JP2000124096A

JP2000124096A - 熱処理炉装置

Info

Publication number: JP2000124096A
Application number: JP10294744A
Authority: JP
Inventors: Rei Otsuka; 玲大塚
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】大型基板を用いたフォトリソグラフィにおい
て、熱処理工程で温度分布を均一にすること。【解決手段】プロキシミティ方式の熱処理炉装置にお
いて、ホットプレート２の上部に複数のピン４を用いて
ＴＦＴアレー基板１を載置する。そして熱壁３を吸気用
の熱壁室３ａと、排気用の熱壁室３ｂとの２層構造にす
る。ＴＦＴアレー基板１のベーク時に、ホットプレート
２を所定温度に加熱し、排気口３ｃから庫内の空気を排
気する。そうすると庫内の圧力バランスにより、吸気口
３ｄから外気が流入する。熱壁室３ａを流れる空気の熱
は、２層構造での熱交換作用により、熱壁室３ｂを流れ
る空気側に移動する。このため吸入された外気は、温め
られて熱壁３の庫内に入る。このためＴＦＴアレー基板
１の表面温度を均一にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に大型基板を用いて
半導体素子を形成する熱処理炉装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体基板を用いた表示装置とし
てフラットパネルディスプレイが商品化されている。こ
のような表示装置には、非晶質シリコン（以下、a-Siと
いう）を形成した薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴとい
う）アレー基板が用いられている。ここに来て表示装置
用の基板が大型化し、パネルの４面取りや６面取りが行
われている。このように基板の多面取りをすることによ
り、投資効率の向上と生産台数の増加が実現される。し
かし、技術的に未だ確立していない項目も山積してい
る。特にフォトリソグラフィ技術では、より微細なパタ
ーンが要求されている。しかし、半導体基板のそりや、
プロセスによる半導体基板の伸び縮みが十分制御でき
ず、露光機の倍率補正に依存しているのが現状である。
以下、現在の半導体プロセスのフォトリソグラフィ工程
について、その一例を説明する。

【０００３】まず、製膜された半導体基板に対して、純
水にて主面を洗浄する塗布前洗浄工程がある。次に、洗
浄直後に水分を飛ばすデハイドベーク工程があり、この
工程の後には、レジストと半導体基板の主面の密着性を
向上させるためのアドヒージョン工程がある。次に、レ
ジストをスピンコートにて指定膜厚に塗布し、半導体基
板の主面以外についたレジストを取る工程、即ちエッジ
リムーバーを行う工程がある。その後、塗布したレジス
トをソフトベークするプリベーク工程がある。そしてマ
スクを使用しての露光を行う工程がある。最後に、現像
工程・ポストベーク工程を行って、パターニングされた
レジスト形状を固める工程がある。以上の工程がフォト
リソグラフィ工程である。

【０００４】このようなフォトリソグラフィ工程では、
ベーク工程が３工程も含まれる。このうち、露光感度を
決定するプリベーク工程は、レジストの線幅精度に寄与
する大切な工程である。また、生産タクトと工場の設備
面積の関係から、他のベーク工程と同一構造の熱処理炉
装置を採用していた。従来の熱処理炉装置は、コンタク
トベーク方式であった。このため、処理時間も短く、面
内均一性として３σ≦０．５μｍが得られ、微少寸法精
度のよいパターンを作製することができた。

【０００５】しかし、半導体基板が大きく、且つ基板厚
みが１．０ｍｍ以下になってくると、剥離帯電が大き
く、搬送系のトラブルや静電気によるダストの吸着が原
因となり、パターン崩れやパターン残りが発生する。こ
れらがＴＦＴアレー基板の歩留り低下を引き起こす原因
となっていた。

【０００６】最近は、剥離帯電を根本的に回避するため
に、コンタクトベーク方式からプロキシミティベーク方
式への変更が行われつつある。但し、精度や生産タクト
に課題が発生してくる。

【０００７】次に従来の熱処理炉装置として、ＴＦＴア
レー基板に対するプロキシミティベークの断面構造を図
２に示す。本図に示す熱処理炉装置において、ＴＦＴア
レー基板１は複数のピン４を用いてホットプレート２上
に載置されている。また炉壁５として、熱隔壁側板５ａ
及び熱隔壁天板５ｂが設けられている。ピン４はＴＦＴ
アレー基板１をホットプレート２に直接に接触させない
ための支持部材である。

【０００８】このような構成の熱処理炉装置において、
熱処理しようとするＴＦＴアレー基板１をホットプレー
ト２に装着するときには、図２（ａ）に示すように、熱
隔壁側板５ａをホットプレート２の下方向Ａ’に下げ
る。そして、熱隔壁側板５ａと熱隔壁天板５ｂとの間か
らＴＦＴアレー基板１を挿入し、ホットプレート２の上
にＴＦＴアレー基板１を載置する。

【０００９】次に、図２（ｂ）に示すように、熱隔壁側
板５ａを熱隔壁天板５ｂに向かう方向Ｂ’に上げて、Ｔ
ＦＴアレー基板１の周囲空間を遮蔽する。そして熱隔壁
天板５ｂの中央部より排気し、炉壁５の庫内を密閉した
状態でＴＦＴアレー基板１の熱処理を行う。このときの
炉壁５の空気の流れは、図２（ｂ）の破線Ｃ’のように
なる。排気をすれば、炉壁５の庫内の圧力が低下し、熱
隔壁側板５ａと熱隔壁天板５ｂとの隙間や、ホットプレ
ート２と熱隔壁側板５ａとの隙間から、外気の冷たい空
気が炉壁５の庫内に入る。このとき、ＴＦＴアレー基板
１において、空気の流れと接する側面部の熱が奪い取ら
れる。これがプリベーク時の温度ばらつきの発生原因と
なる。熱処理後のＴＦＴアレー基板１を取り出すとき
は、図２（ａ）に示すように、熱隔壁側板５ａをホット
プレート２の下方に下げる。そして熱隔壁側板５ａと熱
隔壁天板５ｂとの間から、熱処理後のＴＦＴアレー基板
１を取り出す。

【００１０】レジストの塗布膜厚のばらつき、露光の照
度均一性が、いずれも３％以下となるよう設定しても、
ガラス基板が３００ｍｍ×４００ｍｍクラスであれば、
この方式のプリベーク処理を行うと、温度のばらつきに
よってレジスト線幅の加工精度において、１．０μｍ程
度のばらつきが発生する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の方法で
は、半導体基板の面積が大きくなり、加工精度が１．０
μｍ以上になってもマスク設計のマージンを大きく取る
ことにより、画質への影響を避けることができた。しか
しながら線幅の均一性が０．５μｍ以下であることが求
められる高品質画像のＸＧＡ以上の表示装置では、この
ような方法では画像表示のむらになってしまう。また、
半導体基板のサイズが大きくなり、現在の標準サイズが
３００ｍｍ×４００ｍｍクラス以上になっていることか
ら、プリベーク時の半導体基板の温度ばらつきが更に大
きくなる。

【００１２】今後の商品展開において、４００ｍｍ×５
００ｍｍクラスの基板を用いて、１３．１インチのＸＧ
Ａ規格の表示装置を生産する必要がある。現状のままで
は、レジストパターンの線幅のばらつきは１μｍ以上に
なり、商品品質に悪い影響をもたらす。この問題は、ベ
ーク時間とベーク面積を変更すれば解決するものである
が、半導体基板が大きくなればなるほど、生産タクトが
長時間化してしまう。これは生産性の点で大きな問題で
ある。

【００１３】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、炉壁の内部温度分布を改善
し、ベーク時の半導体基板における温度分布をより均一
にできる熱処理炉装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本願の請求項１の発明は、被処理基板の熱処理をする
熱処理炉装置であって、一定の間隙を介して保持された
前記被処理基板を加熱するホットプレートと、前記被処
理基板の周囲空間を外界から遮蔽する容器として機能
し、前記被処理基板に対する雰囲気ガスと前記ホットプ
レートから放出される熱とを容器内に保持すると共に、
前記雰囲気ガスの吸入口と排気口とが前記容器の一部に
設けられ、前記ホットプレートに対して開閉可能に取り
付けられた熱壁と、を具備し、前記熱壁は、前記雰囲気
ガスの流入通路と流出通路とが前記容器の壁に沿って互
いに接するよう形成され、前記排気口に向かう排気ガス
の熱が前記吸入口から来る吸気ガスに熱交換されるよう
にしたことを特徴とするものである。

【００１５】本願の請求項２の発明は、請求項１の熱処
理炉装置において、前記被処理基板は、基板主面にレジ
ストが塗布されたものであり、前記ホットプレートは、
前記被処理基板の上部を流れる雰囲気ガスの温度が一定
となるよう温度制御されることを特徴とするものであ
る。

【００１６】本願の請求項３の発明は、請求項２の熱処
理炉装置において、前記被処理基板は、半導体基板であ
って、前記ホットプレートの表面から０．１ｍｍ〜０．
５ｍｍの位置で保持されることを特徴とするものであ
る。

【００１７】本願の請求項４の発明は、請求項３の熱処
理炉装置において、前記被処理基板は、ＴＦＴアレー基
板であることを特徴とするものである。

【００１８】本願の請求項５の発明は、請求項１の熱処
理炉装置において、前記雰囲気ガスの流入通路と流出通
路との体積比は、１：１〜２：１の範囲に含まれること
を特徴とするものである。

【００１９】本願の請求項６の発明は、請求項１の熱処
理炉装置において、前記雰囲気ガスの流出通路を第１の
熱壁室とし、前記雰囲気ガスの流入通路を第２の熱壁室
とするとき、前記第１の熱壁室は、前記第２の熱壁室と
は熱伝導性の仕切板で隔離され、前記第１の熱壁室の下
板と前記仕切板との間隙を保持するよう複数箇所に設け
られ、前記第２の熱壁室と連通する中空の筒状部材を前
記流出ガスの障害物として設け、前記第２の熱壁室は、
前記仕切板と対向する前記第２の熱壁室の上板には、前
記筒状部材と対向する位置に凸部を前記流入ガスの障害
物として形成したことを特徴とするものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態における熱処
理炉装置について、図面を参照しながら説明する。図１
は、本実施の形態における熱処理炉装置の要部構造を示
す断面図である。図１（ａ）は、被処理基板、ここでは
ＴＦＴアレー基板１が挿脱自在になるよう熱壁３が開放
されている場合、（ｂ）はＴＦＴアレー基板１がベーキ
ング状態にあり、熱壁３がセットされている場合の断面
図である。

【００２１】図２に示すものと同様に、ベーク時にはＴ
ＦＴアレー基板１はホットプレート２上に複数のピン４
を用いて一定の間隙を隔てて水平に保持されている。熱
壁３は、被処理基板の周囲空間を外界から遮蔽する容器
として機能し、被処理基板に対する雰囲気ガスと、ホッ
トプレート２から放出される熱を容器内に保持すると共
に、雰囲気ガスの吸入口と排気口とが容器の一部に設け
られ、ホットプレート２に対して開閉可能に取り付けら
れたものである。このため熱壁３には、吸気ガスが通る
熱壁室３ａと、排気ガスが通る熱壁室３ｂとが、表裏一
体となるよう形成されている。熱壁３の周囲壁面、及び
中心部を除く天井壁面の内側を熱壁室３ｂとし、外側を
熱壁室３ａとし、これらの熱壁室を熱伝導率の良い１ｍ
ｍ以下のＳＵＳ金属で形成する。天井壁中央部付近の熱
壁室３ｂは、図示しない連結パイプを用いて熱壁室３ａ
の空間を貫通し、排気口３ｃに連通している。

【００２２】このような２重構造にすると、排気ガスと
吸気ガスの熱交換を容易に起こすことができる。また吸
気ガスは、熱壁３の外周下部から入り、熱壁室３ａに吸
入される。そして熱壁室３ｂの排気ガスは、熱壁３の天
井中央部の排気口３ｃより上方に向けて排出される構造
となっている。

【００２３】熱処理しようとするＴＦＴアレー基板１
を、ホットプレート２に装着するときには、図１（ａ）
に示すように熱壁３をホットトプレート２より上方に移
動させる。そして、上部に移動した熱壁３とホットプレ
ート２との間から、ＴＦＴアレー基板１を挿入し、ホッ
トプレート２の上に一定の間隙を隔ててＴＦＴアレー基
板１を載置する。このときのＴＦＴアレー基板１は、ホ
ットプレート２の表面から０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの位
置で保持されることが望ましい。

【００２４】次に、図１（ｂ）に示すように、熱壁３を
ホットプレート２に向かう方向Ｂに下げ、ＴＦＴアレー
基板１の周辺空間を熱壁３で遮蔽する。そしてホットプ
レート２を所定の温度になるよう温度制御し、ＴＦＴア
レー基板１の熱処理を行う。この状態で熱壁３の上部の
排気口３ｃから空気を引くと、熱壁室３ｂの空気が破線
Ｃのように移動する。そのとき、熱壁室３ｂの圧力が低
下するので、ホットプレート２上で暖められた庫内の空
気が破線Ｄのように熱壁室３ｂの入口に入ってくる。熱
壁室３ａの空気と熱壁室３ｂの空気とは温度差があるの
で、熱壁室３ａと３ｂとの間でＳＵＳ板を介して熱伝導
が生じ、熱壁室３ｂから熱壁室３ａへ熱が移動する。こ
うして熱伝達が行われ、冷却された空気が排気口３ｃか
ら出ていく。

【００２５】また、熱壁室３ｂの空気が移動すると、ホ
ットプレート２上の空気圧が下がり、破線Ｅに示すよう
に熱壁室３ａから空気が庫内に流れ込む。このときの空
気は、破線Ｆに示すように吸気口３ｄから流入する冷た
い外気である。しかしこの空気は熱壁室３ｂから熱伝導
を受けて暖かくなっている。このように熱交換された温
かい空気が、熱壁３の天井部から供給される。このため
ＴＦＴアレイ基板１の上部から庫内に流れる空気は常に
暖かくなり、排気量と熱壁３に設けられている部屋の表
面積量との関係で、一定の温度に保持することができ
る。熱処理後のＴＦＴアレー基板１を熱処理炉装置から
取り出すときは、図１（ａ）に示すように、熱壁３をホ
ットプレート２から上部方向に向かって外せばよい。

【００２６】こうして例えばＴＦＴアレー基板１の主面
にレジストを１．０μｍの膜厚で塗布し、膜厚むらが３
％以下となるようにする。その後、ホットプレート２で
所望の熱処理をする。このときＴＦＴアレー基板１の上
部を流れる空気の温度を制御しながら、９０℃でプリベ
ークを行い、露光・現像を行う。このように処理する
と、ＴＦＴアレー基板のサイズが大きくなっても、ホッ
トプレート２から来る輻射熱だけでなく、ＴＦＴアレー
基板１の上面に流れている空気からも熱が伝わる。この
ため処理時間が短くなるだけでなく、ＴＦＴアレー基板
全体の温度均一性も高まり、ＴＦＴアレー基板の主面に
パターン化したレジストの線幅のばらつきを０．５μｍ
以下にすることができた。

【００２７】次に図１に示す熱壁室３ａ、３ｂの熱交換
効率を向上した熱壁について図３を用いて説明する。図
３（ａ）は熱壁３の熱壁室３ａ’と熱壁室３ｂ’の構造
を示す断面図、（ｂ）は熱壁３の上板から見た平面図、
（ｃ）は熱壁３の熱壁室３ａ’と熱壁室３ｂ’の構造を
示す分解斜視図である。熱壁室３ｂ’は排気ガス（流出
ガス）の通路となる第１の熱壁室であり、熱壁室３ａ’
は吸気ガス（流入ガス）の通路となる第２の熱壁室であ
る。また熱壁室３ａ’と熱壁室３ｂ’とは仕切板板３ｅ
で隔離されている。

【００２８】図３（ａ），（ｃ）に示すように、熱壁室
３ｂ’の内部空間に障害物６を複数箇所に設ける。障害
物６は中空の筒状部材であり、その高さを下板３ｇと仕
切板３ｅとの間隔と等しくｄ１とする。障害物６はその
内部空間が熱壁室３ａ’と連通したもので、熱壁室３
ｂ’の間隙をｄ１に保持する働きと、熱壁室３ｂ’内を
流れる排気ガスの熱を熱壁室３ａ’に伝導させる働きを
している。ここでは熱交換率を高めるために複数の障害
物６をマトリクス状に配置している。

【００２９】障害物７は、熱壁室３ａ’の上板３ｆの内
側に凸状となるよう角柱状に形成されたもので、その高
さをｄ２とする。熱壁室３ａ’と熱壁室３ｂ’の仕切板
３ｅを、熱伝導性に優れたＳＵＳ板で構成する。仕切板
３ｅと熱壁室３ａ’の上板３ｆとの間隙をｄ３とする
と、ｄ３＞ｄ２≧ｄ１の関係を保持する。ここでも図３
（ｂ）に示すように、熱交換率を高めるために障害物７
を障害物６と同一の位置に設け、マトリクス状に配置し
ている。雰囲気ガスの流出通路である熱壁室３ｂ’の有
効体積をＶ１とし、雰囲気ガスの流入通路である熱壁室
３ａ’の有効体積をＶ２とすると、体積Ｖ１は実質的に
熱壁室３ｂ’の間隙ｄ１で決まり、体積Ｖ２は実質的に
熱壁室３ａ’の高さｄ３で決まる。本実施の形態では、
体積比Ｖ２：Ｖ１を１：１〜２：１の値に設定した。ま
た障害物６及び７の構成素材は、熱壁室３ａ’及び熱壁
室３ｂ’の構成素材と同一のものを用いた。

【００３０】このような熱壁３の構造であれば、熱壁室
３ｂ’内を温度の高い排気ガスが流れるとき、高い頻度
で障害物６に当たり、排気ガスの熱が障害物６によく吸
収される。障害物６の内部空間は熱壁室３ａ’に連通し
ているので、ここで吸収された熱は熱壁室３ａ’におい
て障害物７の下を通る吸気ガスに効率よく拡散される。

【００３１】なお、前述した実施の形態において、熱壁
室３ａと熱壁室３ｂとを仕切っている壁材（仕切板）
や、熱壁室３ａ’と熱壁室３ｂ’とを仕切っている仕切
板３ｅをＳＵＳ金属としたが、熱伝導率がよく剛性もあ
る材料であれば他のものでもよい。またペルチェ効果を
利用した素子で構成しても、上記したものと同様の効果
が得られる。またＴＦＴアレー基板をベーク対象の基板
としたが、他のガラス基板や半導体基板でも同様の効果
が得られる。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本願の請求項１〜６の発明
によれば、プロキシミティ方式の熱処理において、被処
理基板が大きくなっても、熱処理炉装置の生産タクトを
変更せずに、熱壁の庫内温度のばらつきをより少なくす
ることができる。特に請求項２の発明によれば、被処理
基板の主面にパターン化したレジストの線幅のばらつき
を少なくすることができる。又ホットプレートにて暖め
られた空気を利用することにより、従来のものよりも省
エネルギーとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における熱処理炉装置の構
成を示す断面図である。

【図２】従来のプロキシミティ方式の熱処理炉装置の構
成を示す断面図である。

【図３】本実施の形態の熱処理炉装置において、熱壁の
具体的な構成を示す構造図である。

【符号の説明】

１ＴＦＴアレー基板２ホットプレート３熱壁３ａ，３ｂ，３ａ’，３ｂ’熱壁室３ｃ排気口３ｄ吸気口３ｅ仕切板３ｆ上板３ｇ下板４ピン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理基板の熱処理をする熱処理炉装置
であって、一定の間隙を介して保持された前記被処理基板を加熱す
るホットプレートと、前記被処理基板の周囲空間を外界から遮蔽する容器とし
て機能し、前記被処理基板に対する雰囲気ガスと前記ホ
ットプレートから放出される熱とを容器内に保持すると
共に、前記雰囲気ガスの吸入口と排気口とが前記容器の
一部に設けられ、前記ホットプレートに対して開閉可能
に取り付けられた熱壁と、を具備し、前記熱壁は、前記雰囲気ガスの流入通路と流出通路とが
前記容器の壁に沿って互いに接するよう形成され、前記
排気口に向かう排気ガスの熱が前記吸入口から来る吸気
ガスに熱交換されるようにしたことを特徴とする熱処理
炉装置。
【請求項２】前記被処理基板は、基板主面にレジスト
が塗布されたものであり、前記ホットプレートは、前記被処理基板の上部を流れる
雰囲気ガスの温度が一定となるよう温度制御されること
を特徴とする請求項１記載の熱処理炉装置。
【請求項３】前記被処理基板は、半導体基板であっ
て、前記ホットプレートの表面から０．１ｍｍ〜０．５
ｍｍの位置で保持されることを特徴とする請求項２記載
の熱処理炉装置。
【請求項４】前記被処理基板は、ＴＦＴアレー基板で
あることを特徴とする請求項３記載の熱処理炉装置。
【請求項５】前記雰囲気ガスの流入通路と流出通路と
の体積比は、１：１〜２：１の範囲に含まれることを特徴とする請求
項１記載の熱処理炉装置。
【請求項６】前記雰囲気ガスの流出通路を第１の熱壁
室とし、前記雰囲気ガスの流入通路を第２の熱壁室とす
るとき、前記第１の熱壁室は、前記第２の熱壁室とは熱伝導性の仕切板で隔離され、前
記第１の熱壁室の下板と前記仕切板との間隙を保持する
よう複数箇所に設けられ、前記第２の熱壁室と連通する
中空の筒状部材を前記流出ガスの障害物として設け、前記第２の熱壁室は、前記仕切板と対向する前記第２の熱壁室の上板には、前
記筒状部材と対向する位置に凸部を前記流入ガスの障害
物として形成したことを特徴とする請求項１記載の熱処
理炉装置。