JP5768974B2 - Roller hearth kiln and workpiece heat treatment method using the same - Google Patents
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Description
本発明は、特にクラス10レベルの高いクリーン度を要求される条件下での加熱処理に適したローラーハースキルンおよび加熱処理方法に関するものである。
The present invention relates to a roller hearth kiln and a heat treatment method suitable for heat treatment under conditions that require high cleanliness of a
近年、有機ELや発光ダイオード、プラズマディスプレイ等の表示デバイスの大型化に対応すべく、ガラス基板上にシリコン多結晶トランジスタを形成する低温ポリシリコンTFT製造技術が各種開発されている(例えば、特許文献1)。 In recent years, various low-temperature polysilicon TFT manufacturing techniques for forming a silicon polycrystalline transistor on a glass substrate have been developed to cope with the increase in the size of display devices such as organic EL, light-emitting diodes, and plasma displays (for example, patent documents). 1).
低温ポリシリコンTFT製造過程におけるアニール工程は、トランジスタ特性を直接左右する重要なプロセスである。望ましいトランジスタ特性を実現するためには、加熱炉内のクリーン度をクラス10レベルに高く保つことが要求される。このため、低温ポリシリコンTFT製造過程におけるアニール工程では、バッチ式マッフル炉の使用が一般的である。
The annealing process in the low temperature polysilicon TFT manufacturing process is an important process that directly affects the transistor characteristics. In order to achieve desirable transistor characteristics, it is required to keep the cleanliness in the heating furnace at a
一方、表示デバイスの更なる大型化や、生産効率の観点から、アニール工程における加熱炉として、バッチ式マッフル炉よりも量産性に優れたローラーハースキルンの使用が望まれている。 On the other hand, from the viewpoint of further enlargement of the display device and production efficiency, it is desired to use a roller hearth kiln that is superior in mass productivity as a heating furnace in the annealing process than the batch type muffle furnace.
ローラーハースキルンは、炉の側壁を貫通して設けられた複数の挿通孔に各々ローラーを挿通し、該ローラーを回転させてワークを炉内搬送しながら、炉内に設けたヒータによりワークの加熱を行うものであるため、従来、挿通孔とローラーとの間に設けられる隙間からの気体の流出入、断熱材、ローラーとワーク搬送に伴う発塵が生じるローラーハースキルンにおいて、加熱炉内のクリーン度(米国連邦規格209D)をクラス10レベルに高く保つことは困難であるという問題があった。
A roller hearth kiln is a method of heating a workpiece by a heater provided in the furnace while inserting the roller into a plurality of insertion holes provided through the side wall of the furnace and rotating the roller to convey the workpiece in the furnace. In conventional roller hearth kilns where gas flows in and out from the gap provided between the insertion hole and the roller, heat-insulating material, and dust generated during conveyance of the roller and workpiece, clean inside the heating furnace There is a problem that it is difficult to keep the degree (US Federal Standard 209D) high at the
本発明の目的は前記の問題を解決し、加熱炉内のクリーン度をクラス10レベルに高く保つことができるローラーハースキルンに関する技術を提供することである。なお、本発明の「クリーン度」とは、米国連邦規格209D方式によるものとし、0.5μm以上の粒子を基準として立法フィート中の粒子数を表すものである。
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a technique relating to a roller hearth kiln that can keep the cleanliness in the heating furnace high to a
上記課題を解決するためになされた本発明のローラーハースキルンは、金属製ケース内に断熱材を充填した断熱壁で天井部・床部・左右側壁部を構成した炉内空間にワーク搬送用の低発塵性ローラーを備えた本体部と、該本体部全体を覆う外殻を有し、該本体部の左右側壁部に形成されたローラー貫通孔を貫通したローラーを、外殻に設けた低発塵性ベアリングとピロー軸受と磁気シール回転機構から構成された低発塵性ローラー駆動部で支持し、炉内空間には、低発塵性ヒータを備えることを特徴とするものである。 The roller hearth kiln according to the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, is used for transferring a work in a furnace space in which a ceiling part, a floor part, and left and right side wall parts are constituted by a heat insulating wall filled with a heat insulating material in a metal case. a body portion having a low dust generation roller has an outer shell that covers the entire body portion, a b Ra passing through the roller through hole formed in the right and left side wall portions of the body portion, provided on the outer shell It is supported by a low dust generation roller driving unit composed of a low dust generation bearing, a pillow bearing and a magnetic seal rotation mechanism , and a low dust generation heater is provided in the furnace space. .
請求項2記載の発明は、請求項1記載のローラーハースキルンにおいて、該金属製ケースは、内部から炉外への雰囲気排出路となる配管を備え、金属製ケース内部を密閉構造としたことを特徴とするものである。
The invention according to
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載のローラーハースキルンにおいて、断熱壁が真空断熱壁であることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項4記載の発明は、請求項1〜3の何れかに記載のローラーハースキルンにおいて、天井部・床部・左右側壁部を各々ブロック体として断熱壁を構成したことを特徴とするものである。
The invention according to
請求項5記載の発明は、請求項1〜4の何れかに記載のローラーハースキルンにおいて、該金属製ケースが、ステンレス製のステンレスケースまたはインコネル製のインコネルケースであることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項6記載の発明は、請求項1〜5の何れかに記載のローラーハースキルンにおいて、低発塵性ローラーが溶融シリカローラーであることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項7記載の発明は、請求項1〜6の何れかに記載のローラーハースキルンにおいて、低発塵性ヒータがステンレス製シーズヒータであることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項8記載の発明は、請求項1〜7の何れかに記載のローラーハースキルンにおいて、外殻内が酸素濃度10ppm以下の気密空間であることを特徴とするものである。
The invention according to
請求項9記載の発明は、請求項1〜8の何れかに記載のローラーハースキルンでワークを加熱処理する方法であって、セッターを使用することなく、ワークを直接ローラーでセッターレス搬送することを特徴とするものである。 Invention of Claim 9 is a method of heat-processing a workpiece | work with the roller hearth kiln in any one of Claims 1-8 , Comprising: A setterless conveyance is carried out by a roller directly, without using a setter. It is characterized by.
本発明に係るローラーハースキルンは、金属製ケース内に断熱材を充填した断熱壁で天井部・床部・左右側壁部を構成した炉内空間にワーク搬送用の低発塵性ローラーを備えた本体部と、該本体部全体を覆う外殻を有し、該本体部の左右側壁部に形成されたローラー貫通孔を貫通したローラーを、外殻に設けた低発塵性ローラー駆動部で支持し、炉内空間には、低発塵性ヒータを備える構成により、加熱炉内のクリーン度をクラス10レベルに高く保つことを可能とした。
A roller hearth kiln according to the present invention includes a low dust-generating roller for conveying a workpiece in a furnace space in which a ceiling portion, a floor portion, and left and right side wall portions are configured by a heat insulating wall filled with a heat insulating material in a metal case. It has a main body and an outer shell that covers the entire main body, and supports the rollers that penetrate the roller through holes formed in the left and right side walls of the main body with a low dust-generating roller drive provided in the outer shell. In the furnace space, the cleanliness in the heating furnace can be maintained at a high level of
請求項2記載の発明によれば、金属製ケースは、内部から炉外への雰囲気排出路となる配管を備え、金属製ケース内部を密閉構造とすることにより、金属製ケース内に充填した断熱材からのパーティクルが炉内に飛散することを防止することができる。 According to the second aspect of the present invention, the metal case is provided with a pipe serving as an atmosphere discharge path from the inside to the outside of the furnace, and the heat insulation filled in the metal case by making the inside of the metal case a sealed structure. Particles from the material can be prevented from scattering into the furnace.
請求項4記載の発明によれば、天井部・床部・左右側壁部を各々、別々の金属製ケース内に断熱材を充填したブロック体として構成し、これらを組み合わせて本体部を構成し、各ブロックは溶接せず、熱膨張を吸収可能な構造とすることにより、熱による変形の影響を低減することができる。
According to the invention of
以下に本発明の好ましい実施形態を示す。本実施形態のローラーハースキルンは、有機ELの製造工程の内、低温ポリシリコンTFT製造過程におけるアニール工程での使用に適したものであり、炉内クリーン度(米国連邦規格209D)の要求レベルをクラス10とするものである。また、炉内空間は、いわゆるG8サイズの大型基板(2500×2200mm)の加熱処理に最適なサイズを有するものである。
Preferred embodiments of the present invention are shown below. The roller hearth kiln of this embodiment is suitable for use in the annealing process in the low temperature polysilicon TFT manufacturing process in the manufacturing process of the organic EL, and the required level of in-furnace cleanliness (US Federal Standard 209D) is set.
図1〜図3に示すように、本実施形態のローラーハースキルンは、炉内空間にワーク搬送用の低発塵性ローラー6を備えた本体部1と、該本体部の全体を覆う外殻2を有する2重壁構造を採用している。
As shown in FIGS. 1 to 3, the roller hearth kiln according to the present embodiment includes a
図4に示すように、本体部の左右側壁部に形成されたローラー貫通孔12を貫通した低発塵性ローラー6は、外殻2に設けた低発塵性ローラー駆動部7で支持され、加熱手段としては、本体部1の炉内空間に低発塵性ヒータ8を備えている。本実施形態では、低発塵性ローラー6として、溶融シリカローラーを使用し、低発塵性ヒータ8としてステンレス製シーズヒータを使用し、低発塵性ローラー駆動部7を、低発塵ベアリング9とピロー軸受け10と磁気シール回転機構11から構成している。炉内への回転機構導入部に磁気シール回転機構11を使用することにより、より少ない窒素ガス導入量で、炉内の酸素濃度を効率良く低下させることが可能となる。
As shown in FIG. 4, the low
低発塵ベアリング9は、内輪と外輪との間に配置された複数の鋼球が回転可能に配置されており、各鋼球の間に各鋼球を周方向に位置決めする自己潤滑性複合材料を設ている。ピロー軸受け10は、ころがり軸受の転子を油浴させる油溜を有するプランマ型軸受である。 The low dust generation bearing 9 is a self-lubricating composite material in which a plurality of steel balls arranged between an inner ring and an outer ring are rotatably arranged, and each steel ball is positioned between the steel balls in the circumferential direction. Is set up. The pillow bearing 10 is a plummer type bearing having an oil reservoir for oil bathing the trochanter of the rolling bearing.
本体部1の天井部3・床部4・左右側壁部5は、各々、金属製ケース内に断熱材を充填した断熱壁から構成されている。金属製ケースは、ステンレス製のステンレスケースまたはインコネル製のインコネルケース等の金属材料を用いる。
The
従来から、ローラーハースキルンでは、ヒータで加熱した炉内温度を維持するために、炉壁を断熱構造としている。従来の断熱構造は、セラミックファイバー等からなる断熱材層で構成した断熱壁からなるものが通常であり、例えば、炉内クリーン度の要求レベルが1000〜1万程度のPDPや電子部品の加熱には問題なく使用が可能であった。しかし、当該従来構造では、断熱材から不可避的に発生するパーティクルが存在するため、クラス10レベル炉内クリーン度を達成することは困難である。
Conventionally, in the roller hearth kiln, in order to maintain the furnace temperature heated by the heater, the furnace wall has a heat insulating structure. Conventional heat insulation structure is usually made of a heat insulation wall composed of a heat insulating material layer made of ceramic fiber or the like, for example, for heating a PDP or an electronic component having a required cleanliness level in a furnace of about 1000 to 10,000. Was usable without problems. However, in the conventional structure, since particles inevitably generated from the heat insulating material exist, it is difficult to achieve a
これに対し、本発明では、天井部3・床部4・左右側壁部5を、金属製ケース内に断熱材を充填した断熱壁から構成することにより、断熱材からのパーティクルが本体部1の炉内に飛散することを防止可能としている。更に別の形態として、図5に示すように、金属製ケースに、内部から炉外への雰囲気排出路となる配管13を備え、金属製ケース内部を密閉構造とすることにより、金属ケース内が負圧になり、断熱効果を向上させることができる。また、金属製ケース内に充填した断熱材からのパーティクルが炉内に飛散する現象をより確実に回避することができる。本実施形態では、配管を工場排気に接続している。
On the other hand, in the present invention, the
該断熱壁は、金属製ケース内に断熱材を充填した上で、更に、真空状態とした真空断熱壁とすることも可能である。真空空間を薄板ステンレスで囲んで構成される真空断熱技術は、熱伝導と対流による熱伝達を回避する技術として従来から知られており、断熱壁の厚みを薄く構成できるメリットがある。しかし、金属製ケース内に断熱材を充填していない従来技術では、金属製ケース内の真空を通して熱エネルギーが伝達されるため、炉内温度が250℃以上となる環境下では、輻射による熱伝達により所望の断熱効果が得られない問題がある。 The heat insulating wall may be a vacuum heat insulating wall which is further evacuated after filling a metal case with a heat insulating material. The vacuum heat insulation technology that surrounds the vacuum space with thin stainless steel has been known as a technology for avoiding heat transfer by heat conduction and convection, and has an advantage that the thickness of the heat insulation wall can be reduced. However, in the prior art in which the heat insulating material is not filled in the metal case, heat energy is transmitted through the vacuum in the metal case. Therefore, heat transfer by radiation is performed in an environment where the furnace temperature is 250 ° C. or higher. Therefore, there is a problem that a desired heat insulation effect cannot be obtained.
これに対し、真空空間とした金属製ケース内に、更に断熱材を充填することにより、炉内温度が250℃〜600℃となる環境下においても、輻射による熱伝達を効果的に抑制することができる。真空断熱壁を構成する手段としては、真空ポンプを用いて、断熱材を充填した金属製ケース内部の真空引きを行い、金属製ケースに接続された真空バルブ14を遮断することにより内部を真空状態に封止する手段の他、金属製ケースに真空配管を接続して、加熱処理中、常時金属製ケース内部を真空排気する手段を採用することもできる。
On the other hand, heat transfer by radiation is effectively suppressed even in an environment where the furnace temperature becomes 250 ° C. to 600 ° C. by further filling a metal case made into a vacuum space with a heat insulating material. Can do. As a means for constituting the vacuum heat insulating wall, the inside of the metal case filled with the heat insulating material is evacuated by using a vacuum pump, and the
ところで、本体部1の炉内温度が250℃〜600℃となる上記環境下では、本体部1の天井部3・床部4・左右側壁部5を構成する金属製ケースの変形が非常に大きな問題となる。
By the way, in the environment where the furnace temperature of the
これに対し、本実施形態では、天井部3・床部4・左右側壁部5を各々、別々の金属製ケース内に断熱材を充填したブロック体として構成し、これらを組み合わせて本体部を構成している。各ブロックは溶接せず、熱膨張を吸収可能な構造とすることにより、熱による変形の影響を低減している。一方、当該ブロック構造を採用した場合、炉内雰囲気の維持が難しくなる問題が新たに生じるが、本実施形態では、本体部の全体を外殻2で覆って、外殻の隙間をパッキンで密閉することで外殻内を密閉空間とした上で、炉内を正圧に維持することで、クリーン度がクラス100レベルである外殻内に存在するパーティクルが、本体部1の炉内空間に流れ込む現象を回避し、炉内雰囲気の維持を図っている。
On the other hand, in this embodiment, the
その他、外殻内を酸素濃度10ppm以下の低酸素雰囲気とすることにより、金属製ケースの錆を抑制することができる。本発明では、本体部の全体を外殻2で覆って、外殻の隙間をパッキンで密閉することで外殻内を密閉空間としている。
In addition, the rust of the metal case can be suppressed by setting the inside of the outer shell to a low oxygen atmosphere having an oxygen concentration of 10 ppm or less. In the present invention, the entire main body is covered with the
素子自らが発光する有機ELでは発光のためのエネルギーとして画素ごとに10μA以上の電流供給が必要となるため、薄膜トランジスタ(TFT)の作り込みが非常に重要となる。本発明のローラーハースキルンは、ガラス基板上にシリコン多結晶を形成する低温ポリシリコンTFT製造過程のアニール工程での使用に適したものであり、炉内搬送中におけるガラス基板の裏面傷発生にも十分な注意が必要となるが、本発明のローラーハースキルンでは、上記全構成によりクラス10レベルの炉内クリーン度を達成しているため、ガラス基板を直接溶融シリカローラーの上に載せてセッターレス搬送することができる。セッターレス搬送によれば、ローラーとセッターの摩擦による発塵を抑制することができるとともに、搬送物の重量が軽量化され、熱効率を改善することができる。
In an organic EL device that emits light by itself, it is necessary to supply a current of 10 μA or more for each pixel as energy for light emission. Therefore, it is very important to form a thin film transistor (TFT). The roller hearth kiln of the present invention is suitable for use in the annealing process of the low-temperature polysilicon TFT manufacturing process for forming silicon polycrystal on the glass substrate, and also causes the back surface of the glass substrate to be generated during conveyance in the furnace. Although sufficient care is required, the roller hearth kiln according to the present invention achieves a
1 本体部
2 外殻
3 天井部
4 床部
5 左右側壁部
6 低発塵性ローラー
7 低発塵性ローラー駆動部
8 低発塵性ヒータ
9 低発塵ベアリング
10 ピロー軸受け
11 磁気シール回転機構
12 ローラー貫通孔
13 配管
14 真空バルブ
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