JP5447221B2 - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明はプラズマディスプレイパネル（以下ＰＤＰと記す）を始め、液晶、太陽電池、半導体などのデバイス製造装置に関するもので、特に基板を加熱する熱処理装置および熱処理方法に関するものである。

従来から、液晶パネルやＰＤＰをはじめとする各種表示機器の製造工程においては、透明基板であるガラス基板上に各種電極や配線の形成、レジスト膜の形成等を行うために、ガラス基板に対して各種の熱処理が行われている。

図７（ａ）、（ｂ）は、従来の加熱装置の概略断面図である。ここで、ガラス基板１は、例えば搬送トレイ１１上に載置されて、準備室３から加熱炉４に搬送され、熱処理が行われる。

加熱炉４にはヒーター５が設置され、ガラス基板１は搬送トレイ１１ごと加熱される。このとき、場合によっては、ヒーター５からパネル１の搬送路を隔てた反対側に、反射板６が設置されることもある。

加熱炉４で熱処理の終わったガラス基板１は、搬送トレイ１１ごと準備室３に搬送され、処理が終了する。

このとき、搬送トレイに工夫をして、ガラス基板１を良好に加熱させようとするものがある（例えば、特許文献１参照。）。

図８（ａ）、（ｂ）は、特許文献１に記載された従来の搬送トレイを示す図である。

図７（ａ）、（ｂ）のように、ガラス基板１を載置して加熱炉４に搬送し処理を行うときの搬送トレイとして、図８（ａ）、（ｂ）に示すようなものがある。この搬送トレイは、金属で形成されたフレーム１３を備えており、中央に載置されたガラス基板１が、ヒーター５の位置に関わらず良好に加熱されるべく、大きな中央開口部１４が形成されている。そしてフレーム１３にはガラス基板１の外周端部底辺を部分的に接触して載置する基板受け１５が設けられている。

特開２００７−２４２９０９号公報

しかしながら、上述のような特許文献１の搬送トレイを使用すると、たとえばＰＤＰ製作工程などガラス基板が常温から４５０℃以上に急激に加熱冷却される処理工程では、ガラス基板１とフレーム１３の熱容量の違いから、ガラス基板１とフレーム１３に温度差が発生し、ガラス基板１の外周端部が温度の影響を受ける。また、ガラス基板１の外周端部からの熱の放射が発生する。このフレーム１３との温度差による影響と、ガラス基板１の外周端部からの熱の放射により、ガラス基板１の外周端部に急激な温度勾配が発生し、その温度勾配による熱応力のため、ガラス基板１の外周端部にストレスがかかり割れが発生し、不良の発生率が大きくなる場合がある。

本発明は、急激な温度上昇下降を伴う熱処理時のガラス基板外周端部の温度勾配を緩和し、ガラス基板にストレスを与えずに熱処理する事を可能とする搬送トレイを備えたガラス基板の熱処理装置および熱処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の熱処理装置は搬送トレイの基板載置部に載置された基板を搬送しながら熱処理する熱処理装置において、前記搬送トレイが、前記基板載置部の外周端部に設けられた複数個の基板受けと、それぞれの前記基板受けの間に設けられた複数個のプレートと、を備えたことを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の熱処理方法は、搬送トレイの基板載置部に載置された基板を搬送しながら熱処理する熱処理方法において、前記搬送トレイが、前記基板載置部に設けられた複数個の基板受けと、それぞれの前記基板受けの間に設けられた複数個のプレートと、を備え、前記基板受けに接触しつつ前記プレートと隙間を設けた状態で前記基板を載置して搬送することを特徴とする。

以上のように、本発明の熱処理装置および熱処理方法によれば、ガラス基板の熱処理時の熱によるガラス基板外周端部の温度勾配を緩和し、熱応力によるガラス基板の割れを防ぐことができる。

（ａ）本発明の実施の形態１におけるガラス基板の加熱前の装置の概略断面図、（ｂ）本実施の形態１におけるガラス基板の加熱中の装置の概略断面図 本実施の形態１での加熱工程におけるガラス基板の温度変化を示す図 （ａ）本実施の形態１における熱処理装置の搬送トレイにガラス基板を載置した状態を示す上面図、（ｂ）本実施の形態１における熱処理装置の搬送トレイにガラス基板を載置した状態のＢ−Ｂ’概略断面図、（ｃ）本実施の形態１における熱処理装置の搬送トレイにガラス基板を載置した状態のＣ−Ｃ’概略断面図、（ｄ）本実施の形態１における熱処理装置の搬送トレイにガラス基板を載置した状態のＢ−Ｂ’断面における拡大図 （ａ）温度測定の測定箇所の説明図、（ｂ）測定によるガラス基板温度勾配と基板割れの有無を示す図 解析条件とガラス基板外周端部の温度勾配の結果を示す図 解析結果におけるガラス基板外周端部の温度勾配を示す図 （ａ）従来の熱処理装置におけるガラス基板の加熱前の装置の概略断面図、（ｂ）従来の熱処理装置におけるガラス基板の加熱中の装置の概略断面図 （ａ）特許文献１に記載された従来の搬送トレイにガラス基板を載置した状態を示す上面図、（ｂ）特許文献１に記載された従来の搬送トレイの概略断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付けて、適宜説明を省略している。

（実施の形態１）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１における熱処理装置の概略断面図である。

本実施の形態１におけるガラス基板１の加熱工程を、図１を用いて説明する。

図１（ａ）はガラス基板１を加熱炉４で処理する前に、準備室３で待機させている状態を示す図である。この際にガラス基板１は、搬送トレイ２の内側に設置されたプレート１６に取り付けられた複数の基板受け９の上に載置されており、その配置は上下二段になっている。

図１（ｂ）において、ガラス基板１は、搬送トレイ２と共に、コンベアー（図示しない）によって加熱炉４に搬送される。本実施の形態では、２つの搬送トレイ２が、ヒーター５の上下にそれぞれ配置される。ヒーター５はガラス基板１および搬送トレイ２の外形よりも大きな面積を持ち、ガラス基板１と搬送トレイ２を加熱する。場合によっては、ヒーター５からガラス基板１と搬送トレイ２を隔てた反対側に反射板６を設置し、ヒーター５の輻射熱を反射して加熱の効率を上げる。加熱炉４にガラス基板１と搬送トレイ２が搬送されるとヒーター５が作動し、常温ａからガラス基板１の加熱が始まる。加熱が終了したガラス基板１と搬送トレイ２は冷却され、加熱炉４から準備室３に搬出され処理は終了する。

図２は加熱工程におけるガラス基板１の温度変化を示すグラフである。Ｘ軸が処理時間、Ｙ軸がガラス基板温度を表す。ガラス基板１は、常温ａから温度ｂである４５０℃まで約３分で加熱され、温度ｂである４５０℃で２分間保持した後に冷却され、温度ｃである２５０℃で加熱炉４から搬送され、準備室３で温度ｄである５０℃以下で準備室３から取り出される。

図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態１における熱処理装置の搬送トレイ２にガラス基板１を載置した状態を示す。

図３（ａ）はガラス基板載置状態の上面図で、図３（ｂ）が図３（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面の断面図、図３（ｃ）が図３（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面の断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、搬送トレイ２は、搬送トレイ２の外枠となるフレーム７に設置されたガラス基板１の外形よりも大きな中央開口部８を有したプレート１６を備える。そして、搬送トレイ２は、プレート１６の内側に取り付けられた複数の基板受け９の上にガラス基板１の外周端部の底面が部分的に接触した状態で載置される。プレート１６は、ガラス基板１を搬送するに充分な強度を有する薄い金属製である。また、図３（ａ）および図３（ｃ）に示すように、このガラス基板１の周辺に、ガラス基板１とほぼ同じ熱輻射率をもつ厚さＴのセラミックプレート１０を、ガラス基板外周端部の垂直面を対向させるように、搬送トレイ２上に一定の距離Ｘを持って配置する。

図３（ｄ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面におけるガラス基板１と基板受け９の拡大図である。基板受け９はセラミックプレート１０と同じ材質で作られており、ガラス基板１を受ける面９ａとガラス基板外周端部の垂直面に対向する面９ｂを備える。基板受け９は、ガラス基板外周端部の垂直面と垂直面に対向する面９ｂの距離がＸになるように配置される。

ヒーター５によって、搬送トレイ２に設置されたプレート１６とセラミックプレート１０および基板受け９ごと、ガラス基板１を加熱する。ガラス基板１の外周部はガラス基板外周端部からの熱放射で温度が下がろうとするが、ヒーター５によって加熱されたセラミックプレート１０と基板受け９からの輻射熱によって加熱されるため、ガラス基板外周端部での温度勾配が緩やかになる。またプレート１６は、従来の搬送トレイ１１のフレーム１３に比較し熱容量が小さくガラス基板外周端部の垂直面に対向しないため、ガラス基板１の外周端部に与える熱の影響が少ないという効果を持つ。

今回用いたガラス基板１とセラミックプレート１０および基板受け９の熱輻射率は、ほぼ同等だが、セラミックプレート１０に限らずガラス基板１に輻射率が近い物質であれば、同様の効果をもつ。なお、ガラス基板の熱輻射率は、２６０℃で０．９２、８１６℃で０．４２であり、セラミックの熱輻射率は、２６０℃で０．９３、８１６℃で０．４４である。

ここで、ガラス基板が割れる場合のガラス基板外周端部の温度勾配について説明する。

図４（ａ）は、発明者が行った実験における温度測定箇所を示したもので、ガラス基板外周端部の端面から２０ｍｍの点ｆとガラス基板外周部端面の点ｅの温度を熱電対で測定し、その距離２０ｍｍで除した値を温度勾配とする。図４（ｂ）は、実験で得られたガラス基板外周端部の温度勾配とガラス基板割れの有無を示した表である。実験は幅が約５５ｍｍ、長さが約１００ｍｍで板厚が１．８ｍｍのガラス基板を用いて行い、目視により割れているか否かを判定した。

図４（ｂ）において、温度勾配が０．４℃／ｍｍではガラス基板は割れず、温度勾配が０．６℃／ｍｍの場合にガラス基板が割れる結果になっており、そのしきい値が０．４〜０．６℃／ｍｍの間であることが分かる。すなわち、ガラス基板が割れないためにはガラス基板面内温度勾配を０．４℃／ｍｍ以下にしなければならない。

この温度勾配を０．４℃／ｍｍ以下にするため、セラミックプレート１０の厚みＴとガラス基板１外周部端面とセラミックプレート１０との距離Ｘの効果を検証すべく、実施の形態１における図３に示す搬送トレイ２のＣ−Ｃ’断面をモデルとし有限要素法による解析を行った。

そのＸとＴ解析条件とガラス基板温度の解析による温度差の結果を図５に示す。解析位置は図４（ａ）のモデルを用い、ガラス基板外周端部の端面ｆからガラス基板面ｅの温度分布を解析した。

上記以外の固定条件は、ヒーター温度５００℃、ガラス基板厚さ１．８ｍｍ、セラミックプレート幅１０ｍｍである。

これにより、セラミックプレート１０の厚さＴはガラス基板１の厚さの２倍以上、ガラス基板外周部端面からセラミックプレート端面までの距離Ｘは２ｍｍ以内が好ましい。

また図６にガラス基板外周部端面の位置６０１を０とし、ガラス基板内面への距離をマイナスで表したガラス基板温度の解析結果をグラフで表したものである。

図６よりガラス基板外周端部の端面とセラミックプレート１０との距離Ｘが近づくほど、ガラス基板外端部の温度勾配が緩くなり、セラミックプレート厚さＴはガラス基板より厚いほうが、ガラス基板外周端部の温度勾配が緩やかになることにより、ガラス基板外周端部に温度勾配によるストレスが低減され、ガラス基板の割れを抑制できる。ただし、セラミックプレート１０が厚すぎると、ガラス基板１とセラミックプレート１０の熱容量に差が大きくなり、急激な加熱冷却時にガラス基板とセラミックプレートに温度差が出来るため好ましくない。所望の温度差を実現することを考えると、この際のセラミックプレートの幅は１０ｍｍ以上、厚みは基板厚みの１．５〜３倍が好ましい。

現状は、当方の実験機で図３に表す搬送トレイ２の構成で、セラミックプレート１０の厚さＴ＝５ｍｍ、ガラス基板１とセラミックプレート１０および基板受け９の距離Ｘ＝２ｍｍで実施しているが、図８に示す従来の基板搬送トレイでは約８０％発生していた基板割れが減少した。

本発明は、ＰＤＰを始め、液晶、太陽電池、半導体などのデバイス製造装置に有用である。

１ ガラス基板
２、１１ 搬送トレイ
３ 準備室
４ 加熱炉
５ ヒーター
６ 反射板
７、１３ フレーム
８ 中央開口部
９、１５ 基板受け
１０ セラミックプレート
１２ 基板受け
１４ 中央開口部
１６ プレート
Ｔ 厚さ（ｍｍ）
Ｘ 距離（ｍｍ）

Claims (9)

1. 搬送トレイの基板載置部に載置された基板を搬送しながら熱処理する熱処理装置において、
   前記搬送トレイが、前記基板載置部の外周端部に設けられた複数個の基板受けと、それぞれの前記基板受けの間に設けられた複数個のプレートと、を備えたこと
   を特徴とする熱処理装置。
2. 前記プレートが、前記基板載置部に載置される基板と同じ熱輻射率を有すること
   を特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記プレートが、セラミックプレートであること
   を特徴とする請求項１または２に記載の熱処理装置。
4. 前記搬送トレイが、前記基板載置部の外形よりも大きな中央開口部を有するフレームを備えたこと
   を特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の熱処理装置。
5. 前記フレームが、前記プレートと同じ熱輻射率を有すること
   を特徴とする請求項４に記載の熱処理装置。
6. 前記フレームの鉛直高さが、前記基板載置部に載置される基板の鉛直高さの１．５〜３倍の高さであること
   を特徴とする請求項４または５に記載の熱処理装置。
7. 前記基板が、ガラス基板であること
   を特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の熱処理装置。
8. 搬送トレイの基板載置部に載置された基板を搬送しながら熱処理する熱処理方法において、
   前記搬送トレイが、前記基板載置部に設けられた複数個の基板受けと、それぞれの前記基板受けの間に設けられた複数個のプレートと、を備え、前記基板受けに接触しつつ前記プレートと隙間を設けた状態で前記基板を載置して搬送すること
   を特徴とする熱処理方法。
9. 前記基板受けと前記プレートとにより、前記基板の端部からの温度勾配を０．４〜０．６℃／ｍｍに制御したこと
   を特徴とする請求項８に記載の熱処理方法。

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