KR20140085584A - 기판 처리 장치 및 그것을 이용한 기판 처리 방법 - Google Patents

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히데나리 요시다
야스오 쿠니이
에이스케 니시타니
미츠히로 히라노
토모시 타니야마
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가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키
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Abstract

본 발명은 기판의 가열 효율을 높여서 기판의 승온 시간의 단축화를 도모한다.
통 형상의 반응관(100)과 씰 캡(110)으로 기밀하게 구성되는 처리실(30); 반응관(100)의 주위에 설치된 히터인 노체 가열부(200); 처리실(30) 내에 배치되고 또한 복수의 유리 기판(20)이 수용된 카세트(410); 반응관(100)의 내부가 폐색된 일방의 측부에 설치된 전동 팬(500); 및 처리실(30) 내에서 카세트(410) 상에 세워서 배치되는 복수의 유리 기판(20) 중 최외부의 위치에 배치되는 유리 기판(20)의 표면을 덮고, 또한 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하는 기류(Q)가 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 제어하는 원통 형상의 정류 판(430);을 구비한 기판 처리 장치가 제공된다.

Description

기판 처리 장치 및 그것을 이용한 기판 처리 방법{SUBSTRATE PROCESSING DEVICE AND SUBSTRATE PROCESSING METHOD USING SAME}
본 발명은 기판 처리 장치 및 그것을 이용한 기판 처리 방법에 관한 것으로, 특히 기판의 처리 시간의 단축화에 적용하여 유효한 기술에 관한 것이다.
셀렌화물계(Selen化物系) CIS(캘코파이라이트) 태양 전지는 유리 기판, 금속 이면(裏面) 전극층, CIS계 광(光) 흡수층, 고저항 버퍼층, 창층(窓層)이 순서대로 적층되는 구조를 가진다. 여기서 CIS계 광 흡수층은 구리(Cu)/갈륨(Ga), Cu/인듐(In), 또는 Cu-Ga/In 중 어느 하나의 적층 구조를 셀렌화하는 것에 의해 형성된다. 이와 같이 셀렌 화물계 CIS 태양 전지는 실리콘(Si)을 이용하지 않고 형성할 수 있기 때문에 기판을 얇게 할 수 있는 것과 함께 제조 비용을 저감할 수 있다는 특징을 가진다.
여기서 셀렌화를 수행하는 장치의 일 예로서 특허문헌 1(일본 특개2006-186114호 공보)이 있다. 특허문헌 1에 기재되는 셀렌화 장치(성막 장치)는 홀더에 의해 복수의 평판 형상의 대상물(기판)을 일정한 간격을 두고 원통 형상의 석영 챔버(반응관)의 장축 방향(길이 방향)에 평행으로 또한 그 판면을 수직으로 배치하여 셀렌원(源)을 도입하는 것에 의해 대상물의 셀렌화를 수행하고 있다. 또한 팬을 원통 형상의 석영 챔버의 축 방향의 단부(端部)에 설치하는 것에 의해 석영 챔버 내의 셀렌화원을 포함하는 가스를 강제적으로 대류시켜 유리 기판 상의 온도 분포의 균일화를 수행하는 것이 기재되어 있다.
1. 일본 특개 2006-186114호 공보
특허문헌 1에 기재되는 바와 같이 팬을 원통 형상의 석영 챔버(반응관, 반응실)의 축 방향(길이 방향)의 단부에 배치한 경우, 석영 챔버 내의 분위기의 대류는 석영 챔버 내를 횡(橫)방향, 즉 유리 기판의 장변(長邊) 방향으로 흐른다.
여기서 셀렌화에는 장시간이 소요되기 때문에 셀렌화 장치의 처리 능력을 향상시키기 위해서는 반응실에 재치하는 유리 기판의 매수를 가능한 많은 매수로 할 필요가 있으며, 이에 따라 홀더에 삽입하는 복수의 유리 기판과 인접하는 기판의 간격을 작게 하여 채운다.
또한 유리 기판은 열전도율이 작기 때문에 홀더 내의 복수의 유리 기판의 외측으로부터 열전도 또는 복사(輻射)에 의해 유리 기판의 온도를 균일하게 보지(保持)하면서 단시간에 가열하는 것이 어렵다.
또한 히터에 큰 전력을 투입하여 급속하게 가열하면, 유리 기판 내의 온도 차이가 커져 유리 기판이 파손된다. 그렇기 때문에 홀더 내의 복수의 유리 기판을 가열하는 경우, 일반적으로 반응실의 내부의 처리 가스를 팬 등으로 교반(攪拌)하여 처리 가스의 열을 유리 기판에 전달하는 방법이 채택되고 있다.
하지만 원통 형상의 반응실의 내부에 유리 기판을 재치하면, 유리 기판의 표면, 즉 유리 기판과 반응실의 내주면 사이에 공간이 형성되어 인접하는 유리 기판 사이를 통과하지 않는 가스 순환이 발생하거나, 또는 반응실의 내주면을 따르지 않는 가스 순환이 발생하여 반응실 내의 가스의 흐름이 불안정해진다.
그 결과, 효율적으로 유리 기판을 가열할 수 없다는 과제가 발생한다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 기판 처리에서의 기판의 가열 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명의 상기 및 기타 목적과 신규 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로 명백해질 것이다.
본원에 개시(開示)되는 발명 중 대표적인 개요를 간단하게 설명하면 이하 와 같다.
본 발명에 따른 기판 처리 장치는 반응관; 반응관의 내부의 분위기를 기판의 표면을 따라 강제 대류시키는 팬; 및 복수의 기판 중 최외부(最外部)의 위치에 배치되는 기판의 표면을 덮고, 상기 복수의 기판의 외측에서 상기 팬을 향하여 흐르는 처리 가스를 상기 반응관의 내주면을 따라 흐르도록 제어하는 정류(整流) 판;을 포함한다.
또한 본 발명에 따른 기판 처리 방법은 반응관의 내부에서 복수의 기판 중 최외부의 위치에 배치되는 기판의 표면을 덮는 정류 판에 의해 상기 복수의 기판의 외측에서 팬을 향하여 흐르는 처리 가스를 반응관의 내주면을 따라 흐르도록 제어하여 성막 처리를 수행한다.
본원에 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의해 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 이하와 같다.
기판의 승온 시간의 단축화를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태1의 기판 처리 장치의 주요부의 구조의 일 예를 도시하는 단면도.
도 2는 도 1에 도시하는 기판 처리 장치의 원주 방향의 구조의 일 예를 도시하는 단면도.
도 3은 도 2의 A부의 구조를 도시하는 확대 부분 단면도.
도 4는 도 1에 도시하는 기판 처리 장치의 반응관의 코팅막의 구조의 일 예를 도시하는 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 형태2의 기판 처리 장치의 주요부의 구조의 일 예를 도시하는 단면도다.
도 6은 도 5에 도시하는 기판 처리 장치의 원주 방향의 구조의 일 예를 도시하는 단면도.
도 7은 도 6의 B부의 구조를 도시하는 확대 부분 단면도.
도 8은 본 발명의 실시 형태2의 기판 처리 장치에 의한 효과의 일 예를 도시하는 시뮬레이션 결과도.
도 9는 본 발명의 실시 형태2에서의 변형예의 기판 처리 장치의 주요부의 구조를 도시하는 단면도.
이하의 실시 형태에서는 특별한 설명이 필요한 경우를 제외하고는 동일 또는 마찬가지의 부분의 설명을 원칙적으로 반복하지 않는다.
또한 이하의 실시 형태에서는 편의상 반복 설명이 필요할 때에는 복수의 섹션 또는 실시 형태로 분할하여 설명하지만, 특히 명시한 경우를 제외하고, 그들은 서로 무관계가 아니라 일방(一方)은 타방(他方)의 일부 또는 전부의 변형예, 상세, 보충 설명 등의 관계에 있다.
또한 이하의 실시 형태에서 요소의 수(개수, 수치, 양, 범위) 등을 언급하는 경우, 특히 명시한 경우 및 원리적으로 명백하게 특정의 수에 한정되는 경우 등을 제외하고는 그 특정의 수에 한정되지 않고, 특정의 수 이상이어도 이하이어도 좋다.
또한 이하의 실시 형태에서 그 구성 요소(요소 스텝 등도 포함한다)는 특히 명시한 경우 및 원리적으로 명백하게 필수적이라고 생각되는 경우 등을 제외하고는 반드시 필수가 아니라는 것은 말할 필요도 없다.
또한 이하의 실시 형태에서 구성 요소 등에 대하여 「A로 이루어지다」, 「A에 의해 이루어지다」, 「A를 가지다」, 「A를 포함하다」고 기재할 때에는 특히 그 요소만을 포함한다고 명시한 경우 등을 제외하고, 그 이외의 요소를 배제한다는 기재가 아니라는 것은 말할 필요도 없다. 마찬가지로 이하의 실시 형태에서 구성 요소 등의 형상, 위치 관계 등에 대해 언급할 때에는 특히 명시한 경우 및 원리적으로 명백하게 그렇지 않다고 생각되는 경우 등을 제외하고, 실질적으로 그 형상 등에 근사 또는 유사한 것 등을 포함한다. 이는 상기 수치 및 범위에 대해서도 마찬가지이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 구체적으로 설명한다. 또한 실시 형태를 설명하기 위한 모든 도면에서 동일한 기능을 가지는 부재에는 동일한 부호를 첨부하고, 그 반복 설명은 생략한다.
(실시 형태1)
도 1은 본 발명의 실시 형태1의 기판 처리 장치의 주요부의 구조의 일 예를 도시하는 단면도, 도 2는 도 1에 도시하는 기판 처리 장치의 원주 방향의 구조의 일 예를 도시하는 단면도, 도 3은 도 2의 A부의 구조를 도시하는 확대 부분 단면도, 도 4는 도 1에 도시하는 기판 처리 장치의 반응관의 코팅막의 구조의 일 예를 도시하는 단면도다.
본 실시 형태1의 기판 처리 장치는 유리 기판 등의 기판에 가열 처리를 수행하고, 도 1에 도시하는 주요부인 처리로(10)를 구비한다.
우선 도 1에 도시하는 처리로(10)의 기본 구조에 대하여 설명한다.
기판에 대하여 성막 처리 등의 가열 처리가 수행되는 처리실(30)(반응실이라고도 부른다)은 반응관(100)과 씰 캡(덮개)(110)으로 기밀하게 구성되고, 내부에는 복수의 유리 기판(20)이 카세트(410)(보트라고도 부른다)에 수납된 상태에서 설치대(420) 상에 배치된다.
또한 반응관(100)은 주위에 설치한 노체(爐體) 가열부(200)나 캡 가열부(210) 등의 가열부(히터)에 의해 가열되는 구조로 이루어지고, 또한 반응관(100)의 재질로서 부식성의 가스에도 견딜 수 있는 내부식성(耐腐食性)이 높은 금속 또는 그 표면에 내부식 코팅을 수행한 금속이 이용된다.
본 실시 형태1의 처리로(10)에는 반응관(100)의 내부가 폐색된 일방의 측부에 전동 팬(500)이 설치되고, 처리실(30)의 외부에 설치한 동력부(530)[팬 구동부(驅動部]로 날개부(팬)(510)를 회전시키는 것에 의해 처리실(30) 내의 가스를 교반 가능한 구조로 이루어진다.
또한 반응관(100)에는 유리 기판(20)을 처리하기 위한 가스 도입부, 처리실(30)의 내부의 가스를 치환하기 위한 배기구, 배기구로부터 가스를 배기하기 위한 배기 장치에 연결된 배기관, 질소 등의 불활성 가스의 도입부 등이 설치된다.
다음으로 처리로(10)의 구조에 대하여 구체적으로 설명한다.
처리로(10)는 스텐레스 등의 금속 재료로 형성되는 노체로서의 반응관(100)을 포함한다. 반응관(100)은 중공(中空)의 원통 형상(통 형상)으로 이루어지고, 그 일단(一端)이 폐색(閉塞)되고 타단(他端)이 개구(開口)된 구조를 가진다. 반응관(100)의 중공 부분에 의해 처리실(30)이 형성된다. 반응관(100)의 개구측에는 반응관(100)과 동심원 상에 그 양단(兩端)이 개구된 원통 형상의 매니폴드(120)가 설치된다. 반응관(100)과 매니폴드(120) 사이에는 씰 부재로서의 O링(도시되지 않음)이 설치된다.
또한 매니폴드(120)의 반응관(100)이 설치되지 않는 개구부에는 가동성의 씰 캡(110)이 설치된다. 씰 캡(110)은 스텐레스 등의 금속 재료로 형성되고, 매니폴드(120)의 개구부에 그 일부가 삽입되는 철형(凸型) 형상으로 이루어진다. 가동성의 씰 캡(110)과 매니폴드(120) 사이에는 씰 부재로서의 O링(도시되지 않음)이 설치되고, 처리를 수행할 때에는 씰 캡(110)이 반응관(100)의 개구측을 기밀하게 폐색한다.
또한 반응관(100)의 내부에는 일 예로서 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)을 함유하는 적층막이 형성된 복수의 유리 기판(20)(예컨대30매 내지 60매)을 보지하는 카세트(410)를 재치하기 위한 설치대(420)가 설치된다.
설치대(420)는 그 일단이 반응관(100)의 내주면(100a)에 고정되는 것과 함께 반응관(100)의 중심부에 카세트(410)가 설치대(420)를 개재하여 재치되도록 구성된다.
카세트(410)는 도 1에 도시되는 바와 같이 유리 기판(20)의 양단에 복수의 유리 기판(20)을 세운 상태에서 횡방향으로 배열되어 보지 가능하도록 이루어진 보지 부재다. 또한 유리 기판(20)이 카세트(410)에 수용될 때에는 도 2에 도시하는 바와 같이 인접하는 유리 기판(20)과 간섭하지 않도록(접촉하지 않도록) 간격을 두고 수용된다. 또한 도 1에 도시하는 바와 같이 기류(P)의 가스 흐름을 저해하지 않도록 측면부(C)의 판은 최대한 프레임(410a)[측면부(C)의 판은 예컨대 테두리 형상]만으로 이루어지고, 원통 형상의 정류 판(430) 내를 흐르는 가스가 흐르기 쉬운 구조로 이루어진다. 또한 각각의 유리 기판(20)은 예컨대 카세트(410)의 도 2에 도시하는 저판(底板)의 홈[溝]과 도 1의 프레임(410a)에 의해 지지된다.
또한 반응관(100)의 주위에는 일단이 폐색되고 또한 타단이 개구된 중공의 원통 형상을 한 가열부인 노체 가열부(200)가 설치된다. 또한 씰 캡(110)의 반응관(100)과 반대측(외측)의 측면에는 캡 가열부(210)가 설치된다. 이 노체 가열부(200)와 캡 가열부(210)에 의해 반응관(100)을 개재하여 그 내부, 즉 처리실(30) 내가 가열된다. 또한 노체 가열부(200)는 도시되지 않는 고정부에 의해 반응관(100)에 고정되고, 캡 가열부(210)는 도시되지 않는 고정부에 의해 씰 캡(110)에 고정된다. 또한 씰 캡(110)이나 매니폴드(120)에는 내열성이 낮은 O링을 보호하기 위해서 도시되지 않는 수냉(水冷) 냉각 수단이 설치된다.
또한 매니폴드(120)에는 셀렌 원소 함유 가스[셀렌화원, 처리 가스(600)]로서의 수소화셀렌(이하, 「H2Se」라고 부른다)을 공급하기 위한 가스 공급관(300)이 설치되고, 가스 공급관(300)으로부터 공급된 H2Se는 가스 공급관(300)으로부터 매니폴드(120)와 씰 캡(110) 사이의 간극(間隙)을 개재하여 처리실(30)에 공급된다(도입된다).
한편, 가스 공급관(300)의 반대측의 매니폴드(120)에는 배기관(310)이 설치되고, 처리실(30) 내의 분위기는 매니폴드(120)와 씰 캡(110) 사이의 간극을 개재하여 배기관(310)으로부터 배기된다. 또한 전술한 냉각 수단에 의해 냉각되는 개소(箇所)는 150℃ 이하까지 냉각되면 그 부분에 미반응의 셀렌이 응축하기 때문에 150℃ 내지 170℃ 정도로 온도 제어하면 좋다.
또한 본 실시 형태1의 반응관(100)의 내부에는 전동 팬(500)이 설치된다. 즉 반응관(100)이 폐색된 일단측에 전동 팬(500)이 설치되고, 전동 팬(500)의 구동에 의해 반응관(100)의 내부의 분위기를 유리 기판(20)의 표면을 따라 강제 대류시킬 수 있다. 전동 팬(500)은 회전하는 것에 의해 처리실(30) 내의 대류를 형성하는 날개부(510)와, 원통 형상의 반응관(100)의 측벽 및 노체 가열부(200)의 측벽을 관통하도록 설치된 회전축부(520)와, 노체 가열부(200)의 외부에 설치되고 또한 회전축부(520)를 회전시키는 동력부(530)를 포함한다. 또한 회전축부(520)와 반응관(100) 및 노체 가열부(200) 사이에는 보호 부재(540)가 설치되고, 보호 부재(540)와 회전축부(520) 사이의 좁은 간극에 질소 퍼지를 수행하는 것에 의해 회전축부(520)로부터 동력부(530)에 반응 가스[처리 가스(600)]가 침입하는 것을 최대한 억제한다.
전동 팬(500)의 회전에 의해 처리실(30) 내는 유리 기판(20)의 장변 방향[통 형상의 반응관(100)의 길이 방향]을 따라 흐르는 처리 가스(600)의 기류(P)가 형성된다. 이와 같이 전동 팬(500)을 작동시켜 강제 대류를 유리 기판(20)의 장변 방향을 향하도록 한다.
또한 본 실시 형태1의 처리로(10)에서는 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이 처리실(30)에 원통 형상의 정류 판(430)이 설치된다. 정류 판(430)은 반응관(100)의 내부에서 카세트(410) 상에 세워서 배치되는 복수의 유리 기판(20) 중 최외부의 위치에 배치되는 유리 기판(20)의 표면을 덮고, 양단이 개구된 형상으로 이루어진다. 즉 카세트(410) 상에 세워서 배치된 복수의 유리 기판(20)을 덮도록 원통 형상의 정류 판(430)이 설치되고, 원통 형상의 정류 판(430)의 양측의 단부는 가스가 통과 가능하도록 개구된다.
따라서 반응관(100)의 내주면(100a)의 길이 방향으로 폐색된 측의 벽에 설치된 전동 팬(500)의 날개부(510)로부터 원통 형상의 정류 판(430)의 일방의 개구부를 개재하여 정류 판(430)의 내부에 기류를 보낼 수 있는 것과 함께, 타방의 반대측의 개구부로부터 정류 판(430)의 외측에 기류를 보낼 수 있다.
또한 정류 판(430)은 반응관(100)의 내주면(100a)에 설치된다.
또한 정류 판(430)은 도 1에 도시하는 바와 같이 전동 팬(500)의 구동에서 날개부(510)의 회전에 의해 형성된 강제 대류에 의한 유리 기판(20)을 따라 흐르는 기류(P)와, 이 기류(P)가 씰 캡(110)의 내벽에 충돌한 후, 복수의 유리 기판(20)의 외측에서 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하여 흐르는 처리 가스(600)의 기류(Q)를 구분한다. 즉 정류 판(430)은 날개부(510)의 회전에 의해 형성된 유리 기판(20)을 따라 흐르는 기류(P)와, 이 기류(P)가 씰 캡(110)의 내벽에 충돌한 후, 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하여 흐르는 기류(Q)를 구분하는 기능을 가지고, 날개부(510)를 향하는 기류(Q)가 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 제어한다.
이에 의해, 전동 팬(500)의 구동에 의해 형성된 강제 대류에 의해 유리 기판(20)의 표면을 따라 흐르는 처리 가스(600)의 기류(P)[처리 가스(600)가 흐르는 방향]는 정류 판(430)으로부터 나온 후, 씰 캡(110)의 내벽에 도달하고, 그 후, 날개부(510)를 향하는 기류(Q)가 정류 판(430)의 외측의 영역에서 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 처리 가스(600)의 흐름을 정류 판(430)이 제어한다.
그 결과, 처리실(30)에서의 유리 기판(20)의 처리 중의 처리 가스(600)의 흐름을 안정적으로 순환시킬 수 있다.
즉 반응관(100)의 내부[처리실(30) 내]에 원통 형상의 정류 판(430)을 설치하는 것에 의해 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하여 흐르는 처리 가스(600)의 유로를 반응관(100)의 내주면(100a)을 따르도록 좁게 할 수 있고, 이에 따라 날개부(510)를 향하여 흐르는 처리 가스(600)를 가열된 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 제어할 수 있다. 그 결과, 반응관(100)의 내부의 처리 가스(600)의 흐름의 안정화를 도모할 수 있다.
이에 의해 처리 가스(600)의 가열 효율을 높일 수 있고, 유리 기판(20)의 가열 효율을 높여서 승온 시간의 단축화를 도모할 수 있다.
또한 처리로(10)에는 도 3에 도시하는 바와 같이 반응관(100)의 내주면(100a)에 복수의 요철(103)(凹凸)이 형성된다. 이 요철(103)은 반응관(100)의 내주면(100a)의 대략 모든 면[예컨대 처리 가스(600)가 통과하는 내주면(100a)]에 걸쳐서 형성된다.
이에 의해 반응관(100)의 내주면(100a)의 표면적을 크게 할 수 있고, 가열된 반응관(100)의 내주면(100a)에 대하여 처리 가스(600)가 통과할 때에 접촉하는 면적을 늘릴 수 있다.
그 결과, 처리 가스(600)의 가열 효율을 더 높일 수 있어, 유리 기판(20)의 가열 효율을 더 높여서 승온 시간의 단축화를 한층 더 도모할 수 있다.
다음으로 반응관(100)의 내부의 표면[내주면(100a)]의 코팅 재료에 대하여 설명한다.
본 실시 형태1의 처리로(10)의 반응관(100)은 스텐레스 등의 금속 재료에 의해 형성된다. 스텐레스 등의 금속 재료는 석영에 비해 가공이 용이하다. 따라서 CIS계(캘코파이라이트계) 태양 전지의 셀렌화 처리를 수행하는 기판 처리 장치에 이용될 수 있는 대형의 반응관(100)을 용이하게 제조하는 것이 가능해진다. 따라서 반응관(100) 내에 수용할 수 있는 유리 기판(20)의 매수를 많은 매수로 할 수 있어, CIS계 태양 전지의 제조 비용을 저감할 수 있다.
또한 본 실시 형태1에서는 반응관(100)의 적어도 처리실(30) 내의 분위기에 노출되는 표면[내주면(100a)]은 도 4에 도시하는 바와 같이 도 1의 반응관(100)의 기재(101)(基材)가 되는 스텐레스 등의 금속 재료 상에 스텐레스 등의 금속 재료에 비해 셀렌화 내성이 높은 코팅막(102)이 형성된다. 일반적으로 널리 이용되는 스텐레스 등의 금속 재료는 H2Se 등의 가스가 200℃ 이상으로 가열되면 상당히 높은 반응성에 의해 부식되지만, 본 실시 형태1과 같이 셀렌화 내성이 높은 코팅막(102)을 형성하는 것에 의해 H2Se 등의 가스에 의한 부식을 억제할 수 있다.
그 결과, 일반적으로 널리 이용되는 스텐레스 등의 금속 재료를 이용할 수 있어, 기판 처리 장치의 제조 비용을 저감하는 것이 가능해진다. 또한 이 셀렌화 내성이 높은 코팅막(102)으로서는 세라믹을 주성분으로 하는 코팅막(102), 예컨대 산화크롬(CrxOy: x, y는 1 이상의 임의의 수), 알루미나(AlxOy: x, y는 1 이상의 임의의 수), 실리카(SixOy: x, y는 1 이상의 임의의 수)의 각각 단독 또는 혼합물, 또는 탄소를 주성분으로 하는 코팅막(102), 예컨대 탄화규소(SiC), 다이아몬드상 카본(DLC)을 들 수 있다.
또한 본 실시 형태1의 코팅막(102)은 포러스 상(狀)의 막으로 형성된다. 이에 의해 반응관(100)의 스텐레스 등의 금속 재료로 형성되는 기재(101)와 코팅막(102)의 선팽창 계수의 차이에 의한 열팽창·수축에 유연하게 추종하는 것이 가능해진다. 그 결과, 열처리를 반복 수행해도 코팅막(102)에 대한 균열의 발생을 최소한으로 억제할 수 있다. 또한 코팅막(102)은 2μm 내지 200μm, 바람직하게는 50μm 내지 120μm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 또한 기재(101)와 코팅막(102)의 선팽창 계수의 편차가 20% 이하, 바람직하게는 5% 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한 씰 캡(110), 매니폴드(120), 가스 공급관(300) 및 배기관(310)도 마찬가지로 셀렌화원에 노출되는 부분에 전술한 코팅막(102)을 형성해도 좋다. 단, O링 등을 보호하기 위해서 냉각 수단에 의해 200℃ 이하로 냉각되는 부분은 스텐레스 등의 금속 재료가 셀렌화원과 접촉해도 반응하지 않기 때문에 코팅막(102)을 형성하지 않아도 좋다.
다음으로 본 실시 형태1의 처리로(10)를 구비하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법에 대하여 설명한다.
여기서는 도 1 및 도 2에 도시하는 내부가 폐색된 일방의 측부에 전동 팬(500)이 설치된 통 형상의 반응관(100)을 포함하는 처리로(10)를 구비하는 기판 처리 장치에서 일 예로서 CIGS[C: Cu(Copper), I: ln(lndium), G: Ga(Gallium), S: Se(Selenium)]계의 태양 전지의 제조 프로세스에서 셀렌화 처리를 수행하는 경우에 대하여 설명한다.
우선 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)을 함유하는 적층막이 형성된 30매 내지 60매의 유리 기판(20)을 카세트(보트)(410) 내에 배치하고, 가동성의 씰 캡(110)을 매니폴드(120)로부터 제외한 상태에서 카세트(410)를 반응관(100)의 내부인 처리실(30) 내에 반입하여 설치대(420) 상에 세팅한다(반입 공정).
또한 카세트(410) 내에서 각각의 유리 기판(20)은 인접하는 기판과 접촉하지 않을 정도의 간격을 두고 세워서 배치된다.
또한 카세트(410)의 처리실(30) 내로의 반입은 예컨대 도시되지 않는 반입 반출 장치의 암에 의해 카세트(410)의 하부를 지지하여 들어 올린 상태에서 카세트(410)를 처리실(30) 내에 이동시키고 소정 위치에 도달시킨 후, 상기 암을 하방(下方)에 이동시켜 카세트(410)를 설치대(420)에 재치하는 것에 의해 수행된다.
그 후, 씰 캡(110)을 닫고 처리실(30)을 밀폐 상태로 하여 처리실(30)의 내부의 대기(大氣)를 질소 가스 등의 불활성 가스[처리 가스(600)]로 치환한다(치환 공정). 상기 불활성 가스로 처리실(30) 내의 분위기를 치환한 후, 노체 가열부(200) 등의 히터에 전력을 투입하여 소정의 승온 속도로 반응관(100)을 가열한다. 예컨대 400℃ 내지 550℃, 바람직하게는 450℃ 내지 550℃까지, 매분 3℃ 내지 15℃로 승온시킨다.
또한 승온과 동시에 전동 팬(500)의 날개부(510)를 동력부(530)에 의해 회전시키고, 반응관(100)의 내주면(100a) 부근에서 가열된 처리 가스(불활성 가스)(600)를 카세트(410)에 수용된 복수의 유리 기판(20) 각각의 장변 방향(길이 방향)을 따라, 또한 유리 기판(20) 사이를 통과시켜, 처리 가스(600)의 열을 유리 기판(20)에 전달하는 것에 의해 유리 기판(20)을 가열한다.
또한 유리 기판(20)은 기판 내의 온도 차이가 커지면 파손되기 때문에 온도 차이가 커지지 않도록 반응관(100)의 승온 속도나, 인접한 유리 기판(20) 사이를 통과시키는 처리 가스(불활성 가스)(600)의 유속을 적절한 값으로 조절하여 가열한다.
여기서 본 실시 형태1의 처리로(10)에는 그 반응관(100)의 내부에 원통 형상의 정류 판(430)이 설치되고, 이 원통 형상의 정류 판(430)의 내부에 복수의 유리 기판(20)이 배치된다. 본 실시 형태1의 원통 형상의 정류 판(430)은 전동 팬(500)의 날개부(510)에 의한 강제 대류로 발생한 유리 기판(20)의 표면 상의 처리 가스(600)가 흐르는 방향을 따라 연재(延在)하고, 또한 복수의 유리 기판(20) 중 최외부의 위치에 배치되는 기판의 표면을 덮도록 설치된다.
즉 원통 형상의 정류 판(430)은 날개부(510)의 회전에 의해 형성된 유리 기판(20)의 장변 방향을 따라 흐르는 처리 가스(600)의 기류(P)[처리 가스(600)가 흐르는 방향]와, 이 기류(P)가 씰 캡(110)의 내벽에서 반전하여 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하여 흐르는 기류(Q)를 구분하는 기능을 가지고, 날개부(510)를 향하는 기류(Q)가 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 제어한다.
즉 씰 캡(110)에서 반전하고 복수의 유리 기판(20)의 외측에서 날개부(510)를 향하는 기류(Q)의 유로를 좁게 하고, 이에 의해 기류(Q)가 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 제어한다.
따라서 전동 팬(500)의 구동에 의해 형성된 강제 대류에 의해 유리 기판(20)의 표면을 따라 흐르는 처리 가스(불활성 가스)(600)의 기류(P)는 정류 판(430)으로부터 나온 후, 씰 캡(110)의 내벽에 충돌하여 반전하고, 그 후, 날개부(510)를 향하는 기류(Q)가 정류 판(430)의 외측의 영역에서 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 처리 가스(600)의 흐름을 정류 판(430)이 제어한다.
이에 의해 처리실(30)에서의 유리 기판(20)의 승온 시의 처리 가스(600)의 흐름을 안정적으로 순환시킬 수 있다.
즉 반응관(100)의 내부[처리실(30) 내]에 원통 형상의 정류 판(430)이 설치되는 것에 의해 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하여 흐르는 처리 가스(600)의 유로를 반응관(100)의 내주면(100a)을 따르도록 좁게 할 수 있고, 이에 따라 이 처리 가스(600)를 가열된 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 제어할 수 있다. 이에 의해 반응관(100)의 내부의 처리 가스(600)의 흐름의 안정화를 도모할 수 있다.
그 결과, 처리 가스(600)의 가열 효율을 높일 수 있고, 유리 기판(20)의 가열 효율을 높여서 승온 시간의 단축화를 도모할 수 있다.
또한 처리로(10)에는 도 3에 도시하는 바와 같이 반응관(100)의 내주면(100a)에 복수의 요철(103)이 형성되고, 이에 의해 반응관(100)의 내주면(100a)의 표면적을 크게 할 수 있기 때문에, 가열된 반응관(100)의 내주면(100a)에 대하여 처리 가스(600)가 통과할 때에 접촉하는 면적을 늘릴 수 있다.
그 결과, 처리 가스(600)의 가열 효율을 더 높일 수 있어, 유리 기판(20)의 가열 효율을 더 높여서 승온 시간의 단축화를 한층 더 도모할 수 있다.
전술의 방법에 의해 유리 기판(20)을 가열하고, 유리 기판(20)이 소정의 온도(예컨대 후술하는 400℃ 내지 500℃)로 승온된 시점에서 처리실(30) 내에 처리 가스(600)[셀렌 원소 함유 가스(셀렌화원)]를 도입하여 유리 기판(20)에 성막 처리를 수행한다.
즉 반응관(100)을 가열한 상태에서 반응관(100)의 내부에 처리 가스(셀렌화원)(600)를 도입하고, 이 경우에도 전동 팬(500)의 날개부(510)에 의해 반응관(100)의 내부의 분위기를 유리 기판(20)의 표면을 따라 강제 대류시키고, 또한 원통 형상의 정류 판(430)에 의해 안정화된 기류(P) 및 기류(Q)를 형성하고, 이 상태에서 복수의 유리 기판(20)에 성막 처리를 수행한다. 이 셀렌화 처리에 의해 각각의 유리 기판(20)에 CIS계 태양 전지의 광 흡수층이 형성된다(형성 공정).
성막 처리가 종료된 후, 반응관(100)의 온도를 일정 속도로 강온하는 것과 함께 처리실(30) 내의 처리 가스(600)를 질소 등의 불활성 가스로 치환한다. 즉 성막 처리가 종료된 후, 가스 공급관(300)으로부터 질소 가스 등의 불활성 가스를 도입하여 처리실(30) 내의 분위기를 치환하는 것과 함께 소정 온도까지 강온한다(강온 공정).
또한 유리 기판(20)의 온도가 소정의 온도에 강온하고, 또한 처리실(30) 내의 처리 가스(600)의 질소 가스 등에 의한 치환이 종료된 시점에서 씰 캡(110)을 이동시키는 것에 의해 처리실(30)을 개구하고, 그 후, 도시되지 않는 반입 반출 장치의 암으로 카세트(410)를 반출하는(반출 공정) 것에 의해 일련의 성막 처리가 종료된다.
또한 일 예로서 CIGS계의 태양 전지의 제조 프로세스에서 유리 기판(20) 상에 형성한 Cu(구리), In(인듐), Ga(갈륨)로 이루어지는 금속 프리커서 막(적층막)을 H2Se(셀렌화수소) 가스로 Se(셀렌)화 처리하는 프로세스에서는 처리실(30) 내에 배치된 유리 기판(20)의 온도를 400℃ 내지 500℃로 보지한 상태에서 20분 내지 2시간 정도로 성막 처리를 수행한다.
(실시 형태2)
도 5는 본 발명의 실시 형태2의 기판 처리 장치의 주요부의 구조의 일 예를 도시하는 단면도, 도 6은 도 5에 도시하는 기판 처리 장치의 원주 방향의 구조의 일 예를 도시하는 단면도, 도 7은 도 6의 B부의 구조를 도시하는 확대 부분 단면도, 도 8은 본 발명의 실시 형태2의 기판 처리 장치에 의한 효과의 일 예를 도시하는 시뮬레이션 결과도이다.
본 실시 형태2의 기판 처리 장치는 실시 형태1의 기판 처리 장치와 마찬가지의 처리로(10)를 구비하지만, 본 실시 형태2의 처리로(10)는 도 5 및 도 6에 도시하는 바와 같이 반응관(100)의 상부에 복수의 전동 팬(500)이 설치되고, 전동 팬(500)의 날개부(510)의 회전에 의해 발생하는 강제 대류는 반응관(100)의 상부로부터 하부를 향하고, 날개부(510)의 회전에 의해 발생하는 기류(R)는 유리 기판(20)의 단변(短邊) 방향을 따라 흐른다.
본 실시 형태2의 처리로(10)에서는 반응관(100)과 씰 캡(110)으로 기밀하게 구성 가능하며, 그 반응관(100)의 상부에 복수의 전동 팬(500)이 배열되어 설치되고, 처리실(30)의 외부에 설치한 동력부(팬 구동부)(530) 날개부(팬)(510)를 회전시키는 것에 의해 처리실(30) 내의 가스를 교반 가능한 구조로 이루어진다.
처리로(10)의 구조에 대하여 구체적으로 설명하면, 처리로(10)는 스텐레스 등의 금속 재료로 형성되는 노체로서의 반응관(100)을 포함한다. 반응관(100)은 중공의 원통 형상(통 형상)으로 이루어지고, 그 일단이 폐색되고 타단이 개구된 구조를 가진다. 반응관(100)의 중공 부분에 의해 처리실(30)이 형성된다. 반응관(100)의 개구측에는 반응관(100)과 동심원 상에 그 양단이 개구된 원통 형상의 매니폴드(120)가 설치된다. 반응관(100)과 매니폴드(120) 사이에는 씰 부재로서의 O링(도시되지 않음)이 설치된다.
또한 매니폴드(120)의 반응관(100)이 설치되지 않는 개구부에는 가동성의 씰 캡(110)이 설치된다. 씰 캡(110)은 스텐레스 등의 금속 재료로 형성되고, 매니폴드(120)의 개구부에 그 일부가 삽입되는 철형 형상으로 이루어진다. 가동성의 씰 캡(110)과 매니폴드(120) 사이에는 씰 부재로서의 O링(도시되지 않음)이 설치되고, 처리를 수행할 때에는 씰 캡(110)이 반응관(100)의 개구측을 기밀하게 폐색된다.
또한 반응관(100)의 내부에는 일 예로서 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)을 함유하는 적층막이 형성된 복수의 유리 기판(20)(예컨대30매 내지 40매)을 보지하는 카세트(410)를 재치하기 위한 설치대(420)가 설치된다.
설치대(420)는 그 일단이 반응관(100)의 내주면(100a)에 고정되는 것과 함께 반응관(100)의 중심부에 카세트(410)가 설치대(420)를 개재하여 재치되도록 구성된다.
카세트(410)는 도 5에 도시되는 바와 같이 유리 기판(20)의 양단에 복수의 유리 기판(20)을 세운 상태에서 횡방향으로 배열되어 보지 가능하도록 이루어진 보지 부재다. 또한 유리 기판(20)이 카세트(410)에 수용될 때에는 도 6에 도시하는 바와 같이 인접하는 유리 기판(20)과 간섭하지 않도록(접촉하지 않도록) 간격을 두고 수용된다. 또한 도 5에 도시하는 바와 같이 카세트(410)의 저판은 기류(R)의 가스가 통과하기 쉽도록 공동(空洞)으로 이루어지고, D부에 도시하는 바와 같이 유리 기판(20)을 그 에지부만으로 지지하는 구조로 이루어진다.
또한 반응관(100)의 주위에는 일단이 폐색되고 또한 타단이 개구된 중공의 원통 형상을 한 가열부인 노체 가열부(200)가 설치된다. 또한 씰 캡(110)의 반응관(100)과 반대측(외측)의 측면에는 캡 가열부(210)가 설치된다. 이 노체 가열부(200)와 캡 가열부(210)에 의해 반응관(100)을 개재하여 그 내부, 즉 처리실(30) 내가 가열된다. 또한 노체 가열부(200)는 도시되지 않는 고정부에 의해 반응관(100)에 고정되고, 캡 가열부(210)는 도시되지 않는 고정부에 의해 씰 캡(110)에 고정된다. 또한 씰 캡(110)이나 매니폴드(120)에는 내열성이 낮은 O링을 보호하기 위해서 도시되지 않는 수냉과의 냉각 수단이 설치된다.
또한 매니폴드(120)에는 셀렌 원소 함유 가스[셀렌화원, 처리 가스(600)]로서의 수소화셀렌(이하, 「H2Se」라고 부른다)을 공급하기 위한 가스 공급관(300)이 설치되고, 가스 공급관(300)으로부터 공급된 H2Se는 가스 공급관(300)으로부터 매니폴드(120)와 씰 캡(110) 사이의 간극을 개재하여 처리실(30)에 공급된다(도입된다).
한편, 가스 공급관(300)의 반대측의 매니폴드(120)에는 배기관(310)이 설치되고, 처리실(30) 내의 분위기는 매니폴드(120)와 씰 캡(110) 사이의 간극을 개재하여 배기관(310)으로부터 배기된다. 또한 전술한 냉각 수단에 의해 냉각되는 개소는 150℃ 이하까지 냉각되면, 그 부분에 미반응의 셀렌이 응축하기 때문에 150℃ 내지 170℃ 정도로 온도 제어하면 좋다.
또한 본 실시 형태2의 반응관(100)에는 복수의 전동 팬(500)이 설치된다. 즉 도 5에 도시하는 바와 같이 반응관(100)의 상부에 복수의 전동 팬(500)이 설치되고, 이들 전동 팬(500)의 구동에 의해 반응관(100)의 내부의 분위기를 유리 기판(20)의 표면을 따라 강제 대류시킬 수 있다. 복수의 전동 팬(500)의 각각은 회전하는 것에 의해 처리실(30) 내의 대류를 형성하는 날개부(510)와, 원통 형상의 반응관(100)의 측벽 및 노체 가열부(200)의 측벽을 관통하도록 설치된 회전축부(520)와, 노체 가열부(200)의 외부에 설치되고 또한 회전축부(520)를 회전시키는 동력부(530)를 포함한다. 또한 회전축부(520)와 반응관(100) 및 노체 가열부(200) 사이에는 보호 부재(540)가 설치되고, 보호 부재(540)와 회전축부(520) 사이의 좁은 간극에 질소 퍼지를 수행하는 것에 의해 회전축부(520)로부터 동력부(530)에 반응 가스[처리 가스(600)]가 침입하는 것을 최대한 억제한다.
복수의 전동 팬(500)의 회전에 의해, 처리실(30) 내는 유리 기판(20)의 단변 방향[통 형상의 반응관(100)의 종(縱)방향(원주 단면 방향)]을 따라 흐르는 처리 가스(600)의 기류(R)가 형성된다. 이와 같이 복수의 전동 팬(500)을 작동시켜 강제 대류를 유리 기판(20)의 단변 방향을 따르도록 하는 것에 의해, 유리 기판(20)의 면내(面內)의 온도를 균일화하는 데 필요한 가스의 유속을 감속시킬 수 있다.
또한 본 실시 형태2의 처리로(10)에서는 도 5 및 도 6에 도시하는 바와 같이 처리실(30)에 카세트(410)의 주위를 덮는 제1 정류 판(440)이 설치되고, 또한 제1 정류 판(440)의 외측의 영역에 제2 정류 판(450)이 설치된다.
여기서 제1 정류 판(440)은 반응관(100)의 내부에서 카세트(410) 상에 세워서 배치되는 복수의 유리 기판(20) 중 최외부의 위치에 배치되는 유리 기판(20)의 표면을 덮는 것과 함께, 전동 팬(500)의 강제 대류에 의해 발생한 유리 기판(20)의 표면 상의 처리 가스(600)가 흐르는 방향[기류(R)]을 따라 연재하고, 또한 복수의 유리 기판(20)의 일방의 측부도 덮지만, 단, 제1 정류 판(440)의 상부 및 하부는 도 6에 도시하는 바와 같이 가스가 통과 가능하도록 개구된다.
한편, 제2 정류 판(450)은 도 6에 도시하는 바와 같이 제1 정류 판(440)과 반응관(100)의 내주면(100a) 사이의 영역에서 상부의 날개부(510)를 향하는 기류(S)의 유로를 좁게 하여 기류(S)가 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 만곡 형상[灣曲狀]으로 설치된다.
또한 제1 정류 판(440)은 반응관(100)의 내주면(100a)에 설치되고, 제2 정류 판(450)은 제1 정류 판(440)에 설치된다.
이와 같이 제1 정류 판(440)과 제2 정류 판(450)은 상부에 설치된 복수의 전동 팬(500)의 구동으로 날개부(510)의 회전에 의해 형성된 강제 대류에 의한 유리 기판(20)의 단변 방향을 따라 흐르는 기류(R)와, 이 기류(R)가 반응관(100)의 하부의 내벽에 충돌한 후, 복수의 유리 기판(20)의 외측[제2 정류 판(450)과 반응관(100)의 내주면(100a) 사이의 영역]에서 복수의 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하여 흐르는 처리 가스(600)의 기류(S)를 구분한다.
즉 제1 정류 판(440)과 제2 정류 판(450)은 복수의 날개부(510)의 회전에 의해 형성된 유리 기판(20)의 단변 방향을 따라 흐르는 기류(R)와, 이 기류(R)가 반응관(100)의 하부의 내주면(100a)에 도달한 후, 복수의 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하여 흐르는 기류(S)를 구분하는 기능을 가지고, 날개부(510)를 향하는 기류(S)가 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 제어한다.
이에 의해 복수의 전동 팬(500)의 구동에 의해 형성된 강제 대류에 의해 유리 기판(20)의 단변 방향의 표면을 따라 흐르는 처리 가스(600)의 기류(R)[처리 가스(600)의 흐름 방향]는 제1 정류 판(440)의 하부로부터 나간 후, 반응관(100)의 하부의 내주면(100a)에 충돌하고, 그 후, 날개부(510)를 향하는 기류(S)가 제2 정류 판(450)의 외측의 영역에서 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 처리 가스(600)의 흐름을 제1 정류 판(440)과 제2 정류 판(450)이 제어한다.
그 결과, 처리실(30)에서의 유리 기판(20)의 처리 중의 처리 가스(600)의 흐름을 안정적으로 순환시킬 수 있다.
즉 반응관(100)의 내부[처리실(30) 내]에 제1 정류 판(440)과 제2 정류 판(450)을 설치한 것에 의해 복수의 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하여 흐르는 처리 가스(600)의 유로를 반응관(100)의 내주면(100a)을 따르도록 좁게 할 수 있고, 이에 따라 복수의 날개부(510)를 향하여 흐르는 처리 가스(600)를 가열된 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 제어할 수 있다. 그 결과, 반응관(100)의 내부의 처리 가스(600)의 흐름의 안정화를 도모할 수 있다.
이에 의해 처리 가스(600)의 가열 효율을 높일 수 있고, 유리 기판(20)의 가열 효율을 높여서 승온 시간의 단축화를 도모할 수 있다.
또한 처리로(10)에는 실시 형태1과 마찬가지로 도 7에 도시하는 바와 같이 반응관(100)의 내주면(100a)에 복수의 요철(103)이 형성된다. 이 요철(103)은 반응관(100)의 내주면(100a)의 대략 모든 면[예컨대 처리 가스(600)가 통과하는 내주면(100a)]에 걸쳐서 형성된다.
이에 의해 반응관(100)의 내주면(100a)의 표면적을 크게 할 수 있고, 가열된 반응관(100)의 내주면(100a)에 대하여 처리 가스(600)가 통과할 때에 접촉하는 면적을 늘릴 수 있다.
그 결과, 처리 가스(600)의 가열 효율을 더 높일 수 있고, 유리 기판(20)의 가열 효율을 더 높여서 승온 시간의 단축화를 한층 더 도모할 수 있다.
본 실시 형태2의 기판 처리 장치의 그 외의 구성에 대해서는 실시 형태1의 기판 처리 장치와 마찬가지이기 때문에 그 중복되는 설명은 생략한다.
다음으로 본 실시 형태2의 처리로(10)를 구비하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법에 대하여 설명한다.
여기서는 도 5 및 도 6에 도시하는 상부에 복수의 전동 팬(500)이 설치된 통 형상의 반응관(100)을 포함하는 처리로(10)를 구비하는 기판 처리 장치에서 일 예로서 CIGS계의 태양 전지의 제조 프로세스에서 셀렌화 처리를 수행하는 경우에 대하여 설명한다.
우선 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)을 함유하는 적층막이 형성된 30매 내지 60매의 유리 기판(20)을 카세트(보트)(410) 내에 배치하고, 가동성의 씰 캡(110)을 매니폴드(120)로부터 제외한 상태에서 카세트(410)를 반응관(100)의 내부인 처리실(30) 내에 반입하여 설치대(420) 상에 세팅한다(반입 공정).
또한 카세트(410) 내에서 각각의 유리 기판(20)은 도 6에 도시하는 바와 같이 인접한 기판과 접촉하지 않을 정도의 간격을 두고 세워서 배치된다.
또한 카세트(410)의 처리실(30) 내로의 반입은 예컨대 도시되지 않는 반입 반출 장치의 암에 의해 카세트(410)의 하부를 지지하여 들어 올린 상태에서 카세트(410)를 처리실(30) 내에 이동시키고 소정의 위치에 도달시킨 후, 상기 암을 하방에 이동시켜서 카세트(410)를 설치대(420)에 재치하는 것에 의해 수행된다.
그 후, 씰 캡(110)을 닫고 처리실(30)을 밀폐 상태로 하여 처리실(30)의 내부의 대기를 질소 가스 등의 불활성 가스[처리 가스(600)]로 치환한다(치환 공정). 상기 불활성 가스로 처리실(30) 내의 분위기를 치환한 후, 노체 가열부(200) 등의 히터에 전력을 투입하여 소정의 승온 속도로 반응관(100)을 가열한다. 예컨대 400℃ 내지 550℃, 바람직하게는 450℃ 내지 550℃까지, 매분 3℃ 내지 15℃로 승온시킨다.
또한 승온과 동시에 전동 팬(500)의 날개부(510)를 동력부(530)에 의해 회전시키고, 반응관(100)의 내주면(100a) 부근에서 가열된 처리 가스(불활성 가스)(600)를 카세트(410)에 수용된 복수의 유리 기판(20) 각각의 단변 방향을 따라, 또한 유리 기판(20) 사이를 통과시켜, 처리 가스(600)의 열을 유리 기판(20)에 전달하는 것에 의해 유리 기판(20)을 가열한다.
또한 유리 기판(20)은 기판 내의 온도 차이가 커지면 파손되기 때문에 온도 차이가 커지지 않도록 반응관(100)의 승온 속도나, 인접하는 유리 기판(20) 사이를 통과시키는 처리 가스(불활성 가스)(600)의 유속을 적절한 값으로 조절하여 가열한다.
여기서 본 실시 형태2의 처리로(10)에는 그 반응관(100)의 내부에 카세트(410)의 주위를 덮는 제1 정류 판(440)이 설치되고, 또한 제1 정류 판(440)의 외측의 영역에 제2 정류 판(450)이 설치된다.
여기서 제1 정류 판(440)은 반응관(100)의 내부에서 카세트(410) 상에 세워서 배치되는 복수의 유리 기판(20) 중 최외부의 위치에 배치되는 유리 기판(20)의 표면을 덮는 것과 함께, 전동 팬(500)의 강제 대류에 의해 발생한 유리 기판(20)의 표면 상의 처리 가스(600)가 흐르는 방향[기류(R)]을 따라 연재하고, 또한 복수의 유리 기판(20)의 일방의 측부도 덮지만, 단, 제1 정류 판(440)의 상부 및 하부는 도 6에 도시하는 바와 같이 가스가 통과 가능하도록 개구된다.
한편, 제2 정류 판(450)은 도 6에 도시하는 바와 같이 제1 정류 판(440)과 반응관(100)의 내주면(100a) 사이의 영역에서 상부의 날개부(510)를 향하는 기류(S)의 유로를 좁게 하여 기류(S)가 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 만곡 형상으로 설치된다.
이와 같이 제1 정류 판(440)과 제2 정류 판(450)은 상부에 설치된 복수의 전동 팬(500)의 구동으로 날개부(510)의 회전에 의해 형성된 강제 대류에 의한 유리 기판(20)의 단변 방향을 따라 흐르는 기류(R)와, 이 기류(R)가 반응관(100)의 하부의 내벽에 충돌한 후, 복수의 유리 기판(20)의 외측[제2 정류 판(450)과 반응관(100)의 내주면(100a) 사이의 영역]에서 복수의 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하여 흐르는 처리 가스(600)의 기류(S)를 구분한다.
즉 제1 정류 판(440)과 제2 정류 판(450)은 복수의 날개부(510)의 회전에 의해 형성된 유리 기판(20)의 단변 방향을 따라 흐르는 기류(R)와, 이 기류(R)가 반응관(100)의 하부의 내주면(100a)에 도달한 후, 복수의 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하여 흐르는 기류(S)를 구분하는 기능을 가지고, 날개부(510)를 향하는 기류(S)가 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 제어한다. 따라서 날개부(510)의 회전으로 송풍된 처리 가스(600)는 제1 정류 판(440)에 의해 그 대부분이 유리 기판(20) 사이를 단변 방향을 따라 기류(R)로서 통과하고, 또한 유리 기판(20)을 통과하고 반응관(100)의 하부의 내주면(100a)에 도달한 후에는 기류(S)로서 제2 정류 판(450)에 의해 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흘러 유리 기판(20)을 가열하기 위한 효과적인 흐름을 형성한다.
이에 의해 처리실(30)에서의 유리 기판(20)의 승온 시의 처리 가스(600)의 흐름을 안정적으로 순환시킬 수 있다.
즉 반응관(100)의 내부[처리실(30) 내]에 제1 정류 판(440)과 제2 정류 판(450)이 설치되는 것에 의해 복수의 전동 팬(500)의 날개부(510)를 향하여 흐르는 처리 가스(600)의 유로를 반응관(100)의 내주면(100a)을 따르도록 좁게 할 수 있고, 이에 따라 이 처리 가스(600)를 가열된 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 제어할 수 있다. 이에 의해 반응관(100)의 내부의 처리 가스(600)의 흐름의 안정화를 도모할 수 있다.
그 결과, 처리 가스(600)의 가열 효율을 높일 수 있고, 유리 기판(20)의 가열 효율을 높여서 승온 시간의 단축화를 도모할 수 있다.
또한 처리로(10)에는 도 7에 도시하는 바와 같이 반응관(100)의 내주면(100a)에 복수의 요철(103)이 형성되고, 이에 의해 반응관(100)의 내주면(100a)의 표면적을 크게 할 수 있기 때문에 가열된 반응관(100)의 내주면(100a)에 대하여 처리 가스(600)가 통과할 때에 접촉하는 면적을 늘릴 수 있다.
그 결과, 처리 가스(600)의 가열 효율을 더 높일 수 있고, 유리 기판(20)의 가열 효율을 더 높여서 승온 시간의 단축화를 한층 더 도모할 수 있다.
또한 유리 기판(20)은 기판 내의 온도 차이가 커지면 파손되기 때문에 온도 차이가 커지지 않도록 반응관(100)의 승온 속도나, 유리 기판(20) 사이에 송풍하는 처리 가스(600)의 속도를 적절한 값으로 조절하여 가열한다. 즉 유리 기판(20)의 승온 속도 및 전동 팬(500)의 송풍 속도[전동 팬(500)의 회전수]는 유리 기판(20)의 온도 분포가 악화되지 않도록 적절히 조절한다.
전술의 방법에 의해 유리 기판(20)을 가열하고, 유리 기판(20)이 소정의 온도(예컨대 후술하는 400℃ 내지 500℃)로 승온한 시점에서 처리실(30) 내에 처리 가스(600)[셀렌 원소 함유 가스(셀렌화원)]를 도입하여 유리 기판(20)에 성막 처리를 수행한다.
즉 반응관(100)을 가열한 상태에서 반응관(100)의 내부에 처리 가스(셀렌화원)(600)를 도입하고, 이 경우에도 전동 팬(500)의 날개부(510)에 의해 반응관(100)의 내부의 분위기를 유리 기판(20)의 표면을 따라 강제 대류시키고, 또한 원통 형상의 정류 판(430)에 의해 안정화된 기류(R) 및 기류(S)를 형성하고, 이 상태에서 복수의 유리 기판(20)에 성막 처리를 수행한다. 이 셀렌화 처리에 의해 각각의 유리 기판(20)에 CIS계 태양 전지의 광 흡수층이 형성된다(형성 공정).
성막 처리가 종료된 후, 처리 가스(600)(셀렌화원, 셀렌화수소 가스)의 공급을 정지시키고 반응관(100)의 온도를 일정 속도로 강온하는 것과 함께, 처리실(30) 내의 처리 가스(600)를 질소 등의 불활성 가스로 치환한다. 즉 성막 처리가 종료된 후, 가스 공급관(300)으로부터 질소 가스 등의 불활성 가스를 도입하여 처리실(30) 내의 분위기를 치환하는 것과 함께 소정 온도까지 강온한다(강온 공정).
또한 유리 기판(20)의 온도가 소정의 온도로 강온되고, 또한 처리실(30) 내의 처리 가스(600)의 질소 가스 등에 의한 치환이 종료된 시점에서 씰 캡(110)을 이동시키는 것에 의해, 처리실(30)을 개구하고, 그 후 도시되지 않는 반입 반출 장치의 암으로 카세트(410)를 반출하는(반출 공정) 것에 의해 일련의 성막 처리가 종료된다.
또한 기판 강온 시, 기판 내에서의 온도 차이가 커지지 않도록 질소 가스의 도입량 등의 강온 조건을 조절한다.
또한 본 실시 형태2에서는 전동 팬(500)을 유리 기판(20)의 상부에 설치한 경우에 대하여 설명하였지만, 복수의 전동 팬(500)은 유리 기판(20)의 하부에 설치해도 좋다.
다음으로 도 8을 이용하여 유리 기판(20)의 장변 방향(실시 형태1)과 단변 방향(실시 형태2)에서 처리 가스(600)가 흐르는 방향에 의한 유의차(有意差)에 대하여 설명한다.
도 8은 전동 팬(500)의 위치 외에는 마찬가지의 구조를 가지는 처리로(10)에서 5℃/분의 속도로 승온한 경우의 유리 기판(20) 사이의 유속을 변화시키고, 유리 기판(20)의 면내의 온도 차이를 약 30℃로 억제하는 데 필요한 유속을 시뮬레이션 한 결과다.
도 8의 (a)는 실시 형태1과 같이 전동 팬(500)을 처리로(10)의 측부에 배치하고, 유리 기판(20)의 표면의 처리 가스(600)의 흐름을 유리 기판(20)의 장변 방향으로 한 경우의 결과다. 도 8의 (a-1)은 가열 시작 후 20분 경과한 상태이며, 도 8의 (a-2)는 가열 시작 후 60분 경과한 상태를 나타낸다. 도면의 농담(濃淡)의 정도로부터 유리 기판(20)의 면내의 온도 차이가 약 30℃로 억제된다는 것을 알 수 있다. 또한 시뮬레이션에 의해 유리 기판(20)의 면내의 온도 차이를 약 30℃로 억제하는 데 필요한 가스의 유속은 10m/초라는 결과가 얻어졌다.
한편, 도 8의 (b)는 본 실시 형태2와 같이 전동 팬(500)을 처리로(10)의 상부에 배치하고, 유리 기판(20)의 표면의 처리 가스(600)의 흐름을 유리 기판(20)의 단변 방향으로 한 경우의 결과다. 도 8의 (b-1)은 가열 시작 후 20분 경과한 상태이며, 도 8의 (b-2)는 가열 시작 후 60분 경과한 상태를 나타낸다. 도면의 농암의 정도로부터 유리 기판(20)의 면내의 온도 차이가 약 30℃로 억제된다는 것을 알 수 있다. 또한 시뮬레이션에 의해 유리 기판(20)의 면내의 온도 차이를 약 30℃로 억제하는 데 필요한 가스의 유속은 2m/초라는 결과가 얻어졌다.
또한 도 8의 (a) 및 (b) 각각의 좌측의 도면은 가열 20분 후(400K=123℃)의 상태를 나타내고, 우측의 도면은 가열 60분 후(600K=323℃)의 상태를 나타낸다.
이상, 시뮬레이션의 결과에 도시되는 바와 같이 본 실시 형태2와 같이 처리 가스(600)의 흐름을 유리 기판(20)의 단변 방향으로 하는 것에 의해, 실시 형태1의 처리 가스(600)의 흐름을 유리 기판(20)의 장변 방향으로 하는 것에 비해 처리 가스(600)의 유속의 크기를 억제하는(작게 하는) 것이 가능해져 유리 기판(20)을 대형화하는 것이 가능해진다.
다음으로 본 실시 형태2의 변형예에 대하여 설명한다. 도 9는 본 발명의 실시 형태2에서의 변형예의 기판 처리 장치의 주요부의 구조를 도시하는 단면도다.
도 9에 도시하는 변형예의 처리로(10)는 복수의 유리 기판(20)을 보지하는 카세트(410)를 하나만 재치한 구조와는 달리 복수의 카세트(410)(여기서는 3개)를 복수의 유리 기판(20)의 표면의 장변 방향과 평행한 방향에 배열하여 배치하는 구조로 이루어진다.
이와 같이 유리 기판(20)을 수용하는 카세트(410)를 일렬로 3개 배치한 구조에서는 반응관(100)이 한층 더 가로로 긴 형상이 되어 처리 가스(600)의 흐름이 불안정해지지만, 도 9에 도시하는 바와 같이 복수의 전동 팬(500)이 상부에 설치되고, 또한 정류 판(460)도 설치되는 것에 의해, 각 유리 기판(20)의 단변 방향을 따라 처리 가스(600)를 흘릴 수 있고, 그 결과, 처리 가스(600)의 흐름을 안정화시킬 수 있다.
여기서 실시 형태1 및 실시 형태2에서 설명한 처리로(10)에서는 종래의 석영제의 반응관을 이용하는 것이 아니라 스텐레스 등의 금속 재료를 반응관(100)의 기재로서 이용한다. 따라서 실시 형태2의 처리로(10)와 같이 처리 가스(600)를 유리 기판(20)의 단변 방향을 따라 흘리는 구조로 하는 것에 의해, 도 9에 도시하는 바와 같이 반응관(100)을 대형화해도 석영제에 비해 그 성형이 용이하며, 또한 그 비용의 증가도 석영제에 비해 작다. 그 결과, 한 번에 처리할 수 있는 유리 기판(20)의 개수를 많은 개수로 할 수 있어, CIS계 태양 전지의 제조 비용을 저감할 수 있다.
또한 스텐레스 등의 금속 재료를 반응관(100)의 기재로서 사용하는 것에 의해 석영제의 반응관에 비해 그 취급도 용이하여 반응관(100)을 대형화할 수 있다.
상기 실시 형태1 및 실시 형태2에서의 본 발명에서는 이하에 나타내는 효과 중 적어도 1개를 실현할 수 있다.
(1) 반응관(100)의 내부에 복수의 유리 기판(20) 중 최외부의 위치에 배치되는 유리 기판(20)의 표면을 덮는 정류 판(430), 또는 제1 정류 판(440)과 제2 정류 판(450)이 설치된 것에 의해 전동 팬(500)을 향하여 흐르는 처리 가스(600)의 유로를 반응관(100)의 내주면(100a)을 따르도록 좁게 할 수 있고, 이에 따라 이 처리 가스(600)를 가열된 반응관(100)의 내주면(100a)을 따라 흐르도록 제어할 수 있다. 그 결과, 반응관(100)의 내부의 처리 가스(600)의 흐름의 안정화를 도모할 수 있다.
(2) 반응관(100)의 내부의 처리 가스(600)의 흐름의 안정화를 도모할 수 있기 때문에 처리 가스(600)의 가열 효율을 높일 수 있고, 유리 기판(20)의 가열 효율을 높여서 승온 시간의 단축화를 도모할 수 있다.
(3) 반응관(100)의 내주면(100a)에 복수의 요철(103)이 형성되는 것에 의해 반응관(100)의 내주면(100a)의 표면적을 크게 할 수 있고, 가열된 반응관(100)의 내주면(100a)에 대하여 처리 가스(600)가 통과할 때에 접촉하는 면적을 늘릴 수 있다. 그 결과, 처리 가스(600)의 가열 효율을 한층 더 높일 수 있고, 유리 기판(20)의 가열 효율을 한층 더 높여서 승온 시간의 단축화를 한층 더 도모할 수 있다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 발명의 실시 형태에 기초하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 발명의 실시 형태에 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 갖가지 변경 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.
예컨대 상기 실시 형태1, 실시 형태2에서는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga)이 형성된 복수의 유리 기판을 셀렌화 처리하는 경우에 대하여 설명하였지만 이에 한정되지 않고, 구리(Cu)/인듐(In)이나 구리(Cu)/갈륨(Ga) 등이 형성된 복수의 유리 기판을 셀렌화 처리해도 좋다.
또한 상기 실시 형태1, 실시 형태2에서는 금속 재료와의 반응성이 높은 셀렌화에 대하여 언급하였지만, CIS계 태양 전지에서는 셀렌화 처리 대신에, 또는 셀렌화 처리 후에 유황 원소 함유 가스를 공급하여 유화(硫化) 처리를 수행하는 경우도 있다. 이 경우에도 상기 실시 형태2의 대형 반응로를 이용하는 것에 의해 한 번에 유화 처리를 수행할 수 있는 매수를 늘릴 수 있기 때문에 제조 비용의 저하를 실현시킬 수 있다.
또한 상기 실시 형태1, 실시 형태2에서는 반응관(100)의 내주면(100a)에 복수의 요철(103)이 모든 면에 걸쳐서 설치되는 경우에 대하여 설명하였지만, 내주면(100a)의 모든 면이 아니라 일부, 예컨대 내주면(100a)에 대하여 소정의 간격을 둔 상태에서 복수의 요철(103)이 설치되어도 좋다.
마지막으로 본 발명의 바람직한 주된 형태를 이하에 부기(附記)한다.
(부기1)
통 형상으로 형성되고, 또한 내부에서 복수의 기판에 대하여 성막 처리가 수행되는 반응관; 상기 반응관의 내부에 상기 성막 처리를 위한 처리 가스를 도입하는 가스 공급관; 상기 반응관의 내부의 분위기를 배기하는 배기관; 상기 반응관을 가열하는 가열부; 상기 반응관의 내부의 분위기를 상기 기판의 표면을 따라 강제 대류시키는 팬; 및 상기 강제 대류에 의해 발생한 상기 기판의 표면 상의 상기 처리 가스가 흐르는 방향을 따라 연재하고 또한 상기 복수의 기판 중 최외부의 위치에 배치되는 상기 기판의 표면을 덮는 정류 판;을 포함하고, 상기 복수의 기판의 외측에서 상기 팬을 향하여 흐르는 상기 처리 가스를 상기 반응관의 내주면을 따라 흐르도록 제어하는 기판 처리 장치가 제공된다.
(부기2)
상기 부기1에 있어서, 상기 강제 대류에 의한 상기 처리 가스가 흐르는 방향이 상기 기판의 단변 방향을 따르는 기판 처리 장치가 제공된다.
(부기3)
상기 부기1에 있어서, 상기 정류 판은 원통형인 기판 처리 장치가 제공된다.
(부기4)
통 형상으로 형성되고, 또한 내부에서 복수의 기판에 대하여 성막 처리가 수행되는 반응관; 상기 반응관의 내부에 상기 성막 처리를 위한 처리 가스를 도입하는 가스 공급관; 상기 반응관의 내부의 분위기를 배기하는 배기관; 상기 반응관을 가열하는 가열부; 및 상기 반응관의 내부의 분위기를 상기 기판의 표면을 따라 강제 대류시키는 팬;을 포함하고, 상기 반응관의 내주면에 복수의 요철이 형성되는 기판 처리 장치가 제공된다.
(부기5)
내부에 팬이 설치된 통 형상의 반응관을 구비하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법으로서,
(a) 상기 반응관의 내부에 복수의 기판을 간격을 두고 배치하는 공정; 및
(b) 상기 반응관을 가열한 상태에서 상기 반응관의 내부에 처리 가스를 도입하고, 상기 팬에 의해 상기 반응관의 내부의 분위기를 상기 기판의 표면을 따라 강제 대류시켜서 상기 복수의 기판에 성막 처리를 수행하는 공정;
을 포함하고,
상기 (b)공정에서 상기 강제 대류에 의해 발생한 상기 기판의 표면 상의 상기 처리 가스가 흐르는 방향을 따라 연재하고 또한 상기 복수의 기판 중 최외부의 위치에 배치되는 상기 기판의 표면을 덮는 정류 판에 의해 상기 복수의 기판의 외측에서 상기 팬을 향하여 흐르는 상기 처리 가스를 상기 반응관의 내주면을 따라 흐르도록 제어하는 기판 처리 방법이 제공된다.
본 발명은 가열하여 기판 처리를 수행하는 기술에 바람직하게 적용할 수 있다.
10: 처리로 20: 유리 기판
30: 처리실 100: 반응관
100a: 내주면 101: 기재
102: 코팅막 103: 요철
110: 씰 캡 120: 매니폴드
200: 노체 가열부 210: 캡 가열부
300: 가스 공급관 310: 배기관
410: 카세트 410a: 프레임
420: 설치대 430: 정류 판
440: 제1 정류 판 450: 제2 정류 판
460: 정류 판 500: 전동 팬
510: 날개부 520: 회전축부
530: 동력부 540: 보호 부재
600: 처리 가스

Claims (5)

  1. 통 형상으로 형성되고 내부에서 복수의 기판에 대하여 성막 처리가 수행되는 반응관;
    상기 반응관의 내부에 상기 성막 처리를 위한 처리 가스를 도입하는 가스 공급관;
    상기 반응관의 내부의 분위기를 배기하는 배기관;
    상기 반응관을 가열하는 가열부;
    상기 반응관의 내부의 분위기를 상기 기판의 표면을 따라 강제 대류시키는 팬; 및
    상기 강제 대류에 의해 발생한 상기 기판의 표면 상의 상기 처리 가스가 흐르는 방향을 따라 연재하고 상기 복수의 기판 중 최외부(最外部)의 위치에 배치되는 상기 기판의 표면을 덮는 정류 판;
    을 포함하고,
    상기 복수의 기판의 외측에서 상기 팬을 향하여 흐르는 상기 처리 가스를 상기 반응관의 내주면을 따라 흐르도록 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강제 대류에 의한 상기 처리 가스가 흐르는 방향이 상기 기판의 단변(短邊) 방향을 따르는 기판 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정류 판은 원통 형상인 기판 처리 장치.
  4. 통 형상으로 형성되고 내부에서 복수의 기판에 대하여 성막 처리가 수행되는 반응관;
    상기 반응관의 내부에 상기 성막 처리를 위한 처리 가스를 도입하는 가스 공급관;
    상기 반응관의 내부의 분위기를 배기하는 배기관;
    상기 반응관을 가열하는 가열부; 및
    상기 반응관의 내부의 분위기를 상기 기판의 표면을 따라 강제 대류시키는 팬;
    을 포함하고,
    상기 반응관의 내주면에 복수의 요철(凹凸)이 형성되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  5. 내부에 팬이 설치된 통 형상의 반응관을 구비하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 방법으로서,
    (a) 상기 반응관의 내부에 복수의 기판을 간격을 두고 배치하는 공정; 및
    (b) 상기 반응관을 가열한 상태에서 상기 반응관의 내부에 처리 가스를 도입하고, 상기 팬에 의해 상기 반응관의 내부의 분위기를 상기 기판의 표면을 따라 강제 대류시켜서 상기 복수의 기판에 성막 처리를 수행하는 공정;
    을 포함하고,
    상기 (b)공정에서 상기 강제 대류에 의해 발생한 상기 기판의 표면 상의 상기 처리 가스가 흐르는 방향을 따라 연재하고 또한 상기 복수의 기판 중 최외부의 위치에 배치되는 상기 기판의 표면을 덮는 정류 판에 의해 상기 복수의 기판의 외측에서 상기 팬을 향하여 흐르는 상기 처리 가스를 상기 반응관의 내주면을 따라 흐르도록 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
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