JP4870709B2

JP4870709B2 - 熱処理装置

Info

Publication number: JP4870709B2
Application number: JP2008082729A
Authority: JP
Inventors: 豊敬植栗; 直揮石川; 寛之大塚
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2028-03-27
Also published as: JP2009238991A

Description

本発明は熱処理装置の中でも特にウォーキングビームによる搬送方式を用いた熱処理装置に関する。

単結晶あるいは多結晶太陽電池の拡散および電極形成時の焼成に連続炉が用いられる。この連続炉を用いることによって、連続的に多くの半導体基板を熱処理することができ、極めて生産性が高い。

このような連続炉として、ベルト式連続炉がある。このベルト式連続炉は焼成炉の加熱部を貫通させた搬送用ベルト上に被加熱物を載置し、エンドレスに搬送用ベルトを回転させることによって、熱処理炉の加熱部の中を通過させて、焼成を行うものである。
しかし、ベルトによる汚染を懸念して、石英やセラミックの棒を利用したウォーキングビームが連続炉の搬送系として利用されることがある。

図３は、従来のウォーキングビームの一般的な形態を示す図であり、図４は、従来のウォーキングビーム上に被加熱物Ｗが載置された状態の側面図である。通常のウォーキングビームは、炉に固定された固定ビーム３１と、所定のストロークで駆動し、被加熱物Ｗを搬送する可動ビーム３２からなる。

このウォーキングビームは、まず、可動ビーム３２が上昇して、固定ビーム３１上に載置されていた被加熱物Ｗを固定ビーム３１から受け取り、図４のように可動ビーム３２上に被加熱物Ｗを載置した状態で更に上昇して、その上昇端でいったん停止する。次に、可動ビーム３２は被加熱物Ｗを保持した状態で１ストローク分前進して停止する。次いで、可動ビーム３２は下降して、固定ビーム３１に半導体基板を受け渡し、更に下降した後、１ストローク分後退して停止し、当初の位置に戻る。

この際、ウォーキングビーム上に支持ピンを設け、それにより被加熱物を支持するものもある（例えば、特許文献１参照）。
以上のような方法で、ウォーキングビームにより被加熱物が熱処理炉の加熱部を通過していくことで焼成を行う。
しかし、近年、半導体基板が薄くなり強度が低下してきたため、ウォーキングビームにより半導体基板が搬送されている途中で、半導体基板が割れてしまう等の問題があった。

特開２００３−１７６０１１号公報

そこで、本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、ウォーキングビームによる搬送方式を利用し、熱処理中の被加熱物の割れの発生を防ぎつつ、搬送時の滑落を防止できる熱処理装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも、搬送装置で駆動するウォーキングビームにより搬送される被加熱物が、ヒーターを有する熱処理炉内に搬送され、前記熱処理炉内を通過することによって、前記被加熱物に熱処理を施す熱処理装置において、少なくとも、前記ウォーキングビームが、１つの前記被加熱物を載置する際に４点以上で支持するための支持部を有し、かつ、前記被加熱物の滑落防止手段を有するものであることを特徴とする熱処理装置を提供する。

このように、本発明のウォーキングビームであれば、熱処理の際に被加熱物を点で支持するため、被加熱物とウォーキングビームの接触部を小さくすることができる。これにより、ウォーキングビームと被加熱物が接触することによる、被加熱物における接触部近傍で発生する温度差を大幅に小さくすることができ、温度差による被加熱物の割れを効果的に防止することができる。さらに、４点以上で支持すれば比較的安定した搬送が可能である。
また、ウォーキングビームと被加熱物が、熱処理中に点でのみ接触するため、被加熱物の加熱ムラや、太陽電池素子製造時の電極材料の塗布部分への干渉を、最小限とすることができる。

さらに、本発明のウォーキングビームは滑落防止機能を有しているため、被加熱物載置時の接触部の減少により、不安定になった被加熱物の搬送時の滑落による割れを防止することができる。

また、前記滑落防止手段を、前記ウォーキングビーム上の、前記被加熱物の支持部の後方にそれぞれ備えられたストッパーとすることができる。
このように、滑落防止手段がストッパーであれば、ウォーキングビーム上に簡易に設置することができ、また搬送中の被加熱物は後方に滑落することが多いため、後方にストッパーを備えることで確実に滑落を防止できる。

さらに、前記支持部は、１つの前記被加熱物を載置するための支持部を、搬送方向の両側にそれぞれ少なくとも２つ具備することで、計４点以上で１つの前記被加熱物を支持するものであることが好ましい。
このように、被加熱物を両側２点ずつで支持することで、より安定し、かつ支持する被加熱物の接触部への荷重の集中を効率的に分散することができる。

前記支持部及び／又は前記滑落防止手段が、円筒状の棒状体であることが好ましい。
このように、本発明のウォーキングビームの支持部を円筒状の棒状体にして被加熱物を支持することで、中心部での接触がないため、接触面積をより小さくすることができる。さらに、被加熱物を支持する際の荷重応力集中を効果的に緩和できるため、被加熱物自身の荷重による割れを防止できる。また、設置が容易で、コスト的にも有利である。
さらに、滑落防止手段についても支持部と同じものを利用することもできる。

前記支持部及び／又は前記滑落防止手段の材質が、セラミックであることが好ましい。
このように、支持部及び／又は滑落防止手段の材質がセラミックであれば、耐熱性が高いとともに、セラミックより熱膨張係数の低い材質のウォーキングビームを使用する場合に、ウォーキングビームに穴を設け、そこにピンを差し込む等の簡易な方法で支持部及び／又は滑落防止手段を設けることができる。つまり、冷えた状態でピンを差し込めば、加熱時はセラミックの熱膨張によりしっかりと固定され、支持部及び／又は滑落防止手段が外れることはない。

前記熱処理装置は、太陽電池素子の製造において、電極材料を塗布した半導体基板を焼成する際に利用できる。
本発明の熱処理装置であれば、半導体基板を点で支持するため電極材料を塗布した部分への干渉はほとんどなく、かつ加熱ムラも防止できる。さらに、半導体基板の割れの少ない焼成を行うことができるため、太陽電池用の半導体基板の焼成の際の不良率および結晶コストの低減ができる。

本発明の熱処理装置であれば、従来のウォーキングビームを使用した熱処理装置よりも熱処理の際の被加熱物の割れを少なくすることができ、また被加熱物の搬送時の滑落も効果的に防止することができる。それにより、特に太陽電池素子の製造において半導体基板の焼成の際の不良率および結晶コストの低減ができる。

通常ウォーキングビームによる搬送方式を利用して熱処理を行う際、図４のような状態でウォーキングビーム上に被加熱物を載置して熱処理炉内に搬送して、その中を通ることにより被加熱物に熱処理を行うが、この際に被加熱物が割れてしまうという問題があった。

本発明者らは、このような問題を解決するために検討を行った。
上記の被加熱物が割れる際の割れ方としては、通常図２（Ａ）のようなシリコン基板等の結晶方位で割れる割れ方ではなく、図２（Ｂ）のようなウォーキングビームと接触している部分に沿って割れることが多かった。

これは、従来のウォーキングビームでは図４のように、ウォーキングビーム上面全体が被加熱物と接触するため、被加熱物の接触部近傍において極端な温度差が生じてしまうためであると推測できる。
これらから、被加熱物が割れてしまう原因としては、温度差由来のダメージが原因であることを本発明者らは見出した。

このため、ウォーキングビーム上に支持ピン等を設け、それにより被加熱物を点で支持すればウォーキングビームと被加熱物の接触部を小さくできる。これにより、被加熱物のウォーキングビームとの接触部近傍に、極端な温度差が発生せず、温度差由来の割れを防止できることを見出した。

しかし、被加熱物とウォーキングビームとの接触部を小さくするほど、搬送の際に被加熱物が不安定となり、ウォーキングビーム上から滑落してしまうことがあった。
これについては、本発明者らはウォーキングビームに滑落防止手段を設け、被加熱物の滑落を防止することにより、点で支持することで被加熱物の割れを防止した良好な熱処理を施しつつ、被加熱物の安定した搬送をすることができることを想到し、本発明を完成させた。

以下、本発明に係る熱処理装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。ただし、本発明はこれらの形態に限られるものではない。

図１は、本発明の実施形態におけるウォーキングビーム上に被加熱物が載置された状態の側面図である。図５は本発明の実施形態におけるウォーキングビーム搬送方式を利用した熱処理装置の一実施例を示す図である。図６は本発明の実施形態におけるウォーキングビームにより被加熱物を搬送する際の説明図であり、図６（Ａ）は固定ビーム上に被加熱物が載置されている状態であり、図６（Ｂ）は可動ビーム上に被加熱物が載置された状態で搬送している図である。

図５において、熱処理装置５５は、搬送装置５１で駆動するウォーキングビーム５２に載置された被加熱物Ｗが、ヒーター５３ａ、５３ｂ、５３ｃを有する複数の熱処理炉内に搬送され、その熱処理炉５４ａ、５４ｂ及び５４ｃ内を通過することによって、被加熱物Ｗに多段階の熱処理を施す。

図５では、３つの熱処理炉によって、被加熱物Ｗを加熱できる区間が３区間となっているが、それより多くても、もしくは少なくても構わない。例えば、太陽電池の焼成に用いる熱処理炉であれば、電極材料の導電性ペースト内の有機成分を燃焼させるための低温区間と、その後ろの金属粉末を焼結させるための高温区間とが必要となる。また、ヒーターの本数や熱処理炉の構造は、特に限定されず、目的に従い熱処理条件等によって適宜変更すればよい。

本発明では、ウォーキングビーム５２の基本動作としては、従来のウォーキングビームと同様である。つまり、図６（Ａ）のように被加熱物Ｗが固定ビーム６１上の支持部１２に保持され、可動ビーム１１が固定ビーム６１より下方に位置した状態から動作が開始する。まず、可動ビーム１１が徐々に上昇して、固定ビーム６１上に載置されていた被加熱物Ｗを固定ビーム６１から受け取り、図１のような状態で被加熱物Ｗが可動ビーム１１上の支持部１２に載置される。そこから可動ビーム１１が固定ビーム６１よりも上方に位置するまで上昇し図６（Ｂ）のような状態になる。

次に、可動ビーム１１は下降して、固定ビーム６１に被加熱物Ｗを受け渡し、さらに下降した後、１ストローク分後退して図６（Ａ）に示す当初の位置関係に戻る。
このようなサイクルを繰り返すことにより、被加熱物Ｗを熱処理炉内で順次間欠的に搬送していくことにより、熱処理を施すものである。
ウォーキングビームの材質としてはセラミックや石英等が用いられる。他の耐熱性の材質によっても可能であるが、これらであれば比較的熱処理の際の汚染が少ない。

そして、本発明の実施形態における可動ビーム１１は、図１に示すような、１つの被加熱物を４点以上で支持するための支持部１２を有する。この支持部の高さとしては、例えば１ｍｍ程度の同じ高さの４点の支持部を設けることができる。ただし、可動ビーム１１に間接的に支持されれば、どのような高さであっても本発明の効果を発揮できる。
これにより、被加熱物Ｗを搬送する際に可動ビーム１１と被加熱物Ｗの接触面積が小さくなり、被加熱物Ｗの接触部近傍に極端な温度差が生じることを防止できる。このため、被加熱物Ｗへの温度差によるダメージを低減することができ、割れを効果的に防止することができる。
この際、被加熱物Ｗを支持する可動ビーム１１上に、搬送方向の両側にそれぞれ２つずつの支持部１２を設けることが好ましい。これにより、計４点以上で１つの被加熱物を支持することができ、被加熱物Ｗの荷重が効果的に分散され、安定した搬送が可能である。

さらに、太陽電池素子製造の際には、被加熱物を点で支持するため電極材料を塗布した部分に干渉することはほとんどなく良好な焼成を行うことができる。
また、固定ビーム６１についても、図６に示すように１つの被加熱物を載置する際に４点以上で支持する支持部１２を設けることが好ましい。これにより、固定ビーム６１上に載置され保持されているときにおいても、被加熱物Ｗの割れを効率的に防止でき、良好な熱処理を施すことができる。

また、本発明の実施形態における可動ビーム１１は、図１に示すように滑落防止手段１３を有する。本発明では被加熱物Ｗは点で支持された状態で搬送されるため、不安定になりやすく滑落することもある。このため、本発明の可動ビーム１１に滑落防止手段を設けることにより、割れの少ない良好な熱処理と滑落のない安定した搬送の両立を実現できる。

本発明の滑落防止手段１３としては、図１のように被加熱物Ｗの後方に設けたストッパーとすることができる。このようなストッパーであれば、搬送時は被加熱物Ｗが後方に滑落することが多いため、効果的に滑落を防止できる。ストッパーは、被加熱物の載置した際の高さ以上あれば滑落防止機能を発揮できる。このストッパーの設ける方法としては、例えばウォーキングビーム自体の形状変形によることも可能であり、また、ウォーキングビームに穴を開けて棒状のものを挿し込むことによっても設けることができる。

上記の支持部１２及び／又は滑落防止手段１３の形状としては、円筒状の棒状体とすることができる。被加熱物Ｗを載置する際に支持部１２が円筒状となっていれば、支持部１２の中心部は被加熱物Ｗとの接触部がないため、より接触面積を小さくできる。また、被加熱物の荷重による応力集中も緩和できる。
また、滑落防止手段１３についても支持部１２と同じものを利用することができる。

また、支持部１２及び／又は滑落防止手段１３の材質としては、セラミックとすることができる。これにより、ウォーキングビームの材質が、例えば石英等の熱膨張率の低い材質である場合には、そのウォーキングビームに穴を設け、加熱していないときにセラミックの円筒状の棒状体のもの等を挿し込むことにより、搬送時に行う加熱でセラミックが熱膨張し強固に固定される。このように、セラミックであれば簡易な方法で取り付け可能でありかつ、耐熱性が高いとともに汚染の少ない支持部１２及び／又は滑落防止手段１３を設けることができる。

（実施例）
図１に示したようなウォーキングビームを具備する本発明の熱処理装置により、太陽電池用の半導体基板５００枚を熱処理した場合、熱処理中の割れも滑落も発生しなかった。通常のウォーキングビーム搬送方式を利用した熱処理装置の場合、２％程度は割れ又は滑落が発生することから、本発明による効果が発揮できていることが分かった。

上述より、本発明のウォーキングビームを利用した熱処理装置であれば、従来のウォーキングビームを利用した熱処理装置よりも、熱処理の際の被加熱物の割れを防止することができ、また被加熱物の搬送時の滑落も効果的に防止することができる。それにより、特に太陽電池素子の製造において半導体基板の焼成の際の不良率および結晶コストの低減ができる。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の実施形態におけるウォーキングビーム上に被加熱物が載置された状態の側面図である。（Ａ）被加熱物の結晶方位で割れた場合の割れ方である。（Ｂ）ウォーキングビーム搬送方式の熱処理装置により熱処理した場合の被加熱物の割れ方である。従来のウォーキングビームの形態を示す図である。従来のウォーキングビーム上に被加熱物が載置された状態の側面図である。本発明の実施形態におけるウォーキングビーム搬送方式を利用した熱処理装置の一実施例を示す図である。（Ａ）固定ビーム上に被加熱物が載置された状態の側面図である。（Ｂ）可動ビーム上に被加熱物が載置された状態の側面図である。

符号の説明

１１、３２…可動ビーム、１２…支持部、１３…滑落防止手段、
３１、６１…固定ビーム、５１…搬送装置、５２…ウォーキングビーム、
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ…ヒーター、
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ…熱処理炉、５５…熱処理装置、
Ｗ…被加熱物。

Claims

少なくとも、搬送装置で駆動するウォーキングビームにより搬送される被加熱物が、ヒーターを有する熱処理炉内に搬送され、前記熱処理炉内を通過することによって、前記被加熱物に熱処理を施す熱処理装置において、
少なくとも、前記ウォーキングビームが、１つの前記被加熱物を載置する際に４点以上で支持するための支持部を有し、かつ、前記被加熱物の滑落防止手段を有するもので、前記支持部が、円筒状の棒状体であることを特徴とする熱処理装置。
前記滑落防止手段が、前記ウォーキングビーム上の、前記被加熱物の支持部の後方にそれぞれ備えられたストッパーであることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
前記支持部は、１つの前記被加熱物を載置するための支持部を、搬送方向の両側にそれぞれ少なくとも２つ具備することで、計４点以上で１つの前記被加熱物を支持するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱処理装置。
前記滑落防止手段が、円筒状の棒状体であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
前記支持部及び／又は前記滑落防止手段の材質が、セラミックであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の熱処理装置。
前記熱処理装置が、太陽電池素子の製造において、電極材料を塗布した半導体基板を焼成するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の熱処理装置。