CN100349261C - 等离子体cvd法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供等离子体CVD法及装置，不需要基板的反转工程就可以在基板的两面形成膜厚均一性优良的薄膜。本发明的特征是在设有气体供给口和排气口的真空室内，配置至少2个具有供电部和接地部的感应耦合型电极，将按照使基板两面露出的方式保持着基板的外周端部的基板保持器插入配置在所述2个感应耦合型电极之间，经所述气体供给口导入薄膜形成用气体，对所述供电部供给高频电力，用来沿着所述感应耦合型电极产生等离子体，从而在基板的两面同时的或顺序地形成薄膜。而且，其特征还在于，将第二气体供给系统与所述真空室连接，在基板的两面同时或顺序地形成不同的薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体CVD法和装置，特别涉及可以在基板的两面形成膜厚均一性优良的薄膜的等离子体CVD法和装置。
背景技术
一般所使用的太阳电池其构成是在基板上使用Si或化合物半导体等形成pn结或pin结，用来对从表面射入的太阳光进行光电变换，但也曾提出过利用从基板的背面侧射入的光的太阳电池，其目的是增大发电量。此种太阳电池成为如图7所示的构造，其制作是在i型的结晶硅101的两侧，利用等离子体CVD法分别堆积p型非晶Si(p型a-Si)膜102和n型非晶Si(n型a-Si)膜103，然后在其上利用溅射法形成透明电极104，利用网版印刷法形成集电极105。
在a-Si膜的堆积时，使用如图8(b)所示的平行平板型的等离子体CVD装置。该装置由负载锁定室110、加热室120、用以堆积a-Si膜的等离子体CVD(PCVD)室130和冷却室140构成。各个室经由闸阀106连结，i型硅基板101如图8(a)所示，被安装在成为背板的基板保持器107上，依照图8(b)的箭头方向顺序的被搬运。也即，将如图8(a)的基板安装在基板保持器上之后，将该基板保持器插入到负载锁定室110，对室内进行排气。使闸阀开放，搬运到加热室120，利用加热器121将基板加热到指定的温度后，将其搬运到平行平板型PCVD室130。当基板保持器被搬运到PCVD室130时，导入薄膜形成用气体(SiH4/PH3气体)，将高频电力供给到高频电极131，用来产生等离子体，从而在硅基板101上形成n型a-Si膜。然后，将基板保持器送到冷却室140。
在基板温度下降后，使冷却室140回到大气，取出基板保持器107，使硅基板101反转用来在基板的相反侧面形成p型a-Si膜。将该基板保持器再度放入图8(b)的等离子体CVD装置的负载锁定室，重复进行同样的处理，堆积p型a-Si膜以形成pin结。另外，在PCVD室导入作为薄膜形成用气体的SiH4/B2H6气体。
然后，利用溅射装置在硅基板101的两面形成ITO等的透明导电膜，然后利用网版印刷等形成集电极从而完成太阳电池的制造。
发明内容
依照上述方式，在现有的a-Si膜的堆积时，使用平行平板型等离子体CVD装置。但是，在利用平行平板型PCVD装置于高电阻基板或绝缘性基板上形成薄膜的情况时，因为在基板的背面没有背板，所以高频电流难以通过基板流动，在基板表面的等离子体密度会显著的降低。其结果是在基板中心部和周边部产生膜厚差，具有难以获得膜厚均一性良好的薄膜的所谓缺点。此种缺点在基板变大时变为显著。因此，要形成高膜厚均一性的薄膜时，用以形成高频电流的通路的背板是不可缺少，但是具有基板两面成膜的生产效率会显著降低的问题。也即，在一面形成薄膜后，需要取出基板使其反转的作业，因此，负载锁定室的排气、冷却室的通风和基板加热、冷却工程需要两次。
另外，为了要提高产量需要两组如图8(b)所示的装置，所以具有生产装置整体的大型化和成本增加的问题。
在此种状况，本发明的目的是提供等离子体CVD法及装置，不需要基板的反转工程就可以在基板的两面形成膜厚均一性优良的薄膜。
本发明的第一方面是提供一种等离子体CVD装置，配置有：
第一和第二PCVD室，该第一和第二PCVD室经由闸阀连结，在该第一PCVD室和第二PCVD室分别设有气体供给配管和排气口；
感应耦合型电极，该感应耦合型电极具有供电部和接地部，所述感应耦合型电极一端作为供电部与高频电力连接，另一端作为接地部接地；
基板保持器，该基板保持器按照使基板的两面露出的方式保持着外周端部；
多个所述感应耦合型电极配置在同一平面内的电极列，在所述第一PCVD室设置n层所述电极列，在所述第二PCVD室设置(n-1)层所述电极列；或者，在所述第一PCVD室设置(n-1)层所述电极列，在所述第二PCVD室设置n层所述电极列，其中n为2以上的整数，在相邻的电极列之间配置有两个基板保持器。
换言之，其等离子体CVD装置的构造是在设有气体供给配管和排气口的PVCD室内，配置至少两个具有供电部和接地部的感应耦合型电极，将按照使基板两面露出的方式保持着基板的外周端部的基板保持器插入配置在上述两个感应耦合型电极之间；其特征是，结构如下：从上述气体供给系统导入薄膜形成用气体和对上述供电部供给高频电力，用来沿着上述感应耦合型电极产生等离子体，从而在基板的两面同时的或顺序地形成薄膜。
在此处通过构建成为在上述PVCD室设置第二气体供给配管、同时变换两种气体的导入和对两个感应耦合型电极的电力供给，可以在基板两面形成不同的薄膜。另外，设置分隔板，使不同的气体不会互相混合的流到被该分隔板和基板保持器分割成的两个成膜空间，依照此种方式，经由调整气流和在每一个成膜空间设置排气口，可以在基板两面同时形成不同的薄膜。
另外，通过构建成为设置多个的上述感应耦合型电极、设置三层以上被配置在同一平面内的电极，在该电极列层之间的各个，配置上述基板保持器，可以用来实现生产效率极高的等离子体CVD装置。
本发明的等离子体CVD装置的构造是在内部配置具有供电部和接地部的感应耦合型电极，和连结两个设有气体供给配管和排气口的PVCD室，其特征是：将按照使基板两面露出的方式保持着基板的外周端部的基板保持器，搬运到上述两个PVCD室的第一PVCD室，经气体供给配管导入第一薄膜形成用气体，并对感应耦合型电极的供电部供给高频电力，产生等离子体，在面对该感应耦合型电极的基板的表面上形成第一薄膜之后，将上述基板保持器搬运到第二PVCD室，使形成有上述第一薄膜的面的相反侧的面，面对感应耦合型电极，经气体供给配管导入第二薄膜形成气体，并对感应耦合型电极的供电部供给高频电力，产生等离子体，从而在形成有上述第一薄膜的表面的相反侧的基板表面，形成第二薄膜。
另外，要成为高量产效率的装置时，也可以设置多个的上述感应耦合型电极，被配置在同一平面内的电极列，在上述第一PVCD室(或第二PVCD室)设置n层(n为2以上的整数)，在上述第二PVCD室(或第一PVCD室)设置(n-1)层，在该电极列层之间配置两个基板保持器。
附图说明
图1是用来表示本发明的实施方式1的等离子体CVD装置的概略图。
图2是用来表示实施方式2的等离子体CVD装置的概略图。
图3是用来表示实施方式3的等离子体CVD装置的概略图。
图4是用来表示实施方式4的等离子体CVD装置的概略图。
图5是用来表示图2的量产对应装置的概略图。
图6是用来表示图1的量产对应装置的概略图。
图7是用来表示太阳电池的构造的概略图。
图8是用来表示现有的等离子体CVD装置的概略图。
符号说明：1基板；2载置器；3基板保持器；7高频电源；8同轴电缆；10、110负载锁定室；20、120加热室；30、40、70、130等离子体CVD室；31、41气体供给配管；32排气口；33、43感应耦合型电极；34供电部；35接地部；36基板保持器固定夹具；50、140冷却室；61～64、106闸阀；101i型结晶Si；102p型a-Si；103n型a-Si；104透明电极；105集电极。
具体实施方式
下面将根据附图用来详细说明本发明的实施方式。
(实施方式1)
图1表示本发明的实施方式1。图1是概略图，用来表示使用在图7所示的太阳电池的生产的等离子体CVD装置的一例。
等离子体CVD装置如图1(a)所示，由负载锁定室10、加热室20、第一等离子体CVD(PCVD)室30、和第二PCVD室40和冷却室50构成，各个室经由闸阀61～64连结。基板1按照使基板两面的薄膜形成面露出的方式被保持在基板保持器3。也即，如图1(f)所示，可以使基板的周边端部被具有开口的平板4和压板5夹持，用螺丝6固定。
保持有多个基板的基板保持器3被安装在载置器2(图1(e))，在铺设于各室的轨道上，依照图1(a)的箭头的方向被搬运，从而在各室进行指定的处理。即，基板保持器从负载锁定室10被搬运到加热室20，在该处利用红外线灯等的加热器从基板保持器3的两侧进行加热处理，加热到指定温度。然后，顺序的搬运到第一PCVD室30和第二PCVD室40，在基板的两面分别形成n型a-Si膜和p型a-Si膜。薄膜形成后，基板保持器在冷却室50被冷却到指定的温度，被取出到外部，和搬运到ITO等的透明导电膜和集电极的形成装置。另外，代替冷却室，也可以连结溅射室，使装置构造成为在a-Si膜形成后，立即形成透明导电膜。
第一PCVD室30的构造使用图1(b)、(c)进行说明。
图1(b)和(c)分别以从正面看到的概略图和从面向搬运方向看到的概略图，用来表示室内部。在PCVD室设有薄膜形成用气体(例如SiH4/PH3气体)的供给配管31和排气口32，在室内部设有于中央被折返的形状的感应耦合型电极33。感应耦合型电极33的一端部的供电部34经同轴电缆8连接到高频电源7，另外一端部的接地部35连结到室壁而被接地。
装载有基板保持器3的载置器2被搬入到PCVD室30，使位于虚线所示位置的基板保持器固定夹具36闭合，如实线所示的从两侧接触基板保持器，进行固定。在此种状态，经由气体供给配管31将SiH4/PH3气体导入到室内，在设定成为指定的压力后，将高频电力供给到感应耦合型电极33。沿着电极33产生等离子体，在面对电极33的基板表面堆积n型a-Si膜。这时，在基板成膜面的相反侧也有气体流入，但是等离子体被基板保持器和基板保持器固定夹具遮蔽，不会转入背侧，所以在电极的相反侧的基板表面不会形成薄膜。
在形成指定的膜厚后，停止电力的供给和气体的导入，对室内进行排气。然后，使闸阀63开放，将基板保持器搬运到第二PCVD室40。图1(d)是面向搬运方向看第二PCVD室内部所看到的概略图，除了将感应耦合型电极43配置在基板保持器的相反侧的位置外，具有与第一PCVD室相同的构造。当基板保持器被搬运到第二PCVD室40时，基板保持器固定夹具46进行闭合，用来固定基板保持器。这时，经由气体供给配管41将SiH4/B2H6气体导入到室内，对感应耦合型电极43供给高频电力，在形成有n型a-Si膜的面的相反侧的基板表面，堆积p型a-Si膜。依照此种方式，在i型结晶硅基板的两侧堆积p型a-Si和n型a-Si膜，用来形成pin结。
依照上述的方式，将基板保持器3装载在载置器2，顺序的搬运到各个室，可以连续的在基板的两面形成p型a-Si和n型a-Si膜。
依照上述的方式，要以现有的平行平板型PCVD装置形成膜厚均一性优良的薄膜时，必需在基板的成膜面的相反侧配置背板，因此，要进行两面成膜时，不可缺少的要有基板的反转工程，而且需要两次的加热、冷却工程等。另外一方面，在本发明的等离子体CVD装置中，因为不需要将基板反转，而且基板的加热、冷却工程只需要一次即可，所以处理室的数目可以减少和可以提高产量。另外，要以现有的装置进行高产量生产时，需要两组的负载锁定室、加热室、PCVD室，和冷却室，但是在图1所示的实施方式中，除了需要两个的PCVD室外，其它的处理室可以只为一个，因此可以大幅减小装置全体的设置面积和成本。
图1中表示U字型的感应耦合型电极，但是在中央被折返的形状的感应耦合型电极，除了U字型外，例如也可以成为“コ”字型的矩形电极。在此处优选使供电部34和接地部35与折返部之间的距离成为高频的激励波长的大致1/2或其自然数倍，可以产生、维持更稳定的放电。另外，所谓折返部，在U字型的情况时，是指具有曲率的半圆状的部份，当“コ”字型的情况时是指两根直线电极间的直线部。这些电极，例如不一定要为将一根棒材折曲而一体形成，例如也可以为利用金属板等将2根直线状电极加以连接、固定所形成的构造。
另外，在本发明中也可以使用棒状的电极。其两端为供电部和接地部，最好是供电部和接地部的距离成为激励波长的大致1/2或其自然数倍。
(实施方式2)
在图1的等离子体CVD装置中，构成在不同的PCVD室堆积p型和n型a-Si膜，但是也可以在一个的PCVD室内，于基板的两面形成不同的薄膜。图2表示可以采用此种方式的本发明的实施方式2。装置全体如图2(a)所示，除了PCVD室成为一个外，其它的构造与图1相同。
本实施方式的等离子体CVD室30如图2(b)、(c)所示，在室内配置两个的感应耦合型电极，各个的供电部34、34′连接到高频电源。在该两个电极之间，搬入和固定基板保持器。另外，在PCVD室与两种薄膜形成用气体(SiH4/PH3气体和SiH4/B2H6气体)的供给配管31、31′连结。
在该装置，当将基板保持器搬运到PCVD室30时，首先，经由气体供给配管31将SiH4/PH3气体导入到室内，当设定在指定的压力后，对电极33供给高频电力，沿着电极33产生等离子体。利用此种方式，在面对电极33的基板上堆积n型a-Si膜。在堆积指定膜厚的薄膜后，停止电力和气体的供给，对室内进行排气。
然后，经由气体供给配管31′导入SiH4/B2H6气体，同样的对电极33′供给电力用来产生等离子体，在面对电极33′的基板上堆积指定膜厚的p型a-Si膜，用来形成pin结。然后，搬运到冷却室50，冷却后取出到外部。
依照上述的方式，可以在同一室内形成不同种类的薄膜。
(实施方式3)
在图2的例中是构建成为在n型a-Si膜形成后，形成p型a-Si膜，但是也可以同时形成两种的薄膜。图3表示可以同时成膜的实施方式3。
等离子体CVD装置除了图3所示的PCVD室外，具有与图2(a)相同的构造。本实施方式的PCVD室具有下列部份与图2(b)、(c)不同。也即，在图2中，充分程度的遮蔽从而防止在n型或p型a-Si膜的成膜空间产生的等离子体朝向相反侧的成膜空间扩散，在p型或n型成膜面形成薄膜。但是，在实施方式3中，使基板保持器固定夹具36的长度尽可能的接近室的长度，担任分隔板的任务用来分离n型和p型a-Si膜的成膜空间，从而防止气体的互相污染(cross contamination)。另外，室的长度与基板保持器的长度成为相同的程度，用来减小间隙。另外，与各个成膜空间对应，设置两个气体供给配管和排气口32、32′。在此种情况，在排气口32和32′的下游集合排气气体(32″)，使排气系统成为一系列。
当同时导入两种气体时，会有气体通过基板保持器和分隔板与室内壁之间的间隙互相流入的情况，但是p型和n型的载子浓度大致由膜中所含有的p元素和B元素的浓度差决定。因此，当与n型a-Si膜所含的P元素的数密度比较时，即使混入有微量的B元素，或是与此相反的，当与p型a-Si膜所含的B元素的数密度比较时，即使混入有微量的P元素，对太阳电池的特性也大致不会有影响，可以获得具有所希望的特性的太阳电池。
依照此种方式，通过在同一室内进行同时成膜，可以更进一步的缩短PCVD室的运转间隔。
另外，在本实施方式中是构建成为在两个成膜空间的各个设置排气口，但是也可以构建成为例如在真空室底壁的中央部设置一个的排气口。另外，对于分隔板，因为也可以兼用作为基板保持器固定夹具，所以成为分隔板与基板保持器接触的构造，但是在不需要基板保持器固定夹具的情况时，或是配置另外的分隔板的情况时，不一定要使分隔板与基板保持器连接，即使具有间隙也可通过气流的调节等抑制互相污染。
(实施方式4)
在上述的实施方式中，所述是在硅基板上直接形成p型和n型a-Si膜的制造装置和制造方法，但是要减小p/i结和i/n结部的缺陷，从而改良太阳电池特性时，优选在p型和n型a-Si膜形成前，于基板两面的结晶硅上形成i型a-Si膜。图4表示作为本发明的实施方式4的此种装置构造。
图4的等离子体CVD装置是在图2(a)的等离子体CVD装置的PCVD室30之前，设置i型a-Si膜堆积用的PCVD室70。PCVD室70具有与图2(b)、(c)相同的构造，连接一个SiH4气体的供给配管。在导入SiH4气体后，同时对两个感应耦合型电极供应高频电力，在基板的两面堆积相同的i型a-Si膜。
至于n型和p型a-Si膜的形成方法与实施方式2相同。
(实施方式5)
下面说明作为本发明的实施方式5的生产效率极高的等离子体CVD装置。图1～图4的等离子体CVD室被构成成为在被保持于基板保持器的一个基板的两面，连续的形成薄膜，但是要提高生产效率时，优选构建成为可以将更多的基板保持在基板保持器，而且可以同时处理多个的基板保持器。本发明的使用感应耦合型电极的等离子体CVD室可以很容易进行此种扩张，图5和图6表示批量生产对应装置构造例。
图5(a)、(b)分别是从正面和面向搬运方向，看与图2的装置对应的批量生产装置的PCVD室内部时的概略图。如图5(a)所示，因为在同一平面内配置多个与基板保持器面面对的感应耦合型电极，所以可以对更大型的基板保持器(也即，保持有多个基板的基板保持器)进行成膜处理。另外，如图5(b)所示，只要交替的配置基板保持器和电极列层，就可以在一个的真空室内进行多个基板保持器的成膜处理。
也即，经由气体供给配管31导入SiH4/PH3气体，对电极33、33″供给电力，在与这些基板面对的基板面上，形成n型a-Si膜。然后，将气体变换成为SiH4/B2H6气体，将电力供给到电极33′、33，在面对这些电极的基板面上，形成p型a-Si膜。此处的电极基板面间距离因为可以小至30mm程度，所以可以在小的空间配置多个的基板保持器和电极。
另外，图5的构造是在基板两面分别堆积两个薄膜的情况，但是也可以构建成为与图3所示的同时成膜装置的情况相同。
图6(a)、(b)是从搬运方向看与图1的装置对应的批量生产装置的第一和第二PCVD室内部时的概略图。在此种情况，构建成为在两个感应耦合型电极列层之间，配置两个基板保持器。
以上，以在结晶硅基板的两面形成a-Si膜的方法及其装置用来说明本发明，但是本发明并不只限于这些方式，也可以良好的使用在太阳电池以外的各种用途，例如用在玻璃或塑料基板的表面改性。
产业上的利用可能性
依照本发明时可以没有基板的背板地形成均一性优良的薄膜，其结果是不需要基板的反转工程，而且可以减少加热、冷却工程等，所以可以显著的提高两面成膜的生产效率。
另外，因为可以成为基板保持器和感应耦合型电极交替配置的构造，所以可以提供可同时处理多个基板的批量生产效率极优良的等离子体CVD装置。
Claims (1)
1.一种等离子体CVD装置，其特征在于，配置有：
在基板的一面侧上形成第一薄膜的第一PCVD室和在基板的另一面侧上形成第二薄膜的第二PCVD室，该第一和第二PCVD室经由闸阀连结，在该第一PCVD室和第二PCVD室分别设有气体供给配管和排气口；
感应耦合型电极，其具有供电部和接地部，所述感应耦合型电极一端作为供电部与高频电力连接，另一端作为接地部接地；
基板保持器，该基板保持器按照使基板的两面露出的方式保持着外周端部；
多个所述感应耦合型电极配置在同一平面内的电极列，在所述第一PCVD室设置n层所述电极列，在所述第二PCVD室设置(n-1)层所述电极列；或者，在所述第一PCVD室设置(n-1)层所述电极列，在所述第二PCVD室设置n层所述电极列，其中n为2以上的整数，在相邻的电极列之间配置有两个上述的基板保持器。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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Granted publication date: 20071114 Termination date: 20170121 |
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