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KR102527612B1 - 저온에서의 워크피스의 열처리 및 온도 측정을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

저온에서의 워크피스의 열처리 및 온도 측정을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR102527612B1
KR102527612B1 KR1020217008161A KR20217008161A KR102527612B1 KR 102527612 B1 KR102527612 B1 KR 102527612B1 KR 1020217008161 A KR1020217008161 A KR 1020217008161A KR 20217008161 A KR20217008161 A KR 20217008161A KR 102527612 B1 KR102527612 B1 KR 102527612B1
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KR
South Korea
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workpiece
wavelength range
temperature
electromagnetic radiation
sensors
Prior art date
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Active
Application number
KR1020217008161A
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English (en)
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KR20210034680A (ko
Inventor
랄프 브레멘즈도르퍼
마르쿠스 리베르
폴 제이. 티만스
마이클 엑스. 양
Original Assignee
매슨 테크놀로지 인크
베이징 이타운 세미컨덕터 테크놀로지 컴퍼니 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 매슨 테크놀로지 인크, 베이징 이타운 세미컨덕터 테크놀로지 컴퍼니 리미티드 filed Critical 매슨 테크놀로지 인크
Publication of KR20210034680A publication Critical patent/KR20210034680A/ko
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Publication of KR102527612B1 publication Critical patent/KR102527612B1/ko
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Abstract

저온에서 워크피스를 열처리하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 하나의 예시적인 구현예에서, 열처리 장치는 워크피스 지지부를 갖는 처리 챔버를 포함한다. 워크피스 지지부는 워크피스를 지지하도록 구성될 수 있다. 장치는 워크피스를 처리 온도로 가열하기 위하여 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 열원을 포함할 수 있다. 처리 온도는 대략 50℃ 내지 150℃의 범위 내에 있을 수 있다. 장치는 워크피스가 처리 온도에 있을 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이할 수 있다.

Description

저온에서의 워크피스의 열처리 및 온도 측정을 위한 시스템 및 방법
우선권 주장
본 출원은 본 명세서에 참조로서 편입되는 2018년 8월 31일 출원되고 명칭이 "Systems and Methods for Thermal Processing and Temperature Measurement of a Workpiece at Low Temperatures"인 미국 임시 출원 No. 62/725,414의 우선권의 이익을 주장한다. 본 출원은 본 명세서에 참조로서 편입되는 2018년 8월 22일 출원되고 명칭이 "Systems and Methods for Thermal Processing and Temperature Measurement of a Workpiece at Low Temperatures"인 미국 임시 출원 No. 62/720,967의 우선권의 이익을 주장한다.
기술분야
본 개시 내용은 일반적으로 반도체 워크피스와 같은 워크피스(workpiece)를 위한 열처리 시스템에 관한 것이다.
본 명세서에 사용되는 열처리 챔버는 반도체 웨이퍼와 같은 하나 이상의 워크피스(들)를 가열할 수 있는 장치를 말한다. 장치는 워크피스(들)를 지지하기 위한 지지 플레이트와, 가열 램프, 레이저 또는 기타 열원과 같은 워크피스(들)를 가열하기 위한 에너지 소스를 포함한다. 열처리 동안, 워크피스(들)는 제어된 조건에서 사전 설정된 온도 범위(regime)로 가열될 수 있다. 예를 들어, 워크피스(들)는 램프 어레이에 의해 지지 플레이트를 통해 예를 들어 대략 100℃와 같이 대략 50℃ 내지 대략 150℃의 온도로 가열될 수 있다. 열처리 동안, 주요 목표는 워크피스 온도를 가능한 한 정확하게 측정하는 것일 수 있다.
본 개시 내용의 실시예의 양태와 이점은 이어지는 설명에서 부분적으로 설명되거나, 설명으로부터 학습될 수 있거나, 또는 실시예의 실시를 통해 학습될 수 있다.
본 개시 내용의 하나의 예시적인 양태는 열처리 장치에 관한 것이다. 장치는 워크피스 지지부를 갖는 처리 챔버를 포함한다. 워크피스 지지부는 워크피스를 지지하도록 구성될 수 있다. 장치는 워크피스를 처리 온도로 가열하기 위하여 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 열원을 포함할 수 있다. 처리 온도는 대략 50℃ 내지 대략 150℃의 범위 내에 있을 수 있다. 장치는 워크피스가 처리 온도에 있을 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이할 수 있다.
다양한 실시예의 이러한 특징, 양태 및 이점과 다른 특징, 양태 및 이점은 이어지는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 첨부된 특허청구범위를 참조하여 더 양호하게 이해될 것이다. 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 개시 내용의 실시예를 예시하고, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 함께, 관련된 원리를 설명하는 역할을 한다.
당해 기술 분야에서 통상의 기술자를 위한 실시예에 대한 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명되고, 도면에서:
도 1은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 열처리 장치를 도시하고;
도 2는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 열처리 장치를 도시하고;
도 3은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 워크피스 재료의 예시적인 투과율 스펙트럼을 도시하고;
도 4는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 워크피스 재료의 온도에 대한 예시적인 투과율 변화를 도시하고;
도 5는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 열처리 장치를 도시하고;
도 6은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 워크피스에 대한 예시적인 방사율 스펙트럼을 도시하고;
도 7은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 온도에서의 예시적인 흑체 방사 곡선을 도시하고;
도 8은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 워크피스를 열처리하기 위한 예시적인 방법을 도시하고;
도 9는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 워크피스의 온도를 판단하기 위한 예시적인 방법을 도시하고; 그리고
도 10은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따른 워크피스의 온도를 판단하기 위한 예시적인 방법을 도시한다.
이제, 하나 이상의 예가 도면에 도시된 실시예가 상세하게 참조될 것이다. 각각의 예는 본 개시 내용에 대한 한정이 아니라 실시예에 대한 설명으로서 제공된다. 사실, 다양한 수정 및 변경이 본 개시 내용의 범위 또는 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것이 당해 기술 분야에서의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예의 일부로서 예시되거나 설명된 특징은 추가의 실시예를 산출하기 위하여 다른 실시예와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 양태는 이러한 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다.
본 개시 내용의 예시적인 양태들은 워크피스의 열처리를 위한 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 일부 실시예에서, 본 개시 내용의 예시적인 양태들은, 반도체 워크피스와 같은 워크피스 상에, 도핑, 증착(deposition), 어닐링(annealing) 또는 임의의 다른 적절한 열처리 프로세스와 같은 열처리 프로세스를 수행하는 것에 관한 것이다. 일부 실시예에서, 열처리 프로세스는 도펀트 활성화(dopant activation), RTA(rapid thermal annealing), 금속 리플로우 또는 임의의 다른 적절한 급속 열처리(RTP(rapid thermal processing))와 같은 RTP를 포함할 수 있다. 본 개시 내용의 예시적인 양태들에 따르면, 열처리는 예를 들어 대략 100℃인 대략 200℃ 미만의 온도와 같은 초저온인 상대적으로 낮은 온도로 워크피스를 가열하는 것을 포함할 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 양태들은 예시 및 논의의 목적으로 반도체 기판, 반도체 웨이퍼 등과 같은 워크피스를 처리하는 것을 참조하여 본 명세서에서 논의될 수 있다. 당해 업계에서의 통상의 기술자는, 본 명세서에 제공된 개시 내용을 이용하여, 본 개시 내용의 양태들이 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 워크피스의 처리와 관련하여 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 수치와 관련한 "대략(about)"이라는 용어의 사용은 언급된 수치의 20% 이내를 의미할 수 있다.
워크피스의 열처리는 워크피스를 원하는 온도로 가열하고 그리고/또는 프로세스가 수행되는 원하는 온도로 워크피스를 유지하는 것을 포함할 수 있다. 일부 애플리케이션에서, 열처리 전 그리고/또는 열처리 동안 예를 들어 대략 100℃인 대략 50℃ 내지 대략 150℃의 범위 내에서 같이 대략 200℃ 미만의 온도와 같은 상대적으로 낮은 온도로 워크피스를 가열하는 것이 바람직할 수 있다.
다양한 과제들이 대략 200℃ 미만의 온도와 같은 상대적으로 낮은 온도에서의 워크피스의 열처리와 연관될 수 있다. 예를 들어, 열처리 동안 워크피스의 온도를 정확하게 측정하는 것이 바람직할 수 있다. 열처리를 위한 다양한 시스템은 워크피스의 온도를 측정하기 위하여 고온 측정법(pyrometry)과 같은 비접촉식 온도 측정 기술을 사용할 수 있다. 이러한 비접촉식 온도 측정 기술은 워크피스에 의해 방출되는 전자기 방사선과 같은 전자기 방사선을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 그러나, 측정되는 전자기 방사선은 때때로 워크피스를 가열하는데 사용되는 열원으로부터의 전자기 방사선에 의해 오염될 수 있다. 또한, 워크피스에 의한 특정 파장에서의 전자기 방사선의 흡수는 온도의 함수로서 변경될 수 있다. 이러한 과제는 저온에서의 워크피스와 연관된 낮은 방사율(emissivity)과 같은 저온에서의 워크피스의 특성에 의해 악화될 수 있다.
예를 들어, 워크피스가 대략 100℃의 저농도 도핑 실리콘(lightly-doped silicon)이면, 워크피스는 1.1 ㎛ 내지 대략 14 ㎛ 내의 파장을 갖는 전자기 방사선과 같은 적외선 광원과 연관된 전자기 방사선을 흡수할 수 없다. 적외선에 대한 하나의 대안은 대략 10 nm 내지 대략 400 nm의 파장을 갖는 자외선(UV) 방사선이다. 그러나, 일부 애플리케이션은 UV 광원에 좋지 않을 수 있거나, 아니면 광대역 UV 광원과 같은 UV 광원의 사용을 하지 못하게 할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 저동도 도핑 실리콘은 1 ohm/cm보다 큰 저항률을 갖는 실리콘을 나타낸다.
다른 예로서, 고온 측정법과 같은 비접촉식 온도 측정 기술이 워크피스와의 직접 접촉을 필요로 하지 않으면서 워크피스의 온도를 측정하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 비접촉식 측정 기술은, 예를 들어, 워크피스에 의해 방출되는 열 방사선을 측정하고 열 방사선에 기초하여 온도를 판단할 수 있다. 200℃ 아래의 온도와 같은 상대적으로 낮은 온도에서, 워크피스에 의해 방출되는 열 방사선은 때때로 정확한 측정값을 획득하기에는 불충분할 수 있다. 이 과제는 워크피스를 가열하는데 사용되는 열원에 의해 방출되는 전자기 방사선으로부터의 오염에 의해 악화될 수 있다.
이러한 과제들을 극복하기 위하여, 워크피스의 열처리를 위한 시스템은 워크피스 지지부를 갖는 처리 챔버를 포함할 수 있다. 워크피스 지지부는 워크피스를 지지하도록 구성될 수 있다. 시스템은 워크피스를 처리 온도로 가열하기 위하여 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 열원을 포함할 수 있다. 처리 온도는 대략 50℃ 내지 대략 150℃의 범위 내에 있을 수 있다(예를 들어, 대략 100℃). 시스템은 워크피스가 처리 온도에 있을 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이할 수 있고, 제1 파장 범위와의 중첩을 가지지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 열원으로부터의 제2 파장 범위 내의 방사선과 연관된 스펙트럼 파워 밀도는 제2 파장 범위와 연관된 피크 스펙트럼 파워 밀도의 대략 5% 미만, 예를 들어, 제2 파장 범위와 연관된 피크 스펙트럼 파워 밀도의 대략 1% 미만일 수 있다. 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따르면, 워크피스의 온도는 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 전자기 방사선의 측정값에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따르면, 워크피스의 열처리를 위한 시스템은 처리 챔버를 포함할 수 있다. 처리 챔버는 워크피스를 처리하기에 적합한 임의의 형상, 구성 및/또는 구조를 가질 수 있다. 추가로, 처리 챔버는 워크피스의 열처리를 돕는 하나 이상의 추가 요소를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 처리 챔버는 워크피스를 지지하도록 구성되는 워크피스 지지부를 가질 수 있다. 워크피스 지지부는 워크피스를 지지하기 위한 임의의 적합한 형상, 구성 및/또는 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스 지지부는, 워크피스를 통과하는 전자기 방사선 또는 워크피스에 의해 방출되는 열 방사선과 같은 처리 챔버 내의 전자기 방사선에 제한된 영향을 미치면서 워크피스를 지지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 적어도 일부는 워크피스 지지부 내의 홀(hole)에 인접할 수 있어, 전자기 방사선이 워크피스 지지부로부터의 간섭 없이 워크피스의 한 면으로부터 다른 면으로 통과할 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 워크피스 지지부는 워크피스의 열처리를 돕는 추가적인 적절한 컴포넌트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스 지지부는 하나 이상의 지지 핀(예를 들어, 쿼츠(quartz) 지지 핀)을 갖는 쿼츠 지지 플레이트를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스는, 적어도 부분적으로, 실리콘(Si), 갈륨 비소(GaAs), 게르마늄(Ge) 또는 다른 적절한 반도체나 이들의 조합으로 구성되는 워크피스와 같은 반도체 워크피스일 수 있다. 워크피스는 본 개시 내용에 따른 임의의 적절한 형상 또는 치수를 가질 수 있다. 예를 들어, 워크피스는 실질적으로 원형 또는 타원형 표면을 갖는 "웨이퍼" 또는 기판일 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스의 열처리를 위한 시스템은 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 열원을 포함할 수 있다. 하나 이상의 열원은, 예를 들어, 광원 또는 기타 방사성 열원일 수 있다. 하나 이상의 열원은 열원과 워크피스 사이의 물리적 접촉 없이 워크피스를 가열하도록 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원은, 적외선 광원, 발광 다이오드(LED), 펄스형 열원, 간섭성(coherent) 광원(예를 들어, 레이저), 협대역 열원 또는 다른 적합한 열원이나, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원은 제1 파장 범위 밖의 전자기 방사선의 오염을 감소시키거나 제한하기 위한 LED와 같은 협대역 열원일 수 있다.
하나 이상의 열원은 워크피스를 가열하기 위하여 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다. 제1 파장 범위는 워크피스가 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선의 적합한 흡수율(absorptance), 예를 들어, 적합하게 높은 흡수율을 가지게 하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 워크피스가 제1 파장 범위 내의 방사선, 예를 들어, 효율적인 방법으로 워크피스를 가열하기에 적합한 양의 방사선을 흡수할 수 있도록 적절하게 높은 흡수율을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 워크피스가 대략 0.3 이상, 예를 들어, 0.7보다 큰 것과 같이 대략 0.5 이상의 흡수율을 갖는 파장을 포함할 수 있다. 따라서, 전자기 방사선이 지니는 에너지의 적절한 일부를 흡수함으로써, 워크피스가 가열될 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 파장 범위가 제1 파장 범위에 대하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스는 대략 100℃와 같이 대략 50℃ 내지 150℃로 가열될 수 있다.
추가로 그리고/또는 대안적으로, 제1 파장 범위는 워크피스의 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 적절한 흡수율을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 흡수율은 온도에 따라 변동될 수 있고, 원하는 온도에서 충분한 흡수율을 제공하도록 제1 파장 범위를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 워크피스의 초기 온도에서(즉, 워크피스가 하나 이상의 열원에 의해 가열되기 전에), 처리 온도(즉, 워크피스가 가열되고 그리고/또는 열처리 동안 유지되는 온도)에서, 온도 범위에 걸쳐(예를 들어, 초기 온도 내지 처리 온도의 범위에 걸쳐) 또는 임의의 적절한 온도 또는 온도들에 걸쳐, 또는 이들의 조합에 대하여, 적절한 흡수율을 제공하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 온도는 대략 50℃ 내지 대략 150℃일 수 있다. 일부 실시예에서, 온도는 대략 100℃일 수 있다.
저농도 도핑 실리콘 웨이퍼를 포함하는 워크피스를 대략 100℃의 처리 온도로 가열하는 하나의 예시적인 애플리케이션에서, 하나 이상의 열원은 대략 900 nm의 전자기 방사선을 제공하도록 구성되는 고출력(high-power) 협대역 LED를 포함할 수 있다. 100℃에서, 저농도 도핑 실리콘 웨이퍼는 대략 900 nm의 파장을 갖는 전자기 방사선에 대하여 대략 0.7의 흡수율을 가질 수 있다. LED는 대략 200nm 미만, 예를 들어, 대략 100 nm 미만, 예를 들어, 대략 50 nm 미만, 예를 들어, 대략 20 nm 미만의 대역폭을 갖는 협대역 열원일 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, LED 대역폭은 단위 파장 당 방사된 파워가 단위 파장 당 피크 파워의 50%인 하프 파워 대역폭(half-power bandwidth)일 수 있다. 따라서, 900 nm LED는 워크피스를 가열하고, 다른 파장에서 제한된 간섭을 제공하고, UV 광과 같은 더 짧은 파장을 갖는 전자기 방사선과 연관될 수 있는 복잡성을 방지하는 충분한 능력을 제공할 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 파장 범위를 갖는 임의의 적절한 열원이 본 개시 내용의 양태에 따라 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스의 열처리를 위한 시스템은 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스는 제2 파장 범위에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 파장 범위는 워크피스가 상당한 양의 열 방사선을 방출하는 파장 범위에 대응할 수 있다. 하나 이상의 센서로부터의 측정값에 기초하여, 워크피스의 온도가 판단될 수 있다. 하나 이상의 센서는, 예를 들어, 포토 다이오드, 고온계(pyrometer) 또는 다른 적절한 센서를 포함할 수 있다.
제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이할 수 있고 그리고/또는 제1 파장 범위와 중첩하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위 및 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 제2 파장 범위 사이의 오염을 감소시키거나 제한하도록 선택될 수 있다. 일례로서, 제2 파장 범위는 하나 이상의 열원에 의해 방출되는 방사선 대역 밖의 파장 범위가 되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 대략 900 nm의 파장을 포함할 수 있고, 제2 파장 범위는 대략 1100 nm의 파장을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 제2 파장 범위는 제1 파장과 상이한 차수(order)의 크기를 갖는 파장 범위일 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 대략 900 nm와 같은 대략 1000 nm의 크기 차수를 갖는 파장을 포함할 수 있고, 제2 파장 범위는 대략 16 ㎛와 같은 대략 10 ㎛의 크기 차수를 갖는 파장을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 열원으로부터의 제2 파장 범위 내의 방사선과 연관된 스펙트럼 파워 밀도는 제2 파장 범위와 연관된 피크 스펙트럼 파워 밀도의 대략 5% 미만, 예를 들어, 제2 파장 범위와 연관된 피크 스펙트럼 파워 밀도의 대략 1% 미만일 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 하나 이상의 열원이 방사선을 방출하고 있지 않는 시간 동안 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원은 (예를 들어, 높은 주파수로의) on 및 off의 펄스형이 될 수 있고, 하나 이상의 센서는 하나 이상의 열원이 off인 시간 동안 측정값을 획득할 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 제1 파장 범위와 제2 파장 범위 사이에는 일부 중첩이 있을 수 있다.
제1 파장 범위와 상이한 제2 파장 범위에서 측정값을 획득하는 것에 더하여 그리고/또는 그에 대안적으로 하나 이상의 열원을 펄스형으로 함으로써, 하나 이상의 센서에 의해 얻어진 측정값에 대한 하나 이상의 열원으로부터의 오염이 감소될 수 있어, 워크피스의 효율적인 가열을 여전히 제공하면서 하나 이상의 센서에 의한 정확한 측정을 가능하게 한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 열원에 의해 방출되는 제1 파장 범위와 상이한 제2 파장 범위에서 측정값을 획득하는 것에도 불구하고, 하나 이상의 센서는 원하지 않는 방사선에 대하여 민감할 수 있다. 예를 들어, 처리 챔버 내의 다른 컴포넌트로부터의 열 방사선과 같은 워크피스가 아닌 컴포넌트로부터의 열 방사선은 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 측정값과 간섭할 수 있다. 예를 들어, 컴포넌트, 특히 워크피스와 대략 동일한 온도를 갖는 컴포넌트로부터의 열 방사선은 제2 파장 범위 내의 적어도 부분적으로 속할 수 있거나, 아니면 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 측정값을 오염시키는 역할을 할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 하나 이상의 윈도우를 통한 워크피스의 적어도 일부의 시야를 포함할 수 있다. 하나 이상의 윈도우는 제2 파장 범위에 대하여 투과성일 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 윈도우는 제2 파장 범위가 아닌 파장을 제한하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 윈도우는 워크피스와 하나 이상의 센서 사이에 위치되어 하나 이상의 센서가 측정하도록 구성된 것이 아닌 전자기 방사선의 간섭을 제한하거나, 예를 들어, 처리 챔버 내의 데브리(debris) 또는 열 상태로부터의 하나 이상의 센서에 대한 손상을 방지할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 윈도우는 워크피스 이외의 처리 챔버 내의 컴포넌트로부터의 열 방사선을 적어도 부분적으로 차단하도록 구성될 수 있다. 2 이상의 센서를 갖는 실시예에서, 각각의 센서는 개별 윈도우를 포함할 수 있거나, 2 이상의 센서가 동일한 윈도우를 통해 워크피스를 보도록 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 윈도우는 처리 챔버의 벽 내의 홀 안에 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 윈도우는 쿼츠와 같은 적절한 윈도우 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서의 시야는 하나 이상의 냉각 사이트 튜브(cooled sight tube) 및/또는 냉각 어퍼처(cooled aperture)에 의해 제한될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 냉각 사이트 튜브 및/또는 냉각 어퍼처는 하나 이상의 센서가 측정하도록 구성되는 전자기 방사선 이외의 전자기 방사선의 간섭을 감소시키거나, 예를 들어, 처리 챔버 내의 데브리 또는 열 상태로부터의 하나 이상의 센서에 대한 손상을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 냉각 사이트 튜브 및/또는 냉각 어퍼처는 원하지 않는 전자기 방사선으로부터의 간섭을 방지하기 위하여 실질적으로 워크피스를 향하여 하나 이상의 센서의 시야를 지향시킬 수 있다. 예를 들어, 냉각 튜브 및/또는 냉각 어퍼처는 워크피스 이외의 처리 챔버 내의 컴포넌트로부터의 열 방사선을 적어도 부분적으로 차단하도록 구성될 수 있다. 다른 예로서, 냉각 사이트 튜브 및/또는 냉각 어퍼처는 하나 이상의 센서에 대한 손상을 방지할 수 있다.
일부 실시예에서, 열처리 시스템은 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 추가 방사선 소스를 포함할 수 있다. 하나 이상의 추가 방사선 소스는 방출되는 방사선이 워크피스의 표면에 대체로 수직(예를 들어 대략 10˚ 이내로 수직)이거나, 워크피스의 표면에 대하여 임의의 다른 적절한 각도를 가질 수 있도록 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 추가 방사선 소스가 하나 이상의 센서의 실질적으로 반대편에 위치될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 방사선 소스의 각각은 하나 이상의 센서의 각각으로부터 그와의 선형 배향으로 처리 챔버의 반대측에 위치될 수 있다. 하나 이상의 센서 및/또는 하나 이상의 추가 방사선 소스에 대한 임의의 다른 적절한 배향이 본 개시 내용에 따라 사용될 수 있다. 하나 이상의 추가 방사선 소스는, 예를 들어, 레이저(예를 들어, 레이저 다이오드), 적외선 광원, 자외선(UV) 광원, 발광 다이오드(LED), 펄스형 방사선 소스, 간섭성 광원, 협대역 방사선 소스 또는 다른 적합한 방사선 소스나, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 추가 방사선 소스는 하나 이상의 윈도우 뒤에 위치될 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 예를 들어, 워크피스는 제2 파장 범위에서 대략 0보다 큰 투과율을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선은 하나 이상의 추가 방사선 소스의 반대편에 있는 처리 챔버의 측으로 워크피스를 적어도 부분적으로 통과할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 워크피스를 통과한 후에 제2 파장 범위에서의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 추가 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기를 하나 이상의 센서에 의해 측정되는 전자기 방사선의 세기에 비교함으로써 워크피스의 투과율이 판단될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 추가 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기는 시간에 대하여 변동될 수 있고, 하나 이상의 센서로부터의 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값은 워크피스의 투과율 및 이에 따른 온도를 판단하는데 여전히 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 방사선 소스의 세기에서의 변동은 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 전자기 방사선의 측정값에서 보상될 수 있다.
하나 이상의 추가 방사선 소스로부터의 출력이 일정하더라도, 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 제2 파장 범위에서의 전자기 방사선의 측정값은 워크피스의 온도와 함께 변동할 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 센서로부터의 측정값은 워크피스의 투과율의 함수로서 워크피스의 온도와 직접(예를 들어, 초기 온도와 현재 온도 사이의 온도 변화로서) 연관될 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스의 온도는 워크피스의 투과율에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 투과율은 워크피스의 온도에 따라 변동할 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 투과율은 적어도 워크피스의 온도의 함수로서 변동할 수 있다. 워크피스의 형상, 워크피스의 두께, 워크피스의 조성 등과 같지만 이에 한정되지 않는 워크피스의 투과율과 연관될 수 있는 다른 인자가 측정되거나, 아니면 알려져 있거나 판단될 수 있다. 일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼(reference transmittance spectrum)이 판단될 수 있고, 열처리 동안 워크피스의 투과율이 측정될 수 있다. 기준 투과율 스펙트럼과 워크피스의 투과율 사이의 비교에 적어도 부분적으로 기초하여, 워크피스의 온도가 판단될 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 워크피스의 투과율에 적어도 부분적으로 기초하여 워크피스의 온도를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 하나 이상의 기준 워크피스에 대하여 복수의 온도에서의 측정된 투과율에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 하나 이상의 기준 워크피스는 워크피스와 하나 이상의 특성을 공유할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 기준 워크피스 중 하나 이상은 열처리될 워크피스일 수 있다. 일부 실시예에서, 측정된 투과율은 본 개시 내용에 따라 처리 챔버 내에서 측정될 수 있다. 일부 실시예에서, 개별 장치가 측정된 투과율을 획득하기 위하여 사용될 수 있다.
기준 투과율 스펙트럼이 측정된 투과율에 적어도 부분적으로 기초하는 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 모델 또는 수학식, 룩업 테이블 또는 임의의 다른 적절한 기준 투과율 스펙트럼을 포함할 수 있다. 예를 들어, 측정된 투과율은 적어도 온도의 함수로서 투과율에 대한 수학적 모델 또는 수학식을 추론하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 모델 또는 수학식은, 예를 들어, 워크피스의 두께, 워크피스의 조성 또는 임의의 다른 적절한 특성이나 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 추가 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 캘리브레이션될 수 있다. 예를 들어, 다른 두께(예를 들어, 두께의 범위 또는 백분율 오차 이내)를 갖는 여러 개의 실질적으로 유사한 워크피스가 동일한 모델과 연관될 수 있도록, 모델은 워크피스의 두께에 기초하여 조절 가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 개별 모델 또는 수학식이 각각의 두께에 대하여 사용될 수 있고, 처리될 워크피스의 두께는 기준 투과율 스펙트럼을 갖는 가장 가까운 두께로 어림 계산될 수 있다. 일부 실시예에서, 모델 또는 수학식은 두께에 독립적일 수 있다.
다른 예로서, 측정된 투과율은 투과율을 워크피스에 대한 온도에 상관시키는 룩업 테이블을 채우는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 다양한 룩업 테이블이 측정값이 획득되는 워크피스의 다양한 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 채워질 수 있다. 일부 실시예에서, 룩업 테이블 데이터는 다양한 특성에 기초하여 검색된 후에 조작될 수 있다. 예를 들어, 열처리 동안 측정된 워크피스의 투과율이 룩업 테이블 내의 2개의 값 사이에 속하면, 2개의 값은 가중 계산된 합에 의해 평균화될 수 있다. 다른 예로서, 두께와 같은 워크피스의 일부 특성을 적어도 부분적으로 나타내는 곱하는 수(multiplier)가, 특성에 기초하여 완전히 다른 룩업 테이블을 채우는 것을 필요로 하지 않으면서, 룩업 테이블을 약간 조절하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 근사적이거나 시뮬레이션된 데이터 또는 워크피스로부터 직접 측정되지 않은 다른 데이터에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 물리적 및/또는 화학적 특성에 기초한 수학식 또는 모델이 워크피스에 대하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 모델은 컴퓨터 시뮬레이션에 기초하거나, 워크피스를 포함하는 하나 이상의 재료의 투과율에 기초하거나, 또는 다른 유사한 모델일 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 주어진 워크피스에 대하여 투과율과 온도 사이의 정확한 상관 관계를 제공하도록 캘리브레이션될 수 있다. 예를 들어, 모델 또는 수학식의 하나 이상의 파라미터, 변수 등은 워크피스에 기초하여 조절될 수 있다. 다른 예로서, 기준 투과율 스펙트럼은 워크피스에 대한 복수의 후보 기준 투과율 스펙트럼으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 워크피스로부터 측정된 기준 투과율을 기준 투과율 스펙트럼과 일치시켜 캘리브레이션될 수 있다. 예를 들어, 기준 투과율은 알려진 초기 온도에서 워크피스로부터 측정될 수 있다. 하나의 실시예에서, 기준 투과율은 워크피스의 투과율에 밀접하게 대응하는 것으로 알려진 후보 기준 투과율 스펙트럼에 비교되어, 워크피스에 더욱 정확하게 대응하도록 후보 기준 투과율 스펙트럼을 조절할 수 있다. 다른 예로서, 기준 투과율은 복수의 후보 기준 투과율 스펙트럼 상의 점에 비교되어 복수의 후보 기준 투과율 스펙트럼 중 어느 것이 기준 투과율이 측정되는 온도와 연관된 점과 같이 워크피스를 가장 정확하게 나타내는지 선택할 수 있다. 기준 투과율 스펙트럼을 캘리브레이션하는 임의의 다른 적절한 방법이 본 개시 내용에 따라 사용될 수 있다.
측정된 투과율을 기준 투과율 스펙트럼에 상관시킴으로써, 워크피스의 온도가 판단될 수 있다. 예를 들어, 측정된 투과율은 투과율과 온도를 상관시키는 모델 또는 수학식으로 입력될 수 있다. 다른 예로서, 측정된 투과율은 하나의 축(예를 들어, 세로 좌표)에서의 투과율과 다른 축(예를 들어, 가로 좌표)에서의 온도를 갖는 X-Y 그래프 상의 점으로 매핑될 수 있다. 다른 예로서, 측정된 투과율은 온도에 대한 룩업 테이블로의 입력일 수 있다. 따라서, 측정된 투과율은 워크피스의 온도를 정확하게 간접적으로 판단하는데 사용될 수 있다.
다른 예로서, 워크피스의 투과율에서의 변화의 결과로서 발생하는 하나 이상의 센서에서의 신호 변화가 워크피스의 온도를 판단하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 제1 온도에서, 하나 이상의 센서는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 제1 세기를 측정할 수 있다. 워크피스의 제2 온도에서, 하나 이상의 센서는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 제2 세기를 측정할 수 있다.
일례로서, 워크피스의 온도는 제1 세기 및 제2 세기 사이의 차이에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다. 예를 들어, 제1 온도는 알려져 있을 수 있고, 제2 온도는 알려져 있지 않을 수 있고, 제1 온도와 제1 세기는 (예를 들어, 주어진 워크피스에 대하여) 세기 및 온도를 상관시키는 수학식, 곡선, 데이터 세트 또는 다른 적합한 모델과 같은 모델에서 기준점을 설정하는데 사용될 수 있다. 모델은 시뮬레이션되거나 예상된 데이터(예를 들어, 워크피스의 하나 이상의 특성에 기초하여) 및/또는 측정된(예를 들어, 워크피스 및/또는 워크피스와 유사한 특성을 갖는 하나 이상의 다른 워크피스로부터 측정된) 데이터에 기초하여 판단될 수 있다. 예를 들어, 모델은 전술된 기준 투과율 스펙트럼과 유사한 방식으로 판단될 수 있다. 그 다음, 제2 세기는 모델 상의 제2 점을 설정하는데 사용될 수 있고, 따라서 제2 온도가 제2 점에 기초하여 판단될 수 있다. 당해 업계에 알려진 임의의 다른 적절한 방법이 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 측정값에 기초하여 워크피스의 온도를 판단하는데 사용될 수 있다.
본 개시 내용의 양태들은 워크피스의 온도를 판단하기 위하여 투과율을 이용하는 것을 참조하여 논의된다. 또한, 반사율(reflectance)과 같은 다른 광학적 특성이 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않으면서 워크피스의 온도를 판단하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 반사율은 반사율이 워크피스 배면(back surface)으로부터의 내부 반사로부터 발생하는 성분을 포함하고, 그 성분의 크기가 워크피스 내의 흡수에 의해 영향을 받기 때문에 워크피스가 반투명인 경우에 투과율에 대한 대안으로서 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성될 수 있고, 제2 파장 범위는 워크피스에 의해 방출되는 열 방사선의 범위의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 워크피스에 의해 방출되는 열 방사선은 워크피스의 온도에 따라 바뀔 수 있다. 따라서, 워크피스에 의해 방출되는 제2 파장 범위 내의 열 방사선의 측정이 이루어져, 워크피스의 온도를 판단하기 위하여 복수의 온도에 걸쳐 제2 파장 범위에서 워크피스에 의해 방출되는 열 방사선의 예측되는 양 및/또는 방사율(emissivity)에 비교될 수 있다.
예를 들어, 워크피스의 열 방사선은 워크피스의 온도에서 이상적인 흑체에 의해 방출되는 흑체 방사와 워크피스의 방사율 모두의 함수일 수 있다. 워크피스의 방사율은 특정 파장에서의 워크피스에 의해 방출되는 열 방사선의 양과 그 특정 파장과 온도에서의 이상적인 흑체에 의해 방출되는 열 방사선의 양 사이의 비일 수 있다. 일부 경우에, 흑체 곡선과 워크피스에 대한 방사율 곡선의 적어도 일부는 반비례 관계를 가질 수 있어, 적절히 많은 양의 열 방사선이 방출되는 제2 파장 범위를 선택하는데 있어서 과제를 야기할 수 있다.
일부 실시예에서, 특정 파장에서 워크피스에 의해 방출되는 열 방사선을 측정하기 위하여, 워크피스에 대하여 상대적으로 높은 방사율 상수를 가지면서도 온도에서의 흑체 그래프 상에서 상대적으로 큰 크기를 갖는 파장 대역이 측정을 위하여 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 파장 범위는 워크피스의 방사율과 연관된 하나 이상의 국부적인 특징에 적어도 부분적으로 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 방사율 곡선은 주변 파장에서보다 특정 파장에서 상대적으로 더 높은 방사율을 제공하는 하나 이상의 국부적인 최대값을 가질 수 있다. 특히, 흑체 곡선 및 방사율 곡선이 반비례 관계를 가지는 경우에, 국부적 특징은, 국부적 특징이 본 명세서에서 논의되는 다른 고려 사항을 고려하여 바람직한 파장에 대응한다면, 열 방사선 측정을 위한 상대적으로 바람직한 파장에 대응할 수 있다. 예를 들어, 워크피스는 하나 이상의 국부적 특징을 바로 둘러싸는 파장에서보다 하나 이상의 국부적 특징에서의 파장에서 더 많은 양의 열 방사선을 방출할 수 있다.
예를 들어, 워크피스가 대략 100℃의 저농도 도핑 실리콘 웨이퍼를 포함하는 특정 실시예에서, 워크피스는 9 ㎛ 및/또는 16 ㎛에서의 방사율과 연관된 하나 이상의 국부적인 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, 9 ㎛에서의 국부적 특징은, 9 ㎛에서의 방사율이, 예를 들어, 8 ㎛ 또는 10 ㎛에서의 방사율보다 충분히 더 높도록 하는 국부적인 최대값일 수 있다. 따라서, 워크피스가 9 ㎛에 대하여 100℃의 흑체와 연관된 상당한 크기를 갖는 것에 더하여 9 ㎛에서 상대적으로 많은 양의 열 방사선을 방출하기 때문에, 9 ㎛에서 측정값을 획득하는 것이 바람직할 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스에 대한 방사율 특성은 현장에서(in-situ), 즉 처리 챔버로부터 워크피스를 제거하지 않고 획득될 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스의 방사율은 알려진 세기에서의 하나 이상의 측정 방사선 소스로부터의 전자기 방사선을 워크피스와 상호 작용시키고, 워크피스와의 상호 작용 후에 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기를 측정함으로써 측정될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 측정 방사선 소스는 워크피스를 가열하는데 사용되는 하나 이상의 열원, 하나 이상의 추가 방사선 소스 또는 임의의 다른 적절한 방사선 소스와 같은 임의의 적절한 방사선 소스일 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스는 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선에 -적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 제1 부분은 하나 이상의 측정 방사선 소스의 반대편에 있는 처리 챔버 측으로 워크피스를 통과할 수 있고, 전자기 방사선의 제2 부분은 워크피스의 표면으로부터 반사될 수 있다.
예를 들어, 워크피스가 대략 100℃의 저농도 도핑 실리콘 웨이퍼를 포함하는 예시적인 실시예에서, 워크피스는 대략 25 ㎛ 아래의 파장에 대하여 완전히 불투명하지는 않을 수 있다. 따라서, 워크피스의 방사율을 측정하기 위하여, 워크피스의 투과율 및 워크피스의 반사율이 모두 측정될 수 있다. 예를 들어, 투과율은 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기에 대한 워크피스를 통과한 전자기 방사선의 제1 부분의 세기의 비로서 결정될 수 있다. 반사율은 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기에 대한 워크피스에 의해 반사된 전자기 방사선의 제2 부분의 세기의 비로서 결정될 수 있다. 따라서, 투과율과 반사율의 합에 의해 차지되지 않은 임의의 전자기 방사선은 워크피스에 의해 흡수되는 전자기 방사선에 대응한다. 열 평형 상태에서, 워크피스에 의해 방출되는 에너지의 양은 워크피스에 의해 흡수되는 에너지의 양과 동일한 것으로 판단될 수 있다. 이러한 방식으로, 워크피스의 방사율이 측정될 수 있다.
워크피스의 측정된 온도에 기초하여, 열처리 시스템의 하나 이상의 프로세스 파라미터가 제어될 수 있다. 예를 들어, 측정된 온도는 피드백 루프에서 사용될 수 있고, 하나 이상의 열원의 세기는 워크피스의 온도를 조절 및/또는 유지하기 위하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원의 세기는 원하는 처리 온도로 워크피스를 가열하기 위하여 조절될 수 있다.
본 개시 내용의 하나의 예시적인 실시예는 열처리 장치에 관한 것이다. 장치는 워크피스 지지부를 갖는 처리 챔버를 포함할 수 있다. 워크피스 지지부는 워크피스를 지지하도록 구성될 수 있다. 장치는 워크피스를 처리 온도로 가열하기 위하여 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 열원을 포함할 수 있다. 처리 온도는 대략 100℃와 같이 대략 50℃ 내지 대략 150℃일 수 있다. 장치는 워크피스가 처리 온도에 있을 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이할 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 전자기 방사선 측정값에 적어도 부분적으로 기초하여 워크피스의 온도를 판단하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 열원은 협대역 적외선 범위의 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다. 제1 파장 범위는, 대략 900 나노미터와 같이, 대략 850 나노미터 내지 대략 950 나노미터일 수 있다. 제1 파장 범위는 워크피스가 제1 파장 범위 및 처리 온도에서 대략 0.5보다 큰, 예를 들어, 제1 파장 범위 및 처리 온도에서 대략 0.7보다 큰 흡수율을 갖도록 선택될 수 있다. 제2 파장 범위는 대략 1100 나노미터보다 더 긴 것과 같은 대략 1000 나노미터보다 더 긴 파장을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 파장 범위는 대략 16 마이크로미터와 같이 대략 13 마이크로미터 내지 대략 17 마이크로미터의 파장을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 파장 범위는 대략 9 마이크로미터와 같이 대략 7 마이크로미터 내지 대략 12 마이크로미터의 파장일 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 파장 범위와 제2 파장 범위 사이에 중첩이 없다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 제2 파장 범위에 대하여 투과성인 하나 이상의 윈도우를 통한 워크피스의 적어도 일부의 시야를 포함할 수 있다. 장치는 하나 이상의 센서의 시야를 제한하기 위한 냉각 어퍼처 또는 냉각 튜브 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 하나 이상의 열원이 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하고 있지 않는 기간 동안 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 측정하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 열원은 하나 이상의 발광 다이오드를 포함한다. 워크피스는 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 워크피스는 실리콘 또는 저농도 도핑 실리콘을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 추가 방사선 소스를 포함할 수 있다. 워크피스는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선은 하나 이상의 센서에 의해 측정되기 전에 워크피스를 통과할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 측정값은 워크피스의 투과율을 나타낸다. 하나 이상의 프로세서는, 적어도 부분적으로, 워크피스의 투과율을 나타내는 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 측정값을 알려진 초기 온도를 갖는 표본에 대한 기준 투과율 스펙트럼에 비교함으로써, 워크피스의 온도를 판단하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 프로세스는 워크피스의 방사율에 적어도 부분적으로 기초하여 워크피스의 온도를 판단하도록 구성된다. 워크피스의 방사율은 현장에서(in-situ) 측정될 수 있다. 워크피스의 방사율은 알려진 세기를 갖는 전자기 방사선을 워크피스에 제공하고, 워크피스와의 상호 작용 후에 전자기 방사선의 세기를 측정함으로써 측정될 수 있다. 워크피스의 방사율은 워크피스의 반사율, 워크피스의 투과율 또는 이들의 조합에 적어도 부분적으로 기초하여 측정될 수 있다.
워크피스를 열처리하기 위한 방법. 방법은, 하나 이상의 열원을 이용하여 워크피스를 처리 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 하나 이상의 열원은 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다. 방법은, 워크피스가 처리 온도에 있는 동안 하나 이상의 센서에서 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이할 수 있다. 방법은, 하나 이상의 센서에 의해 측정된 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 기초하여, 워크피스의 온도를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 방법은, 워크피스의 온도를 조절하거나 유지하도록 워크피스의 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 하나 이상의 열원을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서에서 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 측정하는 단계는, 하나 이상의 추가 방사선 소스에 의해, 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하는 단계; 및 하나 이상의 센서에서, 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선은 하나 이상의 센서에서 수신되기 전에 워크피스를 통해 통과될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서에 의해 측정된 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 기초하여, 워크피스의 온도를 판단하는 단계는, 워크피스와 연관된 기준 투과율 스펙트럼을 판단하는 단계; 하나 이상의 센서에 의해 측정된 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 기초하여, 워크피스의 투과율을 판단하는 단계; 및 기준 투과율 스펙트럼과 워크피스의 투과율에 적어도 부분적으로 기초하여 워크피스의 온도를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서에 의해 측정된 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 기초하여, 워크피스의 온도를 판단하는 단계는, 하나 이상의 기준 온도에서 제2 파장 범위에서의 워크피스의 방사율을 판단하는 단계; 및 하나 이상의 기준 온도에서 제2 파장 범위에서의 워크피스의 방사율에 적어도 부분적으로 기초하여, 워크피스의 온도를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시 내용의 다른 예시적인 실시예는 열처리 장치에 관한 것이다. 장치는 워크피스 지지부를 갖는 처리 챔버를 포함할 수 있다. 워크피스 지지부는 워크피스를 지지하도록 구성될 수 있다. 장치는 워크피스를 처리 온도로 가열하기 위하여 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 열원을 포함할 수 있다. 처리 온도는 대략 50℃ 내지 대략 150℃일 수 있다. 장치는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 전자기 방사선을 포함할 수 있다. 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이할 수 있다. 워크피스는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 장치는 워크피스가 처리 온도에 있을 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정을 획득하도록 구성되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 장치는 워크피스가 처리 챔버에 있을 때 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선은 하나 이상의 센서에 의해 측정되기 전에 워크피스를 통해 통과될 수 있다. 워크피스의 투과율은 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 전자기 방사선의 측정값에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다. 워크피스의 온도는 워크피스의 투과율에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다.
본 개시 내용의 다른 예시적인 실시예는 열처리 장치에 관한 것이다. 장치는 워크피스 지지부를 갖는 처리 챔버를 포함할 수 있다. 워크피스 지지부는 워크피스를 지지하도록 구성될 수 있다. 장치는 워크피스를 처리 온도로 가열하기 위하여 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 열원을 포함할 수 있고, 처리 온도는 대략 50℃ 내지 대략 150℃이다. 장치는 워크피스가 처리 온도에 있을 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정을 획득하도록 구성되는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있고, 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이하다. 하나 이상의 센서는 워크피스의 방사율에 적어도 부분적으로 기초하여 워크피스의 온도를 판단한다.
이제 도면을 참조하여 본 개시 내용의 예시적인 실시예들이 상세히 논의될 것이다. 도 1은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따라 사용될 수 있는 예시적인 열처리 시스템(100)을 도시한다. 도시된 바와 같이, RTP 시스템(100)은 처리 챔버(105), 워크피스(110), 워크피스 지지부(120), 열원 어레이(170A, 170B), 공기 베어링(145), 컨트롤러(175), 도어(180) 및 가스 유동 컨트롤러(185)를 포함한다.
일부 실시예에서, 워크피스(110)는 적어도 부분적으로 실리콘(Si), 갈륨(Ga)(예를 들어, GaAs), 게르마늄(Ge)(예를 들어, SiGe) 또는 다른 적절한 반도체나 이들의 조합으로 이루어진 워크피스와 같은 반도체 워크피스일 수 있다. 워크피스(110)는 본 개시 내용에 따라 임의의 적합한 형상 또는 치수를 가질 수 있다. 예를 들어, 워크피스(110)는 대체로 원형인 표면을 갖는 "웨이퍼"일 수 있다.
본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따르면, 워크피스를 열처리하기 위한 시스템(100)은 처리 챔버(105)를 포함할 수 있다. 처리 챔버는 워크피스(110)를 처리하기에 적합한 임의의 형상, 구성 및/또는 구조를 가질 수 있다. 추가로, 처리 챔버는 워크피스(110)의 열처리를 돕는 하나 이상의 추가 요소(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 처리 챔버(105)는 워크피스 지지부(120)를 포함할 수 있다. 워크피스 지지부(120)는 워크피스(110)를 지지하도록 구성될 수 있다. 본 개시 내용의 예시적인 양태에 따라, 워크피스 지지부(120)는 워크피스(110)를 지지하기 위한 임의의 적합한 형상, 구성 및/또는 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스 지지부(120)는 워크피스(110)를 통과하는 전자기 방사선 또는 워크피스(110)에 의해 방출되는 열 방사선과 같은 처리 챔버 내의 전자기 방사선에 제한된 영향을 미치면서 워크피스(110)를 지지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 워크피스(110)의 적어도 일부는 워크피스 지지부(120) 내의 홀(hole)에 인접할 수 있어, 전자기 방사선이 워크피스 지지부(120)로부터의 간섭 없이 워크피스(110)의 한 면으로부터 다른 면으로 통과할 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 워크피스 지지부(120)는 워크피스(110)의 열처리를 돕는 하나 이상의 추가 컴포넌트(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스 지지부는 하나 이상의 지지 핀(예를 들어, 쿼츠(quartz) 지지 핀)을 갖는 쿼츠 지지 플레이트를 포함할 수 있다.
처리될 워크피스(110)는 워크피스 지지부(120)에 의해 처리 챔버(105)(예를 들어, 쿼츠 챔버) 내에서 지지될 수 있다. 워크피스 지지부(120)는 열처리 동안 워크피스(110)를 지지할 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스 지지부(120)는 회전 가능한 베이스(135) 및/또는 하나 이상의 지지 핀(115)(단지 하나만 도시됨)을 포함할 수 있다. 지지 핀(115) 및 회전 가능한 베이스(135)는 쿼츠로 이루어질 수 있다. 회전 가능한 베이스(135)는 정의된 회전 방향과 정의된 회전 속도로 워크피스(110)를 회전시킬 수 있다. 회전 가능한 베이스(135)는 공기 베어링(145)에 의해 지지될 수 있다. 회전 가능한 베이스(135)에 충돌하는 가스 유동은 회전 가능한 베이스(135)가 축(155)을 중심으로 회전하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 회전 가능한 베이스(135)는 없을 수 있고, 워크피스(110)는 하나 이상의 지지 핀(115) 및/또는 정지된 지지 플레이트에 의해서만 지지될 수 있다.
가드 링(guard ring)(도시되지 않음)이 워크피스(110)의 하나 이상의 에지로부터의 방사선의 에지 효과를 줄이는데 사용될 수 있다. 단부 플레이트(190)가 처리 챔버(105)를 밀봉하고, 도어(180)가 워크피스(110)의 진입을 허용할 수 있고, 닫혀 있을 때, 처리 챔버(105)가 밀봉될 수 있게 하고, 프로세스 가스(125)가 가스 유동 컨트롤러(185)로부터 처리 챔버(105)로 도입될 수 있게 할 수 있다. 프로세스 가스(125)는 워크피스(110)와 반응하지 않는 불활성 기체를 포함할 수 있고/있거나 프로세스 가스(125)는 워크피스(110) 상에 층을 형성하도록 워크피스(110)(예를 들어, 반도체 웨이퍼 등)의 재료와 반응하는 반응성 가스를 포함할 수 있다. 프로세스 가스(125)는 워크피스(110)의 표면으로부터 어떠한 재료도 소비하지 않고 가열된 표면 상에 층을 형성하도록 처리되는 워크피스(110)의 가열된 표면에서 반응하는 실리콘 화합물을 함유할 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스의 열처리를 위한 시스템은 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 열원(130)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 열원(130)은, 예를 들어, 광원 또는 기타 방사성 열원일 수 있다. 하나 이상의 열원(130)은 열원(130)과 워크피스(110) 사이의 물리적 접촉 없이 워크피스를 가열하도록 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원(130)은, 적외선 광원, 발광 다이오드(LED), 펄스형 열원, 간섭성(coherent) 광원, 협대역 열원 또는 다른 적합한 열원이나, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원(130)은 제1 파장 범위 밖의 전자기 방사선의 방출을 감소시키거나 제한하기 위한 LED와 같은 협대역 열원일 수 있다.
하나 이상의 열원(130)은 워크피스(110)를 가열하기 위하여 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다. 제1 파장 범위는 워크피스가 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선의 적합한 흡수율(absorptance), 예를 들어, 적합하게 높은 흡수율을 가지게 하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 워크피스가 제1 파장 범위 내의 방사선, 예를 들어, 효율적인 방법으로 워크피스를 가열하기에 적합한 양의 방사선을 흡수할 수 있도록 적절하게 높은 흡수율을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 워크피스가 대략 0.7 이상과 같이 대략 0.3 이상의 흡수율을 갖는 파장을 포함할 수 있다. 따라서, 전자기 방사선이 지니는 에너지의 적절한 일부를 흡수함으로써, 워크피스(110)가 가열될 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 파장 범위가 제1 파장 범위에 대하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스(110)는 대략 100℃와 같이 대략 50℃ 내지 150℃로 가열될 수 있다.
추가로 그리고/또는 대안적으로, 제1 파장 범위는 워크피스(110)의 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 적절한 흡수율을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 워크피스(110)의 흡수율은 온도에 따라 변동될 수 있고, 원하는 온도에서 충분한 흡수율을 제공하도록 제1 파장 범위를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 워크피스(110)의 초기 온도에서(즉, 워크피스(110)가 하나 이상의 열원(130)에 의해 가열되기 전에), 처리 온도(즉, 워크피스가 가열되고 그리고/또는 열처리 동안 유지되는 온도)에서, 온도 범위에 걸쳐(예를 들어, 초기 온도 내지 처리 온도의 범위에 걸쳐) 또는 임의의 적절한 온도 또는 온도들에 걸쳐, 또는 이들의 조합에 대하여, 적절한 흡수율을 제공하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 온도는 대략 50℃ 내지 대략 150℃의 범위 내의 처리 온도일 수 있다. 일부 실시예에서, 처리 온도는 대략 100℃일 수 있다.
저농도 도핑 실리콘 웨이퍼를 포함하는 워크피스(110)를 대략 100℃의 처리 온도로 가열하는 하나의 예시적인 애플리케이션에서, 하나 이상의 열원(130)은 대략 900 nm의 광을 제공하도록 구성되는 고출력 협대역 LED를 포함할 수 있다. 100℃에서, 저농도 도핑 실리콘 웨이퍼는 대략 900 nm의 파장을 갖는 전자기 방사선에 대하여 대략 0.7의 흡수율을 가질 수 있다. LED(130)는 협대역 열원일 수 있고, 따라서 대략 900 nm가 아닌 파장에서 무시할만한 방사선을 방출할 수 있다. 따라서, 900 nm LED(130)는 워크피스(110)를 가열하고, 다른 파장에서 제한된 간섭을 제공하고, UV 광과 같은 더 짧은 파장을 갖는 전자기 방사선과 연관될 수 있는 복잡성을 방지하는 충분한 능력을 제공할 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 파장 범위를 갖는 임의의 적절한 열원(130)이 본 개시 내용의 양태에 따라 사용될 수 있다.
2개의 열원 어레이(170A, 170B)가 워크피스(110)의 각 측에 도시된다. 각각의 열원 어레이는 복수의 열원(130)을 포함할 수 있다. 열원(130)의 예는 램프(예를 들어, 백열등 등), 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드 또는 다른 적절한 단색성 열원을 포함할 수 있다. 각각의 열원은 둥근 형상, 직선 형상 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 열원 어레이(170A, 170B)는 동일한 구성을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 열원 어레이(170A, 170B)는 사이에 개방된 공간을 두고 서로 평행하게 위치될 수 있는 직선 열원을 가질 수 있다. 일부 구현예에서, 열원 어레이(170A, 170B)는 사이에 물리적 배리어를 갖는 밀집한(예를 들어, 허니콤 등) 구성으로 위치될 수 있는 둥근 형상의 열원을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 열원 어레이(170A, 170B)는 상이한 구성을 가질 수 있다. 열원 어레이(170A)는 직선 열원을 가질 수 있고, 열원 어레이(170B)는 둥근 형상의 열원을 가질 수 있거나, 그 반대가 될 수 있다.
열원 어레이(170A, 170B)는 복수의 열원을 갖는 것으로 논의된다. 그러나, 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않으면서, 단지 하나의 열원이 사용될 수 있다. 더욱이, 일부 실시예에서, 장치(100)는 열원 어레이(170A)만을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 장치(100)는 열원 어레이(170B)만을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 장치(100)는 어레이(170A, 170B)를 모두 포함할 수 있다.
컨트롤러(175)는 본 명세서에 논의되는 방법의 일부 또는 전부를 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 본 명세서에 논의되는 방법의 일부 또는 전부를 수행하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서(176)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(175)는, 구현될 때(예를 들어, 하나 이상의 프로세서(176)에 의해), 본 명세서에 개시된 임의의 방법을 수행하는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 명령어를 저장하는 하나 이상의 메모리 장치(177)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 명령어는 컨트롤러(175)가 하나 이상의 열원(130)의 출력 세기와 같은 열처리 시스템(100)의 양태들을 제어하게 할 수 있다. 다른 예로서, 명령어는 컨트롤러(175) 및/또는 하나 이상의 센서(210)(도 2 및 도 5에 도시됨)와 같은 본 명세서에서 논의되는 임의의 컴포넌트가 본 개시 내용에 따라 워크피스(110)의 온도 측정을 수행하게 할 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 예시적인 열처리 장치(200)가 본 개시 내용에 대하여 논의된다. 도 1의 열처리 장치(100)에 대하여 논의된 일부 컴포넌트는 여기에서의 논의의 목적을 위하여 도 2의 열처리 장치(200)에 대하여는 생략된다. 그러나, 열처리 장치(200)의 일부 실시예는 도 1에 대하여 논의된 컴포넌트의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
열처리 장치(200)는, 도 1에 대하여 논의된 바와 같이, 처리 챔버(105), 하나 이상의 열원(130)을 갖는 하나 이상의 열원 어레이(170A, 170B) 및 워크피스(110)를 지지하도록 구성되는 워크피스 지지부(120)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 열처리 시스템은 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선(225)을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 추가 방사선 소스(220)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 추가 방사선 소스(220)는 방출되는 방사선이 워크피스(110)의 표면에 대체로 수직(예를 들어 대략 10˚ 이내로 수직)이거나, 워크피스(110)의 표면에 대하여 임의의 다른 적절한 각도를 가질 수 있도록 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 추가 방사선 소스(220)가 하나 이상의 센서(210)의 실질적으로 반대편에 위치될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 방사선 소스(220)의 각각은 하나 이상의 센서(210)의 각각으로부터 그와의 선형 배향으로 처리 챔버(105)의 반대측에 위치될 수 있다. 하나 이상의 센서 및/또는 하나 이상의 추가 방사선 소스에 대한 임의의 다른 적절한 배향이 본 개시 내용에 따라 사용될 수 있다. 하나 이상의 추가 방사선 소스는, 예를 들어, 레이저(예를 들어, 레이저 다이오드), 적외선 광원, 자외선(UV) 광원, 발광 다이오드(LED), 펄스형 방사선 소스, 간섭성 광원, 협대역 방사선 소스 또는 다른 적합한 방사선 소스나, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 추가 방사선 소스(220)는 하나 이상의 윈도우(215) 뒤에 위치될 수 있다.
제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이할 수 있고 그리고/또는 제1 파장 범위와 중첩하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위 및 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 제2 파장 범위 사이의 오염을 감소시키거나 제한하도록 선택될 수 있다. 일례로서, 제2 파장 범위는 하나 이상의 열원(130)에 의해 방출되는 방사선 대역 밖의 파장 범위가 되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 대략 900 nm의 파장을 포함할 수 있고, 제2 파장 범위는 대략 1100 nm의 파장을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이한 차수(order)의 크기를 갖는 파장 범위일 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 대략 900 nm와 같은 대략 1000 nm의 크기 차수를 갖는 파장을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 열원으로부터의 제2 파장 범위 내의 방사선과 연관된 스펙트럼 파워 밀도는 제2 파장 범위와 연관된 피크 스펙트럼 파워 밀도의 대략 5% 미만, 예를 들어, 제2 파장 범위와 연관된 피크 스펙트럼 파워 밀도의 대략 1% 미만일 수 있다.
제2 파장 범위는 대략 13 ㎛ 내지 대략 17 ㎛의 범위 내, 예를 들어, 대략 16 ㎛와 같은 대략 10 ㎛의 크기 차수를 갖는 파장을 포함할 수 있다. 제2 파장 범위는 대략 12 ㎛와 같이 대략 8 ㎛ 내지 대략 12 ㎛의 범위 내에 있을 수 있고, 이는 Si-O 결합(bond)이 흡수/방출 피크를 제공하는 것에 대응할 수 있다.
열처리 장치(200)는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성되는 하나 이상의 센서(210)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스(110)는 제2 파장 범위에서의 전자기 방사선에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 하나 이상의 센서(210)로부터의 측정값에 기초하여, 워크피스(110)의 온도가 판단될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서(210)에 의해 측정된 열 방사선의 세기가 워크피스(110)의 온도를 판단하기 위하여 파장에서의 열 방사선 세기에 대한 온도에 관한 곡선, 그래프, 룩업 테이블 등에 비교될 수 있다. 하나 이상의 센서(210)는, 예를 들어, 포토 다이오드, 고온계(pyrometer) 또는 다른 적절한 센서를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서(210)는 하나 이상의 열원(130)이 방사선을 방출하고 있지 않는 시간 동안 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원(130)은 (예를 들어, 높은 주파수로의) on 및 off의 펄스형이 될 수 있고, 하나 이상의 센서(210)는 하나 이상의 열원(130)이 off인 시간 동안 측정값을 획득할 수 있다. 제1 파장 범위와 상이한 제2 파장 범위에서 측정값을 획득하는 것에 더하여 그리고/또는 그에 대안적으로 하나 이상의 열원(130)을 펄스형으로 함으로써, 하나 이상의 센서(210)에 의해 얻어진 측정값에 대한 하나 이상의 열원(130)으로부터의 오염이 감소될 수 있어, 워크피스(110)의 효율적인 가열을 여전히 제공하면서 하나 이상의 센서(210)에 의한 정확한 측정을 가능하게 한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서(210)는 하나 이상의 센서 윈도우(230)를 통한 워크피스(110)의 적어도 일부의 시야를 포함할 수 있다. 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 제2 파장 범위에 대하여 투과성일 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 제2 파장 범위가 아닌 파장을 제한하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 워크피스와 하나 이상의 센서(210) 사이에 위치되어 하나 이상의 센서(210)가 측정하도록 구성된 것이 아닌 전자기 방사선의 간섭을 제한하거나, 예를 들어, 처리 챔버(105) 내의 데브리(debris) 또는 열 상태로부터의 하나 이상의 센서(210)에 대한 손상을 방지할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 워크피스(110) 이외의 처리 챔버(105) 내의 컴포넌트 및/또는 하나 이상의 추가 열원(220)으로부터의 열 방사선을 적어도 부분적으로 차단하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 하나 이상의 열원(130)에 의해 방출되는 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 불투명하도록 구성될 수 있다. 2 이상의 센서(210)를 갖는 실시예에서, 각각의 센서(210)는 개별 센서 윈도우(230)를 포함할 수 있거나, 2 이상의 센서(210)가 동일한 윈도우(230)를 통해 워크피스(1100)를 보도록 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 처리 챔버(105)의 벽 내의 홀 안에 구현될 수 있다.
열처리 장치(200)는 하나 이상의 열원 어레이(170A, 170B)와 워크피스(110) 사이에 위치된, 쿼츠 윈도우와 같은, 하나 이상의 윈도우(215)를 더 포함할 수 있다. 윈도우(215)는 처리 챔버(105) 내에서 전자기 방사선의 적어도 일부에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 예를 들어, 윈도우(215)는 적어도 제1 파장 범위(예를 들어, 하나 이상의 열원(130)에 의해 방출된 전자기 방사선) 및/또는 제2 파장 범위(예를 들어, 하나 이상의 추가 열원(220)에 의해 방출되고 그리고/또는 워크피스(110)에 의해 방출되는 전자기 방사선) 내의 전자기 방사선에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스(110)는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선(225)에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 이러한 방식으로, 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선(225)은 하나 이상의 추가 방사선 소스(220)의 반대편에 있는 처리 챔버(105) 측으로 워크피스(110)를 적어도 부분적으로 통과할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 워크피스를 통과한 후에 제2 파장 범위에서의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 추가 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기를 하나 이상의 센서에 의해 측정되는 전자기 방사선의 세기에 비교함으로써 워크피스의 투과율이 판단될 수 있다. 예를 들어, 투과율은 하나 이상의 추가 방사선 소스(220)에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기에 대한 하나 이상의 센서(210)에 의해 측정되는 전자기 방사선의 세기의 비에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다.
도 3은 예시적인 워크피스 재료에 대하여 다양한 파장에 걸친 투과율의 예시적인 그래프(300)를 도시한다. 곡선(302)에 의해 알 수 있는 바와 같이, 워크피스 재료는 전자기 스펙트럼의 일부에 걸쳐 0보다 더 큰 투과율을 가질 수 있다. 본 개시 내용의 일부 예시적인 실시예에 따라, 투과율이 도 3에 도시된 예시적인 워크피스 재료로 이루어진 워크피스에 대하여 대략 1 마이크로미터 내지 대략 10 마이크로미터의 범위 내의 제2 파장 범위를 선택하는 것이 바람직할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 추가 방사선 소스(220)에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기는 시간에 대하여 변동될 수 있고, 하나 이상의 센서(210)로부터의 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선(225)의 측정값은 워크피스(110)의 투과율 및 이에 따른 온도를 판단하는데 여전히 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 방사선 소스(220)의 세기에서의 변동은 하나 이상의 센서(210)에 의해 획득되는 전자기 방사선의 측정값에서 보상될 수 있다.
하나 이상의 추가 방사선 소스(220)로부터의 출력이 일정하더라도, 하나 이상의 센서(210)에 의해 획득되는 제2 파장 범위에서의 전자기 방사선의 측정값은 워크피스(110)의 온도와 함께 변동할 수 있다. 워크피스 두께, 조성 등과 같은 워크피스(110) 및/또는 열처리 시스템(200)의 다른 특성은 온도 변화 전체에 걸쳐 일정하도록 결정될 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 센서(210)로부터의 측정값은 워크피스(110)의 투과율의 함수로서 워크피스(110)의 온도와 직접(예를 들어, 초기 온도와 현재 온도 사이의 온도 변화로서) 연관될 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스의 온도는 워크피스의 투과율에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 투과율은 워크피스의 온도에 따라 변동할 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 투과율은 적어도 워크피스의 온도의 함수로서 변동할 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 형상, 워크피스의 두께, 워크피스의 조성 등과 같지만 이에 한정되지 않는 워크피스의 투과율과 연관될 수 있는 다른 인자가 측정되거나, 아니면 알려져 있거나 판단될 수 있다.
예를 들어, 도 4는 워크피스(예를 들어, 워크피스(110))를 적어도 부분적으로 구성할 수 있는 예시적인 워크피스 재료에 대한 다양한 파장에서의 온도 결과로서의 투과율 변화의 예시적인 그래프(400)를 도시한다. 특히, 각각의 곡선(402-414)은 고유 파장에서의 워크피스 재료의 투과율에 대응한다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 특정 파장에서의 워크피스 재료의 투과율은 재료의 온도가 변화함에 따라 약간의 변동을 경험한다. 따라서, 재료를 통해 투과된 전자기 방사선의 센서 측정 세기는 온도의 결과로서의 세기 변동을 겪을 것이다. 따라서, 이 세기 변동은 온도 변동에 상관되어, 워크피스의 온도 변동 및/또는 온도를 판단하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼이 판단될 수 있다. 기준 투과율 스펙트럼은, 일부 실시예에서, 복수의 상이한 파장과 연관된 측정값에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다. 열처리 동안, 워크피스의 투과율이 측정될 수 있다. 워크피스의 온도는 기준 투과율 스펙트럼과 워크피스의 측정된 투과율 사이의 비교에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 워크피스(110)의 투과율에 적어도 부분적으로 기초하여 워크피스(110)를 온도를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 하나 이상의 기준 워크피스에 대하여 복수의 온도에서의 측정된 투과율에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 하나 이상의 기준 워크피스는 워크피스(110)와 하나 이상의 특성을 공유할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 기준 워크피스는 열처리될 워크피스(110)일 수 있다. 일부 실시예에서, 측정된 투과율은 본 개시 내용에 따라 처리 챔버(105) 내에서 측정될 수 있다. 일부 실시예에서, 개별 장치가 측정된 투과율을 획득하기 위하여 사용될 수 있다.
기준 투과율 스펙트럼이 측정된 투과율에 적어도 부분적으로 기초하는 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 모델 또는 수학식, 룩업 테이블 또는 임의의 다른 적절한 기준 투과율 스펙트럼을 포함할 수 있다. 예를 들어, 측정된 투과율은 적어도 온도의 함수로서 투과율에 대한 수학적 모델 또는 수학식을 추론하는데 사용될 수 있다(예를 들어, 곡선(402-414) 중 하나와 같이). 일부 실시예에서, 모델 또는 수학식은, 예를 들어, 워크피스(110)의 두께, 워크피스(110)의 조성 또는 임의의 적절한 특성이나 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 추가 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 캘리브레이션될 수 있다. 예를 들어, 다른 두께(예를 들어, 두께의 범위 또는 백분율 오차 이내)를 갖는 여러 개의 실질적으로 유사한 워크피스가 동일한 모델과 연관될 수 있도록, 모델은 워크피스(110)의 두께에 기초하여 조절 가능할 수 있다. 일부 실시예에서, 개별 모델 또는 수학식이 각각의 두께에 대하여 사용될 수 있고, 처리될 워크피스의 두께는 기준 투과율 스펙트럼을 갖는 가장 가까운 두께로 어림 계산될 수 있다. 일부 실시예에서, 모델 또는 수학식은 두께에 독립적일 수 있다.
다른 예로서, 측정된 투과율은 투과율을 워크피스에 대한 온도에 상관시키는 룩업 테이블을 채우는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 다양한 룩업 테이블이 측정값이 획득되는 워크피스의 다양한 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 채워질 수 있다. 일부 실시예에서, 룩업 테이블 데이터는 다양한 특성에 기초하여 검색된 후에 조작될 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, 센서(들)(210) 및/또는 추가 방사선 소스(들)(220)에 의한) 열처리 동안 측정된 워크피스(110)의 투과율이 룩업 테이블 내의 2개의 값 사이에 속하면, 2개의 값은 가중 계산된 합에 의해 평균화될 수 있다. 다른 예로서, 두께와 같은 워크피스의 일부 특성을 적어도 부분적으로 나타내는 곱하는 수(multiplier)가, 특성에 기초하여 완전히 다른 룩업 테이블을 채우는 것을 필요로 하지 않으면서, 룩업 테이블을 약간 조절하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 근사적이거나 시뮬레이션된 데이터 또는 워크피스로부터 직접 측정되지 않은 다른 데이터에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 물리적 및/또는 화학적 특성에 기초한 수학식 또는 모델이 워크피스에 대하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 모델은 컴퓨터 시뮬레이션에 기초하거나, 워크피스를 포함하는 하나 이상의 재료의 투과율에 기초하거나, 또는 다른 유사한 모델일 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 주어진 워크피스에 대하여 투과율과 온도 사이의 정확한 상관 관계를 제공하도록 캘리브레이션될 수 있다. 예를 들어, 모델 또는 수학식의 하나 이상의 파라미터, 변수 등은 워크피스(110)에 기초하여 조절될 수 있다. 다른 예로서, 기준 투과율 스펙트럼은 워크피스(110)에 대한 복수의 후보 기준 투과율 스펙트럼으로부터 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 워크피스(110)로부터 측정된 기준 투과율을 기준 투과율 스펙트럼과 일치시켜 캘리브레이션될 수 있다. 예를 들어, 기준 투과율은 알려진 초기 온도에서 워크피스로부터 측정될 수 있다. 하나의 실시예에서, 기준 투과율은 워크피스(110)의 투과율에 밀접하게 대응하는 것으로 알려진 후보 기준 투과율 스펙트럼에 비교되어, 워크피스에 더욱 정확하게 대응하도록 후보 기준 투과율 스펙트럼을 조절할 수 있다. 다른 예로서, 기준 투과율은 복수의 후보 기준 투과율 스펙트럼 상의 점에 비교되어 복수의 후보 기준 투과율 스펙트럼 중 어느 것이 기준 투과율이 측정되는 온도와 연관된 점과 같이 워크피스(110)를 가장 정확하게 나타내는지 선택할 수 있다. 기준 투과율 스펙트럼을 캘리브레이션하는 임의의 다른 적절한 방법이 본 개시 내용에 따라 사용될 수 있다.
측정된 투과율을 기준 투과율 스펙트럼에 상관시킴으로써, 워크피스(110)의 온도가 판단될 수 있다. 예를 들어, 측정된 투과율은 투과율과 온도를 상관시키는 모델 또는 수학식으로 입력될 수 있다. 다른 예로서, 측정된 투과율은 하나의 축(예를 들어, 수직 축)에서의 투과율과 다른 축(예를 들어, 수평 축)에서의 온도를 갖는 X-Y 그래프 상의 점으로 매핑될 수 있다(예를 들어, 곡선(402-414) 중 하나 이상과 같이). 다른 예로서, 측정된 투과율은 온도에 대한 룩업 테이블로의 입력일 수 있다. 따라서, 측정된 투과율은 워크피스의 온도를 정확하게 간접적으로 판단하는데 사용될 수 있다.
다른 예로서, 워크피스(110)의 투과율에서의 변화의 결과로서 발생하는 하나 이상의 센서(210)에서의 신호 변화가 워크피스(110)의 온도를 판단하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 제1 온도에서, 하나 이상의 센서는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선(225)의 제1 세기를 측정할 수 있다. 워크피스(110)의 제2 온도에서, 하나 이상의 센서는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선(225)의 제2 세기를 측정할 수 있다.
일례로서, 워크피스(110)의 온도는 제1 세기 및 제2 세기 사이의 차이에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다. 예를 들어, 제1 온도는 알려져 있을 수 있고, 제2 온도는 알려져 있지 않을 수 있고, 제1 온도와 제1 세기는 (예를 들어, 주어진 워크피스에 대하여) 세기 및 온도를 상관시키는 수학식, 곡선, 데이터 세트 또는 다른 적합한 모델과 같은 모델에서 기준점을 설정하는데 사용될 수 있다. 모델은 시뮬레이션되거나 예상된 데이터(예를 들어, 워크피스의 하나 이상의 특성에 기초하여) 및/또는 측정된(예를 들어, 워크피스(110) 및/또는 워크피스와 유사한 특성을 갖는 하나 이상의 다른 워크피스로부터 측정된) 데이터에 기초하여 판단될 수 있다. 예를 들어, 모델은 전술된 기준 투과율 스펙트럼과 유사한 방식으로 판단될 수 있다. 그 다음, 제2 세기는 모델 상의 제2 점을 설정하는데 사용될 수 있고, 따라서 제2 온도가 제2 점에 기초하여 판단될 수 있다. 당해 업계에 알려진 임의의 다른 적절한 방법이 하나 이상의 센서(210)에 의해 획득되는 측정값에 기초하여 워크피스(110)의 온도를 판단하는데 사용될 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 예시적인 열처리 장치(500)가 본 개시 내용에 대하여 논의된다. 도 1의 열처리 장치(100) 및/또는 도 2의 열처리 장치(200)에 대하여 논의된 일부 컴포넌트는 여기에서의 논의의 목적을 위하여 도 5의 열처리 장치(500)에 대하여는 생략된다. 그러나, 열처리 장치(500)의 일부 실시예는 도 1 및/또는 도 2에 대하여 논의된 컴포넌트의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
도 5는 도 1의 열처리 장치(100) 및/또는 도 2의 열처리 장치(200)와 실질적으로 유사한 컴포넌트를 갖는 열처리 장치(500)를 도시한다. 예를 들어, 열처리 장치(500)는, 워크피스(110), 워크피스 지지부(120), 각각 하나 이상의 열원(130)을 갖는 하나 이상의 열원 어레이(170A, 170B), 하나 이상의 센서(210), 하나 이상의 윈도우(215) 및/또는 하나 이상의 센서 윈도우(230)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서(210)의 시야는 하나 이상의 냉각 사이트 튜브(cooled sight tube) 및/또는 냉각 어퍼처(cooled aperture)(310)에 의해 제한될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 냉각 사이트 튜브 및/또는 냉각 어퍼처(310)는 하나 이상의 센서(210)가 측정하도록 구성되는 전자기 방사선 이외의 전자기 방사선의 간섭을 감소시키거나, 예를 들어, 처리 챔버 내의 데브리 또는 열 상태로부터의 하나 이상의 센서(210)에 대한 손상을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 냉각 사이트 튜브 및/또는 냉각 어퍼처(310)는 원하지 않는 전자기 방사선으로부터의 간섭을 방지하기 위하여 실질적으로 워크피스(110)를 향하여 하나 이상의 센서(210)의 시야를 지향시킬 수 있다. 예를 들어, 냉각 튜브 및/또는 냉각 어퍼처(310)는 워크피스(110) 이외의 처리 챔버(105) 내의 컴포넌트로부터의 열 방사선을 적어도 부분적으로 차단하도록 구성될 수 있다. 다른 예로서, 하나 이상의 냉각 사이트 튜브 및/또는 냉각 어퍼처(310)는 하나 이상의 센서(210)에 대한 손상을 방지할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 하나 이상의 냉각 사이트 튜브 및/또는 냉각 어퍼처(310)에 인접하고 그리고/또는 그 내에 위치될 수 있다. 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 제2 파장 범위에 대하여 투과성일 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 제2 파장 범위 이외의 파장을 제한하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 워크피스와 하나 이상의 센서(210) 사이에 위치되어, 하나 이상의 센서(210)가 측정하도록 구성되는 전자기 방사선 이외의 전자기 방사선의 간섭을 감소시키거나, 예를 들어, 처리 챔버(105) 내의 데브리 또는 열 상태로부터의 하나 이상의 센서(210)에 대한 손상을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 워크피스(110) 및/또는 하나 이상의 열원(220)이 아닌 처리 챔버(105) 내의 컴포넌트로부터의 열 방사선을 적어도 부분적으로 차단하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서 윈도우(230)는 하나 이상의 열원(130)에 의해 방출되는 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 불투명하도록 구성될 수 있다. 2 이상의 센서(210)를 갖는 실시예에서, 각각의 센서(210)는 개별 센서 윈도우(230)를 포함할 수 있거나, 2 이상의 센서(210)가 동일한 윈도우(230)를 통해 워크피스(110)를 보도록 위치될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서(210)는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성될 수 있고, 제2 파장 범위는 워크피스(110)에 의해 방출되는 열 방사선의 범위의 적어도 일부를 포함할 수 있다. 워크피스(110)에 의해 방출되는 열 방사선은 워크피스(110)의 온도에 따라 바뀔 수 있다. 따라서, 워크피스(110)에 의해 방출되는 제2 파장 범위 내의 열 방사선의 측정값이 획득되어, 워크피스(110)의 온도를 판단하기 위하여 복수의 온도에 걸쳐 제2 파장 범위에서 워크피스(110)에 의해 방출되는 열 방사선의 예측되는 양 그리고/또는 방사율에 비교될 수 있다.
예를 들어, 워크피스의 열 방사선은 워크피스(110)의 온도에서 이상적인 흑체에 의해 방출되는 흑체 방사와 워크피스(110)의 방사율 모두의 함수일 수 있다. 워크피스(110)의 방사율은 특정 파장에서의 워크피스(110)에 의해 방출되는 열 방사선의 양과 그 특정 파장과 온도에서의 이상적인 흑체에 의해 방출되는 열 방사선의 양 사이의 비로서 표현될 수 있다. 일부 경우에, 흑체 방사 곡선과 워크피스(예를 들어, 워크피스(110))에 대한 방사율 곡선의 적어도 일부는 반비례 관계를 가질 수 있어, 적절히 많은 양의 열 방사선이 방출되는 제2 파장 범위를 선택하는데 있어서 과제를 야기할 수 있다.
일부 실시예에서, 특정 파장에서 워크피스(110)에 의해 방출되는 열 방사선을 측정하기 위하여, 워크피스(110)에 대하여 상대적으로 높은 방사율 상수를 가지면서도 온도에서의 흑체 그래프 상에서 상대적으로 큰 크기를 갖는 파장 대역이 측정을 위하여 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 파장 범위는 워크피스(110)의 방사율과 연관된 하나 이상의 국부적인 특징에 적어도 부분적으로 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 워크피스(110)의 방사율 곡선은 주변 파장에서보다 특정 파장에서 상대적으로 더 높은 방사율을 제공하는 하나 이상의 국부적인 최대값을 가질 수 있다. 특히, 흑체 곡선 및 방사율 곡선이 반비례 관계를 가지는 경우에, 국부적 특징은, 국부적 특징이 본 명세서에서 논의되는 다른 고려 사항을 고려하여 바람직한 파장에 대응한다면, 열 방사선 측정을 위한 상대적으로 바람직한 파장에 대응할 수 있다. 예를 들어, 워크피스(110)는 하나 이상의 국부적 특징을 바로 둘러싸는 파장에서보다 하나 이상의 국부적 특징에서의 파장에서 더 많은 양의 열 방사선을 방출할 수 있다.
워크피스(예를 들어, 워크피스(110))를 적어도 부분적으로 구성할 수 있는 예시적인 워크피스 재료에 대한 예시적인 방사율 스펙트럼이 도 6에 도시된다. 곡선(602-608)은 상이한 온도에서의 방사율을 도시한다. 예를 들어, 곡선(602)은 상대적으로 낮은 온도(예를 들어, 300℃ 미만)에서의 방사율을 나타낼 수 있고, 곡선(608)은 상대적으로 높은 온도(예를 들어, 700℃ 초과)에서의 방사율을 나타낼 수 있다. 곡선(602, 604)에서 알 수 있는 바와 같이, 방사율은 방사율 곡선에서의 불균일에 대응하는 하나 이상의 국부적인 특징(예를 들어, 국부적인 피크(612, 614))을 가질 수 있다. 예를 들어, 국부적인 피크(612, 614)는 방사율이 주변 파장에서보다 상대적으로 더 높은 파장을 나타내어, 결국 그 파장에서 열 방사선의 상대적으로 더 높은 방사를 제공한다.
워크피스(110)의 온도와 같은 예시적인 온도에서의 예시적인 흑체 곡선(700)이 도 7에 도시된다. 곡선(700)에 의해 알 수 있는 바와 같이, 온도에서의 흑체 방사선은 가장 많은 열 방사선이 예시적인 온도에서 이상적인 흑체에 의해 방출되는 파장에 대응하는 피크(702)를 가질 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 곡선(602-608) 중 임의의 곡선에 대한 곡선(700)의 비교에 의해 알 수 있는 바와 같이, 물체에 대한 소정의 온도에서의 방사율 및 흑체 계수는 일부 경우에는 반비례 관계를 가질 수 있거나 다른 경우에는 완전히 관계가 없는 부분을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스(예를 들어, 워크피스(110))에 대한 방사율 특성(예를 들어, 곡선(602-608) 중 적어도 하나의 적어도 일부)은 현장에서(in-situ), 즉 처리 챔버로부터 워크피스(110)를 제거하지 않고 획득될 수 있다.
일부 실시예에서, 워크피스(110)의 방사율은 알려진 세기에서의 하나 이상의 측정 방사선 소스(도시되지 않음)로부터의 전자기 방사선을 워크피스(110)와 상호 작용시키고, 워크피스(110)와의 상호 작용 후에 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기를 측정함으로써 측정될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 측정 방사선 소스는 워크피스(110)를 가열하는데 사용되는 하나 이상의 열원(130), 하나 이상의 추가 방사선 소스(220) 또는 임의의 다른 적절한 방사선 소스와 같은 임의의 적절한 방사선 소스일 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스(110)는 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 제1 부분은 하나 이상의 측정 방사선 소스의 반대편에 있는 처리 챔버(105) 측으로 워크피스(110)를 통과할 수 있고, 전자기 방사선의 제2 부분은 워크피스(110)의 표면으로부터 반사될 수 있다.
예를 들어, 워크피스(110)가 대략 100℃의 저농도 도핑 실리콘 웨이퍼를 포함하는 예시적인 실시예에서, 워크피스(110)는 대략 25 ㎛ 아래의 파장에 대하여 완전히 불투명하지는 않을 수 있다. 따라서, 워크피스(110)의 방사율을 측정하기 위하여, 워크피스(110)의 투과율 및 워크피스(110)의 반사율이 모두 측정될 수 있다. 예를 들어, 투과율은 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기에 대한 워크피스(110)를 통과한 전자기 방사선의 제1 부분의 세기의 비로서 결정될 수 있다. 반사율은 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기에 대한 워크피스(110)에 의해 반사된 전자기 방사선의 제2 부분의 세기의 비로서 결정될 수 있다. 따라서, 투과율과 반사율의 합에 의해 차지되지 않은 임의의 전자기 방사선은 워크피스에 의해 흡수되는 전자기 방사선에 대응한다. 열 평형 상태에서, 워크피스(110)에 의해 방출되는 에너지의 양은 워크피스(110)에 의해 흡수되는 에너지의 양과 동일할 수 있다. 이러한 방식으로, 워크피스(110)의 방사율이 측정될 수 있다.
워크피스(110)의 측정된 온도에 기초하여, 열처리 시스템(100, 200, 500)의 하나 이상의 프로세스 파라미터가 제어될 수 있다(예를 들어, 컨트롤러(175), 프로세서(들)(176) 및/또는 메모리 장치(들)(177)에 의해). 예를 들어, 측정된 온도는 피드백 루프에서 사용될 수 있고, 하나 이상의 열원(130)의 세기는 워크피스(110)의 온도를 조절 및/또는 유지하기 위하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원(130)의 세기는 원하는 처리 온도로 워크피스(110)를 가열하기 위하여 조절될 수 있다.
도 8은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따라 열처리 챔버 내의 워크피스(110)의 온도를 측정하기 위한 프로세스(800)의 순서도를 도시한다. 프로세스(800)는 도 1의 열처리 시스템(100), 도 2의 열처리 시스템(200) 및/또는 도 5의 열처리 시스템(500)을 이용하여 구현될 수 있다. 그러나, 아래에서 상세히 논의되는 바와 같이, 본 개시 내용의 예시적인 양태에 따른 프로세스(800)는 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 열처리 시스템을 이용하여 구현될 수 있다. 도 8은 예시 및 논의의 목적으로 특정 순서로 수행되는 단계들을 도시한다. 본 명세서에 제공된 개시 내용을 이용하여, 당해 업계에서의 통상의 기술자는 본 명세서에 설명된 임의의 방법의 다양한 단계들이 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 생략, 확장, 동시 수행, 재배열 및/또는 수정될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 다양한 추가 단계들(도시되지 않음)이 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 수행될 수 있다.
(802)에서, 프로세스는 처리 챔버 내에서 워크피스 지지부 상에 워크피스를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 워크피스는 워크피스(110)와 같은 본 개시 내용에 따라 설명된 워크피스일 수 있다. 워크피스 지지부는, 예를 들어, 워크피스 지지부(120)일 수 있다. 열처리 챔버는, 예를 들어, 처리 챔버(105)일 수 있다. 워크피스는 임의의 형상, 조성 및/또는 기타 특성을 가질 수 있다. 워크피스 지지부는 임의의 적절한 형상, 구성 및/또는 기타 특성을 가질 수 있다. 처리 챔버는 임의의 적절한 형상, 구성 및/또는 기타 특성을 가질 수 있다.
(804)에서, 프로세스는 하나 이상의 열원을 이용하여 워크피스를 처리 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있고, 하나 이상의 열원은 제1 파장 영역 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성된다. 예를 들어, 하나 이상의 열원은 열원(130)일 수 있다. 하나 이상의 열원은, 예를 들어, 광원 또는 기타 방사성 열원일 수 있다. 하나 이상의 열원은 열원과 워크피스 사이의 물리적 접촉 없이 워크피스를 가열하도록 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원은, 적외선 광원, 발광 다이오드(LED), 펄스형 열원, 간섭성(coherent) 광원, 협대역 열원 또는 다른 적합한 열원이나, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원은 제1 파장 범위 밖의 전자기 방사선의 오염을 감소시키거나 제한하기 위한 LED와 같은 협대역 열원일 수 있다.
하나 이상의 열원은 워크피스를 가열하기 위하여 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다. 제1 파장 범위는 워크피스가 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선의 적합한 흡수율, 예를 들어, 적합하게 높은 흡수율을 가지게 하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 워크피스가 제1 파장 범위 내의 방사선, 예를 들어, 효율적인 방법으로 워크피스를 가열하기에 적합한 양의 방사선을 흡수할 수 있도록 적절하게 높은 흡수율을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 워크피스가 대략 0.7 이상과 같이 대략 0.3 이상의 흡수율을 갖는 파장을 포함할 수 있다. 따라서, 전자기 방사선이 지니는 에너지의 적절한 일부를 흡수함으로써, 워크피스가 가열될 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 파장 범위가 제1 파장 범위에 대하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스는 대략 100℃와 같이 대략 50℃ 내지 150℃로 가열될 수 있다.
추가로 그리고/또는 대안적으로, 제1 파장 범위는 워크피스의 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 적절한 흡수율을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 흡수율은 온도에 따라 변동될 수 있고, 원하는 온도에서 충분한 흡수율을 제공하도록 제1 파장 범위를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 워크피스의 초기 온도에서(즉, 워크피스가 하나 이상의 열원에 의해 가열되기 전에), 처리 온도(즉, 워크피스가 가열되고 그리고/또는 열처리 동안 유지되는 온도)에서, 온도 범위에 걸쳐(예를 들어, 초기 온도 내지 처리 온도의 범위에 걸쳐) 또는 임의의 적절한 온도 또는 온도들에 걸쳐, 또는 이들의 조합에 대하여, 적절한 흡수율을 제공하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 온도는 대략 50℃ 내지 대략 150℃일 수 있다. 일부 실시예에서, 온도는 대략 100℃일 수 있다.
저농도 도핑 실리콘 웨이퍼를 대략 100℃의 처리 온도로 가열하는 하나의 예시적인 애플리케이션에서, 하나 이상의 열원은 대략 900 nm의 전자기 방사선을 제공하도록 구성되는 고출력 협대역 LED를 포함할 수 있다. 100℃에서, 저농도 도핑 실리콘 웨이퍼는 대략 900 nm의 파장을 갖는 전자기 방사선에 대하여 대략 0.7의 흡수율을 가질 수 있다. LED는 협대역 열원일 수 있고, 따라서 대략 900 nm 이외의 파장 내에서 무시할 만한 방사선을 출력할 수 있다. 따라서, 900 nm LED는 워크피스를 가열하고, 다른 파장에서 제한된 간섭을 제공하고, UV 광과 같은 더 짧은 파장을 갖는 전자기 방사선과 연관될 수 있는 복잡성을 방지하는 충분한 능력을 제공할 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 파장 범위를 갖는 임의의 적절한 열원이 본 개시 내용의 양태에 따라 사용될 수 있다.
(806)에서, 프로세스는 워크피스가 처리 온도에 있는 동안 하나 이상의 센서에서 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 측정하는 단계를 포함할 수 있고, 제2 파장 범위는 제1 파장과 상이하고 그리고/또는 제1 파장 범위와 중첩하지 않는다. 예를 들어, 하나 이상의 센서는 하나 이상의 센서(210)일 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스는 제2 파장 범위에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 파장 범위는 워크피스가 상당한 양의 열 방사선을 방출하는 파장 범위에 대응할 수 있다. 하나 이상의 센서로부터의 측정값에 기초하여, 워크피스의 온도가 판단될 수 있다. 하나 이상의 센서는, 예를 들어, 포토 다이오드, 고온계(pyrometer) 또는 다른 적절한 센서를 포함할 수 있다.
제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이할 수 있고 그리고/또는 제1 파장 범위와 중첩하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위 및 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 제2 파장 범위 사이의 오염을 감소시키거나 제한하도록 선택될 수 있다. 일례로서, 제2 파장 범위는 하나 이상의 열원에 의해 방출되는 방사선 대역 밖의 파장 범위가 되도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 대략 900 nm의 파장을 포함할 수 있고, 제2 파장 범위는 대략 1100 nm의 파장을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 열원으로부터의 제2 파장 범위 내의 방사선과 연관된 스펙트럼 파워 밀도는 제2 파장 범위와 연관된 피크 스펙트럼 파워 밀도의 대략 5% 미만, 예를 들어, 제2 파장 범위와 연관된 피크 스펙트럼 파워 밀도의 대략 1% 미만일 수 있다.
다른 예로서, 제2 파장 범위는 제1 파장 범위와 상이한 차수(order)의 크기를 갖는 파장 범위일 수 있다. 예를 들어, 제1 파장 범위는 대략 900 nm와 같은 대략 1000 nm의 크기 차수를 갖는 파장을 포함할 수 있고, 제2 파장 범위는 대략 13 ㎛ 내지 대략 17 ㎛의 범위 내, 예를 들어, 대략 16 ㎛와 같은 대략 10 ㎛의 크기 차수를 갖는 파장을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 파장 범위는 대략 9 ㎛와 같이 대략 8 ㎛ 내지 대략 12 ㎛의 범위 내에 있을 수 있고, 이는 Si-O 결합(bond)이 흡수/방출 피크를 제공하는 것에 대응할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 하나 이상의 열원이 방사선을 방출하고 있지 않는 시간 동안 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원은 (예를 들어, 높은 주파수로의) on 및 off의 펄스형이 될 수 있고, 하나 이상의 센서는 하나 이상의 열원이 off인 시간 동안 측정값을 획득할 수 있다. 제1 파장 범위와 상이한 제2 파장 범위에서 측정값을 획득하는 것에 더하여 그리고/또는 그에 대안적으로 하나 이상의 열원을 펄스형으로 함으로써, 하나 이상의 센서에 의해 얻어진 측정값에 대한 하나 이상의 열원으로부터의 오염이 감소될 수 있어, 워크피스의 효율적인 가열을 여전히 제공하면서 하나 이상의 센서에 의한 정확한 측정을 가능하게 한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 열원에 의해 방출되는 제1 파장 범위와 상이한 제2 파장 범위에서 측정값을 획득하는 것에도 불구하고, 하나 이상의 센서는 원하지 않는 방사선에 대하여 민감할 수 있다. 예를 들어, 처리 챔버 내의 다른 컴포넌트로부터의 열 방사선과 같은 워크피스가 아닌 컴포넌트로부터의 열 방사선은 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 측정값과 간섭할 수 있다. 예를 들어, 컴포넌트, 특히 워크피스와 대략 동일한 온도를 갖는 컴포넌트로부터의 열 방사선은 제2 파장 범위 내의 적어도 부분적으로 속할 수 있거나, 아니면 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 측정값을 오염시키는 역할을 할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 하나 이상의 윈도우를 통한 워크피스의 적어도 일부의 시야를 포함할 수 있다. 하나 이상의 윈도우는 제2 파장 범위에 대하여 투과성일 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 윈도우는 제2 파장 범위가 아닌 파장을 제한하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 윈도우는 워크피스와 하나 이상의 센서 사이에 위치되어 하나 이상의 센서가 측정하도록 구성된 것이 아닌 전자기 방사선의 간섭을 제한하거나, 예를 들어, 처리 챔버 내의 데브리(debris) 또는 열 상태로부터의 하나 이상의 센서에 대한 손상을 방지할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 윈도우는 워크피스 이외의 처리 챔버 내의 컴포넌트로부터의 열 방사선을 적어도 부분적으로 차단하도록 구성될 수 있다. 2 이상의 센서를 갖는 실시예에서, 각각의 센서는 개별 윈도우를 포함할 수 있거나, 2 이상의 센서가 동일한 윈도우를 통해 워크피스를 보도록 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 윈도우는 처리 챔버의 벽 내의 홀 안에 구현될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 센서의 시야는 하나 이상의 냉각 사이트 튜브(cooled sight tube) 및/또는 냉각 어퍼처(cooled aperture)에 의해 제한될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 냉각 사이트 튜브 및/또는 냉각 어퍼처는 하나 이상의 센서가 측정하도록 구성된 전자기 방사선 이외의 전자기 방사선의 간섭을 감소시키거나, 예를 들어, 처리 챔버 내의 데브리 또는 열 상태로부터의 하나 이상의 센서에 대한 손상을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 냉각 사이트 튜브 및/또는 냉각 어퍼처는 원하지 않는 전자기 방사선으로부터의 간섭을 방지하기 위하여 실질적으로 워크피스를 향하여 하나 이상의 센서의 시야를 지향시킬 수 있다. 예를 들어, 냉각 튜브 및/또는 냉각 어퍼처는 워크피스 이외의 처리 챔버 내의 컴포넌트로부터의 열 방사선을 적어도 부분적으로 차단하도록 구성될 수 있다. 다른 예로서, 냉각 사이트 튜브 및/또는 냉각 어퍼처는 하나 이상의 센서에 대한 손상을 방지할 수 있다.
(808)에서, 프로세스는 하나 이상의 센서에 의해 측정된 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 기초하여 워크피스의 온도를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선이 워크피스의 투과율을 나타낼 수 있고, 워크피스의 온도는 워크피스의 투과율에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다. 다른 예로서, 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선이 워크피스에 의해 방출되는 열 방사선을 나타낼 수 있고, 워크피스의 온도는 워크피스에 의해 방출되는 열 방사선에 적어도 부분적으로 기초하여 판단될 수 있다.
도 9는 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따라 전자기 방사선의 측정값에 적어도 부분적으로 기초하여 열처리 챔버 내에서 워크피스의 온도를 판단하기 위한 프로세스(900)의 순서도를 도시한다. 프로세스(900)는 도 1의 열처리 시스템(100), 도 2의 열처리 시스템(200) 및/또는 도 5의 열처리 시스템(500)을 이용하여 구현될 수 있다. 그러나, 아래에서 상세히 논의되는 바와 같이, 본 개시 내용의 예시적인 양태에 따른 프로세스(900)는 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 열처리 시스템을 이용하여 구현될 수 있다. 도 9은 예시 및 논의의 목적으로 특정 순서로 수행되는 단계들을 도시한다. 본 명세서에 제공된 개시 내용을 이용하여, 당해 업계에서의 통상의 기술자는 본 명세서에 설명된 임의의 방법의 다양한 단계들이 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 생략, 확장, 동시 수행, 재배열 및/또는 수정될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 다양한 추가 단계들(도시되지 않음)이 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 수행될 수 있다.
(902)에서, 프로세스는 하나 이상의 추가 방사선 소스에 의해 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 방사선 소스는 하나 이상의 추가 방사선 소스(220)일 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 방사선 소스는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 추가 방사선 소스는 방출되는 방사선이 워크피스의 표면에 대체로 수직(예를 들어 대략 10˚ 이내로 수직)이거나, 워크피스의 표면에 대하여 임의의 다른 적절한 각도를 가질 수 있도록 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 추가 방사선 소스는 하나 이상의 센서의 실질적으로 반대편에 위치될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 방사선 소스의 각각은 하나 이상의 센서의 각각으로부터 그와의 선형 배향으로 처리 챔버의 반대측에 위치될 수 있다. 하나 이상의 센서 및/또는 하나 이상의 추가 방사선 소스에 대한 임의의 다른 적절한 배향이 본 개시 내용에 따라 사용될 수 있다. 하나 이상의 추가 방사선 소스는, 예를 들어, 레이저(예를 들어, 레이저 다이오드), 적외선 광원, 자외선(UV) 광원, 발광 다이오드(LED), 펄스형 방사선 소스, 간섭성 광원, 협대역 방사선 소스 또는 다른 적합한 방사선 소스나, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 추가 방사선 소스는 하나 이상의 윈도우 뒤에 위치될 수 있다.
(904)에서, 하나 이상의 추가 방사선 소스에 의해 방출되는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선이 워크피스를 통해 통과될 수 있다. 예를 들어, 워크피스는 워크피스(110)일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 워크피스는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 예를 들어, 워크피스는 제2 파장 범위에서 대략 0보다 큰 투과율을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선은 하나 이상의 추가 방사선 소스의 반대편에 있는 처리 챔버의 측으로 워크피스를 적어도 부분적으로 통과할 수 있다.
(906)에서, 프로세스는 하나 이상의 센서에서 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서는 하나 이상의 센서(210)일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서는 워크피스를 통과한 후에 제2 파장 범위에서의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 추가 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기를 하나 이상의 센서에 의해 측정되는 전자기 방사선의 세기에 비교함으로써 워크피스의 투과율이 판단될 수 있다.
(908)에서, 프로세스는 워크피스와 연관된 기준 투과율 스펙트럼을 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 워크피스의 투과율에 적어도 부분적으로 기초하여 워크피스의 온도를 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼은 주어진 워크피스에 대하여 투과율과 온도 사이의 정확한 상관 관계를 제공하도록 캘리브레이션될 수 있다. 예를 들어, 모델 또는 수학식의 하나 이상의 파라미터, 변수 등은 워크피스에 기초하여 조절될 수 있다. 다른 예로서, 기준 투과율 스펙트럼은 워크피스에 대한 복수의 후보 기준 투과율 스펙트럼으로부터 선택될 수 있다.
(910)에서, 프로세스는, 하나 이상의 센서에 의해 측정된 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 기초하여, 워크피스의 투과율 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 투과율은 워크피스의 온도에 따라 변동할 수 있다. 예를 들어, 워크피스의 투과율은 적어도 워크피스의 온도의 함수로서 변동할 수 있다. 워크피스의 형상, 워크피스의 두께, 워크피스의 조성 등과 같지만 이에 한정되지 않는 워크피스의 투과율과 연관될 수 있는 다른 인자가 측정되거나, 아니면 알려져 있거나 판단될 수 있다. 일부 실시예에서, 기준 투과율 스펙트럼(reference transmittance spectrum)이 판단될 수 있고, 열처리 동안 워크피스의 투과율이 측정될 수 있다.
(912)에서, 프로세스는 기준 투과율 스펙트럼과 워크피스의 투과율에 적어도 부분적으로 기초하여 워크피스의 온도를 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가 방사선 소스로부터의 출력이 일정하더라도, 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 제2 파장 범위에서의 전자기 방사선의 측정값은 워크피스의 온도와 함께 변동할 수 있다. 워크피스 두께, 조성 등과 같은 워크피스 및/또는 열처리 시스템의 다른 특성은 온도 변화 전체에 걸쳐 일정하도록 결정될 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 센서로부터의 측정값은 워크피스의 투과율의 함수로서 워크피스의 온도와 직접(예를 들어, 초기 온도와 현재 온도 사이의 온도 변화로서) 연관될 수 있다.
도 10은 본 개시 내용의 예시적인 실시예에 따라 전자기 방사선의 측정값에 적어도 부분적으로 기초하여 열처리 챔버 내에서 워크피스의 온도를 판단하기 위한 프로세스(1000)의 순서도를 도시한다. 프로세스(1000)는 도 1의 열처리 시스템(100), 도 2의 열처리 시스템(200) 및/또는 도 5의 열처리 시스템(500)을 이용하여 구현될 수 있다. 그러나, 아래에서 상세히 논의되는 바와 같이, 본 개시 내용의 예시적인 양태에 따른 프로세스(1000)는 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다른 열처리 시스템을 이용하여 구현될 수 있다. 도 10은 예시 및 논의의 목적으로 특정 순서로 수행되는 단계들을 도시한다. 본 명세서에 제공된 개시 내용을 이용하여, 당해 업계에서의 통상의 기술자는 본 명세서에 설명된 임의의 방법의 다양한 단계들이 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 생략, 확장, 동시 수행, 재배열 및/또는 수정될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 다양한 추가 단계들(도시되지 않음)이 본 개시 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 수행될 수 있다.
(1002)에서, 프로세스는 하나 이상의 기준 온도에서 제2 파장 범위에서의 워크피스의 방사율을 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 워크피스는 워크피스(110)일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 워크피스의 방사율은 알려진 세기를 갖는 하나 이상의 측정 방사선 소스로부터의 전자기 방사선을 워크피스와 상호 작용시키고, 워크피스와의 상호 작용 후에 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 세기를 측정함으로써 측정될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 측정 방사선 소스는 워크피스를 가열하는데 사용되는 하나 이상의 열원, 하나 이상의 추가 방사선 소스 또는 임의의 다른 적절한 방사선 소스와 같은 임의의 적절한 방사선 소스일 수 있다. 일부 실시예에서, 워크피스는 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선에 대하여 적어도 부분적으로 투과성일 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 제1 부분은 하나 이상의 측정 방사선 소스의 반대편에 있는 처리 챔버 측으로 워크피스를 통과할 수 있고, 하나 이상의 측정 방사선 소스에 의해 방출되는 전자기 방사선의 제2 부분은 워크피스의 표면으로부터 반사될 수 있다. 제1 부분 및 제2 부분은 워크피스의 투과율 판단하기 위하여 측정되어 사용될 수 있다. 이것은 하나 이상의 기준 온도에서 워크피스의 방사율을 판단하기 위하여 하나 이상의 기준 온도에 걸쳐 반복될 수 있다.
(1004)에서, 프로세스는 워크피스의 온도를 판단하기 위하여 워크피스에 의해 방출되는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 하나 이상의 기준 온도에서의 방사율에 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제2 파장 범위는 워크피스가 상당한 양의 열 방사선을 방출하는 파장 범위에 대응할 수 있다. 하나 이상의 센서로부터의 측정값에 기초하여, 워크피스의 온도가 판단될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서에 의해 측정된 열 방사선의 세기가 워크피스의 온도를 판단하기 위하여 파장에서의 열 방사선 세기에 대한 온도에 관한 곡선, 그래프, 룩업 테이블 등에 비교될 수 있다.
워크피스의 측정된 온도에 기초하여, 열처리 시스템의 하나 이상의 프로세스 파라미터가 제어될 수 있다. 예를 들어, 측정된 온도는 피드백 루프에서 사용될 수 있고, 하나 이상의 열원의 세기는 워크피스의 온도를 조절 및/또는 유지하기 위하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열원의 세기는 원하는 처리 온도로 워크피스를 가열하기 위하여 조절될 수 있다.
본 주제가 이의 특정의 예시적인 실시예에 관하여 상세히 설명되었지만, 당해 기술 분야에서 통상의 기술자는 전술한 것에 대한 이해를 획득함에 따라 이러한 실시예에 대한 대안, 이의 수정 및 이에 대한 균등물을 용이하게 생성할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 개시 내용의 범위는 한정이 아닌 예이며, 당해 기술 분야에서 통상의 기술자에게 자명한 바와 같이, 본 개시 내용은 본 주제에 대한 이러한 수정, 변형 및/또는 추가의 포함을 배제하지 않는다.

Claims (20)

  1. 워크피스를 지지하도록 구성되는 워크피스 지지부를 갖는 처리 챔버;
    상기 워크피스를 대략 50℃ 내지 대략 150℃의 처리 온도로 가열하기 위하여 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 열원; 및
    상기 워크피스가 상기 처리 온도에 있을 때 상기 워크피스로부터 방출되는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선의 측정값을 획득하도록 구성되는 하나 이상의 센서
    를 포함하고,
    상기 제2 파장 범위는 상기 제1 파장 범위와 상이한, 열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 상기 전자기 방사선의 측정값에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 워크피스의 온도를 판단하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함하는, 열처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열원은 협대역 적외선 범위 내의 전자기 방사선을 방출하는, 열처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장 범위는 대략 850 나노미터 내지 대략 950 나노미터 범위 내에 있는, 열처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장 범위는 상기 워크피스가 상기 제1 파장 범위 및 상기 처리 온도에서 대략 0.5보다 큰 흡수율(absorptance)을 갖도록 하는 것인, 열처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 제2 파장 범위에 대하여 투과성인 하나 이상의 윈도우를 통한 상기 워크피스의 적어도 일부의 시야를 포함하는, 열처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 상기 하나 이상의 센서의 시야를 제한하기 위한 냉각 어퍼처(cooled aperture) 또는 냉각 튜브(cooled tube)를 포함하는, 열처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서는 상기 하나 이상의 열원이 상기 제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하고 있지 않는 기간 동안 상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 측정하도록 구성되는, 열처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열원은 하나 이상의 발광 다이오드를 포함하는, 열처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 워크피스는 저농도 도핑 실리콘(lightly-doped silicon)을 포함하는, 열처리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장 범위와 상기 제2 파장 범위 사이에 중첩이 없는, 열처리 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 추가 방사선 소스를 더 포함하고, 상기 워크피스는 상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 대하여 적어도 부분적으로 투과성이고, 상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선은 상기 하나 이상의 센서에 의해 측정되기 전에 상기 워크피스를 통과하는, 열처리 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 파장 범위는 대략 1000 나노미터보다 더 긴 파장을 포함하는, 열처리 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 측정값은 상기 워크피스의 투과율을 나타내고, 상기 장치는, 적어도 부분적으로, 상기 워크피스의 투과율을 나타내는 상기 하나 이상의 센서에 의해 획득되는 측정값을 알려진 초기 온도를 갖는 표본에 대한 기준 투과율 스펙트럼(reference transmittance spectrum)에 비교함으로써, 상기 워크피스의 온도를 판단하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함하는, 열처리 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 파장 범위는 대략 7 마이크로미터 내지 대략 17 마이크로미터의 파장을 포함하는, 열처리 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 상기 워크피스의 방사율(emissivity)에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 워크피스의 온도를 판단하도록 구성되는 하나 이상의 프로세서를 포함하고, 상기 워크피스의 방사율은 현장에서(in-situ) 측정되는, 열처리 장치.
  17. 워크피스를 열처리하기 위한 방법에 있어서,
    제1 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하도록 구성되는 하나 이상의 열원을 이용하여 상기 워크피스를 처리 온도로 가열하는 단계;
    상기 워크피스가 상기 처리 온도에 있는 동안 하나 이상의 센서에서 상기 워크피스로부터 방출되는 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 측정하는 단계 - 상기 제2 파장 범위는 상기 제1 파장 범위와 상이함 -;
    상기 하나 이상의 센서에 의해 측정된 상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 워크피스의 온도를 판단하는 단계; 및
    상기 워크피스의 온도를 조절하거나 유지하도록 상기 워크피스의 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 하나 이상의 열원을 제어하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서에서 상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 측정하는 단계는,
    하나 이상의 추가 방사선 소스에 의해, 상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 방출하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 센서에서, 상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선을 측정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선은 상기 하나 이상의 센서에서 수신되기 전에 상기 워크피스를 통해 통과되는, 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서에 의해 측정된 상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 워크피스의 온도를 판단하는 단계는,
    상기 워크피스와 연관된 기준 투과율 스펙트럼(reference transmittance spectrum)을 판단하는 단계;
    상기 하나 이상의 센서에 의해 측정된 상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 워크피스의 투과율을 판단하는 단계; 및
    상기 기준 투과율 스펙트럼과 상기 워크피스의 투과율에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 워크피스의 온도를 판단하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 하나 이상의 센서에 의해 측정된 상기 제2 파장 범위 내의 전자기 방사선에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 워크피스의 온도를 판단하는 단계는,
    하나 이상의 기준 온도에서 상기 제2 파장 범위에서의 상기 워크피스의 방사율(emissivity)을 판단하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 기준 온도에서 상기 제2 파장 범위에서의 상기 워크피스의 방사율에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 워크피스의 온도를 판단하는 단계
    를 포함하는, 방법.
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