JP5446729B2 - 基板加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイに使用するカラーフィルターを製造する際に、ガラス基板に塗布したレジスト膜を乾燥させるために用いる基板加熱装置に関する。

液晶表示装置などに用いられるカラーフィルターは、ガラス基板上に形成したブラックマトリックス、着色画素、透明導電膜などから構成される。ブラックマトリックスは、遮光性を有するマトリックス状のパターンであり、金属クロム膜と酸化クロム膜を積層した構成のものや、感光性樹脂に顔料を分散させた光硬化性樹脂レジストを用いたものなどがある。近年は環境問題の高まりにより、金属クロムを用いる方法から光硬化性樹脂レジストを用いる方法に移行しつつある。いずれもフォトレジストあるいは黒顔料を分散させた感光性材料をコーティングしたものをフォトマスクを介して紫外線露光して現像し、クロム膜の場合はエッチングしたあとレジスト剥膜を行い、所定のパターンを得る。

着色画素は、上記ブラックマトリックスパターン上に着色レジストを塗布し、フォトマスクを介して紫外線露光し、現像後所定のパターンを得る。この着色画素は一般的に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色で構成され、前記と同様の作業を３回繰り返し、Ｒ、Ｇ、Ｂの着色層を得る。さらにこのブラックマトリックスと着色層上に透明導電膜を形成する工程からなる。近年ではさらに、液晶の厚さや配向を制御するために微少な突起物を設けることもある。

これらのカラーフィルターのパターンを１枚のガラス基板内に多数配置し、多面付けとする場合が多いが、近年カラーフィルターのコストを低減する試みが進み、特に携帯端末用途向けのパネルなど小型モニターにおいては、これまでの基板サイズよりも大型の基板に移行し、さらに多くの面付けになってきている。また１枚のガラス基板を有効に使用して少しでも面付けを多くするために、ガラス基板に形成するパターンの領域が基板の端部まで広がり、面付けの際に位置決めを行うためのマーク類が板端から５ｍｍ程度の位置に形成されることも増えてきている。

カラーフィルターの作製方法にはいろいろの方法があるが、顔料分散法がよく知られた方法である。これは顔料を分散したカラーレジストをガラス基板に塗布し、乾燥して不要な溶剤を揮発させた後、フォトマスクを介して高圧水銀ランプ光で所定のパターンに露光硬化後、アルカリ現像液でパターン部以外の不要部分を除去するフォトリソグラフィー法によるものである。

カラーレジストの塗布方法には、従来からスピンコーティングが多く用いられている。この方法は、チャックステージ上にガラス基板を吸着固定した後、基板の中央にノズル等から液状のカラーレジストを滴下し、チャックステージを大型モーター等で高速回転させて、遠心力を用いてコーティングする方法である。

このスピンコーティングで塗布された塗膜は、基板外周部で膜厚が厚くなる傾向がある。これは、カラーレジストを遠心力で外周部に飛ばしたものが基板端面において基板中央方向に戻ろうとすることが原因と考えられている。この厚膜部分は、その後の現像工程においても除去しきれずに残ることがある。またこの厚膜部分は、現像性が中央部より遅くなるため、ネガレジスト使用品ではパターンの太りの原因となり、ポジレジスト使用品では線幅細りの原因となる。これらを解決するために、レジストの溶剤分比率を下げたり、レベリング剤を調整したりしてある程度改善することができるが、完全には平滑にならなかった。

従来これらの膜厚盛り上がり部には、パターンを配置しないように配慮されてきたが、近年の面付け数増大の影響で基板端から５ｍｍ程度付近までパターンの配置が必要となることも珍しくなく、そのためこの基板端部における塗膜の盛り上がりが大きな問題となってきた。本出願人の出願になる特許文献１に記載されたガラス基板周辺の現像方法とその現像液塗布装置は、予め現像工程前に基板端部のレジスト膜に現像液を塗布し、レジスト残りを防止する方法とその装置を提案したものである。

一方、ガラス基板に塗布したカラーレジスト塗膜を乾燥させる方法としては、一定温度に加熱した加熱プレートにガラス基板を載置し、全体を減圧して溶剤を揮発除去する方法が一般的に行われている。レジストが塗布された基板を数１０秒から数分の間、所定の温度とした加熱プレート上に接触させて、レジスト内部の溶剤を揮発させる。この加熱プレートは、温度制御器によって温度調整されている。温度制御範囲は基板の大きさに合わせて単一もしくは複数存在し、それに応じた温度制御器がある。設定温度はレジスト内部に含まれている溶剤成分の沸点や塗布膜厚などを考慮して設定される。また加熱プレートは外気と触れることを避けるために箱状の覆いで囲まれており、基板の出し入れ用に出入り口が設けてあり、必要に応じてシャッターが開閉する機構になっている。

加熱プレートによるレジスト塗膜の乾燥は、加熱プレートの温度分布にムラがあると、それが直接レジストの乾燥むらとなり、パターン形状の乱れの原因となる。基板の外周部と中央部では、温度上昇速度に差があるため、これを均一にするための提案がなされている。特許文献２に記載されたフォトレジスト用オーブンは、基板を少なくとも外周部と中央部とに２分割して加熱するための複数の加熱プレートと、複数の加熱プレート各々を独立に温度制御する加熱手段とを有することを特徴とするフォトレジスト用オーブンである。

特許第3063464号公報 特開平7-111232号公報

特許文献１に記載された方法は、パターンが存在しない基板端部領域の膜厚盛り上がり部に、予め現像液を塗布しておき、現像仕上がり時に未現像部が残ることを防止するものである。現像液としては、レジストを溶解する性質をもったアルカリ性の処理液が使用されるが、現像液が有効面にあるマークやパターン部に付着するとその部分のレジスト膜の特性が変わってしまい、その後の露光工程を経ても、硬化せずにその後の現像工程で剥離欠損してしまうことで不良を発生させる要因ともなる。このため現像液塗布装置の微妙な調整に多大の労力を要するという問題があった。

特許文献２に記載されたフォトレジスト用オーブンは、基板中央部と外周部での温度上昇差を少なくすることで溶剤揮発速度を均一化してパターン形成の乱れを防止することを目的としているため、基板端部のレジストの盛り上がりや、基板端部におけるレジスト残りを解決するものではなかった。

本発明の解決しようとする課題は、基板端部に現像液を塗布する等の特別の装置を付加することなく、スピンコーティングにおける基板端部のレジスト盛り上がりに起因するパターンの乱れや基板端部のレジスト残りを、防止することが可能な基板加熱装置を提供す
るものである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、スピンコーティング法を用いて所定の塗液が塗布された基板を載置して該基板を加熱する加熱プレートを有する基板加熱装置であって、該基板の外周部の基板温度を該基板の内側の基板温度より低くするため、該基板の外周部と接触する該加熱プレート表面に凹凸を設けたことを特徴とする基板加熱装置である。

本発明に係る基板加熱装置は、スピンコーティング法を用いて所定の塗液が塗布された基板を載置して該基板を加熱する加熱プレートを有する基板加熱装置であって、基板外周部の基板温度を、基板外周部より内側の基板内部の基板温度より低くする手段を有するため、基板外周部に塗布されたレジストは、基板内部に塗布されたレジストよりも低い加熱温度で乾燥される。このため基板外周部に塗布されたレジストは、基板内部に塗布されたレジストよりも現像性が高くなる。その結果、スピンコーティングにおいて避けることのできない、基板周辺部におけるレジストの厚膜化に起因するところのレジストパターンの乱れや、レジストの現像残りを防止することができる。

加熱プレートが、基板外周部と、基板外周部より内側の基板内部に各々対応して配置された複数の加熱用ヒーターを有し、基板外周部を加熱するヒーターの温度を、基板内部を加熱するヒーターの温度より低くしたことを特徴とするものである場合には、ヒーターの設定温度を調整することにより、基板外周部の基板温度と基板内部の基板温度の差を任意にまた連続的に設定することが可能となり、レジストの種類に応じた最適な値を選択することが容易に可能となる。

また、基板外周部と接触する加熱プレート表面に凹凸を設けることにより、基板外周部における単位面積当たりの接触面積を基板内部における単位面積当たりの接触面積より小さくした場合や、基板外周部と接触する加熱プレート面に断熱性部材を取り付けた場合は、加熱プレートの表面温度が全面にわたって均一な場合であっても、基板外周部の温度をほぼ自動的に低下させることができる。

また基板外周部が、基板端から３０ｍｍ以下の領域と定義されるような、基板端からごく近い部分であって、従来の機械的な手段によるレジストの事前処理などの方法が適用しにくいような場合においても、基板端部におけるレジスト残り等に対する有効な対策を提
供することができる。

本発明に係る基板加熱装置における加熱プレートの一実施態様を示した模式図。 ガラス基板の模式図。 スピンコート時の膜厚分布の一例を示したグラフ。 ガラス基板にカラーフィルターのピースを多面付けした例を示した模式図。 図４のガラス基板を図１の加熱プレートに載置した状態を示した模式図。 本発明に係る基板加熱装置の他の実施態様を示した模式図。

以下、図面に従い、本発明に係る基板加熱装置について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る基板加熱装置における加熱プレートの一実施態様を示した模式図である。本発明に係る基板加熱装置は、スピンコーティング法を用いて所定の塗液が塗布された基板を載置して、基板を加熱する加熱プレート１０を有する基板加熱装置であって、基板外周部の基板温度を、基板外周部より内側の基板内部の基板温度より低くする手段を有することを特徴とする基板加熱装置である。

図１に示した実施態様においては、加熱プレート１０が加熱ゾーン１（１１）から加熱ゾーン７（１７）までの７つの加熱ゾーンに分けられており、それぞれの加熱ゾーンが独立に温度制御できるようになっている。加熱ゾーン１（１１）、加熱ゾーン２（１２）、加熱ゾーン３（１３）は、基板内部の加熱を分担する部分であり、加熱ゾーン４（１４）、加熱ゾーン５（１５）、加熱ゾーン６（１６）、加熱ゾーン７（１７）は、基板外周部の加熱を分担する部分である。なお図１は模式図であり、実際の加熱プレートでは、それぞれの加熱ゾーンを分担するヒーターが加熱プレートの内部に埋め込まれているので、外観上は、見ることができない。

図２は、本発明に係る基板加熱装置において加熱する対象となるガラス基板の模式図である。液晶ディスプレイに用いるカラーフィルター用ガラス基板は、年々大型化している。図２に示したガラス基板２０は、５５０ｍｍ×６５０ｍｍの所謂第３世代サイズと呼ばれるガラス基板である。ガラス基板２０のひとつのコーナーには、位置合わせ用の切欠きであるオリエンテーションフラット２１が設けられている。

図３は、スピンコート時のレジスト膜厚分布の一例を示したグラフである。オリエンテーションフラットの位置から対角線方向に実際に測定したレジスト膜厚を示している。目標値である１．０μｍに対して、（仮想的な）コーナーから対角距離で３５ｍｍ程度までは、１．０５μｍ〜１．１８μｍと膜厚が目標値よりも厚くなっているのが分かる。このような膜厚の厚い部分があると、フォトマスクによる露光、現像を行った場合、ネガ型レジストの場合であれば現像の遅れにより画線の太りとなって現れることがある。

図４は、ガラス基板にカラーフィルターのピースを多面付けした例を示した模式図である。５５０ｍｍ×６５０ｍｍのガラス基板に３０ｍｍ×３５ｍｍのカラーフィルターを多面付けした状態を示しており、Ａピース２２の上辺から板端までの距離は約１５ｍｍ、左辺から板端までの距離は約２０ｍｍである。従ってＡピースの上辺部と左辺部は、ガラス基板のレジスト膜厚の厚い部分に位置していることになる。ガラス基板２０の４隅に位置する他のＢピース２３、Ｃピース２４、Ｄピース２５についても同様である。

図５は、図４に示したガラス基板２０を図１に示した加熱プレート１０に載置した状態を示した模式図である。基板２０の外周部の基板温度を、基板外周部より内側の基板内部
の基板温度より低くするために、基板外周部に対応して配置された加熱ゾーン４（１４）、加熱ゾーン５（１５）、加熱ゾーン６（１６）、加熱ゾーン７（１７）の４つの加熱ゾーンにはそれぞれ独立したヒーターが設けられており、基板内部に対応して配置された加熱ゾーン１（１１）、加熱ゾーン２（１２）、加熱ゾーン３（１３）にも同様にそれぞれ独立したヒーターが設けられている。それぞれの加熱ゾーンに設けられたヒーターは、それぞれ独立して温度調節ができるようになっている。

基板外周部を加熱するヒーターの温度を、基板内部を加熱するヒーターの温度より低くした場合、必然的に基板内部の基板温度よりも基板外周部の基板温度は低くなる。その結果、基板外周部に塗布されたレジストは、基板内部に塗布されたレジストよりも乾燥の程度が甘くなる。乾燥の甘いレジストは、現像時に溶解しやすくなり、従って、ネガ型レジストの場合であれば、画線は細くなる傾向にある。

スピンコートによって膜厚が厚くなった基板外周部において、加熱乾燥時の基板温度を適切に下げてやることにより、基板外周部における現像残りを防ぎ、また画線幅を一定にすることができることが分かった。ガラス基板２０の中央部と端部にそれぞれ温度センサーＡ（３１）、温度センサーＢ（３２）を取り付けて、ガラス基板温度の変動幅を測定した結果を表１に示す。またこの時のＡピース、Ｂピース、Ｃピース、Ｄピースにおける仕上り線幅の測定結果を表２に示す。なお、この時、加熱ゾーン１〜３の部分に対応する基板の温度と、加熱ゾーン４〜７の部分に対応する基板の温度は、それぞれ温度センサーＡ、Ｂによって代表される基板温度に等しくなるように設定した。

以上の結果から分かるように、基板内部と基板外周部において、７℃の温度差を設けることにより、各ピースにおける仕上り線幅を基準範囲内に納めることができた。なお加熱プレートに温度差を設けない場合には、線幅において最大で３μｍ以上の差が生じることが経験的に分かっている。

以上述べてきたように、基板端から３０ｍｍ以内を基板外周部ととらえ、この基板外周部の基板温度を下げてやることが、基板外周部における画線の太りや現像残りを防止する上で極めて有効であることが分かる。

図６は、本発明に係る基板加熱装置の他の実施態様を示した模式図である。図６に示した加熱プレート２０は、基板外周部と接触する加熱プレートの表面に凹凸部分４１を設けたことを特徴とするものである。凹凸を設けることにより、基板外周部における単位面積当たりの接触面積を基板内部における単位面積当たりの接触面積より小さくすることができる。その結果加熱プレートの表面温度が一定であっても、基板外周部の温度上昇速度を低くし、その結果、基板外周部の基板温度を下げることが可能となる。

加熱プレートの表面に部分的に凹凸を設ける方法としては、エッチング法やサンドブラスト法など公知の粗面化方法を用いることができる。

１０・・・加熱プレート
１１・・・加熱ゾーン１
１２・・・加熱ゾーン２
１３・・・加熱ゾーン３
１４・・・加熱ゾーン４
１５・・・加熱ゾーン５
１６・・・加熱ゾーン６
１７・・・加熱ゾーン７
２０・・・ガラス基板
２１・・・オリエンテーションフラット
２２・・・Ａピース
２３・・・Ｂピース
２４・・・Ｃピース
２５・・・Ｄピース
３１・・・温度センサーＡ
３２・・・温度センサーＢ
４１・・・凹凸部分
４２・・・断熱性部材

Claims (1)

1. スピンコーティング法を用いて所定の塗液が塗布された基板を載置して該基板を加熱する加熱プレートを有する基板加熱装置であって、
   該基板の外周部の基板温度を該基板の内側の基板温度より低くするため、該基板の外周部と接触する該加熱プレート表面に凹凸を設けたことを特徴とする基板加熱装置。
   

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