JP6010182B2 - 連続拡散処理装置 - Google Patents
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Description
この加熱炉においては、被処理物を投入した後、当該加熱炉内に不純物を含むガスを供給し、加熱炉内を昇温し不純物を被処理物の内部に拡散させる。その後、加熱炉内を降温してから、被処理物を加熱炉から取り出している。
さらに、この装置では、加熱炉の内部の雰囲気と外気とを遮断するために、加熱炉の両端部において、上から下に向けて窒素ガスが吹き出されており、ガスカーテンが形成されている。
しかし、前記のとおり、ガスカーテンによって加熱炉の内部の雰囲気と外気とを遮断しているが、加熱炉の内部は、拡散処理を実際に行うゾーンと、その他のゾーンとが、明確に区画されていない。このため、ゾーン毎の雰囲気を制御するのは困難となり、バッチ式と比べると、被処理物の処理品質が低くなるおそれがある。
前記搬送台を搬入する搬入部から当該搬送台を搬出する搬出部まで直線状に延びる筒状の加熱炉と、前記加熱炉内に前記搬送台を前記搬入部から順次搬入し、当該加熱炉内を搬送した前記搬送台を前記搬出部から順次搬出する搬送装置と、前記加熱炉内のガスを炉外に排出するための排出パイプと、前記加熱炉内を通過する前記搬送台に載せた前記被処理物を加熱する加熱装置とを備え、
前記加熱炉内の前記搬入部から前記搬出部までの間を、複数の隔壁部材によって区画することにより形成され、被処理物に対してそれぞれ異なる処理を施すための複数のゾーンと、を備え、前記排出パイプは、前記加熱炉内から搬入部または搬出部の外側まで延びて、加熱炉内のガスを炉外に排出するように構成され、前記排出パイプには、前記加熱炉内のガスを吸引するための吸引口が前記各ゾーン毎に設けられ、前記搬送台は、その底部に当該搬送台を移動させる一対の移動手段を有し、前記排出パイプは、加熱炉内において、前記一対の移動手段の間に配置され、前記排出パイプを内部に格納する前記搬送方向に沿った方向に長い左右の側面と上壁を有する箱体が備えられる排気構造部を有し、
当該排気構造部は、前記一対の移動手段の間に配置され、上端を覆う上壁にガスが流入する貫通穴が形成され、前記加熱炉内のガスが当該貫通穴を通過して前記排出パイプの吸引口に流入し、前記排気構造部の、前記搬送台の搬送方向に向かって左右の側面が、当該搬送台の一対の移動手段を搬送方向に直線的に誘導するガイド機能を有することを特徴とする。
この場合、加熱炉内の各ゾーンの温度を制御することが可能となり、品質の高い被処理物を得ることが可能となる。
この場合、各ゾーンに、少なくとも1台の搬送台の全体を位置させることができる。このため、同じ搬送台に載せた複数枚の被処理物に対して、ゾーン毎で同じ雰囲気の条件により処理を行うことが可能となり、これら複数の被処理物の品質を均一にすることができる。
この場合、断熱材を分割構造することにより、内側にある加熱炉の脱着が可能となる。
拡散処理を行うためのゾーンでは、加熱炉の上部から供給されたガスは広がりながら底部へと流れ、ガスの流れに乱れが生じることがあるが、前記カバーによれば、貫通穴を通過するガスは整流され、ガスの流れの乱れを防ぎ、搬送台に載せた被処理物の周囲のガス濃度(雰囲気)を均質化することができる。
この場合、被処理物からの廃熱によって高温となった降温ゾーンのガスを昇温ゾーンに与えることができ、昇温ゾーンで加熱炉内を昇温させるために必要となる消費電力の削減が可能となる。
[1.全体構成について]
図1は、本発明の連続拡散処理装置の斜視図である。この連続拡散処理装置は、被処理物に対して拡散処理を行うための装置である。例えば、結晶シリコンによる太陽電池セルの製造において、シリコン製のウエハ(被処理物)の表面に、所定の元素からなる不純物を付着させ、この不純物を当該ウエハの内部に拡散させるための装置である。図1では、被処理物の記載を省略している。
図2は、搬送台50の斜視図である。搬送台50は、複数枚の板状の被処理物Wを、等間隔で垂直に立てた状態として載せる本体部51と、本体部51に取り付けられ加熱炉1の底面を転がる車輪部52とを有している。
本体部51には、被処理物Wが、前後方向に直交する姿勢で載せられる。本体部51は、複数本の円柱形状の棒部材51aによって直方体形状の枠体として組み立てられている。なお、搬送台50の詳細な構成については、後に説明する。
図3は、加熱炉1、搬送装置2及び加熱装置3を説明する縦断面図である。図3では、被処理物の記載を省略している。
加熱炉1(一般的に炉芯管と呼ばれる)は、前後方向に長く、搬送台50を搬入する搬入部11から、搬送台50を搬出する搬出部12まで直線状に延びる構成である。加熱炉1は、石英ガラス又はセラミックスからなり、断面が円形の筒からなる。加熱炉1は、連続拡散処理装置が有しているステージ6(図1参照)上に設置されている。
この加熱炉1は、搬入部11から搬出部12まで途切れず一体物であり、内部のガスが漏れるのを防いでいる。加熱炉1の一端部の搬入部11及び他端部の搬出部12は開放されている。しかし、後に説明するパージガスによって、加熱炉1内の両端部にはガスカーテンが形成されており、加熱炉1内の雰囲気は、加熱炉1外の大気と遮断されている。
搬送装置2は、複数の搬送台50を、加熱炉1内を列状として搬送する押し込み駆動部21を有している。押し込み駆動部21は、搬送台50に接触するプッシャー22と、このプッシャー22が取り付けられている可動片23と、この可動片23を前後方向に往復移動させる駆動装置24とを有している。プッシャー22、可動片23及び駆動装置24は、前記ステージ6(図1参照)上に配置されており、これらは、加熱炉1外に設置されている。
この搬送装置2によれば、搬入部11の上流側(手前)のゾーンA0に位置する搬送台50(図4と図5では50−1)を、搬入部11側へ向かって押すことにより、当該搬送台50−1を、加熱炉1内へ搬入すると共に、この搬入した搬送台50−1によって、先に搬入されている搬送台50(50−2,50−3)を搬出部12側へ押して、複数の搬送台50(50−2,50−3)を、同時に、加熱炉1内を列状として搬送することができる。そして、搬出部12から加熱炉1外にあるゾーンA4に、搬送台50を搬出することができる。
また、図5において、1回の押し込みストロークSにより加熱炉1に搬入された搬送台50−1の左側の端部は、加熱炉1の左側の端部と、前後方向の位置についてほぼ一致する。このように、1回の押し込みストロークSにより、搬送台50を1台ずつ搬入部11から加熱炉1内へ搬入し、かつ、搬送台50を1台ずつ加熱炉1から搬出させることが可能となる。
後に説明するが、加熱炉1内は、複数のゾーンに区画されており、複数のゾーンの内の、ゾーンA1−2,A2−1,A2−2,A3−1の外周側に、ヒータ30がそれぞれ設けられている。ヒータ30は、例えば筒型のヒータである。
断熱材31と同様に、リング型の前記ヒータ30も前後方向に沿って切断された分割構造であり、分割面32と同じ位置で分割されている。
断熱材31の外周側には、分割面32を挟んだ直径方向両側に、ヒンジ部33とロック部34とを有している。ロック部34を固定状態(図6の状態)から固定解除状態とすることで、ヒンジ部33を中心として、分割構造である断熱材31を展開することが可能となる。断熱材31及びヒータ30を分割構造とすることにより、断熱材31の内側にある加熱炉1の脱着が可能となり、装置のメンテナンスが容易となる。
第1と第2のゾーンA1−1,A1−2は、昇温ゾーンA1であり、この内の第1ゾーンA1−1では、前記ガスカーテンが形成され、第2ゾーンA1−2では、その外周側に設けられたヒータ30により、炉内が加熱され、第2ゾーンA1−2を通過する被処理物Wの温度を高める。
第5と第6のゾーンA3−1,A3−2は、降温ゾーンA3であり、この内の第5ゾーンA3−1では、その外周側に設けられたヒータ30を用いて、炉内温度を所定の温度から徐々に降温させ、第6ゾーンA3−2では、前記ガスカーテンが形成される。
各隔壁部材7は、前後方向に沿って移動可能として加熱炉1内に設置されており、各ゾーンの前後方向の長さを変更することができる。つまり、脚部7bが加熱炉1の底部に載った状態にあり、隔壁部材7は加熱炉1の内周面に永久的に固定されていない。
図1において、ガス給排装置4は、加熱炉1内にガスを供給するガス供給装置41と、加熱炉1内のガスを当該加熱炉1外へ排出するガス排出装置42とを有している。
図3において、ガス供給装置41は、ガス源43と、このガス源43と接続され加熱炉1内へと延びている供給パイプ44とを備えている。本実施形態では、ガス源43から、搬入部11側を通過する複数本の供給パイプ44と、搬出部12側を通過する複数本の供給パイプ44とが設けられている。
そして、均熱ゾーンA2において、第3ゾーンA2−1では、所定の濃度の不純物(オキシ塩化リン)を含むガス中に、被処理物を滞在させることにより、当該不純物を被処理物の表面に付着させる。そして、第4ゾーンA2−2では、被処理物に対して不純物を所定の分布(所定の拡散深さ)で拡散させる。
排気構造部45は、前後方向に長い左右の側壁45bと、前後方向に長い上壁45aとを有し、3本の排出パイプ48を格納している箱体からなる。そして、上壁45aには、複数の貫通穴45cが形成されている。各ゾーンのガスは、この貫通穴45c及び前記吸引口48aを通過し、加熱炉1の外部へ排出される。
このガス排出装置42によれば、拡散処理を行うための均熱ゾーンA2の余剰のガスを排出することができると共に、昇温ゾーンA1及び降温ゾーンA3のガスを排出することができる。
また、ガス供給装置41の供給パイプ44は、取り外し可能であり、噴出口の配置パターンが異なる供給パイプ44に交換することができる。また、排気構造部45の上壁45a及び排出パイプ48は取り外し可能であり、貫通穴45c及び吸引口48aの配置パターンが異なる上壁45a及び排出パイプ48に交換することができる。
図9に示しているように、排気構造部45は、加熱炉1内において、前後方向に沿って直線的にかつ連続して配置されている。また、この排気構造部45は、加熱炉1外(図3参照)のゾーンA0とゾーンA4にも延長されている。このように、排気構造部45は、搬送台50の搬送方向に沿って直線的に配置されており、搬送装置2によって搬送される複数の搬送台50を前後方向に沿って搬入部11から搬出部12へと導くことができる。
また、後にも説明するが、搬送台50は、側壁45bに摺接するガイドブロック53を有しており、このガイドブロック53によって、搬送台50は排気構造部45に沿って直線的に誘導される。
以上のように、ガスの排出機能を有している排気構造部45を、搬送台50を前後方向に導くガイドとして兼用することができる。
制御装置5は、処理装置(CPU)及び記憶装置を有するコンピュータによって構成されており、記憶装置に記憶させたコンピュータプログラムを前記処理装置が実行することで、搬送装置2(駆動装置24)、加熱装置2(ヒータ30)等の各装置が制御される。
例えば、加熱装置3は、ゾーンA1−2,A2−1,A2−2,A3−1それぞれの温度を検出する温度センサを有しており、この温度センサの検出結果に基づいて、制御装置5は各ヒータ30を制御することにより、各ゾーンの炉内の温度を個別に調整する。この制御装置5の機能により、加熱炉1内の雰囲気温度を、ゾーン毎に精度良く制御することが可能となる。
[6.拡散処理装置が備えているその他の構成について]
そこで、拡散処理を行うためのゾーンである、第3ゾーンA2−1及び第4ゾーンA2−2では、当該ゾーンA2−1,A2−2において搬送台が通過する搬送路14(図8参照)を、上から及び左右両側から覆うカバー13が設けられている。このカバー13は、前後方向に隣り合う隔壁部材7,7間に設置される。カバー13の上部及び左右の両側部には、多数の貫通穴15が形成されており、供給パイプ44から噴出されたガスは、この貫通穴15を通過し、排出パイプ48から排出される。
そこで、降温ゾーンA3の第6ゾーンA3−2の窒素ガスを、昇温ゾーンA1の第1ゾーンA1−1に供給するバイパス流路17が設けられている。バイパス流路17はパイプからなる。さらに、第6ゾーンA3−2の外周側には、窒素ガスを強制的に排出するためのファン18が設置されており、このファン18によって排出した窒素ガスが、前記バイパス流路17を通って第1ゾーンA1−1に供給される。なお、バイパス流路17は、ガスカーテンを形成するために窒素ガスを流している供給パイプ44に繋がっており、バイパス流路17内の窒素ガスが、第1ゾーンA1−1に供給する窒素ガスに、混ざるようにしてもよい。なお、第6ゾーンA3−2は降温ゾーンA3に含まれており、加熱された後の被処理物Wが通過することから、当該第6ゾーンA3−2の窒素ガスは、第1ゾーンA1−1の窒素ガスよりも高温である。
搬送台50についてさらに説明する。図2と図10において、搬送台50は、被処理物Wを載せる本体部51と、加熱炉1の底面(底板45d)を転がる車輪部52とを備えている。搬送台50は、高温となる加熱炉1内を通過することから、耐熱性を要し、このために、本体部51及び車輪部52は全て、ガラス又はセラミックスからなり、例えば、石英ガラスや窒化珪素からなる。
本実施形態では、内輪57、外輪58及び玉59を有する転がり軸受60は、アンギュラ玉軸受である。また、外輪58が、加熱炉1の底面(底板45d)を転がる部材として用いられている。さらに、転がり軸受60は、玉59を保持する保持器を有しておらず、総玉軸受からなる。
外輪58の左右方向外側(図11では右側)の肩部58cの内径D1は、外軌道面58aの内径とほぼ同一、又は、当該内径よりも大きく設定されている。これは、前記のとおり、転がり軸受60は耐熱性の高い材質であり、当該材質は一般的に線膨張係数が小さいためである。つまり、例えば常温の環境で使用する一般的な深溝転がり軸受では、鋼材が用いられ、熱膨張を利用して転がり軸受の組み立てが可能であるが、線膨張係数が小さい材質からなる転がり軸受は、組み立てが困難となる。しかし、本実施形態の転がり軸受60によれば、玉59を内輪57と外輪58との間に組み入れる作業が簡単となる。
搬送台50の本体部51は、この排気構造部45の上方に位置しており、ガイドブロック53は、排気構造部45(側壁45b)の左右両側との間に隙間を有して配置されている。左右のガイドブロック53,53の間には空間部が形成されており、左右のガイドブロック53それぞれに、独立して回転する車輪部52が設けられている。つまり、左右の車輪部52,52で共通する長い車軸を有していない。
このため、ガイドブロック53,53の間の前記空間部に、排気構造部45が位置することができる。さらに、拡散処理装置とは異なる場所において、被処理物Wを搬送台50から取り出すための搬送ロボットのアームを、前記空間部に位置させることができ、搬送ロボットによる作業の自動化に役立つ。
また、図7に示しているように、車輪部52は、被処理物Wの下に位置し、当該被処理物Wの幅よりも狭い範囲内に設置されている。これにより、搬送台50が左右方向に大きくなるのを防いでいる。
この構成によれば、各搬送台50は、連続する3つのゾーンに跨って位置することがない。例えば、オキシ塩化リンを含むガスが供給される第3ゾーンA2−1、拡散処理が実際に行われる第4ゾーンA2−2及び降温が行われる第5ゾーンA3−1に、1台の搬送台50が跨ることがない。
これにより、1回の押し込みストロークSにより、搬送台50を1台ずつ、各ゾーンへ搬入し、かつ、搬送台50を1台ずつ、各ゾーンから搬出させることが可能となる。
そして、ストローク毎で、同じ搬送台50に載った被処理物Wの全てを、例えば、第4ゾーンA2−2に配置させることが可能となる。このため、同じ搬送台50に載せた全ての被処理物Wに対して、第4ゾーンA2−2で同じ雰囲気の条件により拡散処理が行われ、これら複数の被処理物Wの品質を均一にすることができる。なお、本実施形態では、ストローク毎に、2台の搬送台50が、各ゾーンに位置する。
このように、複数の搬送台50は、前後方向に列を成して加熱炉1内を搬送されるが、隣り合う搬送台50,50それぞれに載っている被処理物W,Wの間には、搬送台50を構成する棒部材51a,51aによって、前後方向に大きな隙間が生じる。この隙間は、同じ搬送台50に載せた被処理物W,W間のピッチよりも大きい。
このような隙間が存在していると、当該隙間によって、加熱炉1内のガスの流れに乱れが発生し、搬送台50の端部側に載せられた被処理物Wと、中央部に載せられた被処理物Wとの間で、処理品質にバラツキが生じるおそれがある。
以上のように構成された連続拡散処理装置によれば、搬送台50に載せた被処理物Wを、加熱炉1内を搬送しながら拡散処理することができ、被処理物Wの拡散処理が連続的に実行され、従来のバッチ式と比べて、生産性を高めることができる。例えばバッチ式の4倍の処理能力を有することができる。
そして、搬送装置2の押し込み駆動部21は、搬入部11の上流側に位置する搬送台50を押すことにより、この搬送台50を順次、加熱炉1内へ搬入すると共に、この搬入した搬送台50によって、先に搬入されている搬送台50を搬出部12側へ押して加熱炉1内を列状として搬送することができる。このため、搬送装置2を、加熱炉1内に設置する必要がなく、加熱炉1外に設置することができる。この結果、被処理物Wの大きさとは関係のない要因によって、加熱炉1が大きくなるのを防ぐことができ、装置全体が大型化するのを防止することが可能となる。
さらに、加熱炉1内は高温となるため、従来では、搬送装置のうち加熱炉内に設置される部分については、高温に耐えるための構成や材質が必要であったが、本実施形態では、搬送装置2を、加熱炉1内に設置する必要がないため、このような構成や材質は不要となる。
具体的には、第3ゾーンA2―1では、拡散処理のためのガスが供給され、第4ゾーンA2−2は、区画された領域にほぼ密閉される。このため、第3ゾーンA2−1におけるガス濃度等の雰囲気を、精度良く制御することが可能となり、また、第4ゾーンA2−2の雰囲気を、精度良く制御することが可能となり、品質の高い被処理物Wを得ることが可能となる。さらに、全ての被処理物Wが、同じ熱履歴及び同じガス履歴を有することができ、品質を一定に維持することができる。
さらに、昇温ゾーンA1及び均熱ゾーンA2では、降温の必要がないため、断熱性能の高い断熱材を用いることができ、加熱装置3における消費電力を低減することが可能となる。
また、各ゾーンの長さ(つまり、隣り合う隔壁部材7,7間の距離)が、2台の搬送台50の全長と同一である場合を説明したが、これ以外であってもよく、各ゾーンの長さを、n台(n=自然数)の搬送台50の全長と同一としてもよい。
Claims (8)
- 複数枚の板状の被処理物を載せる搬送台と、
前記搬送台を搬入する搬入部から当該搬送台を搬出する搬出部まで直線状に延びる筒状の加熱炉と、
前記加熱炉内に前記搬送台を前記搬入部から順次搬入し、当該加熱炉内を搬送した前記搬送台を前記搬出部から順次搬出する搬送装置と、
前記加熱炉内のガスを炉外に排出するための排出パイプと、
前記加熱炉内を通過する前記搬送台に載せた前記被処理物を加熱する加熱装置とを備え、
前記加熱炉内の前記搬入部から前記搬出部までの間を、複数の隔壁部材によって区画することにより形成され、被処理物に対してそれぞれ異なる処理を施すための複数のゾーンと、
を備え、
前記排出パイプは、前記加熱炉内から搬入部または搬出部の外側まで延びて、加熱炉内のガスを炉外に排出するように構成され、
前記排出パイプには、前記加熱炉内のガスを吸引するための吸引口が前記各ゾーン毎に設けられ、
前記搬送台は、その底部に当該搬送台を移動させる一対の移動手段を有し、前記排出パイプは、加熱炉内において、前記一対の移動手段の間に配置され、
前記排出パイプを内部に格納する前記搬送方向に沿った方向に長い左右の側面と上壁を有する箱体が備えられる排気構造部を有し、
当該排気構造部は、前記一対の移動手段の間に配置され、上端を覆う上壁にガスが流入する貫通穴が形成され、前記加熱炉内のガスが当該貫通穴を通過して前記排出パイプの吸引口に流入し、
前記排気構造部の、前記搬送台の搬送方向に向かって左右の側面が、当該搬送台の一対の移動手段を搬送方向に直線的に誘導するガイド機能を有する
ことを特徴とする連続拡散処理装置。 - 前記排出パイプは、前記加熱炉内から搬送台の搬送方向またはその逆方向に沿って搬入部または搬出部の外側まで延び、前記加熱炉の外部で反転して対向するように当該加熱炉の中心方向に延び、前記加熱炉内のガスを、当該中心位置の近傍から炉外に排出するように構成される請求項1に記載の連続拡散処理装置。
- 前記加熱炉の外部のガス源に接続され、加熱炉内にガスを供給する供給パイプを備え、
前記供給パイプは、前記加熱炉の搬入部から搬送台の搬送方向または搬送部から搬送方向の逆方向に沿って加熱炉内に延び、
前記供給パイプには、前記加熱炉内にガスを噴出する噴出口が前記各ゾーン毎に設けられる請求項1又は2に記載の連続拡散処理装置。 - 前記ガス源と供給パイプとの間に設けられた供給ガスの流量を調整するためのバルブと、前記加熱炉からガスを排出するガス排出器と、前記排出パイプと当該ガス排出器との間に設けられ排出ガスの流量を調整するためのバルブとが備えられ、
前記ゾーン毎にそれぞれの圧力を検出するセンサを有し、前記供給ガス用のバルブと排出ガス用のバルブの一方もしくは双方を制御することによって各ゾーンにおける加熱炉内の圧力を個別に調整する制御装置とが備えられている請求項3に記載の連続拡散処理装置。 - 前記隔壁部材は、鉛直方向に延在する壁部と、当該壁部の下端に設けられ加熱炉の長手方向に移動可能に設けられた脚部とを有し、
前記壁部には、前記搬送台の通過を許容する開口および前記供給パイプが挿通する貫通穴が開設され、
前記隔壁部材を加熱炉の長手方向に移動させることで、当該隔壁部材によって仕切られた前記ゾーンの長さを変更し得るように構成されている請求項1〜4のいずれか一項に記載の連続拡散処理装置。 - 前記複数のゾーンには、拡散処理が行われるゾーンが含まれ、
当該拡散処理ゾーンの上部と長手方向の左右の両側部を連続して覆うカバーが設けられ、
当該カバーはその上部は前記供給パイプの下方に位置し、全体にわたって、当該カバーの内外の貫通する多数の貫通穴が設けられている請求項1〜5のいずれか一項に記載の連続拡散処理装置。 - 前記搬送台の搬送方向の長さは、前記隔壁部材によって区画された各ゾーンの搬送方向の長さよりも小さい請求項1〜6のいずれか一項に記載の連続拡散処理装置。
- 搬入部から搬出部にかけて、昇温ゾーン、均熱ゾーンおよび降温ゾーンが設けられ、前記降温ゾーンのガスを前記昇温ゾーンに供給するバイパス流路を備えている請求項1〜7のいずれか一項に記載の連続拡散処理装置。
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