JP2000087234A - Device for producing compound film and production of compound film - Google Patents

Device for producing compound film and production of compound film

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JP2000087234A
JP2000087234A JP10256564A JP25656498A JP2000087234A JP 2000087234 A JP2000087234 A JP 2000087234A JP 10256564 A JP10256564 A JP 10256564A JP 25656498 A JP25656498 A JP 25656498A JP 2000087234 A JP2000087234 A JP 2000087234A
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film
substrate
sputtering
evaporation
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時夫 中田
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • C23C14/568Transferring the substrates through a series of coating stations
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    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compd. thin film producing device in which the problems in the conventional CIS film formation are solved and capable of producing a CIS thin film of high quality and large area. SOLUTION: This device is provided with a main vacuum chamber having several openings on the circumference and a rotary drum 5 arranged in the main vacuum chamber 1, mounted with a substrate on the outer circumference and rotating it. Moreover, for feeding sputtering particles from the openings toward the substrate, each opening is fitted with a sputtering chamber 3. Furthermore, for feeding vapor from the openings to the substrate, a vacuum evaporating chamber 2 is fitted as well. At this time, the rotary drum 5 is disposed so as to make a rotary axis horizontal. One of the openings is disposed at the bottom part of the main vacuum chamber 1, and the vacuum evaporating chamber 2 is fitted to the opening at the bottom part.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、化合物薄膜を製造
するための製造装置に関し、特に、一部の元素を蒸発に
より、他の元素をスパッタリングにより飛翔させ化合物
とするのに適した製造装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a manufacturing apparatus for manufacturing a compound thin film, and more particularly to a manufacturing apparatus suitable for forming a compound by evaporating some elements and flying other elements by sputtering. .

【0002】[0002]

【従来の技術】カルコパイライト型構造のCuInSe
2(CIS)系薄膜を用いた太陽電池は、光電変換効率
が高く、低コストで、長期安定性に優れるため、次世代
における電力用太陽電池の有力候補の一つと考えられて
いる。とくに、Inの一部をGaに置き換えたCu(I
1-xGax)Se2(CIGS)系太陽電池の変換効率
はここ数年で大幅に向上し、ラボサイズで17%、ミニ
モジュールで14%を越えるようになった。ラボサイズ
高効率CIS系太陽電池の製膜は、多源同時蒸着法によ
って行われる。これに対して大面積モジュールは、C
u、InおよびGaを含む金属積層膜をH2Seガス中
で熱処理するセレン化法等によって作製されている。な
お、セレン化前の金属積層膜をプリカーサ膜(前駆体
膜)と呼ぶ。以下、CIGS系も含めたCIS系太陽電
池の製膜法について具体的に説明する。
2. Description of the Related Art CuInSe having a chalcopyrite type structure
2. Description of the Related Art A solar cell using a (CIS) -based thin film has high photoelectric conversion efficiency, is low in cost, and has excellent long-term stability. In particular, Cu (I
The conversion efficiency of n 1-x Ga x ) Se 2 (CIGS) solar cells has improved significantly in recent years, exceeding 17% in lab size and over 14% in mini-modules. Lab-size high-efficiency CIS-based solar cells are formed by a multi-source simultaneous vapor deposition method. On the other hand, the large area module is C
It is manufactured by a selenization method or the like in which a metal laminated film containing u, In and Ga is heat-treated in H 2 Se gas. Note that the metal laminated film before selenization is referred to as a precursor film (precursor film). Hereinafter, a method of forming a CIS-based solar cell including a CIGS-based solar cell will be specifically described.

【0003】1) 多源同時蒸着法 多源同時蒸着法の代表的な方法としては、米国のNRE
L(National Renewable Energy Laboratory)が開発した
3段階法とECグループの同時蒸着法がある。3段階法
は、例えば、J.R.Tuttle,J.S.Ward,A.Duda,T.A.Berens,
M.A.Contreras,K.R.Ramanathan, A.L.Tennant,J.Keane,
E.D.Cole,K.Emery and R.Noufi:Mat.Res.Soc.Symp.Pro
c. Vol.426(1996)p.143.に記載されている。また、同時
蒸着法は、例えば、L.Stolt et al.:Proc.13th ECPVSEC
(1995,Nice)1451.に記載されている。3段階法は、高真
空中で最初にIn,Ga,Seを基板温度300℃で同
時蒸着し、次に500−560℃に昇温してCu,Se
を同時蒸着後、In,Ga,Seをさらに同時蒸着する
方法で、禁制帯幅が傾斜したグレーデッドバンドギャッ
プCIGS膜が得られる。ECグループの方法は、蒸着
初期にCu過剰CIGS、後半でIn過剰CIGSを蒸
着するBoeing社の開発したバイレーヤー法をイン
ラインプロセスに適用できるように改良したものであ
る。バイレーヤー法は、W.E.Devaney,W.S.Chen,J.M.Ste
wart,and R.A.Mickelsen:IEEE Trans.Electron.Devices
37(1990)428.に記載されている。
1) Multiple Source Simultaneous Deposition Method A typical method of the multiple source simultaneous deposition method is NRE in the United States.
There is a three-step method developed by L (National Renewable Energy Laboratory) and a simultaneous vapor deposition method of the EC group. The three-step method is described in, for example, JRTuttle, JSWard, A. Duda, TABerens,
MAContreras, KRRamanathan, ALTennant, J. Keane,
EDCole, K.Emery and R.Noufi: Mat.Res.Soc.Symp.Pro
c. Vol.426 (1996) p.143. In addition, the simultaneous vapor deposition method is, for example, L. Stolt et al .: Proc. 13th ECPVSEC
(1995, Nice) 1451. In the three-step method, first, In, Ga, and Se are co-deposited in a high vacuum at a substrate temperature of 300 ° C., and then the temperature is raised to 500 to 560 ° C. to form Cu, Se.
After the simultaneous deposition of In, Ga, and Se, a graded band gap CIGS film having a sloped forbidden band width can be obtained. The EC group's method is an improvement in which the bilayer method developed by Boeing, which deposits Cu-excess CIGS in the initial stage of vapor deposition and In-excess CIGS in the latter stage, can be applied to an in-line process. The bilayer method is based on WEDevaney, WSChen, JMSte
wart, and RAMickelsen: IEEE Trans.Electron.Devices
37 (1990) 428.

【0004】3段階法およびECグループの同時蒸着法
は共に、膜成長過程でCu過剰なCIGS膜組成とし、
相分離した液相Cu2-xSe(x=0〜1)による液相
焼結を利用するため、大粒径化が起こり、結晶性に優れ
たCIGS膜が形成されるという利点がある。しかしなが
ら、これらは基本的には真空蒸着法であり、蒸発フラッ
クスの大面積安定供給に問題があるため、本質的には多
元化合物薄膜の大面積化には向いていない。
[0004] In both the three-step method and the simultaneous vapor deposition method of the EC group, a CuGS-excess CIGS film composition is formed during the film growth process.
Since the liquid phase sintering using the phase separated liquid phase Cu 2-x Se (x = 0 to 1) is used, there is an advantage that a large grain size occurs and a CIGS film having excellent crystallinity is formed. However, these are basically vacuum evaporation methods, and have a problem in the stable supply of evaporation flux over a large area. Therefore, they are not essentially suitable for increasing the area of a multi-component compound thin film.

【0005】2) セレン化法 セレン化法は2段階法とも呼ばれ、最初にCu層/In
層や(Cu−Ga)層/In層等の積層膜の金属プレカ
ーサをスパッタ法、蒸着法、電着法などで製膜し、これ
をセレン蒸気またはセレン化水素中で450〜550℃
程度に加熱することにより、熱拡散反応によってCu
(In1-xGax)Se2等のセレン化合物を作製する方
法である。この方法を気相セレン化法と呼ぶが、このほ
か、金属プリカーサ膜の上に固相セレンを堆積し、この
固相セレンをセレン源とした固相拡散反応によりセレン
化させる固相セレン化法がある。現在、唯一、大面積量
産化に成功しているのは、金属プリカーサ膜を大面積化
に適したスパッタ法で製膜し、これをセレン化水素中で
セレン化する方法である。
2) Selenization method The selenization method is also referred to as a two-step method, in which a Cu layer / In
Layer or a metal precursor of a laminated film such as a (Cu-Ga) layer / In layer is formed by a sputtering method, a vapor deposition method, an electrodeposition method, or the like, and is formed at 450 to 550 ° C. in selenium vapor or hydrogen selenide.
By heating to about
This is a method for producing a selenium compound such as (In 1-x Ga x ) Se 2 . This method is called a gas-phase selenization method. In addition, a solid-phase selenization method in which solid selenium is deposited on a metal precursor film and selenized by a solid-phase diffusion reaction using the solid selenium as a selenium source. There is. Currently, the only successful mass production of a large area is a method in which a metal precursor film is formed by a sputtering method suitable for increasing the area, and this is selenized in hydrogen selenide.

【0006】しかしながら、この方法ではセレン化の際
に膜が約2倍に体積膨張するため、内部歪みが生じ、ま
た、生成膜内に数μm程度のボイドが発生し、これらが
膜の基板に対する密着性や太陽電池特性に悪影響を及ぼ
し、光電変換効率の制限要因になっているという問題が
ある( B.M.Basol,V.K.Kapur,C.R.Leidholm,R.Roe,A.Ha
lani,and G.Norsworthy:NREL/SNL Photovoltaics Prog.
Rev.Proc.14th Conf.-A Joint Meeting(1996)AIP Conf.
Proc.394.)。
However, in this method, the volume of the film is approximately doubled at the time of selenization, so that internal strain is generated and voids of about several μm are generated in the formed film, and these voids are generated with respect to the substrate. There is a problem that it adversely affects adhesion and solar cell characteristics and is a limiting factor in photoelectric conversion efficiency (BMBasol, VKKapur, CRLeidholm, R.Roe, A.Ha
lani, and G. Norsworthy: NREL / SNL Photovoltaics Prog.
Rev. Proc. 14th Conf.-A Joint Meeting (1996) AIP Conf.
Proc. 394.).

【0007】このようなセレン化の際に生ずる急激な体
積膨張を回避するために、金属プリカーサ膜に予めセレ
ンをある割合で混合しておく方法(T.Nakada,R.Ohnish
i,andA.kunioka:"CuInSe2-Based Solar Cells by Se-Va
por Selenization from Se-Containing Precursors" So
lar Energy Materials and Solar Cells 35(1994)204-2
14.)や、金属薄層間にセレンを挟み(例えばCu層/
In層/Se層…Cu層/In層/Se層と積層する)
多層化プリカーサ膜の使用が提案されている(T.Nakad
a,K.Yuda,and A.Kunioka:"Thin Films of CuInSe2 Prod
uced by ThermalAnnealing of Multilayers with Ultra
-Thin stacked Elemental Layers" Proc. of 10th Euro
pean Photovoltaic Soalr Energy Conference(1991)887
-890.)。これらにより、上述の堆積膨張の問題はある
程度回避されている。
[0007] In order to avoid such rapid volume expansion at the time of selenization, a method of previously mixing selenium in a metal precursor film at a certain ratio (T. Nakada, R. Ohnish)
i, andA.kunioka: "CuInSe 2 -Based Solar Cells by Se-Va
por Selenization from Se-Containing Precursors "So
lar Energy Materials and Solar Cells 35 (1994) 204-2
14.) or selenium sandwiched between thin metal layers (eg Cu layer /
In layer / Se layer: laminated with Cu layer / In layer / Se layer)
The use of multilayered precursor films has been proposed (T. Nakad
a, K.Yuda, and A.Kunioka: "Thin Films of CuInSe 2 Prod
uced by ThermalAnnealing of Multilayers with Ultra
-Thin stacked Elemental Layers "Proc. Of 10th Euro
pean Photovoltaic Soalr Energy Conference (1991) 887
-890.). As a result, the above-described problem of the accumulation expansion is avoided to some extent.

【0008】しかしながら、このような手法を含めて、
すべてのセレン化法に当てはまる問題点がある。それ
は、最初にある決まった組成の金属積層膜を用い、これ
をセレン化するため、膜組成制御の自由度が極めて低い
という点である。たとえば現在、高効率CIGS系太陽
電池では、Ga濃度が膜厚方向で傾斜したグレーデッド
バンドギャップCIGS薄膜を使用するが、このような
薄膜をセレン化法で作製するには、最初にCu−Ga合
金膜を堆積し、その上にIn膜を堆積し、これをセレン
化する際に、自然熱拡散を利用してGa濃度を膜厚方向
で傾斜させる(K.Kushiya,I.Sugiyama,M.Tachiyuki,T.K
ase,Y.Nagoya,O.Okumura,M.Sato,O.Yamaseand H.Takesh
ita:Tech.Digest 9th Photovoltaic Science and Engin
eering Conf.Miyazaki,1996(Intn.PVSEC-9,Tokyo,1996)
p.149.)。しかしながら、この方法では最初にGa過剰
なCIGS膜となるため、結晶粒径が小さくなり、多く
の結晶粒界が生じる。この結晶粒界にはキャリアが捕獲
されるため、太陽電池特性に悪影響を及ぼし、光電変換
効率の制限要因になる。とくに、大粒径の高品質CIG
S薄膜を得るには前述したように、膜成長過程でCu過
剰なCIGS膜組成とし、相分離した液相Cu2-xSe
の利用が重要である。しかしながらセレン化法では上に
述べた理由からこのような製膜プロセスの実現は困難で
ある。
However, including such a method,
There are issues that apply to all selenization methods. That is, since a metal laminated film having a predetermined composition is used first and selenized, a degree of freedom in controlling the film composition is extremely low. For example, at present, a high-efficiency CIGS-based solar cell uses a graded band gap CIGS thin film having a Ga concentration inclined in the film thickness direction. In order to produce such a thin film by the selenization method, Cu-Ga When depositing an alloy film, depositing an In film thereon, and selenizing the In film, the Ga concentration is inclined in the film thickness direction using natural thermal diffusion (K. Kushiya, I. Sugiyama, M. et al. Tachiyuki, TK
ase, Y.Nagoya, O.Okumura, M.Sato, O.Yamaseand H.Takesh
ita: Tech.Digest 9th Photovoltaic Science and Engin
eering Conf.Miyazaki, 1996 (Intn.PVSEC-9, Tokyo, 1996)
p.149.). However, in this method, a Ga-excess CIGS film is first formed, so that the crystal grain size is reduced and many crystal grain boundaries are generated. Carriers are trapped in the crystal grain boundaries, which adversely affects the characteristics of the solar cell and is a limiting factor of the photoelectric conversion efficiency. In particular, high quality CIG with large particle size
To obtain an S thin film, as described above, a CuGS-excess CIGS film composition is formed during the film growth process, and the liquid phase Cu 2-x Se phase-separated is obtained.
The use of is important. However, in the selenization method, it is difficult to realize such a film forming process for the reasons described above.

【0009】3) スパッタ法 一方、スパッタ法は大面積化に適するため、これまでC
uInSe2薄膜形成法として多くの手法が試みられて
きた。たとえば、CuInSe2多結晶をターゲットと
した方法、や、Cu2SeとIn2Se3をターゲットと
し、スパッタガスにH2SeとAr混合ガスを用いる2
源スパッタ法(J.H.Ermer,R.B.Love,A.K.Khanna,S.C.Le
wis and F.Cohen:"CdS/CuInSe2 Junctions Fabricated
by DC Magnetron Sputtering of Cu2Se and In2Se3" Pr
oc. 18th IEEE Photovoltaic Specialists Conf. (198
5)1655-1658.)が開示されている。また、Cuターゲッ
ト,Inターゲット,SeまたはCuSeターゲットを
Arガス中でスパッタする3源スパッタ法などが報告さ
れている(T.Nakada,K.Migita,A.Kunioka: " Polycryst
alline CuInSe2 Thin Films for Solar Cells by Three
-Source Magnetron Sputteing" Jpn. J. Appl. Phys. 3
2(1993)L1169-L1172.ならびに、T.Nakada,M.Nishioka,a
nd A.Kunioka: "CuInSe2 Films for Solar Cells by Mu
lti-Source Sputtering of Cu, In, and Se-Cu Binary
Alloy " Proc. 4 th Photovoltaic Science and Engine
ering Conf. (1989)371-375.)。
3) Sputtering method On the other hand, the sputtering method is suitable for increasing the area.
Many techniques have been tried as a method for forming a uInSe 2 thin film. For example, a method using CuInSe 2 polycrystal as a target, or a method using Cu 2 Se and In 2 Se 3 as targets and using a mixed gas of H 2 Se and Ar as a sputtering gas 2
Source sputtering method (JHErmer, RBLove, AKKhanna, SCLe
wis and F. Cohen: "CdS / CuInSe 2 Junctions Fabricated
by DC Magnetron Sputtering of Cu 2 Se and In 2 Se 3 "Pr
oc.18th IEEE Photovoltaic Specialists Conf. (198
5) 1655-1658.) Is disclosed. Also, a three-source sputtering method for sputtering a Cu target, an In target, a Se or CuSe target in an Ar gas has been reported (T. Nakada, K. Migita, A. Kunioka: "Polycryst").
alline CuInSe 2 Thin Films for Solar Cells by Three
-Source Magnetron Sputteing "Jpn. J. Appl. Phys. 3
2 (1993) L1169-L1172; and T. Nakada, M. Nishioka, a
nd A. Kunioka: "CuInSe 2 Films for Solar Cells by Mu
lti-Source Sputtering of Cu, In, and Se-Cu Binary
Alloy "Proc. 4 th Photovoltaic Science and Engine
ering Conf. (1989) 371-375.).

【0010】しかしながら、これらのスパッタ法では、
SeやSe化合物のターゲットから放出されるSe負イ
オンや中性化した高エネルギーSe粒子が、ターゲット
とプラズマ間の電界で加速され、膜表面を衝撃するた
め、薄膜中に多くの欠陥が発生し、良質なCIS薄膜は
得られないといった問題点があった。そのため、このよ
うなスパッタ法で作製したCIS膜を用いた太陽電池の
変換効率は低く、6−8%程度に留まっている。
[0010] However, in these sputtering methods,
Se negative ions and neutralized high-energy Se particles emitted from the target of Se or Se compound are accelerated by the electric field between the target and the plasma and bombard the film surface, so that many defects are generated in the thin film. However, there was a problem that a high quality CIS thin film could not be obtained. Therefore, the conversion efficiency of the solar cell using the CIS film manufactured by such a sputtering method is low, and is about 6-8%.

【0011】4) ハイブリッドスパッタ法 前述したスパッタ法の問題点が、Se負イオンまたは高
エネルギーSe粒子による膜表面損傷であるとするな
ら、Seのみを熱蒸発に変えることで、これを回避でき
るはずである。中田らは、CuとIn金属は直流スパッ
タで、Seのみは蒸着とするハイブリッドスパッタ法
で、欠陥の少ないCIS薄膜を形成し、変換効率10%
を超すCIS太陽電池を作製した(T.Nakada,K.Migita,
S.Niki,and A.Kunioka:" Microstructural Characteriz
ation for Sputter-Deposited CuInSe2 Films and Phot
ovoltaic Devices" Jpn. Appl. Phys.34(1995)4715-472
1.)。また、Rockettらは、これに先立ち、有毒のH2
eガスの代わりにSe蒸気を用いることを目的としたハ
イブリッドスパッタ法を報告している(A.Rockett,T.C.
Lommasson, L.C.Yang,H.Talieh,P.Campos and J.A.Thor
nton: Proc. 20 th IEEEPhotovoltaic Specialists Con
f. (1988)1505.)。さらに古くは膜中のSe不足を補う
ためSe蒸気中でスパッタする方法も報告されている
(S.Isomura,H.Kaneko,S.Tomioka,I.Nakatani,and K.Ma
sumoto: Jpn. J. Appl. Phys. 19(Suppl.19- 3)(1980)2
3.)。しかしながら、これらのハイブリッドスパッタ法
ではSe蒸気が金属ターゲットを汚染し、その表面にC
uSeやInSeなどのセレン化物を形成するためスパ
ッタ放電が不安定となり、大面積で均一な膜作製が困難
であることや、膜質の再現性が低下するといった問題点
があった。もっとも、これらの汚染物は高周波(RF)
スパッタ法では絶縁膜もスパッタされるため、ある程度
は軽減できる。しかしながら、大面積量産化には、大電
力が必要なため現状のRFスパッタ法は適さない。
4) Hybrid sputtering method If the problem of the sputtering method described above is that the film surface is damaged by Se negative ions or high-energy Se particles, it can be avoided by changing only Se to thermal evaporation. It is. Nakada et al. Formed a CIS thin film with few defects by a hybrid sputtering method in which Cu and In metal were subjected to direct-current sputtering and only Se was deposited, and the conversion efficiency was 10%.
CIS solar cells exceeding T. (T. Nakada, K. Migita,
S.Niki, and A.Kunioka: "Microstructural Characteriz
ation for Sputter-Deposited CuInSe 2 Films and Phot
ovoltaic Devices "Jpn. Appl. Phys. 34 (1995) 4715-472
1.) Rockett et al. Also preceded this by toxic H 2 S
A hybrid sputtering method aimed at using Se vapor instead of e-gas has been reported (A. Rockett, TC
Lommasson, LCYang, H.Talieh, P.Campos and JAThor
nton: Proc. 20 th IEEEPhotovoltaic Specialists Con
f. (1988) 1505.). Furthermore, a method of sputtering in Se vapor to compensate for Se deficiency in the film has been reported earlier (S. Isomura, H. Kaneko, S. Tomioka, I. Nakatani, and K. Ma).
sumoto: Jpn. J. Appl. Phys. 19 (Suppl. 19-3) (1980) 2
3.) However, in these hybrid sputtering methods, Se vapor contaminates the metal target, and C
Since a selenide such as uSe or InSe is formed, sputter discharge becomes unstable, and there is a problem that it is difficult to form a uniform film over a large area and reproducibility of film quality deteriorates. However, these contaminants are radio frequency (RF)
In the sputtering method, the insulating film is also sputtered, so that it can be reduced to some extent. However, the current RF sputtering method is not suitable for mass production of a large area because large power is required.

【0012】5) その他の方法 その他のCIGS製膜法としてはスクリーン印刷法、近
接昇華法、MOCVD法、スプレー法などの報告例があ
るが、現状の技術開発レベルは低く太陽電池級のCIS
系薄膜は得られていない。
5) Other methods As other CIGS film forming methods, there are reported examples such as a screen printing method, a proximity sublimation method, a MOCVD method, and a spray method.
No system thin film was obtained.

【0013】6)特開昭63−192865号公報に
は、筒状の主真空室の外周に複数のスパッタ室を取り付
け、基板をドラム状の基板保持機構に取り付けて主真空
室内で回転させるというスパッタリング装置が開示され
ている。この公報には、このスパッタリング装置を用い
てCIS膜を形成することも開示されている。さらに、
この公報には、主真空室に取り付けるスパッタ室の一つ
を真空蒸着室にしてもよい旨が記載されている。
6) JP-A-63-192865 discloses that a plurality of sputtering chambers are mounted on the outer periphery of a cylindrical main vacuum chamber, and the substrate is mounted on a drum-shaped substrate holding mechanism and rotated in the main vacuum chamber. A sputtering apparatus is disclosed. This publication also discloses that a CIS film is formed using this sputtering apparatus. further,
This publication describes that one of the sputtering chambers attached to the main vacuum chamber may be a vacuum evaporation chamber.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術におい
て、多源同時蒸着法は、高品質CIGS薄膜を得ること
が可能であるが、蒸発フラックスの大面積安定供給に問
題があるため、本質的には多元化合物薄膜の大面積製膜
には向いていない。
In the above prior art, the multi-source simultaneous vapor deposition method can obtain a high-quality CIGS thin film, but has a problem in a large area stable supply of the evaporation flux. However, it is not suitable for large-area film formation of a multi-component compound thin film.

【0015】また、セレン化法は上述したようにセレン
化時の体積膨張による内部歪み、膜中ボイドの発生、膜
の基板に対する密着性の低下などが問題となっている。
さらに、すべてのセレン化法に当てはまる問題点は、最
初に決められた組成の金属プリカーサ膜を用い、これを
セレン化するため、製膜プロセス中における膜組成制御
が不可能な点である。すなわち、構成元素の蒸発量を変
化して、膜成長の中間段階でCu過剰なCIGS膜組成
とし、相分離した液相Cu2-xSeによる液相焼結モー
ドを利用して、薄膜の高品質化をはかる3段階法などの
製膜法が適用できない。したがって高効率太陽電池に必
要な禁制帯幅制御と薄膜結晶の高品質化の両立が困難で
ある。
Further, as described above, the selenization method has problems such as internal strain due to volume expansion at the time of selenization, generation of voids in the film, and reduction in adhesion of the film to the substrate.
Further, a problem that applies to all selenization methods is that a metal precursor film having a predetermined composition is used and selenized, so that it is impossible to control the film composition during the film forming process. In other words, by changing the evaporation amount of the constituent elements, a CIGS film composition having an excessive amount of Cu is formed at an intermediate stage of the film growth, and the liquid phase sintering mode using the liquid phase Cu 2-x Se separated into phases is used to increase the thin film thickness. A film forming method such as a three-step method for quality improvement cannot be applied. Therefore, it is difficult to achieve both forbidden band width control and high quality thin film crystal required for a high efficiency solar cell.

【0016】一方、スパッタ法は大面積化に適するた
め、これまでCuInSe2薄膜形成法として多くの手
法が試みられてきた。しかしながら、上述したようにS
eまたはその化合物ターゲットから放出されるSe負イ
オンまたは高エネルギーSe粒子による膜表面損傷のた
め薄膜中に格子欠陥が発生し、良質なCIS系薄膜は得
られない。また、これを回避するためCuとInをスパ
ッタで堆積し、Seのみを熱蒸発に変えたハイブリッド
スパッタ方法では、Se蒸気の金属ターゲット汚染によ
るスパッタ放電の不安定化が問題であった。
On the other hand, since the sputtering method is suitable for increasing the area, many methods have been tried as a CuInSe 2 thin film forming method. However, as described above, S
Lattice defects occur in the thin film due to film surface damage caused by Se negative ions or high energy Se particles released from e or its compound target, and a high quality CIS based thin film cannot be obtained. Further, in order to avoid this, in the hybrid sputtering method in which Cu and In are deposited by sputtering, and only Se is changed to thermal evaporation, there has been a problem of instability of sputter discharge due to contamination of a metal target by Se vapor.

【0017】また、特開昭63−192865号公報に
記載されているスパッタ装置をCIS膜の製造に用いた
場合、上述のスパッタ法と同じようにSe負イオンまた
は高エネルギーSe粒子による膜表面損傷のため薄膜中
に格子欠陥が発生するという問題が生じると思われる。
また、特開昭63−192865号公報記載のスパッタ
室の一つを真空蒸着室にすることが記載されているが、
この公報には、それ以上のことが記載されていない。
When a sputtering apparatus described in JP-A-63-192865 is used for manufacturing a CIS film, the film surface damage due to Se negative ions or high-energy Se particles is the same as in the above-described sputtering method. Therefore, it is considered that a problem that lattice defects occur in the thin film occurs.
Further, although one of the sputtering chambers described in JP-A-63-192865 is described as a vacuum deposition chamber,
This publication does not describe anything further.

【0018】本発明は、上述の従来のCIS系膜の成膜
の問題点を解決し、高品質で、大面積のCIS系薄膜を
製造することのできる化合物薄膜製造装置を提供するこ
とを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a compound thin film manufacturing apparatus capable of solving the above-mentioned problem of forming a conventional CIS based film and producing a high quality, large area CIS based thin film. And

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、以下のような化合物膜の製造装置
が提供される。
According to the present invention, there is provided an apparatus for producing a compound film as described below.

【0020】すなわち、周囲に複数の開口をもつ主真空
室と、前記主真空室内に配置され、外周に基板を搭載し
て回転するための回転ドラムと、前記開口から前記基板
に向かってスパッタ粒子を供給するために、前記開口に
取り付けられた少なくとも1つのスパッタ室と、前記開
口から前記基板に蒸気を供給するために、前記少なくと
も1つの真空蒸発室とを有し、前記回転ドラムは、回転
軸が水平となるように配置され、前記複数の開口のうち
の一つは、前記主真空室の底部に設けられ、当該底部に
設けられた開口に、前記真空蒸発室が取り付けられてい
ることを特徴とする化合物薄膜の製造装置である。
That is, a main vacuum chamber having a plurality of openings around it, a rotating drum disposed in the main vacuum chamber and mounted on the outer periphery for rotating a substrate, and sputtered particles from the opening toward the substrate. And at least one sputter chamber attached to the opening, and the at least one vacuum evaporation chamber to supply vapor from the opening to the substrate, wherein the rotating drum is rotatable. An axis is arranged horizontally, and one of the plurality of openings is provided at a bottom of the main vacuum chamber, and the vacuum evaporation chamber is attached to an opening provided at the bottom. An apparatus for producing a compound thin film, characterized in that:

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を用いて説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0022】本願の発明者らは、特開昭63−1928
65号公報記載のスパッタリング装置において、スパッ
タ室の一つを真空蒸着室に変更し、この真空蒸着室をS
eの蒸着に用いることにより、本装置で上記ハイブリッ
ドスパッタ方法でCIS系膜を成膜することが可能にな
ると考えた。そして、このような装置を用いることによ
り、上述の従来の問題は解決できると予測し、検討を行
った。その結果、この装置を用いた成膜方法は、Se負
イオンまたは高エネルギーSe粒子による膜表面損傷の
ため薄膜中に格子欠陥の発生を防ぐことができ、さら
に、金属ターゲット汚染によるスパッタ放電の不安定化
という問題も解決できることがわかった。しかしなが
ら、Se蒸気の分布を、膜面内方向で均一にすることが
難しく、大面積のCIS系膜を得ることはできなかっ
た。そこで、発明者らは、Se蒸気の空間的分布が不均
一になる原因を追究したところ、蒸着時のSeの液面
と、基板面との位置関係に問題があると思われた。
The inventors of the present application disclose Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-1928.
No. 65, one of the sputtering chambers is changed to a vacuum deposition chamber, and this vacuum deposition chamber is
It is considered that the use of e for evaporating makes it possible to form a CIS-based film by the hybrid sputtering method using the present apparatus. Then, it was predicted that the above-mentioned conventional problem could be solved by using such an apparatus, and the present inventors studied. As a result, the film forming method using this apparatus can prevent lattice defects from being generated in the thin film due to damage to the film surface due to Se negative ions or high energy Se particles, and furthermore, prevent sputter discharge due to metal target contamination. It turns out that the problem of stabilization can be solved. However, it is difficult to make the distribution of Se vapor uniform in the in-plane direction of the film, and a large-area CIS-based film cannot be obtained. Then, the present inventors investigated the cause of the non-uniform spatial distribution of Se vapor, and found that there was a problem in the positional relationship between the Se liquid surface during deposition and the substrate surface.

【0023】具体的には、特開昭63−192865号
公報記載の装置は、基板を支持するドラム状のホルダー
の回転軸を鉛直に配置する装置であるため、これにSe
の真空蒸発室を取り付けると、真空チャンバーの横腹に
Seの真空蒸発室を取り付けることになり、真空チャン
バーの側面の開口から、Se蒸気が導入される。しか
し、Seは、蒸着のために加熱すると粘土の低い融液と
なり、その融液の液面は、重力により水平になるため、
Se蒸気は、まず、真空蒸発室の中を上方に立ち昇り、
それから真空度の差により真空チャンバーの側面の開口
に向かって水平に引き込まれ、開口に向かい合っている
基板に蒸着される。したがって、Se融液面と、基板の
主平面とは、90度の角度をなす位置関係になる。この
ため、Seの融液面と基板面との距離(Se蒸気が基板
に到達するまでの移動距離)は、基板上の位置によって
異なり、Se蒸気の分布を基板の主平面方向で一定にす
ることが困難になる。
More specifically, the apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-192865 is a device in which the rotating shaft of a drum-shaped holder for supporting a substrate is vertically arranged, and therefore, the device described in Japanese Patent Application Laid-Open No.
When the vacuum evaporation chamber is mounted, the Se vacuum evaporation chamber is mounted on the side of the vacuum chamber, and Se vapor is introduced from the opening on the side of the vacuum chamber. However, when Se is heated for vapor deposition, it becomes a low melt of clay, and the liquid level of the melt becomes horizontal due to gravity.
Se vapor first rises upward in the vacuum evaporation chamber,
Then, it is drawn horizontally toward the opening on the side of the vacuum chamber due to the difference in the degree of vacuum, and is vapor-deposited on the substrate facing the opening. Therefore, the Se melt surface and the main plane of the substrate have a positional relationship of 90 degrees. For this reason, the distance between the melt surface of Se and the substrate surface (the moving distance until Se vapor reaches the substrate) differs depending on the position on the substrate, and the distribution of Se vapor is kept constant in the main plane direction of the substrate. It becomes difficult.

【0024】しかも、Se蒸気の移動経路には、蒸着が
進行するにつれ、Se膜が形成される。特に、Se融液
面と基板の主平面とは90度の角度をなす位置関係にあ
るため、Se蒸気が基板に至る移動経路は複雑であり、
基板への蒸着効率が悪く、Se真空蒸着室の天井部分や
開口に、多くのSe蒸気が蒸着される。このため、蒸着
が進行するにつれ、Se蒸気の移動経路が狭められ、移
動経路の形状が変化してしまうことにより、基板面に到
達するSe量は、時間的にも変化する。
In addition, a Se film is formed on the moving path of the Se vapor as the deposition proceeds. In particular, since the Se melt surface and the principal plane of the substrate have a positional relationship of 90 degrees, the moving path of Se vapor to the substrate is complicated,
The efficiency of vapor deposition on the substrate is poor, and a large amount of Se vapor is vapor-deposited on the ceiling and openings of the Se vacuum vapor deposition chamber. For this reason, as the deposition proceeds, the moving path of the Se vapor is narrowed, and the shape of the moving path changes, so that the Se amount reaching the substrate surface also changes with time.

【0025】よって、基板に到達するSe量は、基板の
主平面方向に一定ではなく、しかも時間的にも変動する
ため、Se量が基板面内で不均一となり、大面積のCI
S系膜を得ることはできない。
Therefore, the Se amount reaching the substrate is not constant in the main plane direction of the substrate, and also varies with time, so that the Se amount becomes non-uniform in the substrate surface and the large area CI
An S-based film cannot be obtained.

【0026】そこで、発明者らは、基板を搭載した回転
ドラムの回転軸の方向と、真空蒸着源の配置を変えるこ
とにより、この問題を解決することができると考え、下
記製造装置を提供する。
Therefore, the present inventors believe that this problem can be solved by changing the direction of the rotation axis of the rotating drum on which the substrate is mounted and the arrangement of the vacuum evaporation source, and provide the following manufacturing apparatus. .

【0027】まず、本実施の形態の化合物薄膜の製造装
置の構成を図1、図2を用いて説明する。
First, the structure of a compound thin film manufacturing apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

【0028】本実施の形態の製造装置は、外周に複数
(ここでは4つ)の開口を有する円筒形の主真空チャン
バー1と、その開口に接続された1つの蒸着用蒸発室2
と、3つのスパッタ室3とを有する(図1、図2)。真
空チャンバー1の内部には、真空チャンバー1の内壁と
一定の間隔を保つように、回転ドラム5が配置されてい
る。回転ドラム5は、回転軸4を中心に回転する。
The manufacturing apparatus according to the present embodiment comprises a cylindrical main vacuum chamber 1 having a plurality of (here, four) openings on the outer periphery, and one evaporation chamber 2 for vapor deposition connected to the openings.
And three sputtering chambers 3 (FIGS. 1 and 2). A rotating drum 5 is arranged inside the vacuum chamber 1 so as to keep a constant distance from the inner wall of the vacuum chamber 1. The rotating drum 5 rotates around the rotating shaft 4.

【0029】本実施の形態では、回転軸4が水平になる
ように回転ドラム5および主真空チャンバー2を配置す
る。そして、蒸発室2を、主真空チャンバー1の底部に
配置することを特長とする。
In this embodiment, the rotating drum 5 and the main vacuum chamber 2 are arranged so that the rotating shaft 4 is horizontal. And it is characterized in that the evaporation chamber 2 is arranged at the bottom of the main vacuum chamber 1.

【0030】回転ドラム5には、基板7を取り付けるた
めの複数個(図1、図2では4個)の基板装着用カセッ
ト8が設置されている。蒸発室2および3つのスパッタ
室3は、それぞれ真空チャンバー1とは独立しており、
真空チャンバー1との境には、開閉可能なシャッター1
9が配置されている。
A plurality of (four in FIG. 1 and FIG. 2) substrate mounting cassettes 8 for mounting substrates 7 are provided on the rotating drum 5. The evaporation chamber 2 and the three sputtering chambers 3 are independent of the vacuum chamber 1, respectively.
A shutter 1 that can be opened and closed
9 are arranged.

【0031】蒸発室2の形状は、図1、図2からわかる
ように、回転軸4の軸方向には長く、その幅は狭い。蒸
発室2の底部には、蒸発源容器103と、これを加熱す
るヒーター102とが設けられ、ここから主真空チャン
バー1へと蒸気11が放出される。蒸発源容器103
は、回転軸4の軸方向には長く、幅が狭い形状であり、
内部には蒸発源10としてSeがセットされる。また、
3つのスパッタ室3の底部には、ターゲットホルダ10
1が配置され、金属ターゲット13を保持する。
As can be seen from FIGS. 1 and 2, the shape of the evaporating chamber 2 is long in the axial direction of the rotating shaft 4 and its width is small. An evaporation source container 103 and a heater 102 for heating the evaporation source container 103 are provided at the bottom of the evaporation chamber 2, from which the steam 11 is discharged to the main vacuum chamber 1. Evaporation source container 103
Has a shape that is long and narrow in the axial direction of the rotating shaft 4,
Se is set therein as the evaporation source 10. Also,
A target holder 10 is provided at the bottom of the three sputtering chambers 3.
1 are arranged and hold the metal target 13.

【0032】Se蒸発室2およびスパッタ室3には、そ
れぞれ真空排気系9に接続されている。これにより、主
真空チャンバー1とともにSe蒸発室2およびスパッタ
室3を高真空にすることができる。スパッタ室3には、
さらにスパッタガス導入口12がそれぞれ接続され、ア
ルゴンガスなどのスパッタガスの導入を可能とし、金属
ターゲット13のスパッタリングによって、スパッタ粒
子14を放出する。回転ドラム5の内側には、基板加熱
装置15が設置され、基板7の加熱が可能である。基板
7の温度の測定と制御は、基板加熱装置15と回転ドラ
ム5との中間に設置した基板温度モニター16によって
行うことができる。また、主真空チャンバー1の側面に
は、図1のように、基板交換用ロードロック機構17が
接続されており、真空を破らずに基板カセット8の取り
出しが可能である。主真空チャンバー1の反対側の側面
には、回転ドラム5を交換するための大型ロードロック
機構18が接続されている。よって、基板7の交換は、
ロードロック機構18を介して基板カセットの出し入れ
を行う方法以外に、大型ロードロック機構18により回
転ドラム5全体を回転軸4の軸方向に取り出して行うこ
とも可能である。
The Se evaporation chamber 2 and the sputtering chamber 3 are connected to a vacuum exhaust system 9 respectively. Thereby, the Se evaporation chamber 2 and the sputtering chamber 3 together with the main vacuum chamber 1 can be made high vacuum. In the sputtering chamber 3,
Further, sputter gas inlets 12 are respectively connected to allow sputter gas such as argon gas to be introduced, and sputter particles 14 are emitted by sputtering the metal target 13. A substrate heating device 15 is installed inside the rotating drum 5 so that the substrate 7 can be heated. The measurement and control of the temperature of the substrate 7 can be performed by a substrate temperature monitor 16 installed between the substrate heating device 15 and the rotating drum 5. Further, as shown in FIG. 1, a substrate exchange load lock mechanism 17 is connected to a side surface of the main vacuum chamber 1 so that the substrate cassette 8 can be taken out without breaking vacuum. A large load lock mechanism 18 for exchanging the rotary drum 5 is connected to the side surface on the opposite side of the main vacuum chamber 1. Therefore, replacement of the substrate 7
In addition to the method of taking the substrate cassette in and out through the load lock mechanism 18, the entire rotary drum 5 can be taken out in the axial direction of the rotary shaft 4 by the large load lock mechanism 18.

【0033】本実施の形態では、Se蒸発室2を、主真
空チャンバー1の底側に配置しているため、蒸着時のS
e融液の液面6が重力により水平になると、融液面6が
回転軸4に平行になる。よって、回転ドラム5のカセッ
ト8にとりつけられた基板7が、回転ドラム5の回転に
よりSe蒸発室2の上部を通過するときには、基板7は
融液面6と平行になる。したがって、融液面6と基板7
との距離は、回転軸4の軸方向に沿う位置でどこでも一
定となるため、Se蒸気の濃度も、回転軸4の軸方向に
沿って一定となる。よって、回転ドラム5を回転させる
ことにより、大面積の基板7に一定の濃度分布のSe蒸
気11を供給することができ、大面積のCIS膜を成膜
することが可能になった。
In the present embodiment, since the Se evaporation chamber 2 is disposed on the bottom side of the main vacuum chamber 1, the S
When the liquid surface 6 of the e-melt becomes horizontal due to gravity, the melt surface 6 becomes parallel to the rotation axis 4. Therefore, when the substrate 7 attached to the cassette 8 of the rotary drum 5 passes above the Se evaporation chamber 2 due to the rotation of the rotary drum 5, the substrate 7 becomes parallel to the melt surface 6. Therefore, the melt surface 6 and the substrate 7
Is constant everywhere along the axial direction of the rotating shaft 4, so that the concentration of Se vapor is also constant along the axial direction of the rotating shaft 4. Therefore, by rotating the rotating drum 5, the Se vapor 11 having a constant concentration distribution can be supplied to the large-area substrate 7, and a large-area CIS film can be formed.

【0034】つぎに、上述の製造装置を用いて、化合物
薄膜を製造する方法について説明する。ここでは、カル
コパイライト型構造のCuInSe2薄膜や欠陥スタナ
イト型構造のCuIn3Se5薄膜等の、CuとInとS
eとを構成元素とする化合物薄膜を基板上に成膜する場
合を例に取り説明する。なお、本実施の形態では、Cu
とInとSeとを構成元素とする化合物薄膜をCIS薄
膜と呼ぶ。
Next, a method of manufacturing a compound thin film using the above-described manufacturing apparatus will be described. Here, Cu, In, and S, such as a CuInSe 2 thin film having a chalcopyrite structure and a CuIn 3 Se 5 thin film having a defect stannite structure, are used.
The case where a compound thin film containing e as a constituent element is formed on a substrate will be described as an example. In the present embodiment, Cu
A compound thin film containing In, Se, and In as constituent elements is referred to as a CIS thin film.

【0035】蒸発室2のSe蒸発源10は、ここでは、
回転軸4方向の長さが120cmで、幅の狭い直線状蒸
発源(リニア蒸発源)とする。また、3つのスパッタ室
3のうちの1つには、ターゲット13としてCuターゲ
ットを取り付け、別のスパッタ室3には、ターゲット1
3としてInターゲットを取り付ける。Cuターゲット
13、Inターゲット13も、回転軸4方向の長さが1
20cmのものを用いる。
The Se evaporation source 10 in the evaporation chamber 2 is
A linear evaporation source (linear evaporation source) having a length of 120 cm in the direction of the rotating shaft 4 and a small width is used. A Cu target was attached as a target 13 to one of the three sputtering chambers 3, and a target 1 was placed in another sputtering chamber 3.
As No. 3, an In target is attached. The Cu target 13 and the In target 13 also have a length of 1 in the rotation axis 4 direction.
Use a 20 cm one.

【0036】また、基板7は、ここでは100cm×3
0cmのガラス基板とする。そして、長手方向が回転軸
4方向に一致するようにカセット8に取り付け、このカ
セットをロードロック機構17を介して、回転ドラム5
に装填する。装填後、真空排気系9によりスパッタ室
3、蒸発室2および主真空チャンバー1を真空排気す
る。また、基板加熱装置15により基板7の温度を所定
の温度まで上昇させる。全てのシャッター19を閉じた
状態で、ヒーター102を加熱してSe蒸発源10の温
度を上げる。また、スパッタ室3のうち、ターゲット1
3としてCuターゲットおよびInターゲットを取り付
けたスパッタ室3にスパッタガス導入口12よりアルゴ
ンガス等のスパッタガスを導入し、さらに、ターゲット
ホルダー101に電圧を印加して、金属ターゲット13
の放電を生じさせる。スパッタ室3の金属ターゲット1
3の放電および蒸発室2のSe蒸発量が安定したところ
で、回転ドラム5を予め定めた回転速度で回転させなが
ら、シャッター19を開けると、基板7がスパッタ室3
の前を通過するときに、金属ターゲット13から飛び出
したスパッタ粒子14が基板7に付着し成膜され、基板
7が蒸発室2の前を通過するときに、Se蒸気11が基
板7に付着し、基板7上の金属膜のセレン化が生じる。
The substrate 7 is 100 cm × 3 here.
A glass substrate of 0 cm is used. Then, the cassette is attached to the cassette 8 so that the longitudinal direction thereof coincides with the direction of the rotating shaft 4, and the cassette is attached to the rotating drum 5
To load. After loading, the evacuation system 9 evacuates the sputtering chamber 3, the evaporation chamber 2, and the main vacuum chamber 1. Further, the temperature of the substrate 7 is raised to a predetermined temperature by the substrate heating device 15. With all the shutters 19 closed, the heater 102 is heated to raise the temperature of the Se evaporation source 10. In the sputtering chamber 3, the target 1
3, a sputtering gas such as argon gas is introduced from a sputtering gas inlet 12 into a sputtering chamber 3 in which a Cu target and an In target are mounted, and further, a voltage is applied to the target holder 101 so that a metal target 13 is formed.
Causes discharge. Metal target 1 in sputtering chamber 3
When the discharge of 3 and the amount of Se evaporation in the evaporation chamber 2 are stabilized, the shutter 7 is opened while rotating the rotary drum 5 at a predetermined rotation speed.
Sputtered particles 14 jumping out of the metal target 13 adhere to the substrate 7 to form a film when passing in front of the substrate 7. When the substrate 7 passes in front of the evaporation chamber 2, Se vapor 11 adheres to the substrate 7. Then, selenization of the metal film on the substrate 7 occurs.

【0037】図6に、図1および図2の製造装置による
連続スパッタおよびセレン化によるCIS薄膜成長モデ
ルを示す。図6(a)は、回転ドラム5をゆっくりと一
回転させることで成膜とセレン化を完了させる方法を示
している。この方法では、回転ドラム5をゆっくりと回
転することにより、基板7が、Cuターゲット13のス
パッタ室3の前、Inターゲット13のスパッタ室3の
前を順に通過し、これにより、基板7上にCu膜60
1、In膜602が積層される。つぎに、基板7が、S
e蒸発室2の前を通過すると、Se蒸気が供給され、C
u膜601およびIn膜602がセレン化される。基板
7は、基板加熱装置15により加熱されているため、C
u膜601とIn膜602との間にも熱拡散反応が生
じ、これによってCIS薄膜を形成することができる。
この方法は、従来のセレン化法と同じである。
FIG. 6 shows a CIS thin film growth model by continuous sputtering and selenization by the manufacturing apparatus shown in FIGS. FIG. 6A shows a method of completing film formation and selenization by slowly rotating the rotary drum 5 once. In this method, the substrate 7 passes through the front of the sputtering chamber 3 of the Cu target 13 and the front of the sputtering chamber 3 of the In target 13 by rotating the rotating drum 5 slowly. Cu film 60
1. The In film 602 is stacked. Next, when the substrate 7
e Passing in front of the evaporation chamber 2, Se vapor is supplied and C
The u film 601 and the In film 602 are selenized. Since the substrate 7 is heated by the substrate heating device 15, C
A thermal diffusion reaction also occurs between the u film 601 and the In film 602, whereby a CIS thin film can be formed.
This method is the same as the conventional selenization method.

【0038】これに対し、図6(b)は、スパッタおよ
びセレン化を繰り返す本実施の形態の連続スパッタ/セ
レン化法によるCIS薄膜成長モデルである。この方法
は、回転ドラム5の回転速度を高速にすることにより、
基板7が、Cuターゲット13のスパッタ室3、Inタ
ーゲット13のスパッタ室3、Se蒸着室2の前を高速
で順に通過する。これにより、基板7上には、Cu薄層
604,In薄層605が形成され、その後、Se蒸発
室2の前を通過する際に、Se蒸気によってセレン化さ
れ、熱拡散反応により薄いCIS薄膜となる。つぎの一
回転で、このCIS薄膜の上に、再びCu薄層604,
In薄層605が形成され、さらにセレン化されて2倍
の膜厚のCIS薄膜となる。この方法は、回転ドラム5
が一回転する度に、この過程が繰り返され、回転ドラム
5を何回転させるかを設定することにより、所望の膜厚
のCIS薄膜を得ることができる。図6(c)の方法
は、図6(b)の方法よりも回転速度をさらに速くし、
形成されるCu薄層607,In薄層608の厚さを原
子オーダーにする方法であり、回転ドラム5が1回転す
る毎にCIS膜が積層されていくという点では図6
(b)と同じである。
On the other hand, FIG. 6B shows a CIS thin film growth model by the continuous sputtering / selenization method of the present embodiment in which sputtering and selenization are repeated. In this method, the rotation speed of the rotating drum 5 is increased,
The substrate 7 passes through the sputtering chamber 3 of the Cu target 13, the sputtering chamber 3 of the In target 13, and the Se deposition chamber 2 in order at high speed. As a result, a Cu thin layer 604 and an In thin layer 605 are formed on the substrate 7, and then, when passing through the Se evaporation chamber 2, are selenized by Se vapor and a thin CIS thin film is formed by a thermal diffusion reaction. Becomes In the next rotation, the Cu thin layer 604 is again placed on the CIS thin film.
An In thin layer 605 is formed and further selenized to form a CIS thin film having twice the thickness. This method uses a rotating drum 5
This process is repeated each time one rotation is made, and by setting how many rotations of the rotating drum 5, a CIS thin film having a desired film thickness can be obtained. The method of FIG. 6C further increases the rotation speed compared to the method of FIG.
This is a method in which the thicknesses of the formed Cu thin layer 607 and In thin layer 608 are in the order of atoms, and the CIS film is laminated every time the rotating drum 5 makes one rotation.
Same as (b).

【0039】図6(a)〜(c)のいずれの方法におい
ても、本実施の形態の製造装置では、InおよびCuの
成膜をスパッタ法で行うため、上述のように回転軸4方
向に長いターゲットを用いることにより、大面積の基板
上に一様な膜厚でIn層、Cu層を成膜することができ
る。しかも、本実施の形態の製造装置では、回転ドラム
5の下部の蒸発室2からSeを蒸気で供給するため、こ
れら基板の主平面方向に一様な濃度でSe蒸気を供給す
ることができ、In層、Cu層を面内方向に一様にセレ
ン化することができる。また、金属ターゲット13への
投入電力を制御し、Cu、Inの供給量を制御すること
により、形成されるCIS薄膜の組成をコントロールす
ることができる。これにより、カルコパイライト型構造
のCuInSe2薄膜や欠陥スタナイト型構造のCuI
3Se5薄膜を形成することができる。
In any of the methods shown in FIGS. 6A to 6C, in the manufacturing apparatus of the present embodiment, the In and Cu films are formed by the sputtering method. By using a long target, an In layer and a Cu layer can be formed with a uniform thickness over a large-area substrate. Moreover, in the manufacturing apparatus of the present embodiment, Se is supplied as steam from the evaporation chamber 2 below the rotary drum 5, so that Se vapor can be supplied at a uniform concentration in the main plane direction of these substrates. The In layer and the Cu layer can be uniformly selenized in the in-plane direction. Further, by controlling the power supplied to the metal target 13 and controlling the supply amounts of Cu and In, the composition of the CIS thin film to be formed can be controlled. As a result, a CuInSe 2 thin film having a chalcopyrite type structure and a CuI
An n 3 Se 5 thin film can be formed.

【0040】また、Seを蒸気で供給するため、従来の
スパッタ法のようにSe負イオン等による膜表面の損傷
もなく、大面積で良質なCIS系膜を得ることができ
る。また、スパッタ室3とSe蒸発室2とが独立してい
るため、スパッタターゲットがSeで汚染される恐れも
低い。
Further, since Se is supplied by vapor, a large-area, high-quality CIS-based film can be obtained without damage to the film surface due to Se negative ions or the like as in the conventional sputtering method. Further, since the sputtering chamber 3 and the Se evaporation chamber 2 are independent, the possibility that the sputter target is contaminated with Se is low.

【0041】さらに、本実施の形態の製造装置は、図6
(b),(c)のように、回転ドラム5を高速で回転さ
せることができるため、薄いCu薄層604、607、
In薄層605、608を積層し、それをセレン化する
という工程を繰り返す成膜方法にすることができる。こ
のため、従来のセレン化法のように、セレン化による急
激な体積膨張がなく、従来のようなボイドや膜の付着力
の低下という問題を回避できる。
Further, the manufacturing apparatus of the present embodiment is similar to that of FIG.
Since the rotating drum 5 can be rotated at a high speed as in (b) and (c), the thin Cu thin layers 604, 607,
A film formation method in which the steps of laminating the In thin layers 605 and 608 and selenizing them are repeated. For this reason, unlike the conventional selenization method, there is no rapid volume expansion due to selenization, and the problem of a decrease in voids and adhesion of the film as in the conventional method can be avoided.

【0042】さらに、金属ターゲット13への投入電力
を制御することによって、Cu、Inの供給量を制御す
ることができるため、形成されるCIS薄膜の組成をコ
ントロールでき、所望の組成の膜を得ることができる。
しかも、もう一つのスパッタ室3にGaターゲットをセ
ットし、Cu、In、Gaの基板への供給量を制御する
ことにより、従来の3段階法に類似した手法が可能にな
り、禁制帯幅が傾斜したグレーデッドバンドギャップC
IGS膜を形成することが可能である。すなわち、3つ
のスパッタ室3の金属ターゲット13として、それぞ
れ、Cuターゲット、Gaターゲット、およびInター
ゲットをセットし、成膜の第1段階としてCuのスパッ
タ粒子、Gaのスパッタ粒子、Seのスパッタ粒子を照
射基板に照射し、第2段階としてCuのスパッタ粒子と
Se蒸気とを照射し、第3段階としてInのスパッタ粒
子、Gaのスパッタ粒子、Se蒸気とを照射する。これ
により、大粒径の結晶化に優れたカルコパイライト型構
造のCu(In1-xGax)Se2(CIGS)膜(ただ
し、x=0〜1)を得ることが可能である。なお、Ga
は融点が低いため、Gaターゲットの代わりにCu−G
a合金のターゲットにすることも可能である。
Further, since the supply amounts of Cu and In can be controlled by controlling the power supplied to the metal target 13, the composition of the CIS thin film to be formed can be controlled, and a film having a desired composition can be obtained. be able to.
Moreover, by setting a Ga target in another sputtering chamber 3 and controlling the supply amounts of Cu, In, and Ga to the substrate, a method similar to the conventional three-step method can be performed, and the forbidden band width is reduced. Inclined graded band gap C
It is possible to form an IGS film. That is, a Cu target, a Ga target, and an In target are set as the metal targets 13 of the three sputtering chambers 3, respectively. Cu sputter particles, Ga sputter particles, and Se sputter particles are used as the first stage of film formation. The irradiation substrate is irradiated with Cu sputtered particles and Se vapor as a second stage, and In sputtered particles, Ga sputtered particles and Se vapor are irradiated as a third stage. This makes it possible to obtain a chalcopyrite-type Cu (In 1-x Ga x ) Se 2 (CIGS) film (x = 0 to 1) having a large grain size and excellent crystallization. Note that Ga
Has a low melting point, so Cu-G
It is also possible to use the target of the a alloy.

【0043】このように、本実施の形態の製造装置は、
主真空チャンバー1の周囲に独立したスパッタ室3と蒸
発室2とを取り付けた構成とし、しかも、回転ドラム5
の回転軸4を水平にし、蒸発室2を主真空チャンバー1
の下部に配置したことにより、基板の主平面方向にSe
蒸気を一様に供給することが可能になり、高品質で、大
面積のCIS系薄膜を製造することができる。
As described above, the manufacturing apparatus according to the present embodiment
An independent sputtering chamber 3 and an evaporating chamber 2 are attached around the main vacuum chamber 1, and the rotating drum 5
The rotary shaft 4 is horizontal, and the evaporating chamber 2 is
In the main plane direction of the substrate.
Steam can be supplied uniformly, and a high-quality, large-area CIS-based thin film can be manufactured.

【0044】なお、本実施の形態では、蒸発室2により
Seを蒸発させ、CuとInとSeとを構成元素とする
化合物薄膜(CIS薄膜)、ならびに、CuとInとG
aとSeとを構成元素とする化合物薄膜を形成すること
について説明したが、本実施の形態の製造装置は、これ
らの膜の製造に限らず低融点金属を含む化合物薄膜の成
膜に好適に用いることができる。特に、低融点材料であ
るカルコゲンの化合物を成膜するのに適している。さら
に、好適には、低融点金属を含む化合物であって、その
低融点金属をスパッタした場合に、負イオンが発生する
ような低融点金属を含む化合物を成膜するのに適してい
る。負イオンを発生する金属(材料)としては、例えば
アニオン(陰イオン)元素および電子親和力の大きな元
素、またはその化合物等がある。このような低融点金属
を、本実施の形態の製造装置の蒸発室2により蒸気と
し、他の構成金属をスパッタ室からスパッタで成膜する
ことにより、低融点金属を含む化合物の良質な膜を形成
することができる。
In the present embodiment, Se is evaporated by the evaporation chamber 2 to form a compound thin film (CIS thin film) containing Cu, In and Se as constituent elements, and Cu, In and G
Although the formation of a compound thin film containing a and Se as constituent elements has been described, the manufacturing apparatus of the present embodiment is not limited to manufacturing these films, but is suitable for forming a compound thin film containing a low melting point metal. Can be used. In particular, it is suitable for forming a film of a chalcogen compound which is a low melting point material. Further, a compound containing a low-melting-point metal, which is preferably used for forming a film containing a low-melting-point metal that generates negative ions when the low-melting-point metal is sputtered. Examples of the metal (material) that generates a negative ion include an anion (anion) element and an element having a high electron affinity, or a compound thereof. Such a low-melting-point metal is vaporized by the evaporation chamber 2 of the manufacturing apparatus of the present embodiment, and another constituent metal is formed by sputtering from a sputtering chamber, whereby a high-quality film of the compound containing the low-melting-point metal is formed. Can be formed.

【0045】本実施の形態の製造装置で好適に成膜する
ことのできる物質を以下に示す。
The substances that can be suitably formed into a film by the manufacturing apparatus of the present embodiment are shown below.

【0046】(1)常温で液相または加熱により液相と
なる元素、化合物または合金を含む物質 (2) カルコゲン化合物(S, Se, Teを含む化合物) II−VI化合物: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe な
ど I−III−VI2族化合物: CuInSe2, CuGaSe2,Cu(In,Ga)S
e2, CuInS2, CuGaSe2,Cu(In,Ga)(S,Se)2など I−III3−VI5 族化合物: CuIn3Se5, CuGa3Se5,Cu(In,G
a)3Se5 など (3)カルコパイライト型構造の化合物および欠陥スタ
ナイト型構造の化合物 I−III−VI2族化合物: CuInSe2, CuGaSe2,Cu(In,Ga)S
e2, CuInS2, CuGaSe2,Cu(In,Ga)(S,Se)2など I−III3−VI5族化合物: CuIn3Se5, CuGa3Se5,Cu(In,Ga)
3Se5 など ただし、上の記載において、(In,Ga)、(S,Se)は、それ
ぞれ、(In1-xGax)、(S1-ySey)(ただし、x=0〜1,
y=0〜1)を示す。
(1) Substance containing an element, compound or alloy which becomes a liquid phase at room temperature or becomes a liquid phase upon heating (2) Chalcogen compound (compound containing S, Se, Te) II-VI compound: ZnS, ZnSe, ZnTe , CdS, CdSe, CdTe, etc. I-III-VI Group 2 compounds: CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) S
e 2 , CuInS 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) (S, Se) 2 etc.I-III 3 -VI Group 5 compounds: CuIn 3 Se 5 , CuGa 3 Se 5 , Cu (In, G
a) 3 Se 5 etc. (3) Compound having chalcopyrite structure and compound having defective stannite structure I-III-VI group 2 compound: CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) S
e 2 , CuInS 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) (S, Se) 2 etc.I-III 3 -VI Group 5 compounds: CuIn 3 Se 5 , CuGa 3 Se 5 , Cu (In, Ga)
Such as 3 Se 5 However, in the above description, (In, Ga), ( S, Se) , respectively, (In 1-x Ga x ), (S 1-y Se y) ( where x = 0 to 1,
y = 0 to 1).

【0047】これらの化合物を本実施の形態の製造装置
によって成膜する場合には、Se、S、Te等のカルコ
ゲン等溶融する材料を蒸発室2により蒸気にして供給
し、他の構成材料は、スパッタ室3によってスパッタ成
膜することができるため、良質な膜を形成できる。
When these compounds are formed into a film by the manufacturing apparatus of the present embodiment, a material to be melted such as chalcogen such as Se, S, Te or the like is supplied as vapor by the evaporation chamber 2 and other constituent materials are supplied. Since a film can be formed by sputtering in the sputtering chamber 3, a high-quality film can be formed.

【0048】[0048]

【実施例】以下に本発明の一実施例を示す。この実施例
では、図1、図2の製造装置と同様の構成であるが、金
属ターゲット13や蒸着源10等のサイズを小さくした
小型製造装置を用い、CIS薄膜として、カルコパイラ
イト型構造のCuInSe2薄膜の成膜を実施した。
An embodiment of the present invention will be described below. In this embodiment, the structure is the same as that of the manufacturing apparatus shown in FIGS. 1 and 2 except that a small manufacturing apparatus in which the size of the metal target 13 and the evaporation source 10 is reduced is used, and a chalcopyrite-type CuInSe is used as the CIS thin film. Two thin films were formed.

【0049】本実施の形態では、金属ターゲット13と
して、直径6.5cmの高純度銅のディスク状ターゲッ
トとインジウム(純度99.9999%)のディスク状
ターゲットを用いる。蒸発源10も上面が直径6.5c
mの高純度Se(純度99.999%)を用いた。金属
ターゲット13は、直流(DC)マグネトロン法でスパ
ッタした。ターゲット13と基板7との間の距離は6.
5cmとした。基板7は、Mo膜でコートされたガラス
基板であり、その大きさは、5cm×4cmである。図
2では、回転ドラム5には、4枚の基板7がそれぞれカ
セット8により取り付けれられているが、本実施例で
は、5枚の基板7をそれぞれステンレス製カセット8に
より、ステンレス製回転ドラム5に取り付けた。基板温
度モニター16として、回転ドラム5に取り付けたクロ
メル−アルメル熱電対を用いた。
In the present embodiment, a disk target of high-purity copper having a diameter of 6.5 cm and a disk target of indium (purity 99.9999%) are used as the metal targets 13. The upper surface of the evaporation source 10 is also 6.5 c in diameter.
m high-purity Se (purity 99.999%) was used. The metal target 13 was sputtered by a direct current (DC) magnetron method. The distance between the target 13 and the substrate 7 is 6.
It was 5 cm. The substrate 7 is a glass substrate coated with a Mo film, and its size is 5 cm × 4 cm. In FIG. 2, four substrates 7 are attached to the rotating drum 5 by cassettes 8 respectively, but in the present embodiment, five substrates 7 are each attached to the stainless rotating drum 5 by the stainless steel cassette 8. Attached. As the substrate temperature monitor 16, a chromel-alumel thermocouple attached to the rotating drum 5 was used.

【0050】このような装置により以下のように成膜を
行った。まず、主真空チャンバー1を10-6 Torr
まで真空排気した後、高純度アルゴンガス(99.99
9%)をスパッタ室3にスパッタガス導入口12より導
入し、バリアブルリークバルブで3×10-2Torrと
なるように調整した。そして、CIS膜堆積の前に、I
nターゲット13をスパッタして室温で膜厚約50nm
のIn層を、Mo膜付き基板7上に形成し、CIS膜の
密着性を向上を図った。つぎに、CIS膜を堆積した。
具体的には、スパッタ室3の各金属ターゲット13をス
パッタし、Se蒸発室2のSe蒸発源10を加熱し、シ
ャッター19を開いた。CIS膜堆積中は、基板7の温
度は、450℃と一定とした。回転ドラム5の回転速度
は、0〜100rpmまでの間の任意の回転速度に設定
し、回転速度と生成された膜の結晶学的性質との間連を
調べた。また、CuおよびInターゲット13への投入
電流を制御し、CIS薄膜の性質を左右するCu/In
原子比を制御した。また、Se/(Cu+In)原子比
は、Seの再蒸発を防止するため、2倍以上に保った。
このような条件で典型的な膜堆積速度は、150オング
ストローム/minであった。なお、本実施例では、小
型の装置を用いているため、ターゲット13および投入
電力が小さく、このような遅い膜堆積速度であるが、よ
り大きな金属ターゲット13を使用し投入電力を増大さ
せることにより、実用的な速度を得ることが可能であ
る。
Film formation was carried out by such an apparatus as follows. First, the main vacuum chamber 1 is set to 10 −6 Torr.
After evacuating to a vacuum, high-purity argon gas (99.99
9%) was introduced into the sputtering chamber 3 from the sputter gas inlet 12 and adjusted by a variable leak valve to 3 × 10 −2 Torr. Before depositing the CIS film,
n target 13 is sputtered and has a thickness of about 50 nm at room temperature.
Was formed on the substrate 7 with the Mo film to improve the adhesion of the CIS film. Next, a CIS film was deposited.
Specifically, each metal target 13 in the sputtering chamber 3 was sputtered, the Se evaporation source 10 in the Se evaporation chamber 2 was heated, and the shutter 19 was opened. During deposition of the CIS film, the temperature of the substrate 7 was kept constant at 450 ° C. The rotation speed of the rotating drum 5 was set to an arbitrary rotation speed between 0 and 100 rpm, and the linkage between the rotation speed and the crystallographic properties of the formed film was examined. Further, the input current to the Cu and In targets 13 is controlled to control the properties of the CIS thin film.
The atomic ratio was controlled. Further, the atomic ratio of Se / (Cu + In) was kept at least twice in order to prevent re-evaporation of Se.
Under such conditions, a typical film deposition rate was 150 Å / min. In this embodiment, since a small device is used, the target 13 and the input power are small, and the film deposition speed is such a low speed. However, by using a larger metal target 13 and increasing the input power, It is possible to get a practical speed.

【0051】このような条件で、回転ドラム5の回転速
度を0rpm(すなわち、各金属ターゲット13とSe
蒸発源10の前で基板を停止させる),40rpm,1
00rpmの3通りでCIS膜を形成した。このとき、
通常のハイブリッドスパッタ法で問題となっていた金属
ターゲット13の汚染等は生じず、スパッタ時における
安定放電を確認できた。
Under these conditions, the rotation speed of the rotary drum 5 is reduced to 0 rpm (that is, each metal target 13 and Se
The substrate is stopped before the evaporation source 10), 40 rpm, 1
CIS films were formed at three different speeds of 00 rpm. At this time,
The contamination of the metal target 13 which was a problem in the ordinary hybrid sputtering method did not occur, and a stable discharge during sputtering was confirmed.

【0052】図3(a),(b),(c)はそれぞれ、
回転ドラム5の回転速度が上述の0rpm,40rp
m,100rpm のときにMo膜/ガラス基板7上に
成長したCIS薄膜のSEM(走査型電子顕微鏡)の観
察像のスケッチ図である。なお、図3(a),(b),
(c)のCIS薄膜のCu/In 比は、蛍光X線解析
で調べたところいずれも、0.93と推定された。 C
u/In 比が0.93の場合、一部に空孔を含むカル
コパイライト型構造のCuInSe2結晶の薄膜とな
る。実際に、図3(a),(b),(c)のCIS薄膜
をX線回折で調べたところ、図5に示すように回転ドラ
ム5の回転数に依存せずに、すべて112、101、1
03、211回折線が現れ、これらの膜が(112)配
向したカルコパイライト型構造のCuInSe2薄膜で
あることが確認された。
FIGS. 3 (a), 3 (b) and 3 (c) respectively show
The rotation speed of the rotating drum 5 is 0 rpm, 40 rpm as described above.
FIG. 4 is a sketch drawing of an SEM (scanning electron microscope) observation image of a CIS thin film grown on a Mo film / glass substrate 7 at m, 100 rpm. 3 (a), 3 (b),
The Cu / In ratio of the CIS thin film of (c) was estimated by X-ray fluorescence analysis to be 0.93 in all cases. C
When the u / In ratio is 0.93, a thin film of a CuInSe 2 crystal having a chalcopyrite structure partially containing vacancies is obtained. Actually, when the CIS thin films of FIGS. 3A, 3B, and 3C were examined by X-ray diffraction, as shown in FIG. , 1
03 and 211 diffraction lines appeared, and it was confirmed that these films were CuInSe 2 thin films having a (112) -oriented chalcopyrite structure.

【0053】図3(a),(b),(c)からわかるよ
うに、表面モフォロジーは、回転ドラム5の速度に大き
く依存する。たとえば回転ドラム5の速度が0の場合
(図3(a))、すなわち、Se膜(240nm)/C
u膜(120nm)/In膜(50nm)/Mo膜/ガ
ラス基板7の順で積層したとき、従来のセレン化法と同
様な状態が実現される。そのため、急激な体積膨張によ
り、CIS薄膜のMoからの剥離が起こった。つぎに、
回転ドラム5の回転数40rpmの場合(図3
(b))、膜の剥離はなくなったが、結晶粒が小さく十
分な結晶成長でない。これに対して、回転ドラム5の回
転数を100rpmの場合(図3(c))、結晶粒子の
発達が見られた。このように、回転ドラム5の回転数を
上げたことによる結晶性の向上は、図6(c)のように
基板7の表面へ断続的に原子が入射することによって、
原子が表面で十分マイグレーションできるためであると
推定される。また、この際、極めて薄いCu層/In層
がセレン化されCIS層となり、さらにこの上に同じプ
ロセスが連続するため、セレン化法で問題となっている
μmサイズのボイドの発生は図3(c)のCIS膜には
認められない。
As can be seen from FIGS. 3A, 3B, and 3C, the surface morphology greatly depends on the speed of the rotating drum 5. For example, when the speed of the rotating drum 5 is 0 (FIG. 3A), ie, the Se film (240 nm) / C
When laminated in the order of u film (120 nm) / In film (50 nm) / Mo film / glass substrate 7, the same state as the conventional selenization method is realized. Therefore, the CIS thin film was separated from Mo due to rapid volume expansion. Next,
When the rotation speed of the rotating drum 5 is 40 rpm (FIG. 3
(B)) Although the peeling of the film is eliminated, the crystal grains are small and the crystal growth is not sufficient. On the other hand, when the rotation speed of the rotating drum 5 was 100 rpm (FIG. 3C), the development of crystal grains was observed. As described above, the increase in the number of rotations of the rotating drum 5 improves the crystallinity by intermittently causing atoms to enter the surface of the substrate 7 as shown in FIG.
This is presumed to be because atoms can migrate sufficiently on the surface. Also, at this time, the extremely thin Cu layer / In layer is selenized to form a CIS layer, and the same process is further continued thereon. It is not observed in the CIS film of c).

【0054】一方、回転ドラム5の回転速度を100r
pmで一定とし、CuおよびInターゲット13への投
入電流を制御し、CIS薄膜の性質を左右するCu/I
n原子比を変化させた場合のCIS薄膜のSEM写真を
示す。図4(a)は、Cuを過剰にしたCIS膜(Cu
/In=1.09),図4(b)は、ほぼ化学量論的組
成(Cu/In=0.93)にしたCIS膜、図4
(c)は、Inを過剰にしたCIS膜(Cu/In=
0.86)である。なお、Cu/In原子比が0.86
〜1.09の範囲のCIS膜は、カルコパイライト型構
造のCuInSe2薄膜となる。図4(a)のCu過剰
CIS膜には、特に、大きな結晶粒の成長が見られる。
これは、液相のCu2-xSe(x=0〜1)による液相
焼結過程によると思われる。
On the other hand, the rotational speed of the rotary drum 5 is set to 100 r.
pm, the current applied to the Cu and In targets 13 is controlled, and the Cu / I
5 shows an SEM photograph of a CIS thin film when the n atomic ratio is changed. FIG. 4A shows a CIS film (Cu
/In=1.09) and FIG. 4 (b) shows a CIS film having a nearly stoichiometric composition (Cu / In = 0.93).
(C) shows a CIS film (Cu / In =
0.86). Note that the Cu / In atomic ratio is 0.86
The CIS film in the range of ~ 1.09 is a CuInSe 2 thin film having a chalcopyrite structure. In the Cu-rich CIS film of FIG. 4A, particularly, growth of large crystal grains is observed.
This is thought to be due to the liquid phase sintering process using liquid phase Cu 2-x Se (x = 0 to 1).

【0055】つぎに、これらのCIS薄膜を光吸収層と
して太陽電池を作成した。電池構造は、光入射側から、
ZnO:Al膜/CdS膜/CIS膜/Mo膜/ソーダ
ライムガラス基板7である。この電池の製造手順を簡単
に説明する。最初にソーダライムガラス基板7上に下部
電極として、モリブデン膜をスパッタ法で膜厚0.8μ
m堆積し、その上に本実施例の製造装置によりCIS薄
膜を2μm厚さ程度成膜する。次にバッファ層として、
CdS薄膜を90nm程度溶液成長法で堆積し、その上
に、透明導電膜のZnO:Al膜をRFスパッタ法で厚
さ0.6μmつけた。最後に上部電極として、Alグリ
ッド電極を蒸着法で作製した。
Next, a solar cell was prepared using these CIS thin films as a light absorbing layer. The battery structure, from the light incident side,
ZnO: Al film / CdS film / CIS film / Mo film / soda lime glass substrate 7 The manufacturing procedure of this battery will be briefly described. First, a molybdenum film is formed as a lower electrode on a soda lime glass substrate 7 by sputtering to a thickness of 0.8 μm.
m, and a CIS thin film having a thickness of about 2 μm is formed thereon by the manufacturing apparatus of this embodiment. Next, as a buffer layer,
A CdS thin film was deposited to a thickness of about 90 nm by a solution growth method, and a ZnO: Al film as a transparent conductive film was formed thereon by RF sputtering to a thickness of 0.6 μm. Finally, an Al grid electrode was formed as an upper electrode by a vapor deposition method.

【0056】このようにして製造した太陽電池の出力特
性を、AM1.5、100mW/cm2 のソーラーシミ
ュレータで測定した結果、開放電圧440mV、短絡電
流34mA/cm2,曲線因子0.69、真性変換効率
10.3%が得られた。
The output characteristics of the solar cell manufactured as described above were measured with a solar simulator of AM 1.5 and 100 mW / cm 2 , and as a result, the open voltage was 440 mV, the short circuit current was 34 mA / cm 2 , the fill factor was 0.69, and the intrinsic property was 0.69. A conversion efficiency of 10.3% was obtained.

【0057】これら一連の実験の結果、連続スパッタ/
セレン化法によって太陽電池級CIS膜の製膜が可能で
あることが確認できた。また、製膜時にハイブリッドス
パッタで問題となっていた金属ターゲット13のSeに
よる汚染が低減でき、安定放電が確保できること、さら
にセレン化法で問題となっていたμmサイズのボイド発
生が抑制できることがわかった。
As a result of these series of experiments, continuous sputtering /
It was confirmed that the solar cell grade CIS film can be formed by the selenization method. In addition, it was found that contamination of the metal target 13 by Se, which had been a problem in hybrid sputtering at the time of film formation, could be reduced, stable discharge could be ensured, and generation of voids of μm size, which had been a problem in the selenization method, could be suppressed. Was.

【0058】また、本実施例では、蒸発源10としてS
eを用い、Se蒸気を供給しているが、Se蒸気を供給
できる蒸発源であればよく、例えばSe化合物を用いる
ことも可能である。
In this embodiment, the evaporation source 10 is S
Although e is used to supply Se vapor, any evaporation source that can supply Se vapor may be used. For example, a Se compound may be used.

【0059】[0059]

【発明の効果】上述してきたように、本発明によれば、
高品質で、大面積のCIS系薄膜を製造することのでき
る化合物薄膜製造装置を提供することができる。
As described above, according to the present invention,
A compound thin film manufacturing apparatus capable of manufacturing a high-quality, large-area CIS-based thin film can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施の形態の化合物薄膜の製造装置
の構成を示すための断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an apparatus for manufacturing a compound thin film according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1の製造装置のA−A’断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along line A-A 'of the manufacturing apparatus of FIG.

【図3】図1の製造装置において回転ドラム5の回転速
度を(a)0rpm,(b)40rpm,(c)100
rpmにして形成したカルコパイライト型構造のCI
S薄膜の上面のSEM観察像をスケッチした図。
FIG. 3 shows the rotational speed of the rotary drum 5 in the manufacturing apparatus of FIG.
rpm of chalcopyrite structure formed at rpm
The figure which sketched the SEM observation image of the upper surface of S thin film.

【図4】図1の製造装置で成膜した(a)Cu/In=
1.09のカルコパイライト型構造のCIS薄膜、
(b)Cu/In=0.93のカルコパイライト型構造
のCIS薄膜、(c)Cu/In=0.86のカルコパ
イライト型構造のCIS薄膜の上面および断面のSEM
観察像をスケッチした図。
FIG. 4 (a) Cu / In = film formed by the manufacturing apparatus of FIG.
1.09 chalcopyrite type CIS thin film,
(B) SEM of top and cross section of CIS thin film of chalcopyrite type structure with Cu / In = 0.86 and (c) chalcopyrite type structure of Cu / In = 0.86.
The figure which sketched the observation image.

【図5】図3(a),(b),(c)のCIS膜のX線
回折ピークを示すそれぞれ示すグラフ。
FIG. 5 is a graph showing the X-ray diffraction peaks of the CIS films of FIGS. 3 (a), (b) and (c).

【図6】(a),(b),(c)図1の製造装置におい
て基板7上に形成される膜の構成を示す説明図。
6 (a), (b), (c) are explanatory views showing the configuration of a film formed on a substrate 7 in the manufacturing apparatus of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・主真空チャンバー、2・・・Se蒸発室、3・
・・スパッタ室、4・・・回転軸、6・・・Se融液の
液面、7・・・基板、8・・・基板カセット、9・・・
真空排気系、10・・・Se蒸発源、11・・・Se蒸
気、12・・・スパッタガス導入口、13・・・金属タ
ーゲット、14・・・スパッタ粒子、15・・・基板加
熱装置、16・・・基板温度モニター、17・・・ロー
ドロック機構、18・・・大型ロードロック機構、19
・・・シャッター、101・・・ターゲットホルダー、
102・・・ヒーター、103・・・蒸発源容器。
1 ・ ・ ・ Main vacuum chamber, 2 ・ ・ ・ Se evaporation chamber, 3 ・
..Sputter chamber, 4 ... rotary axis, 6 ... Se melt surface, 7 ... substrate, 8 ... substrate cassette, 9 ...
Vacuum exhaust system, 10: Se evaporation source, 11: Se vapor, 12: Sputter gas inlet, 13: Metal target, 14: Sputter particles, 15: Substrate heating device, 16: substrate temperature monitor, 17: load lock mechanism, 18: large load lock mechanism, 19
... Shutter, 101 ... Target holder,
102: heater, 103: evaporation source container.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】周囲に複数の開口をもつ主真空室と、前記
主真空室内に配置され、外周に基板を搭載して回転する
ための回転ドラムと、前記開口から前記基板に向かって
スパッタ粒子を供給するために、前記開口に取り付けら
れた少なくとも1つのスパッタ室と、前記開口から前記
基板に蒸気を供給するために、前記開口に取り付けられ
た少なくとも1つの真空蒸発室とを有し、 前記回転ドラムは、回転軸が水平となるように配置さ
れ、 前記複数の開口のうちの一つは、前記主真空室の底部に
設けられ、当該底部に設けられた開口に、前記真空蒸発
室が取り付けられていることを特徴とする化合物膜の製
造装置。
1. A main vacuum chamber having a plurality of openings around the periphery, a rotating drum disposed in the main vacuum chamber for mounting and rotating a substrate on an outer periphery, and sputter particles from the opening toward the substrate. Having at least one sputter chamber attached to said opening, and at least one vacuum evaporation chamber attached to said opening to supply vapor from said opening to said substrate; The rotating drum is arranged so that a rotation axis is horizontal, and one of the plurality of openings is provided at a bottom of the main vacuum chamber, and the vacuum evaporation chamber is provided at an opening provided at the bottom. An apparatus for producing a compound film, wherein the apparatus is attached.
【請求項2】請求項1に記載の製造装置において、前記
真空蒸発室は、蒸発源を保持する蒸発源容器を備え、前
記蒸発源容器は前記真空蒸発室の底部に配置されている
ことを特徴とする化合物膜の製造装置。
2. The manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the vacuum evaporation chamber includes an evaporation source container for holding an evaporation source, and the evaporation source container is disposed at a bottom of the vacuum evaporation chamber. Characteristic compound film manufacturing equipment.
【請求項3】請求項2に記載の製造装置において、前記
真空蒸発室が取り付けられた開口の形状および前記蒸発
源容器の上面の形状は、いずれも、前記回転ドラムの回
転軸方向に平行な方向の長さが、その幅方向の長さより
も長いことを特徴とする化合物膜の製造装置。
3. The manufacturing apparatus according to claim 2, wherein the shape of the opening to which the vacuum evaporation chamber is attached and the shape of the upper surface of the evaporation source container are both parallel to the rotation axis direction of the rotary drum. An apparatus for producing a compound film, wherein the length in the direction is longer than the length in the width direction.
【請求項4】外周に基板が取り付けられた回転ドラム
を、回転軸が水平になるように真空室内に配置して回転
させ、 前記真空室の底部の開口に取り付けた蒸発室でSeを加
熱し、Se蒸気を前記回転ドラムに向けて供給すると共
に、前記真空室の周囲に取り付けたスパッタ室から、少
なくともInおよびCuのスパッタ粒子を前記回転ドラ
ムに向けて供給することにより、CuとInとSeとを
含む化合物膜を前記基板上に成膜することを特徴とする
化合物膜の製造方法。
4. A rotary drum having a substrate mounted on its outer periphery is disposed and rotated in a vacuum chamber so that a rotation axis is horizontal, and Se is heated in an evaporation chamber mounted on an opening at the bottom of the vacuum chamber. , Se vapor is supplied to the rotating drum, and at least sputter particles of In and Cu are supplied to the rotating drum from a sputtering chamber attached around the vacuum chamber, so that Cu, In, and Se are supplied. Forming a compound film on the substrate, the method comprising:
【請求項5】外周に基板が取り付けられた回転ドラム
を、回転軸が水平になるように真空室内に配置して回転
させ、 前記真空室の底部の開口に取り付けた蒸発室で加熱する
と融液となる物質を加熱し、その物質の蒸気を前記回転
ドラムに向けて供給すると共に、前記真空室の周囲に取
り付けたスパッタ室から金属元素のスパッタ粒子を前記
回転ドラムに向けて供給することにより、前記金属元素
と前記物質との化合物膜を前記基板上に成膜することを
特徴とする化合物膜の製造方法。
5. A rotary drum having a substrate mounted on an outer periphery thereof is arranged and rotated in a vacuum chamber so that a rotation axis is horizontal, and heated in an evaporation chamber mounted on an opening at the bottom of the vacuum chamber to obtain a melt. By heating the substance to be, and supplying the vapor of the substance toward the rotating drum, by supplying sputtered particles of the metal element from the sputtering chamber attached around the vacuum chamber toward the rotating drum, A method of manufacturing a compound film, comprising forming a compound film of the metal element and the substance on the substrate.
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