JP4341592B2 - ガラス基板吸着用静電チャック及びガラス基板吸着方法 - Google Patents

Description

本発明は、フラットディスプレイの液晶基板などとして用いるガラス基板を吸着する静電チャックと、この静電チャックを用いた吸着方法に関する。

液晶表示パネルを製作するには、２枚のガラス基板間に液晶を充填する必要がある。この液晶を充填する従来方法は、２枚のガラス基板間に隙間を形成した状態で縦方向にし、液晶中に２枚のガラス基板の下端を浸漬し、毛細管現象を利用して該隙間に液晶を充填するようにしている。

上記の方法では、液晶の充填に時間がかかり、特に液晶表示パネルが大型化してくると、最後まで液晶を充填するのに極めて長時間を要してしまう。そこで、 水平状態としたガラス基板の表面に液晶を盛り付け、更にこの上に別のガラス基板を重ね、２枚のガラス基板間に液晶を充填する方法が提案されている。

この方法の場合、２枚のガラス基板間に液晶以外に空気が入ってしまうと表示パネルとして使用できないため、上記の操作は真空中で行なう必要がある。真空中でガラス基板を保持するには真空チャックは使うことができず機械的なチャックで上方のガラス基板を支持することになるが、この方法ではガラス基板が撓んでしまい、部分的に液晶の厚みが異なってしまう。そこで、特許文献１に静電チャックによって上側のガラス基板を吸着する方法が提案されている。

また、特許文献２には静電チャックとして誘電性のベース上に第１の電極グループと第２の電極グループを形成し、これら電極の幅と間隔を約１００μｍ以下とし、第１の電極グループと第２の電極グループとが逆の極性となるようにして不均一な電界を電極間に形成し、この不均一な電界によって誘電性ワークピース（ガラス基板）を吸着することが開示されている。
特に、特許文献２には、従来の電極幅として約３ｍｍ、電極の間隔として約１ｍｍを挙げ、この構造ではシリコンウェーハのような半導体基板を吸着するのに約５０００ボルトを印加しなければならないが、電極の線幅を１０μｍにすると印加電圧は１０００ボルトで足りることが記載されている。

更に、本発明者らが提案した特許文献３には、電極間に生じる不均一電界に起因するグラジエント（gradient）力によってガラス基板を吸着する場合の、電極間の距離と電極を形成する誘電体層の厚さとの好ましい条件が開示されている。
特開２０００−２８４２９５号公報 段落（００３５） 特表２０００−５０２５０９号公報 １１頁３〜７行、図５ 特開２０００−３３２０９１号公報

特許文献１ではクーロン力によってガラス基板を吸着すると記載しているが、半導体基板の場合にはクーロン力で十分に吸着することができるが、ガラス基板のような絶縁基板をクーロン力によって吸着することはできない。

特許文献２または３に開示される電極間の不均一電界に起因するグラジエント（gradient）力によればガラス基板を吸着することができる。しかしながら、別の問題が存在する。即ち、液晶表示パネルを構成するガラス基板には、表面または裏面にＩＴＯなどの導電性膜を形成したガラス基板と、ＩＴＯなどの導電性膜を形成していないガラス基板が存在する。

そして、これら導電性膜を形成したガラス基板と形成していないガラス基板を同一の静電チャックによって吸着しようとすると、導電性膜を形成したガラス基板、特に導電性膜を吸着面側に形成しているガラス基板には強い電界が作用し、剥離の際にガラス基板が損傷したり、帯電によって液晶に悪影響を及ぼすことがある。このため、上述した静電チャックは吸着対象のガラス基板が常に同じであることがラインに組み込むための条件になってしまう。

即ち、表面にＩＴＯなどの導電性膜を形成したガラス基板と形成していないガラス基板が混在して流れてくるラインに適用するには、吸着するガラス基板が導電性膜を形成しているか否か、また形成している場合でも吸着面側なのか非吸着面側なのかを予め検知し、それに合わせて印加電圧を切り替える必要が生じる。しかしながら、予め静電チャックに入ってくるガラス基板の特性を判別することは困難で、仮にそれが可能であっても、誘電体層の厚さ、電極幅及び電極間隔が適切でないと、印加電圧を切り替えても、所定の吸着力を発揮することができない。
また、ガラス基板の種類に合わせて１つのラインに複数の静電チャックを用意しておくのは現実的でなく、装置全体も複雑化しコストアップとなってしまう。

また、液晶表示パネルを製作するには、大気雰囲気と真空雰囲気とを繰り返すことになるが、従来の装置にあっては、この繰り返しによって誘電体から真空チャンバーへの放電、電極間の放電が発生し、ガラス基板上に設けられたデバイスや誘電体層がダメージを受けることがある。

上記課題を解決すべく本発明に係るガラス基板吸着用静電チャックおよび方法は、吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、非吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、吸着面側及び非吸着面側に導電性膜を形成していないガラス基板のいずれをも、通電時に形成される不均一電界に起因するグラジエント（gradient）力によって吸着するガラス基板吸着用静電チャックであって、この静電チャックは絶縁性支持プレート上に形成される誘電体層の厚みを０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とし、使用される温度において前記誘電体層の体積抵抗率を１０^１５Ω・ｃｍ以上とするとともに、前記絶縁性支持プレートと前記誘電体層間に形成された電極を有し、前記電極間の距離は０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下とし、前記電極の幅は１．０ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下とし、前記電極間に２ｋＶ以上１０ｋＶ以下の電位差を印加し、前記吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、前記非吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、前記吸着面側及び非吸着面側に導電性膜を形成していないガラス基板のいずれをも、印加電圧を切り替えることなく、通電時に形成される不均一電界に起因するグラジエント（gradient）力によって吸着を可能とし、大気雰囲気と真空雰囲気を繰り返す際の前記誘電体、前記電極間の異常放電を防止する構成とした。

前記電極は絶縁性支持プレートと誘電体層との境界面のうち、絶縁性支持プレート側の表面または誘電体層側の表面の何れに形成してもよい。またグラジエント（gradient）力によって絶縁性基板を吸着できる電極の寸法としては、例えば、電極間の距離は０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とし、前記電極の幅は１．０ｍｍ以上４．０ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、体積抵抗率を１０^１５Ω・ｃｍ以上とすることで、異常放電などは発生しにくくなるが、印加電圧が低いと静電吸着力は僅かしか生じない。しかしながら印加電圧を高くすると、具体的には、一対の電極間に２ｋＶ以上１０ｋＶ以下の電位差を印加すると、吸着対象のガラス基板に導電膜が形成されていても、また形成されていなくても保持することができる。更に、前記静電チャックには、真空吸着する吸引孔が開口しているようにすることも考えられる。

本発明によれば、吸着対象のガラス基板が導電膜を形成しているか否か、或いは導電成膜を形成していてもそれが表面か裏面かに拘らず、印加電圧を切り替えることなくそのまま吸着することができ、液晶製造ラインに組み込むことに何らの支障もきたさない。
また、液晶の帯電が低減され、しかも大気と真空を繰り返しても異常放電が生じにくいので、ガラス基板上に設けられたデバイスや誘電体層のダメージを軽減できる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る静電チャックを組み込んだ液晶表示パネル作製装置の断面図、図２は本発明に係る静電チャックの電極パターンを示す図である。

液晶表示パネル作製装置は上ケース１と下ケース２を備え、下ケース２は上ケース１に対して相対的に昇降可能とされ、下ケース２が上昇して上端部のシール３が上ケース１の下端部に圧接することで、気密なチャンバーが形成される。
そして、この気密なチャンバー内のエアは上ケース１の側壁に開口する排気管４を介して外部に排出され、また気密なチャンバー内へはパージ管５を介してエアが導入される。

また、上ケース１内には本発明に係る静電チャック６（ＥＳＣ）が取り付けられている。この静電チャック６は絶縁性プレート７の一面側（図では下面）に誘電体層８を設け、この絶縁性プレート７と誘電体層８との境界面に対をなす電極９，１０を設けている。

前記誘電体層８はセラミック焼結体からなる。セラミック材料としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とし、焼結助剤として、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯを含むセラミックやアルミナ単独、アルミナに酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）及び・又は酸化チタン（ＴｉＯ_２）を添加した材料などが挙げられる。また、絶縁性プレート７については特に制限はないが、熱膨張率を考慮すると誘電体層８と同一の材料を用いることが望ましい。前記誘電体層８は吸着体であるガラス基板に対する耐摩耗性を考慮して、ビッカース硬度１０００以上の焼結体であることが好ましい。

また、電極９，１０はそれぞれ＋電源および−電源に接続され、互いに相手側に入り込んだ櫛歯状パターンを形成している。尚、電極のパターンはこれに限定されるものではない。

また、静電チャック６には真空チャックとして機能するための吸引孔１１が下面に開口している。この吸引孔１１は上ケース１の天井部に設けたジョイント１２を介して真空ポンプに接続されている。

一方、下ケース２内にはテーブル１３が配置されている。このテーブル１３の軸１４は図示しないシリンダユニットに連結され、また軸１４はシール部材１５を介して下ケース２に気密に摺接している。而して、テーブル１３は下ケース２とは独立して昇降動を行なう。尚、テーブル１３を静電チャックとすることで、上下に静電チャックが配置される構成とすることも可能である。

図３は本発明に係る静電チャックの吸着のメカニズムを説明した図であり、互いに隣接する１対の電極９，１０が逆の極性となるように電圧を印加すると、電極９，１０間に不均一電界が発生し、この不均一電界によってガラス基板Ｗを吸着するグラジエント力（Ｆ）が生じる。このグラジエント力（Ｆ）は、「Ｆ∝α・gradＥ^２（Ｅは電界）」でその大きさが表される。

図３からも分かるように、電極の幅Ｗと電極の距離ｇを小さくすると、不均一電界は小さな印加電圧で発生し得るがその領域は小さくなる。例えば、特許文献２に開示されるように電極の幅Ｗと電極の間隔ｇを１００μｍ以下とすると、小さな印加電圧で不均一電界は発生するが、グラジエント力（Ｆ）が及ぶ範囲（厚み）は小さくなる。したがって、導電膜を形成したガラス基板は吸着できても導電膜を形成していないガラス基板は吸着できないといった問題が生じる。

また、誘電体層８の厚さもあまり厚くすると、誘電体層８の表面側に不均一電界が形成されず、吸着力を発揮できず、あまり薄くすると耐久性がなくなる。この観点から誘電体層８の厚みは０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とした。因みに、０．２ｍｍ以上の厚さの誘電体層をＣＶＤ等の蒸着法にて形成するのは困難で、本発明にあっては焼結によって誘電体層８を形成している。０．２ｍｍより薄くすると長期間使用中に耐電圧破壊する確率が増加する。

また、本実施例では適度なグラジエント力を発揮させるため、前記電極間の距離ｇは０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とし、前記電極の幅Ｗは１．０ｍｍ以上４．０ｍｍ以下とした。

更に、誘電体層８の材料は前記した中から、体積抵抗率が１０^１５Ω・ｃｍ以上となるものを選定する。体積抵抗率が１０^１５Ω・ｃｍ未満であると、液晶が帯電しやすく、また大気と真空とを繰り返す際に放電が生じやすい。

従来型の静電チャックとして、誘電体層の体積抵抗率が１０^１３Ω・ｃｍのものを作製し、これと本発明に係る静電チャックとを用い、印加電圧を変化させて、３種類のガラス基板について吸着を試みた。ガラス基板としては、吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、非吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、吸着面側及び非吸着面側に導電性膜を形成していないガラス基板を用意した。いずれのガラス基板も厚さは０．７ｍｍ、面積２５ｃｍ^２とした。実験結果を、以下の（表１）及び図６に示す。尚、吸着力測定は、所定の真空度まで到達後に電圧を印加し、その３０秒後にガラス基板を横方向に引っ張り、ガラス基板が動き出す瞬間の荷重をロードセルにて最大静止摩擦力（吸着力：ｇｆ／ｃｍ^２）として測定した。

表１及び図６から、従来型の静電チャックにあっては、吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板のみを吸着することができた。そして、その印加電圧は±０．１〜±０．５ｋＶ（電極間電位差０．２〜１ｋＶ）であり、±０．１ｋＶ（電極間電位差０．２ｋＶ）未満では、吸着力が不足し、±０．５ｋＶ（電極間電位差１ｋＶ）を超えると電解の影響が液晶に現われる不具合が生じた。一方、本発明にかかる静電チャックにあっては、吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板については、印加電圧±０．５ｋＶ（電極間電位差１ｋＶ）において、１．００ｇｆ／ｃｍ^２の吸着力が生じたが、印加電圧がそれ以下ではガラス基板を吸着することができず、また、非吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板及び吸着面側及び非吸着面側に導電性膜を形成していないガラス基板については、印加電圧を±１．０ｋＶ以上（電極間電位差２．０ｋＶ以上）とすることで、吸着することができた。

また、図６からも分かるように、従来の静電チャックにあっては、ガラス基板による吸着力の差が非常に大きく、その結果ガラス基板の種類によってはあまりにも吸着力が大きくなりすぎガラスを離脱させるときには残留吸着力までも大きくなり搬送に支障を来たしていた。これに対して本発明に係る３種兼用の静電チャックでは、ガラス基板の種類による吸着力の差が比較的小さく、上記のような搬送時の問題は軽減される。即ち、例えば印加電圧を±１〜±５ｋＶ（電極間の電位差２〜１０ｋＶ）、好ましくは±２〜±４ｋＶ（電極間の電位差４〜８ｋＶ）とすることで、ガラス基板の種類に関係なく、すべてのガラス基板の吸着、離脱に有効である。

また、図７は大気状態から真空状態に移った際の放電電流波形を示す図であり、そのうち（ａ）は誘電体層の体積抵抗率を１０^１５Ω・ｃｍとした本発明に係る静電チャックを、（ｂ）は誘電体層の体積抵抗率が１０^１３Ω・ｃｍの従来の静電チャックの放電電流波形を示す。ただし、測定条件は、印加電圧を±５ｋＶ（電極間電位差１０ｋＶ）、表示電圧を５０ｍＶ／div０．１ｍＡ／１００ｍＶ（換算値）とした。

図７から、本発明に係る静電チャックは、大気と真空状態とを繰り返す液晶表示パネル製造装置に組み込んだ場合でも、異常放電などを生じにくいことが分かる。

以上の構成からなる液晶表示パネル作製装置を用いて液晶表示パネルを作製する手順を説明する。
先ず、上ケース１と下ケース２とを上下方向に離間した状態で、図１に示すようにロボット２１を用いて、下側ガラス基板２２をテーブル１３の上方に差し入れ、ロボット３１を用いて、上側ガラス基板３２を静電チャック６の下方に差し入れる。尚、下側ガラス基板２２の上面には液晶２３が塗布されている。

この状態から、ロボット２１に保持されている下側ガラス基板２２をテーブル１３上に移載し、更にロボット３１を上昇させ上側ガラス基板３２を静電チャック６の下面に当接せしめる。そして、静電チャック６の下面に開口している吸引孔１１を介して上側ガラス基板３２を保持する。即ち、この時点では静電チャック６は真空チャックとして機能している。

以上の如くして下側ガラス基板２２をテーブル１３上に、上側ガラス基板３２を静電チャック６の下面に保持せしめたら、ロボット２１，３１を後退させ、次いで、図４に示すように下ケース２を上昇させて上ケース１との間で密閉チャンバーを形成する。

そして、上ケース１と下ケース２からなる密閉チャンバー内を減圧する。この減圧の過程で真空チャックとしての機能は発揮できなくなるので、電極９，１０間に直流電圧を印加し、グラジエント力にて上側ガラス基板３２を静電チャック６の下面で保持する。印加電圧としては、誘電体層８の体積抵抗率を１０^１５Ω・ｃｍ以上として放電を防止しているため、ガラスの種類（導電膜の有無）に拘らず保持するには、高めの印加電圧が必要になる。本実施例では電極９，１０間に電位差３ｋＶ以上１０ｋＶ以下の電圧を印加する。

そして、所定の真空度に達したら、図５に示すように、テーブル１３を上昇せしめ、下側ガラス基板２２と上側ガラス基板３２との間に液晶２３を押しつぶすように充填する。この後はチャンバー内にエアをパージし、大気圧に達したならば、静電チャック６による保持を解除するとともに下ケース２を下降せしめ、テーブル１３上の液晶表示パネルを払い出す。

本発明に係る静電チャックを組み込んだ液晶表示パネル作製装置の断面図 本発明に係る静電チャックの電極パターンを示す図 本発明に係る静電チャックの吸着のメカニズムを説明した図 液晶表示パネル作製装置の作用を説明した断面図 液晶表示パネル作製装置の作用を説明した断面図 印加電圧と最大静止摩擦力（吸着力）との関係をガラス基板の種類ごとに示したグラフ 大気状態から真空状態に移った際の放電電流波形を示す図であり、（ａ）は本発明に係る静電チャック、（ｂ）は従来の静電チャックを示す。

符号の説明

１…上ケース、２…下ケース、３…シール、４…排気管、５…パージ管、６…静電チャック、７…絶縁性プレート、８…誘電体層、９，１０…電極、１１…吸引孔、１２…ジョイント、１３…テーブル、１４…軸、１５…シール、２１，３１…ロボット、２２…下側ガラス基板、２３…液晶、３２…上側ガラス基板。

Claims (3)

1. 吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、非吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、吸着面側及び非吸着面側に導電性膜を形成していないガラス基板のいずれをも、通電時に形成される不均一電界に起因するグラジエント（gradient）力によって吸着するガラス基板吸着用静電チャックであって、この静電チャックは絶縁性支持プレート上に形成される誘電体層の厚みを０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とし、使用される温度において前記誘電体層の体積抵抗率を１０^１５Ω・ｃｍ以上とするとともに、前記絶縁性支持プレートと前記誘電体層間に形成された電極を有し、前記電極間の距離は０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下とし、前記電極の幅は１．０ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下とし、前記電極間に２ｋＶ以上１０ｋＶ以下の電位差を印加し、前記吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、前記非吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、前記吸着面側及び非吸着面側に導電性膜を形成していないガラス基板のいずれをも、印加電圧を切り替えることなく、通電時に形成される不均一電界に起因するグラジエント（gradient）力によって吸着を可能とし、大気雰囲気と真空雰囲気を繰り返す際の前記誘電体、前記電極間の異常放電を防止する構成としたことを特徴とするガラス基板吸着用静電チャック。
2. 前記静電チャックには、真空吸着する吸引孔が開口していることを特徴とする請求項１に記載のガラス基板吸着用静電チャック。
3. 吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、非吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、吸着面側及び非吸着面側に導電性膜を形成していないガラス基板のいずれをも、通電時に形成される不均一電界に起因するグラジエント（gradient）力によって吸着するガラス基板吸着方法であって、この静電チャックは絶縁性支持プレート上に形成される誘電体層の厚みを０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とし、使用される温度において前記誘電体層の体積抵抗率を１０ ^１５ Ω・ｃｍ以上とするとともに、前記絶縁性支持プレートと前記誘電体層間に形成された電極を有し、前記電極間の距離は０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下とし、前記電極の幅は１．０ｍｍ以上、４．０ｍｍ以下とし、前記電極間に２ｋＶ以上１０ｋＶ以下の電位差を印加し、前記吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、前記非吸着面側に導電性膜を形成したガラス基板、前記吸着面側及び非吸着面側に導電性膜を形成していないガラス基板のいずれをも、印加電圧を切り替えることなく、通電時に形成される不均一電界に起因するグラジエント（gradient）力によって吸着を可能とし、大気雰囲気と真空雰囲気を繰り返す際の前記誘電体、前記電極間の異常放電を防止する構成としたことを特徴とするガラス基板吸着方法。