JP2011049333A - 基板の両面加熱装置および加熱ガス吹き付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の基板を変形させないで短時間に均一に加熱したい製造工程がある。基板の大きさが特に１ｍ近くまたはそれ以上になると、基板全体を加熱することが困難になる。高温のガスのビームをライン状に基板に吹き付け、基板を相対的に移動させる加熱方法では基板表裏の温度差により、基板が反るまたは割れる課題があった。
【解決手段】基板の表面と裏面に高温のガスをライン状に吹き付けて表裏の温度差を小さく抑える。これにより、大型基板の短時間均一アニール処理が可能になった。
【選択図】 図３

Description

一般に、基板に膜を形成して作製するデバイスの中には、その基板が１ｍ級の大型のものがある。例えば、ガラスや樹脂、金属シートの基板を用いるデバイスがある。ガラス基板上に成長させた薄膜を具備したデバイスとしては、液晶表示デバイス（ＬＣＤ）や有機ＥＬ（エレクトロミネセンス）表示デバイス、太陽電池等のいわゆる大面積電子デバイスがある。
薄膜はいずれのデバイスにおいてもアモルファス膜や結晶膜、絶縁膜、導電膜、保護膜として用いられる。

これら基板はシリコンウエハのような高温熱処理ができないので、真空チャンバーの中で低温に基板を保持して成膜可能なプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）の膜が用いられる。この膜はプラズマ分解で生成されるガス種を吸着しながら成長するので水素や酸素などの希望しない不純物を含み、吸湿もしやすく緻密性で劣る。 これを改良するために、プラズマのビーム（先行特許文献１参照）やレーザー光でアニールして不純物を除去する技術がある。また，絶縁膜であるなら減圧を用いる化学気相成長（ＣＶＤ）が確立された方法であるが減圧をもちいるので装置が高価になる。このために、別の方法で基板上に形成した膜を加熱する方法が取られる。例えば、目的の膜材料を溶かした溶液状のものを回転塗布(スピンオンとも言う)やスプレーなどの方式で基板に成膜して、それを２００〜５００℃で加熱して成膜できる材料がある。絶縁膜としては、例えば有機ポリマーや無機のポリマー、またはこれらの混合したポリマー塗布膜がある。導電膜としては、例えばＡｌの入ったＺｎＯ膜の塗布膜がある。銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）の微粒子を分散材で囲い、それを溶剤に溶かして塗布する金属塗布膜がある。結晶膜としては、例えば化合物半導体であるＣＩＧＳ（Ｃｕ，Ｉｎ、Ｇａ，Ｓｅの化合物）の塗布膜がある。 これらの塗布膜は４０ｃｍから２ｍくらいの大型基板の上に塗布して用いる。安価に製造するために基板の材料がガラスであったり耐熱樹脂であったりする。これらの膜は基板の温度を上げることによりその上に塗布された膜をアニールして用いる。しかし基板が４０ｃｍないし２ｍの大きさの場合、一様に均一に基板温度を上げることが困難である。いたるところ一様に熱を与えるためには、例えば炉の中でアニールするとき、数時間の時間をかけることにより基板のいたるところで温度の違いが起きないにする。この対応では、単位時間当たりの生産枚数が低下するという課題が生じる。基板は耐熱性に劣るガラスや樹脂である場合には特にアニールは困難である。プラズマジェットやレーザーを用いて基板を低温に維持したままアニールすることが提案されたり行われているが、大面積の基板では生産性に劣るという課題がある（特許文献１，２参照）。

本発明は例えば大面積電子デバイスの作製に好適な膜形成の改良に係り、例えばガラス基板の上に塗布した材料のアニールに関する。特に大型のガラス基板に塗布したシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、導電膜、または多元の化合物膜等を含む塗布膜をアニールして膜を改質する装置に関する。ガラス基板だけでなく、樹脂基板や金属基板を用いる大面積デバイスにも同じ課題がある。

特開２００６−０６１３０号公報 特開２００６−２７８６２５号公報

大型基板の加熱装置の代表は炉アニール装置とランプアニール装置である。大型基板に対してはそれぞれ課題がある。炉では一枚いれても多数枚いれても基板の周辺と中心部では温度の上がり方が違う。一様にしようとすると時間をかけてゆっくり温度を上げなくてはならない。これには生産性の低下のほかに、他の工程のタイミングと合わないという課題がある。大型基板を覆うようにランプをたくさん並べるランプアニールでは基板の周辺と中心の差は調整で抑えられるが、ランプとランプの隙間で温度差が生じる。また基板が透明であると光が吸収されにくいのと、吸収が表面材料の種類や厚みに依存するという課題がある。これら課題を解決する方法に加熱されたガスを基板に垂直にビーム状に吹き付ける方法がある。ビーム状に吹き付ける一定温度のガスは基板表面に熱を熱伝導で連続的に与えるので基板表面の塗布膜は高速アニールされる。基板が１０ｃｍ程度の小型のとき、裏面とガスの吹き付ける表面の温度差で生じる基板の反りは相対的に小さい。しかし、基板が５０ｃｍや２ｍの大きさになると基板表裏の温度差による基板の反り量は相対的に大きくなる。ガスの吹き出し口と基板の距離が基板表面温度に影響するので、この反りは一定以下に抑えないとならない。これが課題である。

この課題を図１に示す。支持台６の上に基板の裏面１ｂを接して置かれた基板１がガス吹き付け器２の下を移動する。基板１の表面１aには塗布膜５が形成されている。ガス吹き付け器２のガス加熱機構４で加熱されたガスビーム３が基板表面をほぼ垂直に吹き付けて基板表面を加熱する。基板表面に塗布された塗布膜５はガスビーム３によりアニールされ,溶剤などのガスを放出する。基板の温度は支持台６との基板裏面１ｂとの密着度合いにより違い、基板の裏面１ｂにある空気などの熱の不良導体に影響される。基板の表面１aが吹き付けガス2で加熱されて基板の加熱された部分１cが上に膨らむ。出来上がる支持台６との隙間7は熱伝導度を悪くさせて裏面の温度が上昇し膨らみは減り一定の膨らみになる。この膨らみが高温に加熱された基板に永久変形の歪を残すと、基板は平坦性を失う。これが課題である。基板を一定以上に変形させないガス吹き付け装置の構造が必要である。

図２に課題を解決する本発明の装置の基本構造を示す。基板１は隙間のある左右の支持台２５，２６の上を滑りながらガス吹き付け装置２を通過する。支持台２５，２６の間には基板裏面を加熱するための高温支持台２７が備えられている。高温支持台２７の温度は中に備えられた電熱ヒーター２８で調整される。基板がガスビーム３に当たるときに基板表面と裏面の温度が平衡状態になるように温度は調整される。この調整によりガスビームの当たる基板の加熱された部分１cの膨らみは抑制される。平衡状態を作り出す方法にはいくつかの代替技術がある。炉アニールにおいても、上下に赤外線ヒーターを持つオーブンにおいても基板の表裏両面がアニールされる。本発は基板の表面に垂直にガスをビーム状に吹き付ける装置において、基板裏面をビームの当たる場所だけ加熱することに特徴を有する。表裏の温度差を小さくする効果を得るには、裏面を積極的に加熱しなくても、裏面からの熱放射を抑制する機構でよい。この効果のためにはビームの当たる場所には支持台をおかずに空気による断熱機構でも良い。同効果を得るためには、赤外線を反射する機構を備えて裏面加熱を補助しても良い。同効果を得るためには加熱されたガスを裏面に当てる機構でも良い。積極的に表裏が同じ温度条件になるように、上に置かれたガス吹き付け装置２と同じ吹き付け装置を下に配置して基板を対向しておいた上下2つのガス吹き付け装置のガスの間を通過させても良い。基板はこの吹き付けビームを通過するとき瞬間的に表裏で加熱される。よって基板１の上の塗布膜５は通過したときに瞬間的に加熱される。基板の上下で同じ温度のガスビームが当たるので基板の表裏の温度差は原理的には無い。以上では基板を移動させるように記述したが、吹きつけ装置と基板は相対的に移動させればよく、基板を加熱する装置が移動する構造でも良い。

そして、請求項１に係る発明は、基板を移動させる機構を備え、断面が矩形または線状である加熱したガスのビームを基板の表面に吹き付けて基板表面を加熱する基板加熱装置であって、当該加熱ガスビームの当たる部分の基板の裏面を加熱する裏面加熱機構を備え、当該基板が当該加熱ガスビームと当該裏面加熱機構の間に挟まれて通過することを特徴とする基板加熱装置である。

請求項２に係る発明は前記裏面加熱機構が当該支持台に挟まれて備えられていることを特徴とする請求項１記載の装置である。

請求項３に係る発明は前記裏面加熱機構が電熱ヒーターであることを特徴とする請求項１ないし２記載の装置である。

請求項４に係る発明は前記裏面加熱機構が加熱したガスのビームを吹き付ける機構であることを特徴とする請求項１ないし２記載の装置である。

請求項５に係る発明は前記ガスが窒素、酸素、水素、アルゴン、水を含むガスであることを特徴とする請求項１ないし４記載の装置である。

請求項６に係る発明は前記基板がガラス、樹脂、金属を材料とすることを特徴とする請求項１ないし５記載の装置である。

請求項７に係る発明は、入口と出口をもつガスの流路となる溝が、加熱される金属加熱板表面の一端から反対の端までに作られてあり、断熱材で断熱された金属板を当該金属加熱板表面に密着させることで当該溝は外部と遮蔽された流路を形成し、当該流路の途中に当該金属板の長手方向に横溝が少なくとも２本以上形成されてあり、当該横溝より細くかつ横溝より多い数の縦溝が横溝と横溝の間の壁を横切って隣接する横溝同士が接続されてあり、横溝内のガスが縦溝で分かれて加速されて、縦溝出口正面の横溝の壁に衝突してまた横溝で合流する流路が形成されてあり、当該流路を通過することでガスを加熱し、加熱されたガスをビーム状に吹き出す加熱ガス吹き付け装置である。

請求項８に係る発明は、前記金属加熱板を電熱線で加熱することを特徴とする請求項７記載の装置である。

請求項１と２に係る発明によれば、基板を熱変形させずに基板表面を瞬間的に加熱できて、かつ基板を支持台の上を通過させることができる。炉のアニールの場合は、基板を移動通過できなかったが、本発明では移動が可能である。ランプアニールではランプとランプの境目で温度が不均一になり１ｍ級の大型基板を均一にアニールするのは困難であった。また基板の上の材料の赤外線吸収が材料の光学的性質の差で異なるという課題がある。しかし、本発明はガスビームの熱伝導による加熱であるので材料依存が無い。

請求項３に係る発明によれば拡張可能な電熱ヒーターの加熱機構で大きな基板の反り防止ができるので安価に装置の拡張設計が可能である。

請求項４に係る発明によれば、基板の表裏両面を同じガスのビームで加熱するので、基板が早い速度で移動するときにおいても、表面加熱が可能である。また基板移動速度を変更しても、上下の加熱機構が対称的であるので、表裏の温度差を理想的に小さくできる。

請求項５に係る発明によれば、ガスとして水を含ませることができる。水で基板の上の有機物を除去できる。酸素をガスに含ませると、有機物を酸化させて気体にしたり金属を燃焼させて拡散させづらくできる。水素をガスに含ませると水素化物として不純物を除去できる。上下のガス吹き付け装置のガス種は同じでも異なっていても目的に応じて選ぶことが自由である。

請求項６に係る発明によれば、大型のガラス基板を割らないように、また変形させないように扱える。金属や樹脂であっても変形するのを防止できる。特に平面を維持させたい基板を用いるときに本発明は有効である。

請求項７と８に係る発明によれば、ガス加熱装置の横溝を長手方向に大型基板の大きさに対応して自由に拡張することで、大型の基板をカバーして加熱できるガスビームを作り出すことができる。

図１は支持台の上に載せた基板表面を加熱したガスのビームで加熱する装置の模式図である。ガスのビームは基板表面に衝突して基板表面を瞬時に加熱する。裏面と表面の温度差のためにビームの当たった基板は上に膨らむ。 図２は加熱したガスのビームを吹き付ける加熱機構において基板の膨らみを抑制するための機構を追加した装置の模式図である。ビームが当たる基板の直下に基板裏面の温度を上げる機構を追加した。ここでは当該機構として電熱ヒーターを配置した第１の実施形態を示す。 図３は加熱したガスのビームを吹き付ける第1のガス吹き付け機構と第2のガス吹き付け機構を基板を介して対向させて配置した装置の模式図である。基板に対して対称的に配置した吹き付け機構の間を通過することにより基板表裏の温度差は小さく抑えられる。 図４はガスを加熱する機構の模式図である。(A）は当該機構の縦断面図、(B）はYY断面図である。ガス導入管からのガスは広い空間の横溝で一定圧力のガスとして集合し、１ｍｍ幅の縦溝で高い流速を得て出口で正面の横溝の壁に衝突する。この衝突が壁から効率よく熱をガスに伝達する。横溝は少なくとも２本あれば良い。この場合5段の衝突熱伝達を行いながら、均一なスリット状のガスビームを作り出す。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、これら添付図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。

実施例１を図２で説明する。ガス吹き付け装置２が基板１の上に配置されてある。ガス加熱機構４はアルミニュームで出来ている。ガスはこの加熱機構４を通過することで加熱される。加熱機構の構造の模式図を図４に示した。加熱されたガスビーム３は移動する基板１の表面１aに当たる。基板表面の塗布膜５がガスビームで加熱される。基板１は支持台２５と２６の上を移動する。支持台２５と２６の間に基板裏面を加熱する機構２７が備えられている。加熱は当該加熱機構２７の内部にある電熱ヒーター２８で行われる。支持台２５、２６は固定されている。加熱機構２７は支持台から離れてあり、隣接する部分の支持台を加熱する。加熱機構の温度を２５０℃に設定し、ガスビームの温度を２５０℃に設定して、ガスビーム幅４５ｃｍより狭い４０ｃｍの幅０．７ｍｍの厚みの基板を右から左に３００ｍｍ/分の速度で移動させた。ガスビームのガスは窒素であり、流量は５０SLMとした。横から基板の反りを観測したところ、認められなかった。基板の上に塗布したSiOC膜(韓国APM社製Miraspin
TRX)は鉛筆硬度８Hの硬さ特性を示した。基板に変形を与えないで基板の上の塗布膜をアニールできたことが確認された。

実施例２を図３に示す。ガス吹き付け装置を基板の上下に対称に配置した。上のガス吹きつけ装置３１と下の吹きつけ装置３２は同じものを用いた。内部のガス加熱機構３５と３６も同じである。基板１は支持台３７と３８の上を右から左に移動する。上のガスビーム３３は基板表面１aに、下のガスビーム３４は基板の裏面１bに当たる。基板は上下のガスビーム３３、３４に挟まれて移動する。加熱機構の温度を２５０℃に設定し、ガスビームの温度を２５０℃に設定して、０．７ｍｍの厚みで４０ｃｍ幅のガラス基板を右から左に３００ｍｍ/分の速度で移動させた。ガスビームのガスは窒素であり、流量は５０SLMとした。横から基板の反りを観測したところ、認められなかった。基板の上に塗布したSiOC膜(韓国APM社製Miraspin
TRX)は鉛筆硬度８Hの硬さ特性を示した。基板に変形を与えないで基板の上の塗布膜をアニールできたことが確認された。ここではガスとして窒素を用いた。不活性ガスとしてはアルゴンを選んでも良い。反応性のガスを混ぜることも可能である。酸素をガスに含ませると、有機物を酸化させて気体にしたり金属を燃焼させて拡散させづらくできる。金属の微粒子を分散材で覆い、それを溶剤に溶かした金属塗布膜があるが、分散材を除去するのにも酸素ビームは有効に作用する。水素をガスに含ませると水素化物として不純物を除去できる。ガスに水を含ませることもできる。沸点以上の高い温度の水は基板の上の有機物を除去するのに有効である。上下のガス吹き付け装置のガス種は同じでも異なっていても目的に応じて選ぶことが自由である。

実施例３を図４に示す。図４は基板の両面をガスビームで加熱した実施例２で用いた加熱ガス吹きつけ装置３１、３２の加熱機構３５，３６の構造の模式図である。(A)は加熱機構の厚み方向の断面を示す。(B)はYY断面図である。金属の加熱板４１は厚み２０ｍｍのアルミニュームで製造した。当該金属板の両表面に深さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ４５０ｍｍの６本の横溝４２，４３を等間隔６ｍｍで切削した。上下で隣合う横溝は深さ３ｍｍ幅１ｍｍの縦溝４４、４５を１４ｍｍの隔たりで配置して連結させた。次の段の縦溝の位置は当該隔たりの中央になるように配置した。図面では縦孔の数は省略して少なく示してある。最下に配置した横溝４２−６と４３−６に連結して深さ１ｍｍ、幅３０ｍｍ、長さ４５０ｍｍの浅いスリット溝４６，４７を金属板４１の下端まで切削した。最上の横溝４２−１と４３−１には３/８インチのガス導入管４８と４９を連結孔５０，５１を介して接続して、ガスを2系統で導入した。導入管は加熱機構の長手方向の温度分布を均一にする方向で長手両端に配置した。金属板４１の表面に切削して形成した溝を金属側板５２，５３を密着させて溝をガス流路とした。金属側板の外側は箱状に切削してあり、この中に断熱材５４、５５を配置して金属の蓋５６，５７で封入した。金属板上部にも断熱材５８を、金属板４１の端面にも断熱材５９，６０を封入した。金属板４１の内部には絶縁された電熱線６１が折り返して通してあり、図示しない電源で加熱して金属板４１を加熱した。ガスの温度は熱電対(TC)で測定して設定温度になるように電源で制御した。2本のビームをアパーチャー部品６２で一本のビームとして利用した。アパーチャー部品６２を取り外して目的に応じて2本のビームを利用するときがある。例えば、最初に基板が通過するビームのガス流量を少なくして加熱効果を低めて、塗布膜の溶剤を揮発させ、その後通過するビームのガス流量を多くして完全に焼成するという工程を組み立てることが可能である。

本実施例ではアルミニュームを金属板材料として選定したが、温度範囲や使用するガスの種類に応じて、他の材料を選んでも良い。加熱方法は電熱線としたが、ランプ加熱や誘導加熱を選んでも良い。予め加熱されたガスをガス導入部から導入しても良い。また側板に断熱材を入れた構造にしたが、側板を断熱材やセラミクスで形成しても良い。横溝は６本の実施例を示したが、横溝の本数は最小２本でも良い。

本発明は１ｍを超える大型基板表面を基板変形なしで均一に加熱する製造装置構造を提供する。大型の基板を用いる太陽電池やフラットパネル表示装置の製造を容易にさせる。

１ 基板
１ａ 基板表面
１ｂ 基板裏面
１ｃ 基板の加熱された部分
２ ガス吹き付け装置
３ ガスビーム
４ ガス加熱機構
５ 塗布膜
６ 支持台
７ 隙間
２５支持台
２６支持台
２７裏面加熱機構
２８電熱ヒーター
３１上のガス吹きつけ装置
３２下のガス吹きつけ装置
３３上のガスビーム
３４下のガスビーム
３５上のガス加熱機構
３６下のガス加熱機構
３７，３８ 支持台
４１金属板
４２、４３横溝
４４、４５縦溝
４６、４７スリット溝
４８、４９ガス導入管
５０、５１連結孔
５２，５３側板
５４，５５断熱材
５６，５７金属の蓋
５８，５９，６０断熱材
６１電熱線
６２アパーチャー部品

Claims (8)

1. 基板を移動させる機構を備え、断面が矩形または線状である加熱したガスのビームを基板の表面に吹き付けて基板表面を加熱する基板加熱装置であって、当該加熱ガスビームの当たる部分の基板の裏面を加熱する裏面加熱機構を備え、当該基板が当該加熱ガスビームと当該裏面加熱機構の間に挟まれて通過することを特徴とする基板加熱装置。
2. 前記裏面加熱機構が当該支持台に挟まれて備えられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記裏面加熱機構が電熱ヒーターであることを特徴とする請求項１ないし２記載の装置。
4. 前記裏面加熱機構が加熱したガスのビームを吹き付ける機構であることを特徴とする請求項１ないし２記載の装置。
5. 前記ガスが窒素、酸素、水素、アルゴン、水を含むガスであることを特徴とする請求項１ないし４記載の装置。
6. 前記基板がガラス、樹脂、金属を材料とすることを特徴とする請求項１ないし５記載の装置。
7. 入口と出口をもつガスの流路となる溝が、加熱される金属加熱板表面の一端から反対の端までに作られてあり、断熱材で断熱された金属板を当該金属加熱板表面に密着させることで当該溝は外部と遮蔽された流路を形成し、当該流路の途中に当該金属板の長手方向に横溝が少なくとも２本以上形成されてあり、当該横溝より細くかつ横溝より多い数の縦溝が横溝と横溝の間の壁を横切って隣接する横溝同士が接続されてあり、横溝内のガスが縦溝で分かれて加速されて、縦溝出口正面の横溝の壁に衝突してまた横溝で合流する流路が形成されてあり、当該流路を通過することでガスを加熱し、加熱されたガスをビーム状に吹き出す加熱ガス吹き付け装置。
8. 前記金属加熱板を電熱線で加熱することを特徴とする請求項７記載の装置。