KR20150094496A - 열처리 장치 - Google Patents

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고요 써모 시스템 가부시끼 가이샤
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Abstract

석영 튜브의 노 입구에, 문이 개폐기구에 의해 개폐 가능하도록 마련했다. 문은 석영 튜브측에 배치되는 석영판, 문의 내측에 유지되는 단열재, 그리고 석영판 및 단열재를 유지하는 문 프레임을 가진다. 개폐기구는 선단에 문 프레임을 지지하고, 문과 함께 석영 튜브에 접근하거나 멀어지는 방향으로 구동되는 구동 암과, 구동 암을 구동하는 구동 수단을 가지며, 구동 수단의 구동력에 의해 문을 구동하여 석영 튜브의 노 입구를 개방 또는 폐쇄한다. 문 경사 조정부재는 구동 암의 선단에 경사 가능하게 지지됨과 아울러 문 프레임에 장착되어, 문을 경사 조정 가능하게 지지한다.

Description

열처리 장치{HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 발명은 실리콘 기판 등의 워크에 대해 열처리를 하기 위한 열처리 장치에 관한 것이다.
태양전지 셀 등의 제조 프로세스에서는 워크인 실리콘 기판(반도체 웨이퍼)의 표면에 불순물을 확산시키는 확산 처리 등의 열처리가 실시된다. 이 열처리를 하기 위한 열처리 장치는 워크를 수용해서 열처리를 하기 위한 프로세스 튜브 및 히터를 구비하고 있다.
프로세스 튜브는 예를 들면 석영 튜브이며, 복수장의 반도체 웨이퍼를 서로간에 소정 틈을 두고 유지한 보트를 내부에 수용한다. 히터는 프로세스 튜브의 외측을 둘러싸도록 배치되며, 프로세스 튜브의 내부를 소정 온도로 가열한다.
일본국 공개특허공보 2001-185501호에 개시된 구성에서는 프로세스 튜브의 한쪽 끝에 보트가 출납되는 개구가 형성되어 있고, 이 개구를 개폐하는 문이 마련되어 있다. 문으로 개구를 폐쇄함으로써, 프로세스 튜브의 내부가 밀폐된다.
반도체 웨이퍼의 확산 처리시에는 밀폐된 프로세스 튜브 내에 예를 들어 옥시염화 인(POCl3), 삼브롬화 붕소(BBr3) 등의 가스가 도입된다.
문은 내면이 고온의 프로세스 튜브 내에 노출되는 한편, 외면이 외기에 노출되어 냉각된다. 그렇기 때문에, 문의 내면과 외면 사이의 단열이 충분하지 않으면, 열처리 프로세스 중에 프로세스 튜브의 개구 근방이 문을 통해 냉각된다.
또한 문의 내면과 프로세스 튜브의 단면(端面)과의 밀착성이 충분하지 않으면, 양자의 틈으로부터 프로세스 튜브 내에 침입하는 외기로 인해 프로세스 튜브의 개구 근방이 냉각된다. 반도체 웨이퍼의 확산 처리 중에 프로세스 튜브의 개구 근방이 냉각되면, 문의 내면이나 프로세스 튜브의 개구 근방에 POCl3 유래의 오산화이인(P2O5)의 석출을 초래한다.
또한 프로세스 튜브 내에 침입한 외기에 포함된 수증기와 프로세스 튜브 내의 POCl3나 P2O5와의 반응에 의해 발생한 인산 수용액이, 문을 지지하는 금속제 프레임에 부식을 발생시키거나, 프로세스 튜브 내의 워크를 오염시킬 우려가 있다.
본 발명의 목적은 문의 내면과 외면 사이를 확실하게 단열함과 아울러, 문의 내면과 프로세스 튜브의 단면과의 밀폐성을 높임으로써, 프레임의 부식이나 워크의 오염 원인이 되는 부생성물의 발생을 억제할 수 있는 열처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 열처리 장치는 프로세스 튜브, 문, 개폐기구 및 문 경사 조정부재를 구비한다.
프로세스 튜브는 통형상을 나타내며, 일단(一端)이 닫힘과 아울러 타단(他端)에는 개구(노(爐;furnace) 입구)가 형성되어 있으며, 개구를 통해 열처리될 워크가 내부에 수용된다. 문은 프로세스 튜브의 개구를 개폐한다.
문은 내면부재, 단열재 및 문 프레임을 가진다. 내면부재는 프로세스 튜브측에 배치된다. 단열재는 내면부재의 외측에 배치된다. 문 프레임은 단열재의 외측에 배치되어 내면부재 및 단열재를 유지한다.
개폐기구는 구동 암 및 구동 수단을 가진다. 구동 암은 선단에 문 프레임을 지지한다. 문 암(door arm)은 문과 함께 프로세스 튜브에 접근하는 일방향과 프로세스 튜브로부터 멀어지는 타방향으로 구동된다. 구동 수단은 그 구동력에 의해 구동 암을 구동하고, 문을 동작시켜서 프로세스 튜브의 개구를 개방 또는 폐쇄하도록 구성된다.
문 경사 조정부재는 문을 경사 조정 가능하게 지지한다. 문 구동 암의 선단에 경사 가능하게 지지됨과 아울러 문 프레임에 장착된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 열처리 장치의 주요부를 나타내는 평면도이다.
도 2는 문 및 구동 암을 나타내는 일부 파단 평면도이다.
도 3은 문 경사 조정부재의 구성을 나타내는 도 2의 III-III선 단면도이다.
도 4는 문 경사 조정부재의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 문 회전 규제부재의 구성을 나타내는 도 2의 V-V선 단면도이다.
도 6은 개폐기구, 문 경사 조정부재 및 문 회전 규제부재의 구성을 나타내는 정면도이다.
이하에, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 따른 열처리 장치를 설명한다.
열처리 장치(1)는 일례로, 본 발명의 프로세스 튜브인 석영 튜브(2)를 그 길이방향을 수평으로 배치한 가로형 노(furnace)로 구성되어 있으며, 도 1에 도시한 바와 같이, 워크(W)가 수용되는 확산실(3)을 형성한 석영 튜브(2)의 개구(노 입구)(2A)에 문(10)을, 개폐기구(20)를 이용해서 개폐 가능하게 마련한 기본 구조를 가진다. 워크(W)는 예를 들면 태양전지 셀용인 직사각형 실리콘 기판이다. 보트(4)는 복수장의 워크(W)를 수직으로 등간격으로 배열된 상태로 유지하고, 주행바퀴에 의해 주행하여 노 입구(2A)를 통해 확산실(3)에 워크(W)를 반출입한다.
확산실(3)에는, 도 1에서는 생략된 석영 튜브(2)의 닫혀진 한쪽 끝에 설치되는 확산용 가스 기류 도입장치(도시하지 않음)를 이용해서 확산원(예를 들면, POCl3)을 포함하는 확산용 가스가 도입된다.
확산용 가스 기류 도입장치는, 구체적으로는 소스 가스(source gas)에 의해 액체 확산원을 버블링시켜, 액체 확산원의 포화 증기를 포함하는 소스 가스를 캐리어 가스에 합류시켜 확산용 가스 기류로 하고, 이 확산용 가스 기류를 화살표 G로 표시한 바와 같이 석영 튜브(2)의 한쪽 끝에서 도입하도록 구성된다.
석영 튜브(2)의 노 입구(2A)의 근방 둘레면에는 배기관(5)이 접속된다. 워크(W)의 처리에 제공된 확산용 가스는 배기관(5)을 통해 노 밖으로 배기된다. 노 입구(2A)로부터 확산용 가스의 가스 누설을 막기 위해 확산실(3)은 부압으로 되어 있다.
석영 튜브(2)의 바깥둘레에는 가열장치가 배치된다. 가열장치는 예를 들면, 도시한 것과 같이 히터(7)를 구비한 구성이 채용된다. 가열장치의 동작에 의해 가열된 확산실(3)에 확산용 가스 도입장치로부터 확산원이 도입됨으로써, 워크(W)에 불순물(예를 들면, 인)이 확산되는 처리가 실시된다. 한편, 가열장치는 석영 튜브(2)와 히터(7) 사이에 균열관(均熱管)을 구비할 수도 있다.
석영 튜브(2)의 노 입구(2A)는 개폐식 문(10)으로 막아진다. 문(10)은 후술하는 개폐기구(20)에 의해 회동(回動)하여 노 입구(2A)를 개폐한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 문(10)은 석영판(11), 단열재(12) 및 문 프레임(13)을 구비한다. 석영판(11)은 석영으로 제작된 원반이며, 본 발명의 내면부재에 상당한다. 문 프레임(13)은 석영판 및 단열재를 유지한다. 석영판(11)은 문(10)의 내면측에 존재하며, 문(10)이 닫혔을 때 석영 튜브(2)의 노 입구(2A)에 눌려진다.
문 프레임(13)은 원반부(131)와 통형상부(132)가 일체화된 형상의 부재이다. 문 프레임(13)은 스테인리스 등의 강성을 가진 재료로 형성된다. 원반부(131)는 문(10)의 외면측에 존재한다. 통형상부(132)는 문(10)의 측면부를 구성한다.
단열재(12)는 문 프레임(13)의 통형상부(132)로 둘러싸인 공간에 충전된다. 단열재(12)는 문 프레임(13)의 원반부(131)와 석영판(11) 사이에 끼워지고, 문 프레임(13)의 통형상부(132)의 바깥둘레면과 석영판(11)의 주위부와의 둘레방향의 복수 부위에 장착되는 스톱퍼(14)에 의해 고정된다. 이렇게 해서, 석영판(11)과 단열재(12)가 문 프레임(13)에 장착된다. 문(10)에서 단열재(12)는 석영판(11)의 확산실(3)(도 1 참조)과 반대측에 배치되게 된다.
다음으로 개폐기구(20)의 구성을 설명한다. 개폐기구(20)는 구동 암(21) 및 구동 수단(23)을 구비한다. 구동 암(21)은 구동 수단(23)에 의해, 문(10)과 함께 석영 튜브(2)에 접근하는 일방향(도 1의 화살표 R1방향 참조)과 석영 튜브(2)로부터 멀어지는 타방향(동 도면의 화살표 R2방향 참조)으로 구동된다. 이와 같이 구동 암(21)이 구동됨으로써 문(10)을 구동하여 석영 튜브(2)의 노 입구(2A)가 개방 또는 폐쇄된다.
본 실시형태에서는 구동 수단(23)으로서, 왕복동하는 피스톤 로드(232); 및 피스톤 로드(232)를 수납하는 실린더 튜브(231);를 구비하고, 유체압을 공급받아서 피스톤 로드(232)가 실린더 튜브(231)에 대하여 진출, 후퇴하여 구동력을 전달하는 실린더 기구로 구성된다. 여기서는 실린더 기구로서 에어 실린더를 이용하고 있다.
구동 암(21)은 석영 튜브(2)의 노 입구(A)를 닫는 문(10)의 면과 대략 평행하게 연장되도록 마련된다.
구동 암(21)의 기단(基端)은 제1 링크(26) 및 제2 링크(28)를 통해 피스톤 로드(232)의 선단에 연결된다.
석영 튜브(2)의 노 입구(2A)의 옆에, 고정 브래킷(고정구)(27)이 열처리 장치에 대하여 고정된다. 고정 브래킷(27)의 길이방향은 석영 튜브(2)의 축방향에 직교하는 방향으로 규정된다. 고정 브래킷(27)은 일단부가 타단부보다 석영 튜브(2)에 가까운 위치가 되도록 마련된다. 그 고정 브래킷(27)의 길이방향의 일단부 및 타단부에 각각 제1 회동축(24) 및 제2 회동축(25)이 마련된다.
제1 회동축(24)은 고정 브래킷(27)에 고정되는 원기둥형상의 지주(241)와, 지주(241)의 주위에 회전 자유롭게 배치된 원통형상의 슬리브(242)로 구성된다. 고정 브래킷(27)의 일단부에는, 구동 암(21)과 제1 링크(26)가 동시회전(corotation)하도록 제1 회동축(24)에 의해 구동 암(21)의 기단부와 제1 링크(26)의 일단부가 회전 가능하게 지지된다.
제1 링크(26)의 타단부는 서로 회전 가능하게 피스톤 로드(232)의 선단부와 연결된다. 제1 링크(26)의 타단부와 피스톤 로드(232)의 선단부는 제1 링크(26)에 대하여 회전 가능한 제2 링크(28)를 통해 연결된다.
제2 회동축(25)은 고정 브래킷(27)에 핀을 볼록하게 설치하고, 핀이 끼워맞춰지는 구멍을 실린더 튜브(231)에 마련하는 등, 단순히 요철을 끼워맞춤으로써 실현할 수 있다. 고정 브래킷(27)의 타단부에는 실린더 튜브(231)가 제2 회동축(25)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
구동 수단(23)은 구동 암(21)의 회동을 자동화하는 장치이다. 그리고 구동 수단(23)에 관해, 피스톤 로드(232)가 실린더 튜브(231)로부터 진출하면, 구동 암(21)이 석영 튜브(2)의 노 입구(2A)에 근접하도록 회전하여 문(10)이 닫히도록 회동한다. 그리고 문(10)이 노 입구(2A)에 눌려서 석영 튜브(2) 안이 밀폐된다.
한편, 피스톤 로드(232)가 실린더 튜브(231)에 대하여 후퇴하면, 구동 암(21)이 석영 튜브(2)의 노 입구(2A)로부터 멀어지도록 회전하여 문(10)이 열리도록 회동한다. 한편, 구동 수단(23)을 특별히 도시하지 않은 컨트롤러에 의해 제어하도록 하면, 구동 암(21)의 구동을 자동 제어할 수 있다.
문 프레임(13)은 구동 암(21)의 선단에 배치되는 문 경사 조정부재(30)에 의해 경사(요동) 자유롭게 지지된다.
구체적으로는, 문 경사 조정부재(30)는 도 3에 도시한 바와 같이, 로드 엔드 베어링(rod end bearing)(31) 및 요동축(32)을 구비한다. 로드 엔드 베어링(31)은 구동 암(21)의 선단에 장착된다. 요동축(32)은 로드 엔드 베어링(31)에 의해 축심(軸心;shaft center)이 경사 가능하게 지지된다. 요동축(32)은 문 프레임(13)의 중심에 금구(金具)(321)를 이용해서 고정된다. 금구(321)로 문 프레임(13)에 고정된 요동축(32)은 구동 암(21)의 선단상면에 장착된 로드 엔드 베어링(31)의 구면(球面) 내륜(311)에 삽입된다.
로드 엔드 베어링(31)은 공지의 로드 엔드 베어링(일본국 공개특허공보 2003-247540호, 일본국 공개실용신안공보 평2-78808호)을 이용해서 구성할 수 있고, 내측에 형성된 구면형상의 장착구멍에, 구면 내륜(311)이 요동 가능하게 유지되어 있다. 요동축(32)은 구면 내륜(311)과 함께 경사 가능하게 유지된다.
요동축(32)의 문 프레임(13)에 장착된 일단부에 대한 반대측의 타단부에는 각도 조절 헤드(33)가 마련된다. 구동 암(21)의 선단에는 각도 조절 블록(34)이 장착된다. 각도 조절 블록(34)에는 각도 조절 헤드(33)가 관통되는 개구(34A)가 형성된다. 개구(34A)의 크기는 각도 조절 헤드(33)의 경사를 허용하는 크기로 설정된다.
이상의 문 경사 조정부재(30)의 구성으로 인해, 도 4에 도시한 바와 같이 문(10)은 구동 암(21)에 대하여 경사 자유롭게 지지된다. 문(10)의 경사각도의 최대α는 각도 조절 헤드(33)의 외부직경과 각도 조절 블록의 개구(34A)의 내부직경과의 상대관계에 의해 규제(조절)된다.
또, 문 프레임(13) 및 구동 암(21)에는 문(10)의 중심 주변의 회전을 규제하는 문 회전 규제부재(40)가 마련된다. 도 6에 도시한 바와 같이, 문 회전 규제부재(40)는 문(10)에 있어서의 석영 튜브(2)의 노 입구(2A)를 닫는 면의 중심에서 치우친 위치에 마련되어 문(10)의 회전을 규제한다.
본 실시형태에서 문 회전 규제부재(40)는 도 5에 도시한 바와 같이, 회전 규제 헤드(42) 및 회전 규제판(41)을 구비한다. 회전 규제 헤드(42)는 구동 암(21)에 고정된다. 회전 규제판(41)은 문 프레임(13)에 고정된다. 한편 이와는 반대로, 회전 규제 헤드(42)가 문 프레임(13)에 고정되고, 회전 규제판(41)이 구동 암(21)에 고정되는 구성을 채용하는 것도 가능하다.
회전 규제판(41)은 예를 들면 스트립(strip)형상의 판금(板金;sheet metal)을 그 길이방향의 2군데에서 대략 Z자형상으로 굽힘 가공하여 제작된다. 회전 규제 헤드(42)는 구동 암(21)에 있어서 문(10)과 반대측에 수직으로 고정되는 지지 블록(43)에, 문(10)쪽으로 돌출하도록 장착된다.
회전 규제판(41)은 서로 평행해지는 양단편(兩端片)(411, 412) 중 한쪽(411)을 이용해서 문 프레임(13)의 원반부(131)에 나사 고정 등으로 고정된다. 회전 규제판(41)의 다른 쪽 단편(412)에 형성된 개구(41A)에 회전 규제 헤드(42)가 관통된다. 개구(41A)의 크기는 회전 규제 헤드(42)의 회전을 일정 범위로 규제하는 크기로 설정된다. 구체적으로는, 문(10)의 경사각도가 상기 각도α의 범위에서 변경 가능하게 회전 규제 헤드(42)가 개구(41A)에 삽입 통과하도록, 회전 규제 헤드(42)와 개구(41A)가 조정된다.
이상의 문 회전 규제부재(40)의 구성에 의해, 요동축(32) 주변의 문(10)의 회전이 규제된다. 이로 인해, 석영 튜브(2)의 노 입구(2A)와 문 내면의 석영판(11)을 맞대어 문지르는 것의 재현성을 유지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 문(10)에 단열재(12)가 내장되므로, 문(10)의 내측과 외측에 온도차가 있어도 문 내면의 석영판(11)의 온도 저하가 억제된다. 이로 인해, 석영 튜브(2)의 노 입구(2A) 근방에 확산용 가스에서 유래한 부생성물이 석출되는 것이 방지된다.
문(10)은 문 프레임(13)과 석영판(11) 사이에 단열재가 끼이는 구조이다. 따라서, 문(10)이 단열재(12)를 구비하는 구조이더라도 문 외면의 문 프레임(13)을 구동 암(21)으로 지지해서 회동 자유롭게 하는 개폐기구(20)에 의해 지장 없이 문(10)을 개폐할 수 있다.
또한 구동 암(21)이 구동 수단(23)에 의해 석영 튜브(2)의 노 입구(2A)측으로 힘이 가해지고 있어, 이 구동 암(21)의 선단에 마련되는 문 경사 조정부재(30)에 의해 문 프레임(13)이 지지되어 있음으로써, 석영 튜브(2)의 노 입구(2A)의 형상에 따라 문 내면의 석영판(11)이 추종하는 형태로 양자의 밀폐성을 높일 수 있다. 이로 인해, 석영 튜브(2)의 노 입구(2A)로부터 대기가 침입하는 것이 방지되어, 대기와의 반응으로 인한 부생성물의 발생을 방지할 수 있고, 문의 부식이나 노 내부의 오염을 막을 수 있어, 유지 관리 주기를 길게 할 수 있다.
상술한 실시형태의 설명은 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상술한 실시형태가 아니라, 특허청구범위에 의해 제시된다. 또한 본 발명의 범위에는 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims (7)

  1. 일단(一端)이 닫힘과 아울러 타단(他端)에는 개구가 형성되고, 상기 타단의 개구를 통해서 열처리되는 워크가 수용되는 프로세스 튜브와, 상기 프로세스 튜브의 개구를 개폐하는 문과, 상기 개구를 개폐하도록 상기 문을 동작시키는 개폐기구를 구비하고,
    상기 문은 상기 프로세스 튜브측에 배치되는 내면부재, 상기 내면부재의 외측에 배치되는 단열재, 및 상기 단열재의 외측에 배치되어 상기 내면부재와 상기 단열재를 유지하는 문 프레임을 가지며,
    상기 개폐기구는 선단에 상기 문 프레임을 지지하고, 상기 문과 함께 상기 프로세스 튜브에 접근하는 일방향과 프로세스 튜브로부터 멀어지는 타방향으로 구동되는 구동 암과, 상기 구동 암을 구동하는 구동 수단을 가지며, 상기 구동 수단의 구동력에 의해 상기 문을 구동하여 상기 프로세스 튜브의 개구를 개방 또는 폐쇄하도록 구성되어 있고,
    상기 구동 암의 선단에 경사 가능하게 지지됨과 아울러, 상기 문 프레임에 장착되어, 상기 문을 경사 조정 가능하게 지지하는 문 경사 조정부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 문 경사 조정부재는 상기 구동 암의 선단에 장착된 로드 엔드 베어링(rod end bearing)과, 상기 로드 엔드 베어링에 의해 축심(軸心;shaft center)이 경사 가능하게 지지되는 요동축을 구비하고, 상기 요동축이 상기 문 프레임에 장착되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 요동축의 문 프레임에 장착된 일단부에 대한 반대측의 타단부에는 각도 조절 헤드가 마련되고,
    상기 각도 조절 헤드가 관통되고, 또한 상기 각도 조절 헤드의 경사를 허용하는 크기의 개구가 형성된 각도 조절 블록이 상기 구동 암의 선단에 장착되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 문 프레임 및 상기 구동 암에는 상기 문에 있어서 상기 프로세스 튜브의 개구를 닫는 면의 중심에서 편심(偏心)된 위치에, 상기 문의 중심 주변의 회전을 규제하는 문 회전 규제부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 문 회전 규제부재는 상기 문 프레임 또는 상기 구동 암의 어느 한쪽에 마련된 회전 규제 헤드; 및 상기 문 프레임 또는 상기 구동 암의 다른 쪽에 마련되며, 상기 회동(回動) 규제 헤드가 관통함과 아울러, 상기 회전 규제 헤드의 회전을 일정 범위로 규제하는 크기의 개구가 형성된 회전 규제판;을 구비하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 수단으로서, 왕복동하는 피스톤 로드와, 상기 피스톤 로드를 수납하는 실린더 튜브를 구비하고, 유체압을 공급받아 피스톤 로드가 실린더 튜브에 대하여 진출, 후퇴하여 구동력을 전달하는 실린더 기구로 구성되며,
    상기 구동 암의 기단(基端)이 상기 피스톤 로드에 연결되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동 암은, 상기 프로세스 튜브의 개구를 닫는 상기 문의 면과 대략 평행하게 연장되어 마련되고,
    상기 열처리 장치에 고정된 고정 브래킷의 일단부에는, 상기 구동 암과 상기 제1 링크가 동시회전(corotation)하도록, 상기 구동 암의 기단부와 상기 제1 링크의 일단부가 회전 가능하게 지지되며,
    상기 고정 브래킷의 타단부에는 상기 실린더 튜브가 회전 가능하게 지지됨과 아울러, 상기 제1 링크의 타단부는, 서로 회전 가능하게 상기 피스톤 로드의 선단부와 연결되고, 상기 고정 브래킷은 일단부가 타단부보다 상기 프로세스 튜브에 가까운 위치가 되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
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