JP5326535B2 - 拡散炉装置及び拡散方法 - Google Patents

Description

本発明は、主に太陽電池及びディスクリートデバイスを製造する際に用いる拡散炉装置及びこの拡散炉装置を用いて熱拡散を行う拡散方法に関する。

太陽電池及びディスクリートデバイス製造装置において、基板上に拡散層を形成するために、拡散炉が利用される。拡散炉を用いて拡散を行う場合、高温に保たれた処理室に長時間基板を入れる工程が必要となるため、現在においても、バッチ式の拡散炉を用いて、多数の基板を同時に処理することが多い。

図３に従来の拡散炉の構成を示す。一般的なバッチ式の装置では、図中１１で示した炉芯管と呼ばれる石英製の管がある。炉芯管１１は一方の側には基板を出し入れするために大きな開口部（基板出入口）１１ａが設けられており、他方では炉芯管１１内部へガス導入を行うために絞られたガス導入口１１ｂがある。炉芯管１１に基板を出し入れする手段としては、図中１６で示したボートと呼ばれる石英製の治具に基板１７を積載して、前記ボート１６を図中１５に示したマザーボートと呼ばれる治具に載せ、引き出し棒１８を用いて炉芯管１１へ導入し［図３（１）］、ボート１６と基板１７及びマザーボート１５を炉芯管内部に残し、引き出し棒１８は取り出される［図３（２）］。炉の蓋１２を閉めることで作業が可能な状態となる［図３（３）］。
その後、バルブ１３を開放し、マスフローコントローラ１４で流量を制御して、膜の材料となるガスをガス導入口から流す。通常、炉芯管１１はその外部に設けられた図示していないヒーターで加熱されており、内部に導入された基板１７上の塗布材が基板内部に拡散される。塗布材はリン又はボロンを含む塗布材で、基板に高速回転によってスピン塗布される。

上記の作業において、問題となるのが、炉芯管１１への基板１７挿入時の外気の巻き込みである。作業時には、炉の蓋１２が閉じられ、炉芯管１１内部と外部で外気の出入りが発生することはない。しかし、基板１７挿入時には、炉の蓋１２が開けられ、なおかつ、炉芯管１１の内部と外部環境の温度差が大きいため、外気と炉芯管１１内部にあるガスの対流が起こりやすい状態となる。

特に拡散工程では、ドーパント等の意図的に混合した不純物でない限り、不純物の少ない膜が求められる。例えば、太陽電池の熱拡散時に不純物が混じると、太陽電池の性能を低下させる要因となる。
そのため、基板を搭載したボートを炉芯管内に挿入する際に、外気の巻き込みを少なくする方法が提案されている。それらの多くは、ボートが処理室に入る部分に、窒素等のガスを流すことによって、処理室内へ外気が侵入するのを防止するようになっている。

上述した技術は、以下の特許文献１，２に記載されている。
特開２００２−７５８８８号公報 特開平７−３３５５７３号公報

前述した方法では、窒素等のガスを新たに供給する配管等の機構を設ける必要がある。また、場合によっては、炉芯管の形状変更を行う必要がある。従って、既存の装置を改良して、これらの機構を設けようとする場合、新たなガス配管の追加や処理室の形状変更等が必要であった。また、拡散に利用しないガスを使用し、排気するため、ランニングコストの増大につながるという欠点もあった。

更に、前記の特許文献では着目されていない問題点として、炉芯管内部でのガスの流れに乱れが生じることが挙げられる。例えば、炉芯管への基板の出し入れを行う部分である炉の蓋がある部分の付近に、エアカーテンのような炉芯管内部への外気の流入を防ぐ機構を用いたとしても、炉芯管内部に外気と同等の温度を有した基板が導入されると、温度差があるために、対流が発生し、炉芯管内部でのガスの流れが乱れてしまう。
そのため、炉の蓋に近い方や、ガス導入部に近い方では、ガス流の乱れが発生し、ボート中央部に比べると、拡散基板のシート抵抗の均一性が劣った拡散基板が形成されるようになる。また、同一バッチ内におけるシート抵抗の均一性が低下する。

その結果、太陽電池やディスクリートデバイスの性能の低下、ばらつきの増大が発生する。この問題への対応として、基板の蓋の近くやガス導入部の近くといったボートの中央から離れた部分には、拡散処理を行う基板ではなくダミーの基板を置くことも行われている。しかし、その結果として、一回の作業で処理可能な基板の枚数が減少し、作業能率の低下につながる。

従って、本発明は、基板を搭載したマザーボートを炉芯管の基板出入口より炉芯管に出入させる際に外気が炉芯管内に流入すること及び炉芯管内の加熱ガスが外部に流出することを確実に防止することができ、しかも一回の処理で多くの基板を処理し得、構成も比較的簡単でコスト的にも安価な拡散炉装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、かかる拡散炉装置を用いた拡散方法を他の目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、下記拡散炉装置及び拡散方法を提供する。
請求項１：
基板にドーパントを熱拡散させる炉芯管と、基板を立てた状態で配列して搭載し、前記炉芯管の基板出入口から炉芯管に出入するマザーボートとを備えた拡散炉装置において、前記基板出入口に該基板出入口の上部及び両側部を閉塞し、前記立てた状態の基板を搭載したマザーボートが出入し得る切り欠き部を有するキャップ体を設けると共に、前記マザーボートの前部及び後部にそれぞれ前記切り欠き部を通過し得る前部つい立体及び後部つい立体を設けて、基板の炉内への投入前は前部つい立体及びマザーボートが切り欠き部を閉塞し、投入中は基板及びマザーボートが切り欠き部を閉塞し、投入後は後部つい立体及びマザーボートが切り欠き部を閉塞して、基板を搭載したマザーボートを前記基板出入口より炉芯管に出入させる際に外気が炉芯管内に流入すること及び炉芯管内の加熱ガスが外部に流出することを防止するように構成したことを特徴とする拡散炉装置。
請求項２：
キャップ体の切り欠き部上縁部及び側縁部に炉芯管内に向けて突出する返し部を設けた請求項１記載の拡散炉装置。
請求項３：
前記後部つい立体をマザーボートの後部に複数個設けた請求項１又は２記載の拡散炉装置。
請求項４：
前記前部つい立体をマザーボートの前部に複数個設けた請求項１〜３のいずれか１項記載の拡散炉装置。
請求項５：
基板にドーパントを熱拡散させる炉芯管と、基板を搭載し、前記炉芯管の基板出入口から炉芯管に出入するマザーボートとを備えた拡散炉装置のマザーボートに基板を搭載し、これを炉芯管に送入して、炉芯管内で基板にドーパントを熱拡散させる拡散方法において、前記拡散炉装置として請求項１〜４のいずれか１項記載の拡散炉装置を用いて、基板を搭載したマザーボートを前記基板出入口より炉芯管に出入させる際に外気が炉芯管内に流入すること及び炉芯管内の加熱ガスが外部に流出することを防止することを特徴とする拡散方法。

本発明では、基板を炉芯管内へ出し入れする際に炉内に切り欠き部を有するキャップ体を設置し、ボートに積載した基板を載せたマザーボートの後部、好ましくは前後部に切り欠き部を塞ぐ形状のつい立体を設け、炉内に導入することにより、炉芯管内の加熱ガスの外部への流出を防ぎ、同時に炉外の外気の取り込みを防止できる。また、導入ガスの気流を整流できる。

発明を実施するための最良の形態及び実施例

以下、本発明装置の一実施例につき図１，２を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る拡散炉の概略図を示したものである。シリコン等の基板１７を搭載したボート１６をマザーボート１５に載せて、炉芯管１１内に導入すること、バルブ１３とマスフローコントローラ１４によって、材料ガスを炉芯管１１内に送り込むのは、図３の既存の炉と同様であり、図３と同一構成部品については同一の参照符号を付し、その説明を省略する。

この場合、本発明装置にあっては、炉芯管１１の基板出入口１１ａに図２に示すような切り欠き部２３ａを有するキャップ体２３を取り付けると共に、マザーボート１５の前部及び後部にそれぞれつい立体２１，２２を立設する。ここで、上記切り欠き部２３ａは前記つい立体２１，２２及びボート１６を介してマザーボート１５に立てた状態で配置された各基板１７が通過可能で、かつ切り欠き部２３ａが閉塞されるような大きさ、形状に形成される。これにより、基板の炉内への投入前はマザーボート１５前部についているつい立体２１がキャップ体２３の切り欠き部２３ａを塞ぎ、投入中は基板１７とボート１６及びマザーボート１５が切り欠き部２３ａを塞ぎ、投入後はマザーボート１５後部のつい立体２２が切り欠き部２３ａを塞ぐ構造になっている。従って、投入時に加熱ガスを炉外に流出することと、汚染された外気を流入することを防止し、炉内の温度を安定に保持できる。更に、上記キャップ体２３には、その切り欠き部２３ａの上縁部及び側縁部に炉芯管１１内に向けて炉芯管１１の軸方向に沿って突出する返し部２４が設けられており、この返し部２４により炉内部の加熱ガスが容易に流出できないようになっている。

なお、上記図１に示す実施例では、マザーボート１５の前部及び後部にそれぞれつい立体２１，２２を立設したもので、これは好ましい例ではあるが、マザーボート１５の前部にのみつい立体２１を立設しても本発明の目的を達成することができる。また、必要によっては、マザーボート１５の前部や後部にそれぞれ複数のつい立体を設けるようにしてもよい。

本発明の拡散方法は、上記拡散炉装置を用いるもので、それ以外の方法は従来の方法と同様にして炉芯管内で基板にドーパントを熱拡散させるもので、基板やドーパントの種類、熱拡散処理温度、時間、拡散層の厚さ等については、従来の拡散方法と同様であるが、本発明によれば、上記拡散炉装置を使用することにより、基板の炉芯管への出入時において、外気が炉内に流入しまた炉内の加熱ガスが外部に流出することが防止され、高品質の処理が行われ、かつ作業能率も向上するものである。

このことは表１の結果からも認められる。即ち、表１は、同一のボートを用いた炉に対して、本発明の機構を取り入れていない既存炉（図３）と、本発明の機構を取り入れた改良炉（図１）について、１５ｃｍ角の半導体基板上に拡散層を形成した結果を比較したものである。この時、既存炉にはボートの中央部に基板を１００枚、その前後に２５枚ずつのダミー基板を配置した。改良炉には１５０枚の基板をボートに配置して成膜処理を行った。その結果、処理枚数が多いにも拘わらず、面内ばらつき、基板間ばらつきの両項目について、改良炉の方が良好な結果を得た。

つまり、本発明によって、拡散分布の均一性の向上だけではなく、一度の作業で拡散可能な基板枚数が増えたことによる生産効率の向上も同時に実現できることになる。

以上のように、前部、好ましくは前部及び後部につい立体を有したマザーボートが通過できるような、切り欠き部を有するキャップ体を炉内に設置し、炉の蓋を開けて基板の出し入れを行うに際し、炉芯管内部へ流入する外気を防ぎ、基板の出し入れの間に炉芯管内の加熱ガスの流出を防止することができる。更に、キャップ体の切り欠き部は熱が容易に外へ逃げないように返し部を設けることが好ましく、その結果、外気の流入が少なく、また加熱ガスの流出が少なくなり、基板出し入れ時の炉内温度の低下を防ぎ、炉内長手方向の拡散基板のシートを均一にでき、不純物の少ない拡散基板を得ることができるものである。

本発明の一実施例に係る拡散炉装置の概略図で、（１）は炉芯管へ基板を導入する前、（２）は導入直後、（３）は蓋を閉めた状態を示す。 つい立体の一例を示す概略斜視図である。 従来の拡散炉装置の概略図で、（１）は炉芯管へ基板を導入する前、（２）は導入直後、（３）は蓋を閉めた状態を示す。

符号の説明

１１ 炉芯管
１１ａ 基板出入口
１１ｂ ガス導入口
１２ 蓋
１３ バルブ
１４ マスフローコントローラ
１５ マザーボート
１６ ボート
１７ 基板
１８ 引き出し棒
２１ つい立体
２２ つい立体
２３ キャップ体
２３ａ 切り欠き部
２４ 返し部

Claims (5)

1. 基板にドーパントを熱拡散させる炉芯管と、基板を立てた状態で配列して搭載し、前記炉芯管の基板出入口から炉芯管に出入するマザーボートとを備えた拡散炉装置において、前記基板出入口に該基板出入口の上部及び両側部を閉塞し、前記立てた状態の基板を搭載したマザーボートが出入し得る切り欠き部を有するキャップ体を設けると共に、前記マザーボートの前部及び後部にそれぞれ前記切り欠き部を通過し得る前部つい立体及び後部つい立体を設けて、基板の炉内への投入前は前部つい立体及びマザーボートが切り欠き部を閉塞し、投入中は基板及びマザーボートが切り欠き部を閉塞し、投入後は後部つい立体及びマザーボートが切り欠き部を閉塞して、基板を搭載したマザーボートを前記基板出入口より炉芯管に出入させる際に外気が炉芯管内に流入すること及び炉芯管内の加熱ガスが外部に流出することを防止するように構成したことを特徴とする拡散炉装置。
2. キャップ体の切り欠き部上縁部及び側縁部に炉芯管内に向けて突出する返し部を設けた請求項１記載の拡散炉装置。
3. 前記後部つい立体をマザーボートの後部に複数個設けた請求項１又は２記載の拡散炉装置。
4. 前記前部つい立体をマザーボートの前部に複数個設けた請求項１〜３のいずれか１項記載の拡散炉装置。
5. 基板にドーパントを熱拡散させる炉芯管と、基板を搭載し、前記炉芯管の基板出入口から炉芯管に出入するマザーボートとを備えた拡散炉装置のマザーボートに基板を搭載し、これを炉芯管に送入して、炉芯管内で基板にドーパントを熱拡散させる拡散方法において、前記拡散炉装置として請求項１〜４のいずれか１項記載の拡散炉装置を用いて、基板を搭載したマザーボートを前記基板出入口より炉芯管に出入させる際に外気が炉芯管内に流入すること及び炉芯管内の加熱ガスが外部に流出することを防止することを特徴とする拡散方法。

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