JP2013032250A - 基板を加熱する機構を備えた製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型のガラス基板を反らすことなく安価に高速に加熱することが課題である。特に、当該基板表面に薄膜を付着させて、それを高速で高温でアニールしても当該基板を反らせないことが課題である。
【解決手段】高温に加熱したガスのビームを大型ガラス基板に吹き付けながら、当該基板を移動させる方式で、基板表面に付着させた薄膜を高速アニールできる。このとき、当該ビームを当該基板の表面と裏面から吹き付け、当該ビームの温度とガス流量を調整することにより、当該基板の反りを減少させることが可能である。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板の反りを防止する基板加熱装置に関するものである。

基板に膜を形成して作製するデバイスの中に、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である。

薄膜はアモルファス膜や結晶膜、絶縁膜、導電膜、保護膜である。これらの膜を形成するには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（ＰＥＣＶＤという）の膜が用いられるのが一般的である。このＰＥＣＶＤ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（ＬＰＣＶＤという）が確立された方法であるが減圧を用いるので装置が高価になる。

このため、別の方法で基板上に形成した膜を加熱する方法が開発されている。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(スピンオンと言う)やスリット塗布、スプレー塗布などの方式（塗布方式）で基板に成膜して、それを２００〜５００℃で加熱して成膜する。

塗布方式の絶縁膜としては、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。

また銅（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カルコパイライト結晶ＣＩＧＳ（Ｃｕ，Ｉｎ、Ｇａ，Ｓｅの化合物）やkesterite結晶 （Cu-Zn-Sn-S-Seの化合物）の塗布膜がある。

その他の結晶膜としては透明アモルファス酸化物半導体（例えば、TAOS：Transparent Amorphous Oxide Semiconductor，a-InGaZnO4）がある。これらの塗布膜は大きなものでは２ｍ以上の大きさの基板，または連続した基板の上に塗布して、それをアニールして用いる。

安価に製造するために基板がガラスであったり耐熱樹脂であったりする。ガラスが基板であるとき、特に基板が１ｍないし２ｍ、またはそれ以上に大きい場合、均一に基板温度を上げることは困難である。

例えば炉の中でアニールするとき、基板のいたるところで温度の違いを起こさないために数時間の時間がかかる。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。短い時間で加熱処理をすると、温度の不均一の発生のためにガラス基板が反る。

低温に基板を維持するためにプラズマジェットやレーザーを用いてアニールすることが提案され行われているが、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）。

本発明は基板を反らさずに短時間にアニールする技術に関する。特に塗布材料を塗布した大型のガラス基板のアニールに関する。

特開２００６−０６１３０号公報 特開２００６−２７８６２５号公報

均一な膜形成のためには大型の基板を均一に加熱する必要あるが、それを短時間に行わねばならない。

一般的には基板はガラスである。ガラス基板を加熱するには炉を用いる。炉では雰囲気のガスから熱を伝えるので、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。また、周辺と中心の温度が限界を超えて異なるとガラス板は割れたり反ったりする。

反りは基板搬送の動作の妨げになる。またガラスを室温にもどしたあとも、基板に反りが残る。これを回避するために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。

基板片面を短時間にアニールする方法もある。

図１にガラス基板の片面に加熱したガスを吹き付けながら、当該基板を移動することで基板表面を短時間に加熱する加熱装置の模式図を示す。ガラス基板１０１があり矢印方向に移動する。導入口１０３から入れたガスがガス加熱器１０２で加熱され、加熱されたガスが熱ビーム（Ｈｅａｔ Ｂｅａｍ：ＨＢと呼ぶことにする）１０４としてガラス基板１０１にほぼ垂直に吹き付ける。当該ＨＢの温度が一定温度以下の低温で、かつ流量が一定以下であれば、基板１０１に反りは生じない。

しかし、一定温度（例えば、基板ガラスの軟化点温度に近い温度）以上で処理すると短時間処理でも基板１０１が反る。

図２にガラス基板１０１が反って、反ったガラス基板２０１になった例を示した。当該反りは一定以下なら許容される。当該許容値はガラス基板の仕様やその使用目的により異なる。

従って、当該反りを防ぎながら、または一定以下に制御できて、短時間のうちに加熱処理できる基板加熱機構が課題である。

本発明は、請求項1に記載のように、基板の表面と裏面に当該基板を挟む位置に対向して置かれたガスを吹き付けて加熱する加熱機構を備えた製造装置である。

請求項２に係る発明は前記基板がガラス基板または金属基板であることを特徴とする請求項１記載の製造装置である。

請求項３に係る発明は、前記基板に吹き付けるガスが窒素やアルゴン、ヘリューム、炭化水素、フッ化炭素を含む不活性ガスである、あるいは水素または水素を放出する還元ガス、酸素やイオウ、セレン、テルルなど６属の元素を含むガスである、あるいはＦなど７属の元素を含むガスである、あるいは当該ガスの複数組み合わせたガスであることを特徴とする請求項１、２記載の製造装置である。

請求項４に係る発明は前記ガスが水または空気を含むガスであることを特徴とする請求項１〜３記載の製造装置である。

請求項５に係る発明は基板の表面と裏面に前記加熱機構が複数備えてあることを特徴とする請求項１〜４記載の製造装置である。

請求項１から２に係る発明によれば、基板の反りの方向と量を調整した基板の加熱が可能となる。当該反りは前記加熱気工機構が与えるガスの温度と流量、基板との距離、基板の移動速度、基板の材質と厚みに依存して制御できる。

請求項３に係る発明によれば基板の上にある材料膜をアニールするときの雰囲気を酸化雰囲気または還元雰囲気または不活性雰囲気に制御できる。

請求項４に係る発明によれば基板を加熱するだけで無く、その表面をスチームまたは水分で洗浄することを可能にする。空気はバクテリアなどを酸化して揮発させる洗浄効果がある。

請求項５に係る発明によれば基板を短時間で加熱すること、温度傾斜をつけて加熱すること、雰囲気の異なる加熱を組み合わせることを可能にする。また、低い温度を選ぶことにより、加熱された基板を短時間で冷却することが可能となる。

図1は、片面に加熱されたガスのビーム（Ｈｅａｔ Ｂｅａｍと呼ぶことにする）を吹き付けて加熱する加熱機構を備えた装置の模式図。 図２は、基板が反ったことを表す模式図。 図３は、基板の両面にガスを吹き付けて加熱する加熱機構を備えた装置の模式図。 図４は、基板の表面と裏面の両面にそれぞれ加熱したガスのビームを基板に吹き付けて加熱する加熱機構を複数備えた装置の模式図。

図３は、基板の両面にガスを吹き付けて加熱する加熱機構を備えた装置の模式図である。基板３０１があり、矢印方向に図示しない移動機構で移動する。ガス導入口３０３からガスが導入されて、瞬間ガス加熱器３０２で急速に加熱され、加熱されたガスのビーム（Ｈｅａｔ Ｂｅａｍ：ＨＢと呼ぶことにする）３０４として基板３０１にほぼ垂直に当たり、基板表面を加熱する。

表面から加熱されて熱が基板３０１の内部に伝わる。熱が伝わり、内部の温度が上昇するが、その時間経過は基板３０１の移動速度、基板の材質と厚み、ＨＢのパラメータ（ガス流量や温度）に依存する。

一方、基板の裏面にも前記加熱機構が備えてある。ガス導入口３０５、瞬間ガス加熱器３０６があり、基板の裏面にもＨＢ（Ｈｅａｔ Ｂｅａｍ）３０７が当たる。

ＨＢ３０４とＨＢ３０７が基板の表と裏から熱を注入するので、基板の熱履歴を表と裏で対称的にすることが可能である。

基板の反りはＨＢ３０４と３０７の前記パラメータの制御で制御できる。反りは基板の上につけた薄膜があるとき、基板と当該薄膜が作る応力でも反る。この場合もＨＢ３０４と３０７の前記パラメータの制御で反りを制御できる。

基板としてはガラスのほかに、セラミクスのような焼結材料、金属の材料、半導体の結晶であっても良い。

また瞬間ガス加熱器３０２と３０６の場所は対向させる位置に配置しているが、その中心を相対的にずらして配置しても良い。

当該装置の収納するケースは図３には示していない。当該装置を収納するケースを設けるとき、ＨＢのガスが当該ケースの外に漏れない気密機構や当該ケースの外の大気が当該ケース内部に流入しない気密機構を設けることは自由に設計できる。

基板３０１の表と裏に複数の前記装置を設定することは自由に設計できる。

導入するガスは加熱する目的なら不活性ガスが好適である。例えば、窒素のガスやＡｒ、Ｈｅのガスが良い。炭素を含むガス、例えばＣＯ_２基や炭化水素，フッ化炭素のガスでも良い。基板が酸化されることが問題ないとき、空気を用いることが可能である。

基板加熱のほかに、基板の上につけた薄膜を化学反応が伴う処理をすることが可能である。化学処理が還元処理なら水素のガスをまたは分解して水素を出すアンモニア（ＮＨ_３）用いることができる。

基板の上の当該薄膜を酸化する処理なら６属の酸素（Ｏ）やセレン（Ｓｅ），イオウ（Ｓ）、テルル（Ｔｅ）を含むガスを混合したガスを用いることができる。

同様にフッ素などの７属のハロゲンガスを含むガスを前記処理に使うことも可能である。

基板の表面の汚染物を取るとき、ガス導入口から水または水分を含むガスを導入してＨＢ３０４，３０７としてスチームを用いることも可能である。スチームは２００℃以上でよく汚染物を基板表面から除き、基板表面を清浄にする効果がある。

図４は基板の表面と裏面の両面にそれぞれ加熱したガスのビームを基板に吹き付けて加熱する加熱機構を複数備えた装置の模式図である。

ガラス基板４０１は５ｍｍの厚みである。その上にアルミニュームを添加したＺｎＯ膜の塗布薄膜４０２が３００ｎｍの厚みに塗布してある。

ガラス基板４０１は図示しない搬送機構で矢印の方向に移動する。

ガラス基板４０１の表面に加熱プレート４０３があり、その中に瞬間ガス加熱器４０４，４０５が備えられている。用いたガスは窒素で、加熱されたガスのビームであるＨＢ１（４０６）とＨＢ３（４０７）がガラス基板に吹き付ける。

ＨＢ１（４０６）の温度は６００℃で、ＨＢ３（４０７）の温度は３００℃である。

ＨＢ１（４０６）の流量は５０ＳＬＭで、ＨＢ３（４０７）のそれは３０ＳＬＭである。

加熱プレート４０３には瞬間ガス加熱器４０４と４０５を囲むように環状ガス吸引溝ＲＧ１とＲＧ３があり、当該溝からガスが吸引口ＥＸ１、ＥＸ３を通して吸引されて排出される。塗布薄膜４０６を加熱したときに有害ガスがでるとき、それがＥＸ１、ＥＸ３より排出される。

加熱プレート４０３には瞬間ガス加熱器４０４と４０５の両方を囲むように環状ガス吹き付け溝ＲＧ５があり、ガス供給口ＰＲ１とＰＲ３から窒素ガスが供給されて基板に吹き付ける。当該吹き付け溝ＲＧ５からのガスは外部から空気が流入するのを阻止する、または希釈するように作用する。

ガラス基板４０１の裏面には表面と対象的に瞬間ガス加熱器４０８と４０９が備えられた加熱プレート４１０がある。

加熱プレート４１０のガス流量と温度は加熱プレート４０３と同一とした。

ガラス基板の厚さは５ｍｍ、幅は１５ｃｍであった。長さは５０ｃｍ、１ｍの２種類として、毎分５ｃｍから５０ｃｍの範囲で速度を変化させて移動させた。

基板裏面の加熱プレートがないとき、ガラス基板の中心と端の反りは５ｍｍ以上あった。

それに対して本実施例の構成では、その反りは１ｍｍ以下であり、大きく改善された。

本発明は、太陽電池やフラットパネル表示装置（ＦＰＤ）をガラス基板などの大型基板の上に安価に製造する技術に好適である。またビルの窓ガラスの上に基板を反らせることなく機能材料を安価につけることを可能にする。

１０１ ガラス基板
１０２ ガス加熱器
１０３ ガス導入口
１０４ 加熱されたガスのビーム（Ｈｅａｔ Ｂｅａｍ）
２０１ 反ったガラス基板
３０１ 基板
３０２，３０６ 瞬間ガス加熱器
３０３，３０５ ガス導入口
３０４，３０７ 加熱されたガスのビーム（Ｈｅａｔ Ｂｅａｍ：ＨＢ）
４０１ ガラス基板
４０２ 塗布薄膜
４０３，４１０ 加熱プレート
４０４，４０５，４０８，４０９ 瞬間ガス加熱器
４０６ ＨＢ１
４０７ ＨＢ３
ＥＸ１，ＥＸ２，ＥＸ３，ＥＸ４ 吸引口
ＰＲ１，ＰＲ２，ＰＲ３，ＰＲ４ 環状ガス吹き出し溝
ＲＧ１，ＲＧ３ 環状ガス吸引溝
ＲＧ５ 環状ガス吹き出し溝

Claims (5)

1. 基板の表面と裏面に当該基板を挟む位置に対向して置かれたガスを吹き付けて加熱する加熱機構を備えた製造装置。
2. 前記基板がガラス基板または金属基板であることを特徴とする請求項１記載の製造装置。
3. 前記基板に吹き付けるガスが窒素やアルゴン、ヘリューム、炭化水素、フッ化炭素を含む不活性ガスである、あるいは水素または水素を放出する還元ガス、酸素やイオウ、セレン、テルルなど６属の元素を含むガスである、あるいはＦなど７属の元素を含むガスである、あるいは当該ガスの複数組み合わせたガスであることを特徴とする請求項１、２記載の製造装置。
4. 前記ガスが水または空気を含むガスであることを特徴とする請求項１〜３記載の製造装置。
5. 基板の表面と裏面に前記加熱機構が複数備えてあることを特徴とする請求項１〜４記載の製造装置。