에는 가스공급부로부터 공급되는 공정가스를 챔버(100) 내부로 주입하기 위한 가스주입구(106)가 형성될 수 있고, 가스주입구(106)와 대향하는 몸체(102)의 타측면에는 챔버(100) 내부의 가스를 배출하기 위한 가스배출구(108)가 형성될 수 있다.
또한, 가스배출구(108)를 통해 챔버(100) 내부의 가스를 보다 효과적으로 배출시키기 위해서는 가스배출구(108)에 배기라인(미도시)을 연결하고, 배기라인 상에 펌프(미도시)를 장착할 수도 있다. 이와 같은 구성을 통해 챔버(100) 내부에 진공 형성과 같은 압력 제어도 수행할 수 있다.
챔버(100)의 내벽에는 라이너(미도시)가 형성될 수도 있다. 라이너는 챔버(100) 내부에서 공정 가스가 도달할 수 있는 모든 곳에 형성되어 공정 중 발생하는 오염물을 흡착시킨다. 이와 같이 라이너를 챔버(100) 내벽에 적용함으로써 장비 전체를 세정하지 않고 라이너만 교체하여 장비의 유지 보수 주기를 연장할 수 있다. 이때, 라이너는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
기판지지대(200)는 챔버(100) 내부에서 기판(S)을 지지할 수 있다. 기판지지대(200)는 챔버(100)가 수직방향으로 배치되는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 기판(S)을 상하방향 또는 수직방향으로 고정한 상태로 챔버(100) 내부로 인입 및 인출될 수 있도록 형성될 수 있다. 이때, 기판지지대(200)는 도어(104)에 연결되어 게이트(103)를 통해 챔버(100) 내부로 인입되거나 챔버(100) 외부로 인출될 수 있다.
또한, 챔버(100)가 수평방향으로 배치된 경우 기판지지대는 기판(S)을 상부에 안착시킬 수 있도록 챔버(100) 내부에 설치될 수도 있다.
서셉터(120)는 기판지지대(200)와 나란하게 배치되고, 기판(S)이 열원에서 방출되는 방사광에 직접적으로 노출되는 것을 방지하고 기판(S)을 간접 가열하는 역할을 한다. 본 실시 예에서 사용되는 기판(S)은 그래핀을 증착하기 위한 것으로서, 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W) 등의 금속 박판이 사용될 수 있다. 이러한 금속 박판에 방사광을 직접 조사하게 되면 방사광이 반사되어 기판(S)을 공정 온도까지 가열하는데 많은 시간과 전력이 소모되는 문제점이 있다. 따라서 열원과 기판(S) 사이에 서셉터(120)를 구비하여 방사관이 기판(S)에 의해 반사되는 것을 방지하고, 가열된 서셉터(120)를 이용하여 기판(S)을 간접 가열할 수 있다. 이와 같은 서셉터(120)는 그라파이트(graphite) 또는 탄화규소(SiC)가 코팅된 그라파이트, 탄화규소(Silicon Carbide), 질화규소(Silicon nitride), 알루미나(Al2O3), 질화 알루미늄(Aluminum nitride) 및 석영(Quartz) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
열원장치(300)가 챔버(100)의 하부와 상부 중 어느 한쪽에만 형성되는 경우 도면에 도시된 바와 같이 한 쌍의 서셉터(120)를 사용할 수도 있지만, 하나의 서셉터만 사용할 수도 있다. 이 경우, 기판(S)과 열원장치(300) 사이에 서셉터(120)가 배치될 수 있도록 하는 것이 중요하다.
또한, 한 쌍의 서셉터(120)를 사용하는 경우 그래핀을 증착하는 동안 기판(S)을 일정한 온도로 유지하여 그래핀의 증착을 용이하게 할 수도 있다.
이와 같은 서셉터(120)는 적어도 하나 이상의 지지대(미도시)를 이용하여 챔버(100)의 벽체에 고정시킴으로써 설치될 수 있다. 이때, 지지대는 공정가스의 유입이나 열원장치(300)로부터 조사되는 방사광의 진행을 방해하지 않도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 서셉터(120)에는 서셉터(120)의 온도를 측정하기 위한 센서(미도시)가 구비될 수 있다. 센서는 한 쌍의 서셉터(120) 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있으며, 플레이트 형상의 서셉터(120) 상에 일정한 간격마다 형성될 수도 있고, 중심부와 각 가장자리부에 형성될 수도 있으며, 그 형성 위치는 이에 한정되지 않는다. 이때, 센서는 서셉터(120)에 구비되지만, 서셉터(120)에 의해 기판(S)을 간접 가열하므로 서셉터(120)의 온도를 측정하면 기판(S)의 온도를 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 열원장치(300)는 챔버(100)에 결합되어 챔버(100) 내부에 설치된 서셉터(120) 또는 기판(S)을 가열할 수 있다. 열원장치(300)는 지지체(310)와, 지지체(310)에 설치되는 열원유닛(320) 및 제어기(미도시)를 포함할 수 있다.
지지체(310)는 챔버(100)의 면적, 즉 개방된 측면 면적과 대응하는 크기로 형성되어, 챔버(100)의 몸체(102)에 연결될 수 있다. 지지체(310)는 몸체(102)의 양측면에 연결되어 챔버(100) 내부를 밀폐시킬 수 있다.
지지체(310)는 일측이 개방된 중공형으로 형성될 수 있고, 측면에는 열원유닛(320)을 고정할 수 있도록 삽입구(312)가 형성될 수 있다. 그리고 지지체(310) 내부에는 열원유닛(320)에서 방사되는 방사광을 집광하여 기판(S) 또는 서셉터(120) 측으로 반사시킬 수 있도록 오목홈(314)이 형성될 수 있다. 또한, 방사광을 기판(S) 또는 서셉터(120) 측으로 효율적으로 반사시킬 수 있도록 지지체(310)의 내부 표면에는 반사체(미도시)가 코팅되어 있을 수 있다.
열원유닛(320)은 지지체(310)에 기판(S) 또는 서셉터(120)와 나란하게 배치될 수 있고, 지지체(310)에 복수개가 이격되어 배치될 수 있다.
열원유닛(320)은 지지체(310)의 삽입구(312)에 고정되는 투광관(322)과, 투광관(322) 내부에 삽입 고정되는 열원(324) 및 투광관(322) 내부에서 열원(324)과 이격되도록 배치되고 냉각 가스를 분사할 수 있는 분사홀(327)이 형성된 냉각관(326)을 포함할 수 있다.
투광관(322)은 지지체(310)의 일방향을 따라 연장되도록, 즉 지지체(310)의 일방향을 가로지르도록 배치될 수 있다. 투광관(322)은 양단부가 폐쇄된 중공형으로 형성되고, 양쪽 단부에는 열원(324)과 냉각관(326)을 삽입 고정할 수 있도록 복수의 고정구가 형성될 수 있다. 이때, 고정구는 열원(324)을 삽입 고정할 수 있는 제1고정구(322a)와, 냉각관(326)을 삽입 고정할 수 있는 제2고정구(322b)를 포함할 수 있다. 또한, 투광관(322)의 양단부에는 투광관(322) 내부로 분사되는 냉각가스를 외부로 배출할 수 있는 배출구(322c)가 형성될 수 있고, 배출구(322c)에는 냉각가스를 외부로 배출할 수 있는 배출관(328)이 연결될 수 있다. 이때, 배출구(322c)는 투광관(322)의 양단부 어느 위치에 형성되어도 무방하나, 본 실시 예에서는 제1고정구(322a)와 제2고정구(322b) 사이에 형성하였다.
투광관(322)은 고온의 환경에서 견딜 수 있고 열원(324)에서 방출되는 방사광을 투과시킬 수 있도록 석영이나 사파이어를 이용하여 형성될 수 있다.
또한, 투광관(322)에는 투광관(322) 내부의 온도를 측정하기 위한 센서(미도시)가 구비될 수 있다. 이하에서는 투광관(322)에 구비되는 센서는 제1센서라 하고, 서셉터(120)에 구비되는 센서는 제2센서라 한다. 이때, 제1센서는 제2센서가 설치된 위치에 대응하는 위치에 설치될 수 있다. 이에 대해서는 나중에 다시 설명하기로 한다.
열원(324)은 일방향으로 연장되는 선형으로 형성될 수 있고, 방사광을 방출하는 텅스텐 할로겐 램프, 카본 램프 및 루비 램프 중 적어도 어느 한 가지가 사용될 수 있다. 이때, 열원(324)은 서셉터(120) 또는 기판(S) 측으로 방사광을 효율적으로 방사할 수 있도록 반사체(미도시)를 포함할 수 있다. 반사체는 열원(324)의 중심부로부터 20° 내지 300°범위의 외주면에 형성되는 것이 좋다. 반사체는 세라믹, Ni, Ai-Au 등을 이용하여 형성될 수 있다.
열원(324)은 제1고정구(322a)를 통해 투광관(322) 내부에 삽입되어 투광관(322)의 길이방향을 따라 배치될 수 있다. 제1고정구(322a)와 열원(324) 사이에는 밀폐부재(미도시)를 형성하여 열원(324)을 투광관(322)에 고정시키는 동시에 투광관(322) 내부를 밀폐시킬 수 있다.
냉각관(326)은 제2고정구(322b)를 통해 투광관(322) 내부에 삽입되어 상기 투광관(322) 및 열원(324)의 길이방향을 따라 배치되고, 투광관(322) 내부에서 열원(324)과 이격되도록 배치될 수 있다. 이때, 냉각관(326)과 제2고정구(322b) 사이에는 밀폐부재(미도시)를 형성하여 투광관(322) 내부를 밀폐시킬 수 있다.
냉각관(326)은 투광관(322) 내부에서 열원(324)과 이격 배치될 수 있으며, 보다 상세하게는 열원(324)과 이격되어 나란하게 배치될 수 있다. 이때, 냉각관(326)은 열원(324)을 냉각시키기 위한 냉각가스를 분사하기 때문에 열원(324)의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 것이 좋다.
냉각관(326)은 열원(324)에서 방출되는 방사광이 기판(S)으로 조사되는 것을 방해하지 않는 위치에 배치될 수 있으며, 예컨대 열원(324)을 중심으로 기판(S)과 반대 방향에 배치될 수 있다. 또한, 냉각관(326)에는 냉각관(326)의 내부를 따라 이동하는 냉각가스를 열원(324)에 분사할 수 있도록 냉각관(326)의 길이 방향을 따라 복수의 분사홀(327)이 형성될 수 있다. 분사홀(327)은 열원(324)을 향해 냉각가스를 분사할 수 있도록 냉각관(326)에서 열원(324)과 대향하는 위치에 형성될 수 있다.
복수의 분사홀(327)은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 모두 동일한 크기의 직경을 갖도록 형성될 수도 있다. 또는 복수의 분사홀(327)은 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 냉각관(326)의 길이방향에서 중심(C)을 기준으로 서로 다른 크기의 직경을 갖도로 형성될 수도 있다. 이와 같이 분사홀(327)을 서로 다른 크기의 직경을 갖도록 형성하는 이유는 열원(324)의 중심부 온도보다 양쪽 가장자리부 온도가 다소 낮기 때문에 온도가 높은 중심부에 양쪽 가장자리부보다 많은 양의 냉각가스를 분사하여 열원(324)의 길이방향을 따라 균일하게 냉각시키기 위함이다.
냉각관(326)은 외부에 구비되는 냉각가스 공급장치(미도시)로부터 냉각가스를 이송하는 공급관(329)과 연결될 수 있다. 공급관(329)은 냉각관(326)의 양쪽에 각각 연결되어 냉각관(326)의 양쪽으로 냉각가스를 공급할 수 있다. 이는 냉각가스를 냉각관(326)의 일측에서 공급하는 경우, 냉각가스가 냉각관(326)의 길이방향을 따라 이동하면서 승온되기 때문에 냉각관(326)의 타측에서 열원(324)의 냉각효율이 저하되기 때문이다. 즉, 냉각관(326)의 일측에서 냉각가스를 공급하면 열원(324)의 길이방향으로 열량 불균형이 발생하여 기판(S)의 위치별로 냉각 균일도가 저하될 수 있기 때문이다. 따라서 본원발명과 같이 냉각관(326)의 양쪽에 냉각가스를 공급하면 열원(324)의 길이방향을 따라 냉각가스를 균일하게 분사할 수 있는 동시에, 냉각관(326)의 길이방향으로 냉각가스의 온도 변화를 저감시킬 수 있다. 냉각가스는 CDA(clean dry air), N2, Ar 및 He 중 적어도 한 가지 이상을 사용할 수 있다.
또한, 공급관(329)에는 냉각관(326)으로 공급되는 냉각가스의 유량 또는 압력을 조절하기 위한 조절기(400)가 구비될 수 있다. 복수의 열원유닛(320)마다 각각 구비되어 열원유닛(320) 각각의 냉각관(326)으로 공급되는 냉각가스의 유량 또는 압력을 독립적으로 조절할 수 있다. 예컨대 지지체(310)의 중심부에 구비되는 열원유닛(320)에 비해 가장자리부에 구비되는 열원유닛(320)의 온도가 상대적으로 낮을 수 있다. 이 경우 지지체(310)의 중심부에 구비되는 열원유닛(320)의 온도를 신속하게 낮춰주기 위해 가장자리부에 구비되는 열원유닛(320)보다 중심부에 배치되는 열원유닛(320)에 상대적으로 많은 양의 냉각가스를 공급해줄 수 있다.
냉각관(326)을 통해 투광관(322)으로 공급된 냉각가스는 배출구(322c)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 배출구(322c)에는 배출관(328)이 연결될 수 있으며, 배출관(328)은 냉각가스를 순환시킬 수 있도록 냉각가스 공급장치와 연결될 수도 있고, 별도의 저장장소와 연결될 수도 있다.
제어기는 조절기(400)의 동작을 제어할 수 있다. 이때, 제어기는 제1센서에서 측정된 투광관(322)의 온도와 제2센서에서 측정된 서셉터(120)의 온도를 이용하여 조절기(400)의 동작을 제어할 수 있다. 전술한 바에 의하면, 제1센서는 제2센서가 설치된 위치에 대응하는 위치에 설치될 수 있다. 이는 투광관(322)의 온도와 투광관(322)에 대응하는 위치의 서셉터(120)의 온도를 비교하여 조절기(400)를 통해 냉각가스의 공급량 또는 공급 압력을 조절하기 위함이다. 예컨대 제1센서에서 측정된 제1온도와 제2센서에서 측정된 제2온도를 상호 비교하고, 제1온도와 제2온도의 차이가 설정된 범위를 벗어나는 위치에 설치된 열원유닛(320)에 상대적으로 많은 양의 냉각가스를 공급할 수 있다. 또는, 복수의 제2센서를 통해 서셉터(120)의 복수의 위치에서 온도를 측정하고, 측정된 서셉터(120)의 온도 중 상대적으로 온도가 높은 위치에 대응하는 위치에 설치된 열원유닛(320)에 상대적으로 많은 양의 냉각가스를 공급할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 처리하는 방법에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 기판 처리 장치를 이용하여 기판을 냉각시키는 상태를 보여주는 도면이고, 도 7은 기판 온도와 냉각 가스의 공급량의 상관 관계를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 기판(S)을 기판지지대(200)에 고정하고, 도어(104)를 이동시켜 기판(S)을 챔버(100) 내부에 인입시킨다. 이때, 기판(S)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 한 가지가 사용될 수 있으며, 박판 형태로 형성될 수도 있다.
도어(104)에 의해 게이트(103)가 폐쇄되고, 기판(S)은 챔버(100) 내부에서 서셉터(120) 사이에 배치될 수 있다.
이후, 챔버(100) 내의 가스를 배출시켜 챔버(100)의 내부 압력을 진공 상태로 만든다. 이때, 챔버(100)의 내부 압력은 0.01 내지 50torr 범위로 제어될 수 있다.
이어서 열원유닛(320)에 전원을 인가하여 열원(324)에서 방출되는 방사광을 통해 서셉터(120)를 가열하면서 가스주입구(106)를 통해 공정가스를 공급하면서 기판(S) 상에 그래핀을 증착한다. 이때, 서셉터(120)는 600 내지 1050℃ 정도까지 가열될 수 있으며, 공정가스로는 CH4, C2H6, C2H2, C6H6 등과 같이 탄소를 함유하는 가스가 사용될 수 있다. 기판(S) 상에 그래핀이 증착되는 동안 가스주입구(106)를 통해 공정가스가 공급되는 동시에 미반응 가스 및 잔류물 등이 가스배출구(108)를 통해 배출된다.
기판(S) 상에 그래핀이 증착되면, 열원유닛(320)에 인가되는 전원을 차단하고, 냉각가스 공급장치를 통해 열원장치(300)에 냉각가스를 공급한다. 냉각가스는 냉각관(326)을 통해 투광관(322) 내부로 공급되며, 냉각가스는 냉각관(326)의 분사홀(327)을 통해 열원(324)에 직접 분사된다. 이때, 냉각가스는 도 6에 도시된 바와 같이 냉각관(326)에 형성되는 복수의 분사홀(327)을 통해 열원(324)의 길이방향을 따라 분사되어 열원(324)을 냉각시킬 수 있다. 이와 같이 열원(324)에 전원이 차단된 상태에서 열원(324)에 냉각가스를 직접적으로 분사하면 열원(324)을 신속하게 냉각시킬 수 있다. 이에 열원(324)의 잔열에 의해 기판의 냉각이 지연되는 현상을 억제 혹은 방지할 수 있다. 또한, 열원(324)의 길이방향을 따라 냉각가스를 분사하기 때문에 열원(324)의 길이방향으로 균일하게 냉각시킬 수 있다. 특히, 열원(324)의 길이방향으로 양쪽에서 냉각가스를 공급하기 때문에 열원(324)의 길이방향에서 발생할 수 있는 냉각가스의 온도 변화를 억제하여 열원(324)을 효율적으로 냉각시킬 수 있다. 이를 통해 기판(S)의 위치별 온도 불균형을 억제하여 기판(S)에 증착된 그래핀의 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 냉각가스가 챔버(100) 내부로 유입되지 않아 기판(S) 상에 증착된 그래핀에 영향을 미치지 않기 때문에 다양한 종류의 냉각가스를 이용할 수 있고, 냉각가스의 종류에 제약이 거의 없다.
여기에서는 냉각가스를 열원(324)에 직접 분사하여 열원(324)을 균일하게 냉각시키는 방법에 대해서 설명하였으나, 챔버 내부에 냉각가스를 추가로 공급하여 기판을 냉각시킬 수도 있다.
도 7는 기판 온도와 냉각가스 공급량 간 상관 관계를 보여주고 있다.
도 7을 참조하면, 기판의 중심부는 가장자리부에 비해 온도가 상대적으로 높게 측정된다. 이 경우, 온도가 높은 기판의 중심부에 가장자리부에 비해 상대적으로 많은 양의 냉각가스를 공급하면 기판 전체 걸쳐 균일한 냉각이 가능하다. 즉, 온도가 높은 부분에 온도가 낮은 부분에 비해 많은 양의 냉각가스를 공급하면, 열원의 온도를 신속하고 균일하게 낮출 수 있으므로 기판의 위치별로 발생할 수 있는 온도 불균일을 저감시킬 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
S: 기판
100 : 챔버 120 : 서셉터
200: 기판지지대 300: 열원장치
310: 지지체 320: 열원유닛
322: 투광관 324: 열원
326: 냉각관 327: 분사홀
400: 조절기

Claims (10)

  1. 양단부에 제1고정구와 제2고정구가 형성되고, 중공형으로 형성되는 투광관;
    상기 투광관 내부에 삽입되어 상기 제1고정구에 고정되는 열원; 및
    상기 투광관 내부에 삽입되어 상기 제2고정구에 고정되고, 상기 열원과 이격되도록 배치되어 상기 열원을 향해 냉각 가스를 분사할 수 있는 분사홀이 형성되는 냉각관;
    을 포함하고,
    상기 냉각관의 양쪽에는 외부에 구비되는 냉각가스 공급장치로부터 냉각가스를 이송하는 공급관이 연결되고,
    상기 투광관의 양단부에는 상기 냉각 가스를 외부로 배출시키기 위한 배출구가 형성되는 열원 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    일측이 개방된 중공형으로 형성되고, 측면에 삽입구가 형성되는 지지체를 포함하고,
    상기 투광관은 상기 삽입구에 고정되어 상기 지지체를 가로지르도록 배치하고,
    상기 열원과 상기 냉각관은 상기 투광관의 길이방향을 따라 배치하는 열원 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 투광관의 온도를 측정할 수 있는 제1센서를 포함하는 열원 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각관에 냉각가스를 공급하는 공급관에 구비되고,
    상기 냉각가스의 공급량 또는 공급 압력을 조절할 수 있는 조절기를 포함하는 열원 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 배출구는 상기 제1고정구와 상기 제2고정구 사이에 형성하는 열원 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 분사홀은 상기 냉각관의 길이방향을 따라 복수개가 이격되도록 형성하고,
    상기 복수개의 분사홀은 동일한 크기의 직경을 갖는 열원 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 분사홀은 상기 냉각관의 길이방향을 따라 복수개가 이격되도록 형성하고,
    상기 복수개의 분사홀은 상기 냉각관의 길이방향으로 중심부에서 양쪽 가장자리방향으로 갈수록 직경이 점점 작아지는 열원 장치.
  8. 기판이 처리되는 내부공간이 형성되는 챔버;
    상기 챔버 내부에 구비되고 상기 기판을 지지하는 기판지지대;
    상기 기판을 가열하도록 상기 챔버에 상기 기판지지대와 나란하게 구비되고, 상기 청구항 1 내지 청구항 7 중 적어도 어느 한 항에 따른 열원장치;를 포함하는 기판 처리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기판지지대에 설치되어 상기 기판의 온도를 측정할 수 있는 제2센서를 포함하는 기판 처리 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 열원장치는 상기 투광관, 상기 열원 및 상기 냉각관을 포함하는 열원 유닛을 포함하고,
    상기 열원 유닛은 상기 지지체에 복수개로 구비되며, 상기 조절기는 상기 열원 유닛마다 구비되고,
    상기 제1센서에서 측정된 상기 투광관의 온도와 상기 제2센서에서 측정된 상기 기판의 온도를 비교하여 상기 조절기의 동작을 독립적으로 제어할 수 있는 제어기를 포함하는 기판 처리 장치.
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