JPWO2010016421A1

JPWO2010016421A1 - 熱処理装置及び熱処理方法

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Publication number: JPWO2010016421A1
Application number: JP2010523837A
Authority: JP
Inventors: 高橋　清; 高橋　　清
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: WO2010016421A1; CN102177407A; TWI400418B; JP5436429B2; TW201013139A

Abstract

本発明の熱処理装置は、密閉容器１と、密閉容器１内に設けられ基板５を収容可能な処理空間２０と、密閉容器１内で処理空間２０に対向して設けられたヒータ２１、２２と、基板５に対して不活性であり基板５を加熱または冷却するガスが導入されるガス導入孔１５と、基板５に対向して設けられガス導入孔１５を介して内部に導入されたガスを基板５に向けて吹き出させる複数のガス吹出孔３１と、を有し密閉容器１内に設けられたシャワーヘッド１０と、を備え、シャワーヘッド１０の内部には、ガス導入孔１５側の上流室１３とガス吹出孔３１側の下流室１４とを仕切る分散板１７が設けられ、分散板１７には上流室１３と下流室１４とを連通させる複数の貫通孔３２が形成されている。

Description

本発明は、熱処理装置及び熱処理方法に関する。

特許文献１には、処理室内圧力を大気圧以上の圧力としつつ、処理対象であるワーク周辺の近接した位置に設けたヒータを作動させて、ワークに対する加熱処理を行うことが開示されている。

特許第２６２２３５６号公報

ヒータを用いたワークの加熱処理において、加熱処理する対象が特に大型基板である場合には、加熱ムラにより基板面内で大きな温度差が生じ破損に至る場合がある。

なお、特許文献１では、ファンにより加熱室内に気流を発生させているが、これはワークの被処理面に対して均一に当たるとは限らず、また気流は加熱されておらず、したがってワーク被処理面を均等に加熱するには不十分である。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、大型の基板であっても面内でムラなく均等に熱処理できる熱処理装置及び熱処理方法を提供する。

本発明の一態様によれば、大気に対して密閉可能な密閉容器と、前記密閉容器内に設けられ、基板を収容可能な処理空間と、前記密閉容器内で前記処理空間に対向して設けられたヒータと、前記基板に対して不活性であり前記基板を加熱または冷却するガスが導入されるガス導入孔と、前記基板に対向して設けられ前記ガス導入孔を介して内部に導入された前記ガスを前記基板に向けて吹き出させる複数のガス吹出孔とを有し、前記密閉容器内に設けられたシャワーヘッドと、を備え、前記シャワーヘッドの内部には、前記ガス導入孔側の上流室と前記ガス吹出孔側の下流室とを仕切る分散板が設けられ、前記分散板には前記上流室と前記下流室とを連通させる複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする熱処理装置が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、基板が収容された処理空間内を減圧し、前記減圧後、前記処理空間に対向して設けられたヒータにより前記基板を加熱し、前記ヒータの加熱により前記基板もしくは前記処理空間内が所望の温度になったら、前記基板に対して不活性であり且つ加熱されたガスを、前記基板に対向して設けられたシャワーヘッドから前記基板に吹き付けて前記基板を加熱することを特徴とする熱処理方法が提供される。

本発明によれば、大型の基板であっても面内でムラなく均等に熱処理できる熱処理装置及び熱処理方法が提供される。

本発明の実施形態に係る熱処理装置の要部構成を例示する模式図。図１に示すシャワーヘッドを下側から見た斜視図。同シャワーヘッドの断面図。図３に示すシャワーヘッドの要部の拡大図。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る熱処理装置の要部構成を例示する模式図である。
本発明の実施形態に係る熱処理装置は、大気に対して密閉された雰囲気を維持可能な密閉容器１内に、上ヒータ２１、下ヒータ２２およびシャワーヘッド１０が設けられた構造を有する。上ヒータ２１、下ヒータ２２は、例えば金属管の中に発熱線を保持したシースヒータ、あるいは、ランプヒータである。上ヒータ２１と下ヒータ２２とは対向して設けられ、それらの間に処理空間２０が形成される。

処理空間２０の上部にはその周囲を囲む上カバー２３が設けられ、処理空間２０の下部にはその周囲を囲む下カバー２４が設けられている。上カバー２３及び下カバー２４の一部は開口され、基板５の搬出入口２５が形成されている。この搬出入口２５を介して、処理対象である基板５は処理空間２０に搬出入される。

シャワーヘッド１０は上ヒータ２１の上に設けられている。下ヒータ２２の下方には排気口２６が設けられている。排気口２６には図示しない真空ポンプなどの排気系が接続され、その排気口２６を通じて、処理空間２０を含む密閉容器１内が排気される。また、シャワーヘッド１０から吹き出したガスも排気口２６を通じて処理空間２０内から排気される。シャワーヘッド１０から基板５に向けて吹き付けられるガスの流れを考慮すると、排気口２６は下ヒータ２２の下方にあることが望ましい。

次に、シャワーヘッド１０の詳細について説明する。
図２はシャワーヘッド１０を下側から見た斜視図である。
図３はシャワーヘッド１０の断面図であり、図４は図３における要部の拡大図を示す。

シャワーヘッド１０は、処理対象である基板５の面積に近い平面サイズを有する四角いブロック状に形成され、図３に示すように、その内部には分散板１７によって仕切られた上流室１３と下流室１４とが形成されている。

分散板１７は、シャワーヘッド１０の厚み方向の略中間位置に、シャワーヘッド１０の面方向に対して略平行に設けられている。シャワーヘッド１０の天板部１１の中心にはガス導入孔１５（図３参照）が形成され、そのガス導入孔１５は上流室１３に通じている。また、ガス導入孔１５にはガス導入管１６が接続され、ガス導入管１６は図示しないガス供給源に接続されている。天板部１１と分散板１７との間に上流室１３が形成されている。シャワーヘッド１０の底部にはシャワープレート１２が設けられている。このシャワープレート１２と分散板１７との間に下流室１４が形成されている。

シャワープレート１２には複数のガス吹出孔３１が形成されている。図２に示すように、各々のガス吹出孔３１は、互いに平行に延在するスリット状に形成されている。シャワープレート１２は、上ヒータ２１を介して処理空間２０に対向する。上ヒータ２１は例えば複数本のシースヒータもしくはランプヒータから構成され、シャワープレート１２のガス吹出孔３１から吹き出したガスは、それら複数本のシースヒータもしくはランプヒータ間の隙間を抜けて、処理空間２０に収容された基板５に吹き付けられる。

分散板１７には、上流室１３と下流室１４とを連通させる複数の貫通孔３２（図４参照）が形成されている。ガス導入孔１５から上流室１３内に導入されたガスは、分散板１７の貫通孔３２を通り下流室１４に流入し、下流室１４内に流入したガスはシャワープレート１２のガス吹出孔３１からシャワープレート外部に吹き出す。

ここで、本実施形態では、シャワーヘッド１０内にガスが入ってから出ていくまでの流れの中で、上流側の方が圧力が高く下流側の方が圧力が低くなるような圧力差が生じるようにコンダクタンスを徐々に増やす構造にしている。

具体的には、分散板１７の貫通孔３２の位置（分散板１７の面方向の位置）の真下にガス吹出孔３１が位置しない（重ならない）ように、貫通孔３２とガス吹出孔３１の面方向における位置をずらしている。シャワープレート１２におけるガス吹出孔３１が形成されていない部分の真上に、貫通孔３２の中心が位置している。

さらに、すべての貫通孔３２の開口総面積よりも、すべてのガス吹出孔３１の開口総面積の方が大きくなるようにしている。例えば、個々の貫通孔３２の開口面積を個々のガス吹出孔３１の開口面積より小さくし、且つ貫通孔３２の数をガス吹出孔３１の数よりも少なくしている。あるいは、貫通孔３２及びガス吹出孔３１個々の開口面積は同じとし、個数のみを貫通孔３２の方が少なくなるようにしてもよい。

このような構造とすることで、比較的高圧で上流室１３内に導入されたガスは、分散板１７があること及びその分散板１７に形成された貫通孔３２の開口総面積がそれほど大きくないことから、すぐに下流室１４に流れ込むのではなく、上流室１３内を面方向に拡散しつつ上流室１３内に充満する。上流室１３内に充満したガスは分散板１７の貫通孔３２を通って下流室１４に流入する。

そして、分散板１７の貫通孔３２から下流室１４内に流入したガスは、貫通孔３２とシャワープレート１２のガス吹出孔３１との位置がずれていることから、すぐにガス吹出孔３１から外部に吹き出すのではなく、下流室１４内を面方向に拡散し下流室１４内に広がる。

したがって、シャワーヘッド１０内に導入されたガスは、シャワーヘッド１０内を上流側から下流側に進むにつれて、勢い（速度や圧力）が徐々に弱められ、面方向に均一に分布するようになり、特定のガス吹出孔３１に偏ることなく、シャワープレート１２の面方向全体にわたってすべてのガス吹出孔３１から均一にガスを吹き出させることができる。

また、シャワーヘッド１０内には、複数本の内部ヒータ１８が設けられている。各々の内部ヒータ１８は、分散板１７上に支持されて上流室１３内に配置され、その両端はシャワーヘッド１０の側壁を貫通して、図示しない電源に接続されている。

次に、本実施形態に係る熱処理装置を用いた処理方法について説明する。

本発明の実施形態で処理対象とする基板５は、例えばフラットパネルディスプレイ、太陽電池などに用いられる基板であり、特に本実施形態に係る熱処理装置は、１辺の長さが１メートル以上の大型基板に対する均等加熱・冷却処理に有効である。

基板５は、例えば搬送ロボットにより、搬出入口２５から処理空間２０内に搬入される。基板５は、処理空間２０内で上ヒータ２１と下ヒータ２２との間に位置して、図示しない支持部に支持される。上ヒータ２１は基板５の上面に対向し、下ヒータ２２は基板５の下面に対向し、それぞれ主に輻射熱によって基板５を加熱する。

基板５が収容保持された処理空間２０を含む密閉容器１内は減圧される。処理空間２０内を例えば０．６Ｐａ程度にまで減圧後、上ヒータ２１及び下ヒータ２２をオンにして基板５の加熱を開始する。

基板５もしくは処理空間２０内の温度は図示しない温度測定手段によってモニタされ、その温度が所望の温度になったら、シャワーヘッド１０にガスを導入し、ガス吹出孔３１からガスを吹き出させる。ここで用いられるガスは、基板５に対して不活性なガスであり、例えば窒素ガスなどである。

上記減圧後のガス置換により、大気圧あるいは大気圧より若干高いガス圧力下で基板５は加熱される。ガス導入孔１５から導入されたガスは前述したように上流室１３に充満するが、このとき上流室１３に設けられた内部ヒータ１８により、上流室１３内のガスは加熱される。そして、この加熱されたガスが分散板１７の貫通孔３２を通って下流室１４に流入し、さらにガス吹出孔３１からシャワーヘッド１０の下方に吹き出す。このガスは、基板５に対して吹き付けられ基板５を加熱する。

加熱されたガスを基板５に対して吹き付けることで、上ヒータ２１及び下ヒータ２２によりすでに加熱を受けている基板５の温度を低下させず、効率的に均一な加熱処理を行える。上ヒータ２１及び下ヒータ２２による加熱だけでは、基板５を比較的短時間で所望の温度にまで昇温させることはできるが、特に基板５のサイズが大きい場合には面方向で加熱ムラが生じやすくなる。しかし、本実施形態では、上ヒータ２１及び下ヒータ２２による加熱に加えて、基板５の面方向に広がるシャワープレート１２から加熱されたガスを基板５に吹き付けるため、基板５の面方向の加熱ムラを抑えて均等に加熱処理することができる。

さらに、前述したように、ガスがシャワーヘッド１０内に入ったときに、すぐに出て行かないようにし、面方向に拡散させてシャワーヘッド１０内である程度充満させることで面方向に偏らずに均等にガスを吹き出させることができる。このため、基板５の面方向の加熱ムラをよりいっそう抑えた均等加熱が可能となる。

また、図１に示すように、処理空間２０の上下に、処理空間２０の周囲を囲むカバー２３、２４が設けられていることで、シャワーヘッド１０から吹き出したガスを処理空間２０内に充満させることができる。これにより、排気口２６の位置の影響をそれほど受けずに、基板５の面方向に加熱ガスを均一に分布存在させることができ、このことも基板５の均等加熱に寄与する。

なお、加熱されたガスを基板５に対して吹き付けるにあたっては、シャワーヘッド１０の内部にヒータ１８を設けずに、シャワーヘッド１０の外部で加熱されたガスをシャワーヘッド１０内に導入してもよい。ただし、シャワーヘッド１０内でガスを加熱した方が、基板５に届いたときのガスの温度低下をより抑制でき効率的な加熱処理を行える。また、内部ヒータ１８は、貫通孔３２及びガス吹出孔３１よりも上流に設けられているため、多数の小孔でガスが分散される前にガスを加熱することができ、ガスの面方向の温度分布の均一化も図れる。

上ヒータ２１、下ヒータ２２およびガスの吹き付けにより、基板５は、例えば、１００〜１０００℃の温度で数分から数十時間、加熱処理される。

なお、上ヒータ２１と下ヒータ２２はどちらか一方のみであってもよい。ただし、加熱初期に基板５を所望の温度にまで短時間で昇温させ、全体の処理時間の短縮化を図る観点からは、上ヒータ２１及び下ヒータ２２を両方設けた方が望ましい。

また、上ヒータ２１の上にシャワーヘッド１０を設けていることで、上ヒータ２１の輻射熱がシャワーヘッド１０で遮られることがなく、さらに、シャワーヘッド１０から吹き出したガスが上ヒータ２１における複数本のシースヒータ間もしくはランプヒータ間を通り抜けることでそのとき加熱され、基板５に届くときの温度を低下しにくくできる。

基板５の加熱処理後、上ヒータ２１及び下ヒータ２２をオフにし、且つシャワーヘッド１０からの加熱ガスの供給を停止して、基板５の温度を下げていく（常温に戻す）。このとき、基板５の温度を早く常温にまで下げたい場合には、シャワーヘッド１０から、加熱されていないガスを基板５に吹き付けるのが有効である。すなわち、内部ヒータ１８をオフにした状態でガスをシャワーヘッド１０内に導入し、ガス吹出孔３１から吹き出させて基板５に吹き付ける。

このときも、前述した加熱時と同様、ガスは基板５の面方向にムラなく均等に吹き付けられ、これにより、基板５の面方向の温度差による割れ等の破損を防ぐことができる。

以上説明したように本発明の実施形態によれば、上ヒータ２１及び下ヒータ２２によって迅速に基板５を所望の温度にまで上昇させた上で、シャワーヘッド１０を使ったガス供給により、基板５の全面にムラなく均等にガスを吹き付けながら加熱や冷却をすることができる。これにより、基板面内に温度差ができにくくなり、処理品質を向上させ、また破損を防げる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

基板に対して吹き付けるガスは、基板（これに形成された膜等も含む）材料に対して反応や変質を生じさせない不活性なものであればよく、上記実施形態で挙げたものに限らない。また、基板の加熱時と冷却時とでガス種を変えてもよい。

５基板
１０シャワーヘッド
１２シャワープレート
１３上流室
１４下流室
１５ガス導入孔
１７分散板
１８内部ヒータ
２０処理空間
２１上ヒータ
２２下ヒータ
２６排気口
３１ガス吹出孔
３２貫通孔

本発明の一態様によれば、大気に対して密閉可能な密閉容器と、前記密閉容器内に設けられ、基板を収容可能な処理空間と、前記密閉容器内で前記処理空間に対向して設けられたヒータと、前記基板に対して不活性であり前記基板を加熱または冷却するガスが導入されるガス導入孔と、前記基板に対向して設けられ前記ガス導入孔を介して内部に導入された前記ガスを前記基板に向けて吹き出させる複数のガス吹出孔とを有し、前記密閉容器内に設けられたシャワーヘッドと、を備え、前記シャワーヘッドの内部には、前記ガス導入孔側の上流室と前記ガス吹出孔側の下流室とを仕切る分散板が設けられ、前記分散板には前記上流室と前記下流室とを連通させる複数の貫通孔が形成されており、前記複数の貫通孔すべての開口の総面積よりも、前記複数のガス吹出孔すべての開口の総面積の方が大きく、前記ガスが導入された前記シャワーヘッドの内部では、前記上流室の方が前記下流室よりも圧力が高く、減圧された前記処理空間に対して、前記ガス吹出孔から前記ガスが吹き出し、前記処理空間内が前記ガスに置換されることを特徴とする熱処理装置が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、基板が収容された処理空間内を減圧し、前記減圧後、前記処理空間に対向して設けられたヒータにより前記基板を加熱し、前記ヒータの加熱により前記基板もしくは前記処理空間内が所望の温度になったら、前記基板に対して不活性であり且つ加熱されたガスを、前記基板に対向して設けられたシャワーヘッドから前記基板に吹き付けて前記基板を加熱し、前記シャワーヘッドの内部における上流側と下流側との間が分散板により複数の空間に仕切られ、前記シャワーヘッド内に導入された前記ガスは前記複数の空間内で拡散されつつ下流側に進むにつれて徐々に圧力が低下することを特徴とする熱処理方法が提供される。

Claims

大気に対して密閉可能な密閉容器と、
前記密閉容器内に設けられ、基板を収容可能な処理空間と、
前記密閉容器内で前記処理空間に対向して設けられたヒータと、
前記基板に対して不活性であり前記基板を加熱または冷却するガスが導入されるガス導入孔と、前記基板に対向して設けられ前記ガス導入孔を介して内部に導入された前記ガスを前記基板に向けて吹き出させる複数のガス吹出孔とを有し、前記密閉容器内に設けられたシャワーヘッドと、
を備え、
前記シャワーヘッドの内部には、前記ガス導入孔側の上流室と前記ガス吹出孔側の下流室とを仕切る分散板が設けられ、前記分散板には前記上流室と前記下流室とを連通させる複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする熱処理装置。
前記貫通孔の前記分散板の面方向の位置は、前記ガス吹出孔の位置に対してずれていることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
前記複数の貫通孔すべての開口の総面積よりも、前記複数のガス吹出孔すべての開口の総面積の方が大きい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。
前記シャワーヘッド内に、内部ヒータが設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
前記内部ヒータは、前記貫通孔及び前記ガス吹出孔よりも上流に設けられたことを特徴とする請求項４記載の熱処理装置。
前記ヒータは、前記処理空間を挟んで対向する一対のヒータを有することを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
基板が収容された処理空間内を減圧し、
前記減圧後、前記処理空間に対向して設けられたヒータにより前記基板を加熱し、
前記ヒータの加熱により前記基板もしくは前記処理空間内が所望の温度になったら、前記基板に対して不活性であり且つ加熱されたガスを、前記基板に対向して設けられたシャワーヘッドから前記基板に吹き付けて前記基板を加熱することを特徴とする熱処理方法。
前記シャワーヘッドの内部における上流側と下流側との間が分散板により複数の空間に仕切られ、前記シャワーヘッド内に導入された前記ガスは前記複数の空間内で拡散されつつ下流側に進むにつれて徐々に圧力が低下されることを特徴とする請求項７記載の熱処理方法。
前記ヒータ及び前記ガスの吹き付けによる前記基板の加熱後、
前記ヒータをオフにし、且つ加熱を受けていないガスを前記シャワーヘッドから前記基板に吹き付けて前記基板を冷却することを特徴とする請求項７または８に記載の熱処理方法。