基板処理装置

【課題】含有水素量を低下させた雰囲気中で有機基板の表面に紫外線を照射することで、紫外線照射後の有機基板の表面に対する導電膜の密着性を向上しつつ、導電膜の導電率の低下を防止する。
【解決手段】基板処理装置1は、基板100が配置されるハウジング30内にドライエアボンベ34からドライエアを供給する。基板100の表面は、含有水素量が十分に少ないドライエアの雰囲気中で、照射窓21及びフィルタ28を介して紫外線ランプ22から紫外線の照射を受ける。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、導電膜形成前の有機基板の表面を紫外線照射によって改質する基板処理装置に関する。
【背景技術】
【0002】
太陽電池セルや有機EL素子の製造には、基板の表面に導電材料を溶剤とともに塗布して導電膜を形成する工程が含まれる。基板の表面の定められた位置に導電膜を正確にかつ確実に形成するためには、基板の表面の濡れ性を高めて導電膜の密着性を向上させる必要がある。
【0003】
そこで、従来より、導電材料を塗布する前の基板の表面を紫外線の照射によって改質する基板処理装置が用いられている(例えば、特許文献1参照。)。例えば、ポリエチレンナフタレート(以下、「PEN」という。)基板等の有機基板の表面に透明導電膜を形成する場合、透明導電膜の塗布前に紫外線を照射することで有機基板の表面の接触角が小さくなり、透明導電膜の密着性が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2007−216127号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、大気中における紫外線照射後の有機基板の表面に形成された導電膜は、導電率が低下することが明らかになった。
【0006】
この発明の目的は、含有水素量を低下させた雰囲気中で有機基板の表面に紫外線を照射することで、紫外線照射後の有機基板の表面に対する導電膜の密着性を向上しつつ、有機基板の表面に形成された導電膜の導電率の低下を防止できる基板処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
この発明の基板処理装置は、紫外線照射装置と有機基板の表面との間の雰囲気中における水素含有量を低下させる水素含有量低下手段を備えたことを特徴とする。
【0008】
有機基板の表面に導電膜を形成する場合、導電膜を塗布する前に紫外線を照射することで有機基板の表面の接触角が小さくなり、導電材料を溶融させた溶剤の密着性が向上する。一方で、紫外線照射後の有機基板の表面に形成された透明導電膜は、導電率が低下する。実験の結果、紫外線照射後の有機基板の表面における官能基の存在が透明導電膜の導電率低下の原因であることが明らかになった。官能基は、有機基板の表面の炭素が雰囲気中の水素と反応することで生成される。
【0009】
この構成によれば、有機基板の表面の改質を目的とする紫外線照射時に、雰囲気中の水素含有量を減少させることで、官能基の生成が抑制され、紫外線照射後の有機基板の表面に形成された導電膜の導電性の低下が阻止される。
【0010】
この構成において、水素含有量低下手段は、紫外線照射装置と有機基板の表面との間の雰囲気中にドライエアを供給するドライエア供給手段であることが好ましい。窒素ガス供給等の他の手段に比較して、容易かつ安価に紫外線照射後の有機基板の表面に形成された導電膜の導電率の低下を防止できる。
【0011】
また、紫外線照射装置の下方に有機基板が載置されるステージを備えることが好ましい。シート状の基板のバッチ処理時に、紫外線照射装置と有機基板の表面との間隔を適正に維持できる。
【0012】
さらに、フィルム状の有機基板を供給ロールから紫外線照射装置の下方を経由して連続して搬送する搬送手段を備えることが好ましい。有機基板に対して連続して紫外線を照射することができ、生産効率を向上できる。
【発明の効果】
【0013】
この発明の基板処理装置によれば、含有水素量を低下させた雰囲気中で有機基板の表面に紫外線を照射することができ、紫外線照射後の有機基板の表面に対する導電膜の密着性を向上しつつ、導電膜の導電率の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】この発明の第1の実施形態に係る基板処理装置を示す概略断面図である。
【図2】同基板処理装置に備えられるステージの概略構成を示す分解平面図である。
【図3】同基板処理装置に備えられるステージの概略構成を示す断面図である。
【図4】(A)〜(C)は、同基板処理装置における実験結果を示す図である。
【図5】この発明の第2の実施形態に係る基板処理装置の構成を示す概略の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
図1に示すように、この発明の実施形態に係る基板処理装置1は、ステージ4上に載置した基板100の表面に紫外線照射装置(紫外線照射ユニット)2から紫外線を照射することによって基板100の表面を改質する。
【0016】
処理対象である基板100は、紫外線照射によって表面に官能基が生成される有機材料、例えば、太陽電池セルや有機EL素子用の樹脂基板として有用なPENフィルムを素材として構成された有機基板である。
【0017】
基板処理装置1は、主として、紫外線照射装置(上部ユニット)2および処理室ユニット(下部ユニット)3の2つのユニットから構成される。
【0018】
紫外線照射装置2は、光源である紫外線ランプ22が、薄箱形の外形を呈するハウジング20内に収容されている。紫外線ランプとして、真空紫外線を出射するエキシマランプ(株式会社クォークテクノロジー製)を好適に用いることができる。エキシマランプは、波長172nmに高発光強度の単一の発光ピークを有するランプである。真空紫外領域(波長100〜200nm)の紫外光はエネルギーが極めて高いので、基板100の表面の改質に費やす紫外線照射時間を大幅に短縮することができる。紫外線ランプとしては、エキシマランプの他に、用途に応じて紫外線LED、低圧水銀ランプを用いることも可能である。
【0019】
ハウジング20の下壁には紫外線ランプ22の配置領域の下側に位置する部分に開口20Aが形成されている。開口20Aには、紫外線を透過する材料(例えば、石英ガラスや石英合成ガラスなど)からできた照射窓21が設けられる。開口20Aと照射窓21との隙間には図示しないシール部材を配設し、ハウジング20内を密閉している。
【0020】
また、照射窓21の下方には、フィルタ28が設置されている。フィルタ28は、光透過性に優れた石英又は合成石英を素材として、薄板状に形成されている。フィルタ28は、例えば、固定ネジを介して、全面を照射窓21の下面に密接または近接させた状態で着脱自在に配置されている。基板100の表面において発生した塵埃は、フィルタ28に付着し、照射窓21に付着することがない。フィルタ28のみを交換又は清掃することで塵埃の付着による紫外線の照射効率を回復することができ、紫外線ランプ22のランニングコストを低減できる。
【0021】
本実施の形態では、紫外線ランプ22は箱形のランプを用いている。紫外線ランプ22と照射窓21との間の隙間27には、ダクト26が設けられている。ダクト26は隙間27に向けて開口する複数の排気孔26Aを有している。
【0022】
ハウジング20の左右両側壁には吸気管25がそれぞれ貫設されている。ダクト26の左右両端と吸気管25の一端とはジョイント23を介して接続されている。吸気管25の他端はハウジング20の外部に突出しており、ジョイント24を介して図示しない不活性ガス(例えば、窒素、アルゴンなど。)のボンベから延びる送気管に接続される。これにより、前述の隙間27に不活性ガスを流すことができる。すなわち、紫外線ランプ22を不活性ガス雰囲気中に配置することが可能となる。
【0023】
紫外線ランプ22から出射される紫外線(特に、エキシマランプの真空紫外線)は、酸素などに吸収されると、照度の低下とオゾンの発生を招く。したがって、上述のように紫外線ランプ22を不活性ガス雰囲気に配置することにより紫外線の吸収をなくすことができる。
【0024】
処理室ユニット3は、処理対象である基板100を載せるステージ4が、薄箱形の外形を呈するハウジング30内に収容されたユニットである。
【0025】
ハウジング30の右側壁には吸気管31が貫設され、ハウジング30の左側壁には排気管32が貫設されている。図1に示された実施形態では、吸気管31が2つ、排気管32が1つ設けられた例が示されているが、吸気管31および排気管32の数はこれに限定されるものではない。吸気管31の一端はハウジング30の外部に突出しており、ジョイント33を介してドライエアボンベ34から延びる送気管35に接続されている。これにより、ハウジング30内にドライエアを供給することができる。
【0026】
上述した吸気管31、排気管32、ドライエアボンベ34、及び送気管35は、本発明のガス供給装置を構成している。
【0027】
大気中には体積比で約20%の酸素が存在する。したがって、上述のようにドライエアをハウジング30内に供給することにより、基板100の表面の雰囲気中の水素含有量が低下する。ドライエア中の酸素の存在下に紫外線ランプ22からの紫外線が照射されることになり、紫外光のエネルギーにより酸素が励起されて活性酸素(例えば、OHラジカルなど。)が生成される。したがって、生成される活性酸素による基板100の表面の改質が進行する。
【0028】
ハウジング30の上壁にも前述の開口20Aに対応して開口30Aが設けられているこの開口30Aの真下にステージ4が配置されている。紫外線照射ユニット2は処理室ユニット3上に、両ユニットのハウジング20,30の開口20A,30Aが合致するように重ねられ、処理室ユニット3の上部へビス止めにより固定される。したがって、照射窓21および開口30Aを通して紫外線ランプ22から出射される紫外線をステージ4に載せられた基板100の表面に照射することが可能である。
【0029】
本実施の形態では、ステージ4は、ベースプレート41、中間プレート42、およびトッププレート43の3枚の矩形のプレートが順に積層された構造である。これらのプレートの材質は、耐熱性および耐光性を考慮して備える材料であることが望ましい。例えば、硬質アルマイト処理が施されたアルミニウムなどは安価で入手が容易であるため好適である。
【0030】
図2及び図3に示すように、ステージ4は、各プレート41,42,43の四隅にはネジ孔41A,42A,43Aがそれぞれ設けられている。したがって、3枚のプレート41,42,43を重ね、四隅のネジ穴に図示しないネジを差し込めば、これらのプレートを圧着状態に固定することができる。
【0031】
ベースプレート41の上面中央部にはフィルム状のヒータ9(例えば、ポリイミドヒータなど。)が配置されている。ヒータ9は、ヒータ線13を介して図示しない電流源に接続されており、通電されることによりジュール熱を発生するように構成される。この熱は、トッププレート41まで伝熱する。これにより、トッププレート41上に載せられた基板100を加熱することができる。なお、図2における符号41Cで示される溝は、ヒータ線13を引き出すためのベースプレート41上面に形成された溝である。
【0032】
さらにベースプレート41の一端には、吸引ノズル11を取付けるための取付孔41Bが設けられている。また、取付孔41Bの近傍に位置するベースプレート41の一端縁には熱電対12を取付けるための溝41Dが設けられている。熱電対12はヒータ9の発熱制御、すなわち基板温度の制御用である。
【0033】
トッププレート43には多数の微少な吸気孔43Bがほぼ全面に設けられている。
【0034】
中間プレート42には、前述のベースプレート41の取付孔41Bに対応した位置に吸引孔42Bが設けられている。図3に示すように、ベースプレート41の取付孔41Bには、吸引ノズル11が挿着される。吸引ノズル11の下端は図示しないバキュームジェネレータに接続されている。吸引ノズル11の上端はOリングパッキン10によりシールされる。なお、図3における符号42Cで示される凹部は、前述のヒータ9を収納するための中間プレート42下面に設けられた凹部である。
【0035】
さらに中間プレート42の上面には、周縁にゴム製のシールリング8が接着されている。これにより、図3に示すように、中間プレート42とトッププレート43との間のシールリング8で囲まれた領域に密閉空間が形成される。したがって、吸引ノズル11を用いてこの空間のエアを吸引することにより、この空間が負圧になり、トッププレート43の多数の吸気孔43Bを通して矢印Kの方向に吸引気流が発生する。この吸引気流により、基板100を吸引してトッププレート43上に確実に固定することができる。
【0036】
ステージ4は、図1に示すように、昇降装置5により昇降自在に支持されている。昇降装置5を用いてステージ4を昇降させることにより、紫外線ランプ22と基板100の表面との間の距離(以下、「照射距離」という。)Dが調節される。したがって、基板の種類に応じて表面改質に適した照射距離に容易に設定することができる。
【0037】
なお、基板全面について照射距離Dを一定に維持できることを条件に、吸引ノズル11を省略することができる。この場合には、ベースプレート41、中間プレート42及びトッププレート43に代えて、上面が平面のステージを配置すればよい。
【0038】
以上のように構成される基板処理装置1による基板100の表面の改質原理について、基板100としてPEN基板、紫外線ランプ22としてエキシマランプを使用した場合を例にして説明する。
【0039】
紫外線ランプ22から真空紫外線を基板100の表面に照射すると、高いエネルギーにより表面分子の主鎖や側鎖の大部分が切断され、表面からは素材に含まれる水素原子が分離される。この水素原子は、大気中の酸素から紫外光により生成された活性酸素(例えば、OHラジカルなど。)と結合し、アシル基(COH)、ヒドリキシル基(OH)、カルボキシル基(COOH)などの官能基を基板100の表面に形成する。これにより、基板100の表面の物理的性質および化学的性質が改質(平滑性や親水性の向上など)される。この結果、接着剤や塗料等の基板100の表面への被着が困難であったコーティング材との密着性が改善され、膜厚の均質化が図られる。また、改質と同時に各種素材の表面に残留する有機物の汚染物質や素材自体から滲み出る油分を紫外線と活性酸素により酸化洗浄することができる。
【0040】
また、本発明の基板処理装置1においては、紫外線の照射中、吸引ノズル11によりシールリング8に囲まれた空間のエアが吸引され、図3に矢印Kで示す吸引気流が発生する。これにより、基板100はトッププレート43上に安定的に固定され、基板100の浮きや躍りが防止される。さらに、ベースプレート41に配設されたヒータ9(図2参照。)に通電され、ヒータ9が発熱する。この熱は、トッププレート41まで伝熱し、高温となったトッププレート41を介して基板100が加熱される。これにより、基板100の表面の温度を高めて紫外線による改質を促進することができる。したがって、基板処理装置1によれば、紫外線の照射条件の安定化、照射時間の短縮、および改質効果の向上を実現することができる。
【0041】
一方で、紫外線照射後の基板100の表面に形成されたAg含有高分子やPEDOT−PSS含有高分子導電膜等の透明導電膜は、導電率が低下する。この原因を解明すべく実験を行った。
【0042】
実験では、基板処理装置1を用いて基板100の表面に、大気中、酸素濃度0%雰囲気中、及びドライエア雰囲気中でそれぞれ紫外線を照射した後、Ag含有高分子導電膜を基板100の表面に膜圧100nmでスリットコート法により成膜し、乾燥後の導電膜の抵抗値を基板100の表面における49箇所で測定した。
【0043】
紫外線の波長は172nm、照射距離は5mm、照射強度は30mW/cm、照射時間は30秒とした。処理対象の基板100にはPENフィルムを用いた。ドライエア雰囲気時には、処理室ユニット3のハウジング30内にドライエアを流量20L/minで供給した。
【0044】
実験の結果、図4(A)に示す大気中で紫外線を照射した比較例1では、抵抗値が比較的高い範囲に分散する。図4(B)に示す酸素濃度0%雰囲気中での比較例2では、抵抗値が比較的低い範囲に集中する。図4(C)に示すドライエア雰囲気中の実施例1では、抵抗値がより低い値に集中する。
【0045】
大気及びドライエア雰囲気の酸素含有量は略同一であり、水分含有量が異なる。酸素濃度0%雰囲気とドライエア雰囲気とでは、含有量及び水分含有量が異なる。また、紫外線照射後の基板100の表面に形成した透明導電膜の抵抗値の低下は、無機材料であるガラス基板では発生しない。
【0046】
これらから、紫外線照射後の基板100の表面に形成した透明導電膜の導電率の低下は、雰囲気中の酸素よりも水素の影響が大きく、基板100の表面の炭素が雰囲気中の水素と反応することで生成された官能基によるものと考えられる。
【0047】
そこで、基板100の表面の改質を目的とする紫外線照射時には、ドライエアを供給して雰囲気中の水分量を減少させることで、官能基の生成を抑制することができ、紫外線照射後の基板100の表面に形成された透明導電膜の導電性の低下を防止できる。
【0048】
なお、酸素濃度0%の雰囲気中で紫外線を照射した基板100においても、表面に形成された透明導電膜の導電率の低下を生じない。しかし、酸素濃度0%の雰囲気の作成には長時間を必要とし、その雰囲気を維持するために装置の構造が複雑化する。これに対して、ドライエア雰囲気の作成及び維持は容易であり、ドライエア自体が環境を汚損することもないため、取り扱いが容易である。
【0049】
図5に示すように、この発明の第2の実施形態に係る基板処理装置1は、ハウジング30の対向する2面を開放している。搬送ローラ102,103を介して、供給ロール101に巻回されたフィルム状の基板100をハウジング30内を通過させて搬送しつつ、紫外線ランプ22から紫外線を照射する。ハウジング30内には、多数の孔を形成したダクト26を配置されている。ダクト36には、ドライエアボンベ34から送気管35を介してドライエアが供給される。
【0050】
この場合には、ベースプレート41、中間プレート42及びトッププレート43に代えて、上面が平面のステージを配置する。
【0051】
この構成により、供給ロール101に巻回されたフィルム状の基板100に対して連続してドライエア雰囲気中で紫外線照射による表面の改質を行うことができ、高導電率の導電膜の形成に適した基板100の生産効率を向上することができる。
【0052】
なお、ハンジング30内には環境汚染のないドライエアが供給されるため、ハウジング30の内部を外部に開放しておくことができる。
【0053】
上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0054】
1−基板処理装置
2−紫外線照射ユニット
3−処理室ユニット
22−紫外線ランプ
30−ハウジング
34−ドライエアボンベ
100−基板

【特許請求の範囲】
【請求項1】
紫外線照射装置により有機基板の表面に紫外線を照射することにより前記有機基板の表面を改質する基板処理装置において、
前記紫外線照射装置と前記有機基板の表面との間の雰囲気中における水素含有量を低下させる水素含有量低下手段を備えた基板処理装置。
【請求項2】
前記水素含有量低下手段は、前記紫外線照射装置と前記有機基板の表面との間の雰囲気中にドライエアを供給するドライエア供給手段である請求項1に記載の基板処理装置。
【請求項3】
前記紫外線照射装置の下方に前記有機基板が載置されるステージを備えた請求項1又は2に記載の基板処理装置。
【請求項4】
フィルム状の前記有機基板を供給ロールから前記紫外線照射装置の下方を経由して連続して搬送する搬送手段を備えた請求項1又は2に記載の基板処理装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2012−224702(P2012−224702A)
【公開日】平成24年11月15日(2012.11.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−91980(P2011−91980)
【出願日】平成23年4月18日(2011.4.18)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成23年度、次世代高効率・高品質照明の基盤技術開発/有機EL照明の高効率・高品質化に係る基盤技術開発委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願
【出願人】(000108753)タツモ株式会社 (73)
【Fターム(参考)】