JP4874754B2 - 被加熱物の熱処理方法 - Google Patents

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及び該装置を用いた被加熱物の熱処理方法に関する。

現在、様々な産業で用いられている電子部品の電極材料として、金属粉末を含む導電性ペーストが使用されている。この導電性ペーストによる電極の形成過程は、主に、スクリーン印刷による導電性ペーストの塗布工程と、熱処理による焼成工程によって構成され、焼成工程では、その電子部品に求められる特性が得られる熱処理条件（温度、時間、温度変化等）で導電性ペーストの焼成が行われる。

このような焼成工程で使用される熱処理装置は、様々な温度の時間変化を与えることが求められている。そのため、熱処理装置は通常、複数の熱処理炉を具備し、多段階で被加熱物を熱処理できるよう、いくつかの加熱区間に分けられている。そして、それらの加熱区間では、各区間の熱処理炉内にあるヒーターの出力を、各設定温度を保つように制御している。その制御は、被加熱物の熱処理炉内での有無やその投入間隔にかかわらず、設定温度に実測温度を合わせるように行われ、熱処理炉内は定常的に加熱され続けている。

近年、特に結晶太陽電池の製造における焼成工程では、変換効率の向上のために、アルミニウム粉末を用いた導電性ペーストによるＢＳＦ（Ｂａｃｋ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｅｌｄ）の効果的な形成が求められ、その具体策として最高到達温度への昇温速度増加が有効であることが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。しかし、従来方式であるメッシュベルトによる搬送方式では、メッシュベルトの熱容量が大きいことから、昇温速度を大きくすることが困難であった。

それに対し、ウォーキングビームによる搬送方式では、熱容量の小さいワイヤ等をウォーキングビームに使用することで、ヒーターからの出力を効率よく被加熱物に振り分けられ、メッシュベルト方式に比べて大きな昇温速度を得ることができる（例えば、特許文献３、特許文献４及び特許文献５参照）。
そして、太陽電池の焼成工程において、ウォーキングビームによる搬送方式を利用して被加熱物に大きな温度変化を与える（昇温速度や降温速度を大きくする）場合、被加熱物が通過する複数の熱処理炉の間で大きな温度差を発生させるため、それらの区間を仕切る熱処理炉の壁の断熱材の厚さを厚くするなどの対策が取られる。

しかし、加熱区間を仕切る熱処理炉の壁の断熱材の断熱は完全でない上、熱処理炉にはウォーキングビームや被加熱物が通るための開口部が設けられていることから、多段階で被加熱物に熱処理を施す際、周りの熱処理炉に比べて常に高温に設定される熱処理炉の高温区間からそれよりも温度の低い低温区間へ熱エネルギーが移動し、低温区間の温度が上昇してしまい、得られる昇温速度は不十分であった。

特開平８−１６２４４６号公報 特開２００３−９０６８５号公報 特開２００４−２８６４２５号公報 特開２００４−２８６４３４号公報 特開２００６−１８９２３６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、本発明の目的は、ウォーキングビームによる搬送方式を利用し、大きい昇温速度を得ることができる熱処理装置及び被加熱物の熱処理方法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載置された被加熱物が、ヒーターを有する熱処理炉内に搬送され、複数の前記熱処理炉内を通過することによって、前記被加熱物に多段階の熱処理を施す熱処理装置において、
少なくとも、前記多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される前記熱処理炉の有する前記ヒーターは、前記ウォーキングビームの搬送周期と連動して出力制御を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。

また、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載置された被加熱物が、ヒーターを有する熱処理炉内に搬送され、複数の前記熱処理炉内を通過することによって、前記被加熱物に多段階の熱処理を施す熱処理方法において、
少なくとも、前記多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される前記熱処理炉の有する前記ヒーターを、前記ウォーキングビームの搬送周期と連動させて出力制御することを特徴とする被加熱物の熱処理方法を提供する。

このように、多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉のヒーターを、ウォーキングビームの搬送周期と連動させて出力制御することによって、被加熱物が搬送されている間、多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉内の雰囲気は、定常的に熱処理炉内を加熱している場合に比べて低い温度に保たれ、高温に設定される熱処理炉からそれよりも温度の低い熱処理炉へ移動する熱エネルギーを減らすことができる。従って、被加熱物に対して急激な温度変化を与えることができ、被加熱物の昇温速度を大きくすることができる。また、被加熱物への加熱むらを少なくすることができ、被加熱物の特性を均一化することができる。

特に、太陽電池の製造における電極の焼成工程では、上述のように被加熱物の昇温速度を大きくすることができるため、ＢＳＦを効果的に形成でき、太陽電池の変換効率を向上できる。

この場合、前記ヒーターの出力制御は、前記被加熱物が前記熱処理炉内にあるときよりも前記熱処理炉外にあるときの方が１／２以下の出力値になるように制御するものであることが好ましく、また、前記ヒーターの出力制御を、前記被加熱物が前記熱処理炉内にあるときよりも前記熱処理炉外にあるときの方が１／２以下の出力値に制御することが好ましい。

このように、ヒーターの出力制御を、被加熱物が熱処理炉内にあるときよりも熱処理炉外にあるときの方が１／２以下の出力値に制御することによって、より効果的に被加熱物の昇温速度を大きくすることができる。

さらに本発明は、前記複数の熱処理炉の壁面は、冷却手段により冷却されているものであることが好ましく、また、前記複数の熱処理炉の壁面を冷却手段によって冷却することが好ましい。

このように、複数の熱処理炉の壁面を冷却手段によって冷却することにより、ヒーターの出力が下がっている間に個々の熱処理炉内の温度を下げることができ、多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉とそれよりも低い温度に設定される熱処理炉の間の温度差を大きくすることができるため、被加熱物に施す熱処理の昇温速度を増加させることができる。

本発明に従う熱処理装置及び被加熱物の熱処理方法であれば、メッシュベルト式や従来のウォーキングビーム式などの熱処理装置よりも、被加熱物に対して急激な温度変化を与えることができ、被加熱物の昇温速度を大きくすることができる。特に、本発明による熱処理装置を太陽電池の電極焼成工程に適用することによって、より効果的にＢＳＦを形成することができ、高い変換効率の太陽電池を製造することができる。

通常、ウォーキングビームによる搬送方式を利用して被加熱物に大きな温度変化を与える（昇温速度や降温速度を大きくする）場合、被加熱物が通過する複数の加熱区間の間で大きな温度差を発生させるため、それらの区間を仕切る熱処理炉の壁の断熱材の厚さを厚くするなどの対策が取られているが、熱処理炉にはウォーキングビームや被加熱物が通るための開口部が設けられていることから、高温側から低温側への熱エネルギーの移動が生じる。その結果、低温側では設定温度を超える温度となることが多く、低温区間における熱処理炉内の昇温（降温）速度を大きくすることには限界があった。

その上、図３のように高温に設定される熱処理炉のヒーターは定常的に加熱し続ける温度制御を行うので、高温側の区間から低温側の区間へ移動する熱エネルギーは、常に高温側の区間に供給され続けることとなってしまう。図３は従来の熱処理方法における搬送速度（Ａ）とヒーターの加熱出力（Ｂ）と被加熱物温度（Ｃ）の経時変化の一例を示したグラフである。

そこで、本発明者は、ウォーキングビームによる搬送方式を利用した熱処理装置において、熱処理炉に被加熱物が投入された時にヒーターの出力を増加させれば、被加熱物のみを所望の温度に昇温でき、その際、被加熱物に対して急激な温度変化を与えることができることを想到し、本発明を完成させた。以下、本発明の実施の形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図２は本発明によるウォーキングビーム搬送方式を利用した熱処理炉の一実施例を示す図である。この熱処理装置７は、搬送装置１で駆動するウォーキングビーム２に載置された被加熱物６が、ヒーター３ａ、３ｂ、３ｃを有する熱処理炉内に搬送され、３つの熱処理炉４ａ、４ｂ及び４ｃ内を通過することによって、被加熱物６に３段階の熱処理を施す。その際、３段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉４ｃの有するヒーター３ｃは、ウォーキングビーム２の搬送周期と連動して出力制御をするものである。

このように、３段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉のヒーター３ｃを、ウォーキングビーム２の搬送周期と連動させて出力制御することによって、３段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される熱処理炉４ｃ内の雰囲気は、定常的に熱処理炉内を加熱している場合に比べて低い温度に保たれ、高温に設定される熱処理炉からそれよりも温度の低い熱処理炉へ移動する熱エネルギーを減らすことができる。従って、被加熱物に対して急激な温度変化を与えることができ、被加熱物の昇温速度を大きくすることができる。また、被加熱物への加熱むらを少なくすることができ、被加熱物の特性を均一化することができる。

特に、太陽電池の製造における電極の焼成工程では、被加熱物の昇温速度を大きくすることにより、ＢＳＦを効果的に形成でき、太陽電池の変換効率を向上できる電極を形成することができる。

図２では、３つの熱処理炉によって、被加熱物６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、熱処理条件等によって適宜変更すればよい。

本実施形態では、低温区間として熱処理炉４ａ、４ｂを２００〜３００℃程度まで昇温し、高温区間としては熱処理炉４ｃを８００℃程度まで昇温する。

搬送装置１については、その駆動源に各種アクチュエータを用いることができる。例えば、電気モータや圧縮空気や油圧によるピストン、リニアモータなどである。ウォーキングビーム２の構成材料、特に被加熱物との接触する部材は、棒材や線材（ワイヤ）などを用いる。素材は、被加熱物の熱処理温度や被加熱物への汚染を考慮し、金属やセラミックス、ガラス、樹脂などを使用する。

被加熱物６のウォーキングビーム２による搬送周期については、被加熱物の熱処理時間や昇温速度、被加熱物の質量によって選定する必要がある。それに対して、搬送周期の内訳、つまり移動時間と停止時間あるいは高速移動と低速移動では、同じ搬送周期であっても、できるだけ移動にかける時間を短くすることが望ましい。なぜなら、被加熱物に温度変化を与える場合は、できるだけ短い時間で被加熱物全体を同じ温度環境に曝すことが望ましく、温度差のある区間を被加熱物が移る場合、被加熱物の進行方向で被加熱物内の温度分布が拡大するためである。
このことは、進行方向における被加熱物の長さが大きくなるか、被加熱物の熱容量が小さくなるほど強く影響する。

ヒーター３ａ、３ｂ、３ｃについては、赤外線加熱や熱風、誘導加熱などを用いることができる。これも、熱処理温度や被加熱物の熱的特性（形状、熱容量、赤外線吸収率）などを考慮する必要がある。そして、被加熱物６のウォーキングビーム２による搬送の周期と少なくとも周りの熱処理炉より高い温度に設定される熱処理炉４ｃのヒーター３ｃの出力周期の制御の同期化は、両者を統一して電子制御を行うことによってなされる。低温側と高温側の区間を仕切る３つの熱処理炉の壁は、断熱材などで作製し、できるだけ熱エネルギーの移動が少ないようにする。

また、従来のウォーキングビームを利用した熱処理炉のヒーターのままでは、搬送間隔の時間内に基板を設定温度まで昇温できなく、出力が不十分であるため、ヒーター３ｃは、高温側の区間における赤外線ヒーター３ｃを出力の大きいものに交換するとともに、その本数を増加させたものを用いるようにしたが、搬送間隔の時間内に基板温度を８００℃程度まで到達させることができるものならよい。

そして、ヒーター３ｃの出力制御は、被加熱物６が熱処理炉内にあるときよりも熱処理炉外にあるときの方が１／２以下の出力値になるように制御するものであることが好ましい。このように、ヒーターの出力制御することによって、より効果的に被加熱物の昇温速度を大きくすることができる。

さらに、３つの熱処理炉４ａ、４ｂ、４ｃの壁面は、冷却手段５により冷却されているものであることが好ましい。このように、熱処理炉の壁面を冷却することにより、ヒーターの出力が下がっている間に個々の熱処理炉内の温度を下げることができ、高温区間の熱処理炉４ｃと低温区間の熱処理炉４ａ及び４ｂの間の温度差を大きくすることができ、被加熱物６に施す熱処理の昇温速度を増加させることができる。また、各区間の冷却については、熱処理炉の壁の外側での対流や、熱処理炉の壁からの放射などを用いても良いが、より積極的に熱処理炉の壁へのフィンの設置や冷却水を用いた熱交換を行うと効果的である。

このような本発明に係る熱処理装置を用いて、本発明にかかる被加熱物の熱処理方法について、以下に詳述する。

図１は、本発明に係る熱処理方法における搬送速度（Ａ）とヒーターの加熱出力（Ｂ）、被加熱物温度（Ｃ）の経時変化の一例を示したグラフである。
この図１では、搬送が停止したのちに高温に設定される熱処理炉のヒーター３ｃの出力が立ち上がり、被加熱物温度の上昇が始まっている。そして、次の搬送が開始される前に、ヒーター３ｃの出力は立ち下がり、被加熱物温度は下降を始める。

その結果、被加熱物の搬送中、高温側の区間の雰囲気（ウォーキングビームや断熱材、熱処理炉の壁、熱処理炉内の気体）は、定常的に熱処理炉内を加熱している場合に比べて低い温度に保たれ、熱処理炉の壁などの構造物を介して熱処理炉内の高温側から低温側へ移動する熱エネルギーを小さくすることができる。そうすることで、熱処理炉内の各区間の間の温度差を大きくすることができ、被加熱物が熱処理炉４ｃにあるとき、そこを通過する被加熱物の温度の昇温速度を増大することができる。

そして、このヒーターの出力の増加は、加熱区間に被加熱物が完全に送り込まれた後（より望ましいのは搬送が停止した後）に、開始されることが望ましい。そうすることで、ヒーターから発せられる熱エネルギーが効率良く被加熱物に移動するため、昇温速度を大きくできるとともに、無駄に熱処理炉内の雰囲気を加熱することを避けて、複数の熱処理炉間の温度差を大きくすることができる。

また、このような搬送とヒーターとを連動させ、搬送周期とヒーターの出力周期の同期化を図ることによって、被加熱物への加熱むらを小さくすることができ、被加熱物の特性を均一化することができる。なぜならば、仮に、搬送開始直後に加熱を開始してしまうと、被加熱物全体がまだ熱処理炉内に入り切っておらず、被加熱物への加熱むらが生じてしまうためである。

この方法は、メッシュベルト式の搬送形式ではなく、間欠的に搬送を行うというウォーキングビームによる搬送方式の特性を生かすことで実現できる。つまり、搬送と加熱とを同期させ、且つ間欠的に行うものである。また、熱容量が小さいワイヤなどをウォーキングビームに使用することで、ヒーターからの出力を効率良く被加熱物を加熱することに振り向けられるため、昇温速度を大きくすることができる。

そして、被加熱物が移動している時、つまり熱処理炉内に被加熱物が停止していないときに、ヒーターの出力が被加熱物が停止している時のヒーターの最高出力の１／２以下、特には０であることが望ましい。このように、ヒーターの出力を制御することによってより効果的に昇温速度を大きくすることができる。

前述のように、高温側の区間における熱処理炉内の雰囲気温度を低く保つためには、理想的には被加熱物が投入されていない間は、ヒーターの出力が無いことが望ましいが、現実的に搬送間隔での昇温が間に合わない場合や、ヒーターへの負荷が増大するための短寿命化などの問題がある場合は、被加熱物が投入されていない間もある程度の加熱を持続させておくことも可能である。ただし、その場合でも被加熱物が投入された後と前とのヒーターの最高出力の比を大きくすることが望ましい。その比は、最低でも１／２程度あることが望ましい。

さらに、熱処理炉の壁面が、冷却手段によって冷却されていることが望ましい。
このように壁面を冷却する理由は、低温側の区間の雰囲気温度を下げることにあるが、その方法には、二通りある。直接、低温側の区間の温度を下げるための低温側への実施と、高温側からの熱エネルギーの流入を防止するための高温側への実施である。
どちらの場合も、低温側の温度を下げることによって、高温側と低温側の間の温度差を大きくする効果を持ち、結果的に昇温速度を増加させる。

以下、本発明の実施例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜電極焼成工程前の太陽電池形成工程＞
３族元素のガリウムを不純物元素とするｐ型単結晶太陽電池用シリコンウエーハ（１００ｍｍ角、面方位｛１００｝、基板厚２５０μｍ、抵抗率１．０Ωｃｍ）を、水酸化カリウム水溶液によりエッチングしてダメージ層を取り除く。
さらにＩＰＡを混入した水酸化カリウム水溶液により、反射防止構造であるテクスチャ構造を形成する。
引き続き、受光面側にＰＯＣｌ_３液体ソースを利用した熱拡散によって５族元素のリンを不純物としたｎ領域を受光面に作製する。また、この工程は塗布拡散、もしくはイオン注入法によって行うこともできる。
ここで、太陽光反射防止と表面保護をかねて、プラズマＣＶＤ法によって膜厚７０ｎｍの窒化膜を受光面上に形成する。この窒化膜の成膜には、ＰＶＤ法を用いても問題ない。
さらに、裏面（受光面と反対側の面）全面に対し、アルミニウム粉末を含む導電性ペーストを印刷し、乾燥する。
次に、受光面に対し、銀粉末を含む導電性ペーストをフィンガー電極とバスバー電極の形状に印刷し、乾燥する。

（実施例１・２、比較例１）
＜ヒーターの設定＞
本発明による電極の焼成を行うためには、従来のウォーキングビームを用いた熱処理装置のヒーターでは、高温に設定する区間の熱処理炉におけるヒーターの出力が不十分であるため、高温側の区間における赤外線ヒーターを出力の大きいものに交換するとともに、その本数を増加させた。その変更点は、次の表１の通りである。この改良によって、搬送間隔の時間内に基板温度を７５０℃に到達させることができる。

＜熱処理炉内の温度検証＞
ここで、本発明による熱処理方法の効果を検証するために、一番高い温度に設定された熱処理炉のヒーターの温度制御方法を変更した３種類（実施例１、実施例２、比較例１）の熱処理方法を行う。
実施例１では、図１（Ｂ）のようにヒーターの出力をウォーキングビームの搬送周期に連動させ、最高温度に到達する熱処理炉のヒーターのみを、その熱処理炉内に太陽電池が投入され、停止した直後に急速加熱し、太陽電池が搬送されている際は、該ヒーターの出力を切る方法とする。実施例２では、実施例１と同じヒーターの制御方法で、一番高い温度に設定される熱処理炉の壁面を冷却水で冷却する方法とする。そして、比較例１では、従来通り複数の熱処理炉内のヒーターを全て設定温度を保つように加熱する方法とする。

被加熱物搬送中の各熱処理炉内雰囲気温度と、実際に熱電対を取り付けた基板を搬送させることによって熱処理炉４ｃに投入する直前の基板の温度と５００℃から７００℃までの昇温速度を、次の表２に示す。昇温速度は、５００℃から７００℃になるまでの時間で、その温度差２００℃を割ったものである。

この結果から、高温側の加熱出力を基板の投入周期に同期させて間欠的に行うことによって、被加熱物の搬送中に高温側の熱処理炉内の雰囲気温度が下がり、被加熱物を熱処理する際、大幅な昇温速度の増加を達成した（実施例１）。さらに、高温に設定される熱処理炉の壁を冷却することで、より大きな昇温速度を得ることができた（実施例２）。
一方、従来の熱処理方法では、熱処理炉４ｂの雰囲気温度が５７０℃となっているため、熱処理炉４ｃに基板が投入される前に５００℃を超える温度になってしまい、５００℃から７００℃の昇温速度を大きくすることができない（比較例１）。

＜太陽電池電極の焼成工程とその製品評価＞
次に、上記の３条件（実施例１、実施例２、比較例１）の熱処理装置及び熱処理方法で電極焼成工程を行った。焼成における熱処理炉への基板の投入間隔（搬送周期）は、３枚ずつ、１５秒間隔で行った。ウォーキングビームには、ワイヤを用いた。
そして、ソーラシミュレータ（光強度：１ｋＷ／ｍ^２、スペクトル：ＡＭ１．５グローバル）を用いて、作製した太陽電池の出力特性を測定した。得られた出力特性を、次の表３に示す。

その結果、本発明（実施例１、実施例２）によって、焼成時に基板に与えられる昇温速度が大幅に向上したため、本発明による熱処理装置で電極を焼成した太陽電池（実施例１）では、従来法で焼成したそれ（比較例１）に比べて、より高い開放電圧を得、変換効率が０．７％向上した。
また、熱処理炉の壁を冷却し昇温速度を増加させて焼成した太陽電池（実施例２）では、実施例１に比べてさらに効率が０．１％向上した。

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。

本発明に係る熱処理方法における搬送速度（Ａ）とヒーターの加熱出力（Ｂ）、被加熱物温度（Ｃ）の経時変化の一例を示したグラフである。 本発明によるウォーキングビーム搬送方式を利用した熱処理炉の一例を示す図である。 従来の熱処理方法における搬送速度（Ａ）とヒーターの加熱出力（Ｂ）と被加熱物温度（Ｃ）の経時変化の一例を示したグラフである。

符号の説明

１…搬送装置、 ２…ウォーキングビーム、 ３ａ、３ｂ、３ｃ…ヒーター、
４ａ、４ｂ、４ｃ…熱処理炉、 ５…冷却手段、 ６…被加熱物、
７…熱処理装置。

Claims (2)

1. 少なくとも、搬送装置で駆動するウォーキングビームに載置された被加熱物が、ヒーターを有する熱処理炉内に搬送され、複数の前記熱処理炉内を通過することによって、前記被加熱物に多段階の熱処理を施す熱処理方法において、
   少なくとも、前記多段階の熱処理を施す熱処理温度のうち一番高い温度に設定される前記熱処理炉の有する前記ヒーターを、前記ウォーキングビームの搬送周期と連動させて出力制御し、且つ、該ヒーターの出力制御を、前記被加熱物が前記熱処理炉内にあるときよりも前記熱処理炉外にあるときの方が１／２以下の出力値に制御することを特徴とする被加熱物の熱処理方法。
2. 前記複数の熱処理炉の壁面を冷却手段によって冷却することを特徴とする請求項１に記載の被加熱物の熱処理方法。

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