JP2002064108A - 化合物半導体成膜装置 - Google Patents
化合物半導体成膜装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 スパッタ法により、短時間で高品質なＣＩＧ
Ｓ系による化合物半導体を成膜させることができるよう
にする。 【構成】 真空槽内に配設されたターゲットに直流電力
を供給して、スパッタリングによりその真空槽内に設け
られた基材の表面にＣＩＧＳ系の化合物半導体を成膜す
る装置にあって、その化合物半導体を生成するための複
数種のＳｅ化合物からなるターゲットを複数設けるとと
もに、各ターゲットへの供給電力を段階的に制御する電
力供給制御手段を設ける。
Ｓ系による化合物半導体を成膜させることができるよう
にする。 【構成】 真空槽内に配設されたターゲットに直流電力
を供給して、スパッタリングによりその真空槽内に設け
られた基材の表面にＣＩＧＳ系の化合物半導体を成膜す
る装置にあって、その化合物半導体を生成するための複
数種のＳｅ化合物からなるターゲットを複数設けるとと
もに、各ターゲットへの供給電力を段階的に制御する電
力供給制御手段を設ける。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、スパッタ法により基材
表面にＣＩＧＳ系の化合物半導体を成膜する化合物半導
体成膜装置に関する。
表面にＣＩＧＳ系の化合物半導体を成膜する化合物半導
体成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、薄膜太陽電池の光吸収層として、
Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２をベースとしたＩ−ＩＩＩ−
ＶＩ族によるＣＩＧＳ系の化合物半導体が用いられてい
る。その化合物半導体は、蒸着法、スパッタ法などによ
って基板上に成膜される。
Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２をベースとしたＩ−ＩＩＩ−
ＶＩ族によるＣＩＧＳ系の化合物半導体が用いられてい
る。その化合物半導体は、蒸着法、スパッタ法などによ
って基板上に成膜される。
【０００３】その際、蒸着法によるのでは、成膜される
化合物半導体の結晶の品質が良く、１８％を越えるエネ
ルギー変換効率の高い光吸収層を得ることができるが、
成膜に時間を要して、量産時の製品のスループットが悪
いものになっている。
化合物半導体の結晶の品質が良く、１８％を越えるエネ
ルギー変換効率の高い光吸収層を得ることができるが、
成膜に時間を要して、量産時の製品のスループットが悪
いものになっている。
【０００４】また、スパッタ法によるのでは、蒸着法に
比べて成膜レートが高いために成膜を短時間で行わせる
ことが可能であり、また、ターゲットの寿命が長くなっ
てその供給回数が軽減するとともに、ターゲット自体が
安定なために同一の成膜を生成させるのに再現性がある
ものになっている。しかし、蒸着法に匹敵するエネルギ
ー変換効率が得られていないのが現状である。その理由
としては、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｅの各単体ターゲットを用い
て成膜を行わせると、主にＳｅターゲットから放出され
るＳｅの負イオンなどが成膜自体にダメージを与えて、
成膜中に多くの欠陥を生じて品質を低下させてしまうと
いうことが報告されている。そのために、スパッタ法に
より成膜した光吸収層のエネルギー変換効率は７〜８％
程度にとどまっている。
比べて成膜レートが高いために成膜を短時間で行わせる
ことが可能であり、また、ターゲットの寿命が長くなっ
てその供給回数が軽減するとともに、ターゲット自体が
安定なために同一の成膜を生成させるのに再現性がある
ものになっている。しかし、蒸着法に匹敵するエネルギ
ー変換効率が得られていないのが現状である。その理由
としては、Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｅの各単体ターゲットを用い
て成膜を行わせると、主にＳｅターゲットから放出され
るＳｅの負イオンなどが成膜自体にダメージを与えて、
成膜中に多くの欠陥を生じて品質を低下させてしまうと
いうことが報告されている。そのために、スパッタ法に
より成膜した光吸収層のエネルギー変換効率は７〜８％
程度にとどまっている。
【０００５】また、従来、スパッタ法を採用する場合
に、Ｓｅターゲットから放出される負イオンによる成膜
のダメージを回避するために、Ｓｅの供給のみを蒸着法
によって行わせる試みがなされ、ＣＩＧＳ系の化合物半
導体薄膜による光吸収層のエネルギー変換効率が１０％
を越す太陽電池が製造されている（Ｔ．Ｎａｋａｄａｅ
ｔ ａｌ．“Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕａｌ Ｃｈａｒ
ａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｐｕｔｔｅｒ−
Ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ＣｕｌｎＳｅ２ Ｆｉｌｍｓａｎ
ｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ”Ｊｐ
ｎ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３４ １９９５ ４７１５−
４７２１の文献参照）。
に、Ｓｅターゲットから放出される負イオンによる成膜
のダメージを回避するために、Ｓｅの供給のみを蒸着法
によって行わせる試みがなされ、ＣＩＧＳ系の化合物半
導体薄膜による光吸収層のエネルギー変換効率が１０％
を越す太陽電池が製造されている（Ｔ．Ｎａｋａｄａｅ
ｔ ａｌ．“Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕａｌ Ｃｈａｒ
ａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｐｕｔｔｅｒ−
Ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ＣｕｌｎＳｅ２ Ｆｉｌｍｓａｎ
ｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ”Ｊｐ
ｎ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３４ １９９５ ４７１５−
４７２１の文献参照）。
【０００６】しかし、このようなスパッタ法と蒸着法と
を併用してＣＩＧＳ系の化合物半導体を成膜させるので
は、ＣｕやＩｎのターゲット表面に蒸着時のＳｅ蒸気が
付着して汚染し、その表面にＣｕＳｅやＩｎＳｅといっ
た高抵抗化合物が生成されてしまうために、定電力でス
パッタリングを安定して継続させることができなくな
り、再現性が失われて製品間のバラツキをきたしてしま
うという問題がある。
を併用してＣＩＧＳ系の化合物半導体を成膜させるので
は、ＣｕやＩｎのターゲット表面に蒸着時のＳｅ蒸気が
付着して汚染し、その表面にＣｕＳｅやＩｎＳｅといっ
た高抵抗化合物が生成されてしまうために、定電力でス
パッタリングを安定して継続させることができなくな
り、再現性が失われて製品間のバラツキをきたしてしま
うという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、基板上にＣＩＧＳ系の化合物半導体を成膜させる
に際して、蒸着法によるのでは時間がかかることであ
る。また、スパッタ法によのでは、Ｓｅターゲットから
放出されるＳｅの負イオンなどが成膜自体にダメージを
与えて、成膜の品質が低下してしまうことである。
点は、基板上にＣＩＧＳ系の化合物半導体を成膜させる
に際して、蒸着法によるのでは時間がかかることであ
る。また、スパッタ法によのでは、Ｓｅターゲットから
放出されるＳｅの負イオンなどが成膜自体にダメージを
与えて、成膜の品質が低下してしまうことである。
【０００８】また、スパッタ法を採用する場合に、Ｓｅ
ターゲットから放出される負イオンによる成膜のダメー
ジを回避するために、Ｓｅの供給のみを蒸着法によって
行わせるようにすると、ＣｕやＩｎのターゲット表面が
Ｓｅ蒸気によって汚染されて、定電力でのスパッタリン
グを安定して行わせることができなくなってしまうこと
である。
ターゲットから放出される負イオンによる成膜のダメー
ジを回避するために、Ｓｅの供給のみを蒸着法によって
行わせるようにすると、ＣｕやＩｎのターゲット表面が
Ｓｅ蒸気によって汚染されて、定電力でのスパッタリン
グを安定して行わせることができなくなってしまうこと
である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、真空槽内に配
設されたターゲットに直流電力を供給して、スパッタリ
ングによりその真空槽内に設けられた基材の表面にＣＩ
ＧＳ系の化合物半導体を成膜する装置にあって、短時間
で高品質なＣＩＧＳ系による化合物半導体を成膜させる
ことができるようにするべく、その化合物半導体を生成
するための複数種のＳｅ化合物からなるターゲットを複
数設けるとともに、各ターゲットへの供給電力を段階的
に制御する電力供給制御手段を設けるようにしている。
設されたターゲットに直流電力を供給して、スパッタリ
ングによりその真空槽内に設けられた基材の表面にＣＩ
ＧＳ系の化合物半導体を成膜する装置にあって、短時間
で高品質なＣＩＧＳ系による化合物半導体を成膜させる
ことができるようにするべく、その化合物半導体を生成
するための複数種のＳｅ化合物からなるターゲットを複
数設けるとともに、各ターゲットへの供給電力を段階的
に制御する電力供給制御手段を設けるようにしている。
【００１０】具体的には、ＣｕＧａＳｅ２またはＣｕＩ
ｎＳｅ２からなる第１のターゲットと、Ｃｕ２Ｓｅから
なる第２のターゲットと、ＩｎＳｅまたはＧａＳｅから
なる第３のターゲットとを設けて、電力供給制御手段に
より、第１段階として、第１ないし第３の各ターゲット
にＣｕリッチな成膜を行わせるようにそれぞれ規定され
た電力を供給し、第２段階として、第２のターゲットへ
の電力供給を停止して、（Ｉｎ，Ｇａ）リッチ状態へ調
整していくようにする。
ｎＳｅ２からなる第１のターゲットと、Ｃｕ２Ｓｅから
なる第２のターゲットと、ＩｎＳｅまたはＧａＳｅから
なる第３のターゲットとを設けて、電力供給制御手段に
より、第１段階として、第１ないし第３の各ターゲット
にＣｕリッチな成膜を行わせるようにそれぞれ規定され
た電力を供給し、第２段階として、第２のターゲットへ
の電力供給を停止して、（Ｉｎ，Ｇａ）リッチ状態へ調
整していくようにする。
【００１１】
【実施例】図１は、ＣＩＧＳ系薄膜太陽電池の一般的な
構造を示している。
構造を示している。
【００１２】ここでは、ソーダライムガラスＳＬＭから
なる基板１１上に、非加熱にてＤＣスパッタ法によって
プラス側のＭｏ電極層１２が約１μｍの厚さに薄膜形成
されている。そのＭｏ電極層１２上には、ＣＩＧＳ系の
化合物半導体による光吸収層１３がＴｓ＝５８０〜６０
０℃（指示温度）にてＤＣスパッタ法により約１．３μ
ｍの厚さで形成されている。その光吸収層１３上には、
ＣｄＳまたはＺｎＳによるバッファ層１４が溶液成長法
により８０℃で約８００〜１０００Åの厚さに形成され
ている。そして、その上に高抵抗ＺｎＯ膜１５が約７０
０Åの厚さをもって、さらにその上にＺｎＯ：Ａｌから
なる透明導電層１６が約０．６μｍの厚さをもって、共
に非加熱にてＲＦスパッタ法により形成されている。Ｚ
ｎＯ膜１５上には、透明導電層１６に接してマイナス側
のＡｌ電極１７が設けられている。また、最上部にはＭ
ｇＦ２からなる反射防止膜１８が１０００Åの厚さをも
って設けられている。その反射防止膜１８は、太陽電池
の発電に直接寄与するものではないが、光吸収層１３と
バッファ層１４との界面のＰＮ接合部に到達する光量を
光閉込め効果などによって増大させることができるもの
となっている。
なる基板１１上に、非加熱にてＤＣスパッタ法によって
プラス側のＭｏ電極層１２が約１μｍの厚さに薄膜形成
されている。そのＭｏ電極層１２上には、ＣＩＧＳ系の
化合物半導体による光吸収層１３がＴｓ＝５８０〜６０
０℃（指示温度）にてＤＣスパッタ法により約１．３μ
ｍの厚さで形成されている。その光吸収層１３上には、
ＣｄＳまたはＺｎＳによるバッファ層１４が溶液成長法
により８０℃で約８００〜１０００Åの厚さに形成され
ている。そして、その上に高抵抗ＺｎＯ膜１５が約７０
０Åの厚さをもって、さらにその上にＺｎＯ：Ａｌから
なる透明導電層１６が約０．６μｍの厚さをもって、共
に非加熱にてＲＦスパッタ法により形成されている。Ｚ
ｎＯ膜１５上には、透明導電層１６に接してマイナス側
のＡｌ電極１７が設けられている。また、最上部にはＭ
ｇＦ２からなる反射防止膜１８が１０００Åの厚さをも
って設けられている。その反射防止膜１８は、太陽電池
の発電に直接寄与するものではないが、光吸収層１３と
バッファ層１４との界面のＰＮ接合部に到達する光量を
光閉込め効果などによって増大させることができるもの
となっている。
【００１３】本発明による化合物半導体成膜装置は、こ
のような太陽電池にあって、基板１１上にＭｏ電極層１
２が形成されたものを基材として、その基材表面にスパ
ッタ法によりＣＩＧＳ系の化合物半導体の成膜を行わせ
て光吸収層１３を薄膜形成するに際して、その化合物半
導体を生成するための複数種のＳｅ化合物からなるター
ゲットを複数設けるとともに、各ターゲットへの供給電
力を段階的に制御する電力供給制御手段を設けるように
している。
のような太陽電池にあって、基板１１上にＭｏ電極層１
２が形成されたものを基材として、その基材表面にスパ
ッタ法によりＣＩＧＳ系の化合物半導体の成膜を行わせ
て光吸収層１３を薄膜形成するに際して、その化合物半
導体を生成するための複数種のＳｅ化合物からなるター
ゲットを複数設けるとともに、各ターゲットへの供給電
力を段階的に制御する電力供給制御手段を設けるように
している。
【００１４】図２は、本発明の一実施例による化合物半
導体成膜装置の概略構成を示している。
導体成膜装置の概略構成を示している。
【００１５】それは、本体が真空槽１からなっており、
排気系としてＲ．ＰとＤ．Ｐとが用いられている。その
真空槽１の到達真空度としては、１０−５Ｐａ程度にな
っている。
排気系としてＲ．ＰとＤ．Ｐとが用いられている。その
真空槽１の到達真空度としては、１０−５Ｐａ程度にな
っている。
【００１６】真空槽１内の上部中央には、表面にＣＩＧ
Ｓ系の化合物半導体を成膜させる基材２が配設されてい
る。その基材２としては、その表面積が１００ｍｍ×１
００ｍｍ程度の大きさである。そして、その基材２は、
その表面に形成される化合物半導体薄膜の組成比分布お
よび膜厚分布の均一化を有効に図るために、回転機構３
によって回転駆動されるようになっている。そして、基
材２の裏面に接触して、基材２を加熱するヒータ板４が
設けられている。
Ｓ系の化合物半導体を成膜させる基材２が配設されてい
る。その基材２としては、その表面積が１００ｍｍ×１
００ｍｍ程度の大きさである。そして、その基材２は、
その表面に形成される化合物半導体薄膜の組成比分布お
よび膜厚分布の均一化を有効に図るために、回転機構３
によって回転駆動されるようになっている。そして、基
材２の裏面に接触して、基材２を加熱するヒータ板４が
設けられている。
【００１７】また、真空槽１の内部には、基材２にそれ
ぞれ対向するように、３種類のＳｅ化合物からなるスパ
ッタリングのターゲット５１，５２，５３が配設されて
いる。各ターゲット５１，５２，５３のサイズは、４”
φ×５ｍｍｔ程度である。基材２と各ターゲット５１，
５２，５３との間隔は２５０ｍｍ程度に設定されてい
る。
ぞれ対向するように、３種類のＳｅ化合物からなるスパ
ッタリングのターゲット５１，５２，５３が配設されて
いる。各ターゲット５１，５２，５３のサイズは、４”
φ×５ｍｍｔ程度である。基材２と各ターゲット５１，
５２，５３との間隔は２５０ｍｍ程度に設定されてい
る。
【００１８】第１のターゲット５１としては、ＣｕＧａ
Ｓｅ２（またはＣｕＩｎＳｅ２）が用いられる。第２の
ターゲット５２としては、Ｃｕ２Ｓｅが用いられる。第
３のターゲット５３としては、ＩｎＳｅ（またはＧａＳ
ｅ）が用いられる。
Ｓｅ２（またはＣｕＩｎＳｅ２）が用いられる。第２の
ターゲット５２としては、Ｃｕ２Ｓｅが用いられる。第
３のターゲット５３としては、ＩｎＳｅ（またはＧａＳ
ｅ）が用いられる。
【００１９】第１ないし第３の各ターゲット５１〜５３
には、それぞれの供給電力を独立して調整することがで
きる電力供給コントローラ６を介して、直流電源７が接
続されている。
には、それぞれの供給電力を独立して調整することがで
きる電力供給コントローラ６を介して、直流電源７が接
続されている。
【００２０】このように構成された本発明による化合物
半導体成膜装置の動作について、以下説明する。
半導体成膜装置の動作について、以下説明する。
【００２１】まず、真空槽１の内部に基材２をセットし
たうえで、ポンプ（図示せず）を駆動することによって
その内部を真空排気し、真空度が１０−４Ｐａ程度にな
ったら基材２を回転させながら５８０〜６００℃まで加
熱する。
たうえで、ポンプ（図示せず）を駆動することによって
その内部を真空排気し、真空度が１０−４Ｐａ程度にな
ったら基材２を回転させながら５８０〜６００℃まで加
熱する。
【００２２】そして、電力供給コントローラ６の制御下
において、第１段階として、第１ないし第３の各ターゲ
ット５１〜５３の全てにそれぞれ規定の電力を供給する
ことによってスパッタリングさせて、基材２の表面にＣ
ｕリッチなＣＩＧＳ膜を約０．７μｍの厚さに形成す
る。その場合、Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）の組成比としては
１．３程度である。そのときの第１ないし第３の各ター
ゲット５１〜５３に供給する規定の電力は表１に示す通
りである。
において、第１段階として、第１ないし第３の各ターゲ
ット５１〜５３の全てにそれぞれ規定の電力を供給する
ことによってスパッタリングさせて、基材２の表面にＣ
ｕリッチなＣＩＧＳ膜を約０．７μｍの厚さに形成す
る。その場合、Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）の組成比としては
１．３程度である。そのときの第１ないし第３の各ター
ゲット５１〜５３に供給する規定の電力は表１に示す通
りである。
【００２３】第１ないし第３の各ターゲット５１〜５３
にそれぞれ供給する規定の電力としては、各ターゲット
の成膜レートを調整しながら、成膜されるＣＩＧＳ蒲膜
のＣｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）が１．３程度になるように設定
されている。
にそれぞれ供給する規定の電力としては、各ターゲット
の成膜レートを調整しながら、成膜されるＣＩＧＳ蒲膜
のＣｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）が１．３程度になるように設定
されている。
【００２４】
【００２５】第１段階でのＣｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）の範囲
としては、１．０＜Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇｄ）＜１．９の範
囲が望ましい。その理由としては、Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇ
ａ）＜１．０すなわちＩＩＩ族（Ｉｎ，Ｇａ）のリッチ
状態では、ＣｕＳｅの液層アシスト成長を利用した薄膜
形成が不可能になるため、結晶粒径が大きなＣＩＧＳ薄
膜を形成することが難かしくなる。また、Ｃｕ／（Ｉ
ｎ，Ｇａ）＞１．９では、成膜初期段階においてＩＩＩ
族がほとんど存在しない状態であり、バンドエンジニア
リングを考えた場合においても不適切で、かつ光吸収層
としての機能を果たせなくなる可能性がある。そして、
成膜上、Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）の組成比が１．９程度か
ら太陽電池の光吸収層として最適範囲とされる０．８＜
Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）＜０．９５付近まで組成比を制御
することは、ＩＩＩ族を含むターゲットの供給電力の調
整でできないこともないが、成膜レートやターゲットの
寿命などを考えると得策とはいえない。以上の点をふま
えると、Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）＝１．３付近は最も適し
た組成比であることがわかる。この組成比であれば、充
分にＣｕＳｅの液層アシスト成長を利用した薄膜形成が
可能になる。最初にＣｕリッチの成膜を行わせること
で、蒸着法で利用しているＣｕＳｅの液層を介した成長
に似た現象が生じ、粒径の大きなＣＩＧＳ薄膜が形成で
きるようになる。
としては、１．０＜Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇｄ）＜１．９の範
囲が望ましい。その理由としては、Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇ
ａ）＜１．０すなわちＩＩＩ族（Ｉｎ，Ｇａ）のリッチ
状態では、ＣｕＳｅの液層アシスト成長を利用した薄膜
形成が不可能になるため、結晶粒径が大きなＣＩＧＳ薄
膜を形成することが難かしくなる。また、Ｃｕ／（Ｉ
ｎ，Ｇａ）＞１．９では、成膜初期段階においてＩＩＩ
族がほとんど存在しない状態であり、バンドエンジニア
リングを考えた場合においても不適切で、かつ光吸収層
としての機能を果たせなくなる可能性がある。そして、
成膜上、Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）の組成比が１．９程度か
ら太陽電池の光吸収層として最適範囲とされる０．８＜
Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）＜０．９５付近まで組成比を制御
することは、ＩＩＩ族を含むターゲットの供給電力の調
整でできないこともないが、成膜レートやターゲットの
寿命などを考えると得策とはいえない。以上の点をふま
えると、Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）＝１．３付近は最も適し
た組成比であることがわかる。この組成比であれば、充
分にＣｕＳｅの液層アシスト成長を利用した薄膜形成が
可能になる。最初にＣｕリッチの成膜を行わせること
で、蒸着法で利用しているＣｕＳｅの液層を介した成長
に似た現象が生じ、粒径の大きなＣＩＧＳ薄膜が形成で
きるようになる。
【００２６】次いで、電力供給コントローラ６の制御下
において、第２段階として、第２のターゲット５２への
電力供給を停止したうえで、第１および第３の各ターゲ
ット５１，５３には規定通りの電力を供給し続けて、基
材２の表面に重ねてＣＩＧＳ膜を約０．６μｍの厚さに
形成させる。
において、第２段階として、第２のターゲット５２への
電力供給を停止したうえで、第１および第３の各ターゲ
ット５１，５３には規定通りの電力を供給し続けて、基
材２の表面に重ねてＣＩＧＳ膜を約０．６μｍの厚さに
形成させる。
【００２７】しかして、この第２段階のスパッタリング
を行わせることによって、Ｃｕ成分を第１のターゲット
５１のみから供給させることで、第１段階のスパッタリ
ングによるＣｕリッチ状態が（Ｉｎ，Ｇａ）リッチ状態
（Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）＜１．０）に調整されていく。
を行わせることによって、Ｃｕ成分を第１のターゲット
５１のみから供給させることで、第１段階のスパッタリ
ングによるＣｕリッチ状態が（Ｉｎ，Ｇａ）リッチ状態
（Ｃｕ／（Ｉｎ，Ｇａ）＜１．０）に調整されていく。
【００２８】そして、この第２段階によるスパッタリン
グが終了したら、電力供給コントローラ６の制御下にお
いて、第３段階として、第２のターゲット５２への電力
供給を停止した状態のまま、第３のターゲット５３には
規定通りの電力を供給し続けながら、第１のターゲット
５１への供給電力を規定の半分に低下させてスパッタリ
ングを行わせる。それにより、基材２の表面に薄膜形成
されるＣＩＧＳ膜のバンドギャップが膜表面に向かって
傾斜して、グレーディング構造が形成される。
グが終了したら、電力供給コントローラ６の制御下にお
いて、第３段階として、第２のターゲット５２への電力
供給を停止した状態のまま、第３のターゲット５３には
規定通りの電力を供給し続けながら、第１のターゲット
５１への供給電力を規定の半分に低下させてスパッタリ
ングを行わせる。それにより、基材２の表面に薄膜形成
されるＣＩＧＳ膜のバンドギャップが膜表面に向かって
傾斜して、グレーディング構造が形成される。
【００２９】以上のようにして基材２の表面に形成され
たＣＩＧＳ薄膜を、別の真空槽にてＴｓ＝５００℃（指
示温度）で、Ｓｅ雰囲気中で１時間アニール処理するこ
とによって、組成の安定したＣＩＧＳ薄膜が得られる。
たＣＩＧＳ薄膜を、別の真空槽にてＴｓ＝５００℃（指
示温度）で、Ｓｅ雰囲気中で１時間アニール処理するこ
とによって、組成の安定したＣＩＧＳ薄膜が得られる。
【００３０】図３は、以上説明した基材２の表面にＣＩ
ＧＳ薄膜を形成するプロセスを示している。
ＧＳ薄膜を形成するプロセスを示している。
【００３１】また、図４は、そのＣＩＧＳ薄膜成長の過
程を模擬的に示している。
程を模擬的に示している。
【００３２】第１段階においては、図４（ａ）に示すよ
うに、第１ないし第３の各ターゲット５１〜５３にそれ
ぞれ規定の電力を供給することにより、各ターゲットか
ら化合物または単体の状態で基材２に向かってスパッタ
リングされる。その後、図４（ｂ）に示すように、徐々
に膜が形成されはじめると同時に、基材２の加熱温度が
Ｔｓ＝５８０〜６００℃と高いために、蒸気圧の高いＩ
ｎＳｅやＳｅが基材２から抜け出すものも現われる。ま
た、膜がＣｕリッチな状態のために、５２０℃で液層化
するＣｕＳｅの支配が顕著に現れはじめ、膜が単層に近
い形（粒径が大）となる。そのときのＣｕ／（Ｉｎ，Ｇ
ａ）は１．３である（ＸＲＦ測定値）。
うに、第１ないし第３の各ターゲット５１〜５３にそれ
ぞれ規定の電力を供給することにより、各ターゲットか
ら化合物または単体の状態で基材２に向かってスパッタ
リングされる。その後、図４（ｂ）に示すように、徐々
に膜が形成されはじめると同時に、基材２の加熱温度が
Ｔｓ＝５８０〜６００℃と高いために、蒸気圧の高いＩ
ｎＳｅやＳｅが基材２から抜け出すものも現われる。ま
た、膜がＣｕリッチな状態のために、５２０℃で液層化
するＣｕＳｅの支配が顕著に現れはじめ、膜が単層に近
い形（粒径が大）となる。そのときのＣｕ／（Ｉｎ，Ｇ
ａ）は１．３である（ＸＲＦ測定値）。
【００３３】そして、第２ないし第３段階において、第
２ターゲット５２からの供給を停止することでＣｕ／
（Ｉｎ，Ｇａ）を０．９程度にまで調整していく。その
とき結晶は、図４の（ｃ）に示すように、第１段階での
粒径を反映した形で成長を続け、最終的に比較的大きな
粒径のＣＩＧＳ薄膜が得られるようになる。太陽電池の
エネルギー変換効率が最も高いのはＣｕ／（Ｉｎ，Ｇ
ａ）＝０．９付近とされている。
２ターゲット５２からの供給を停止することでＣｕ／
（Ｉｎ，Ｇａ）を０．９程度にまで調整していく。その
とき結晶は、図４の（ｃ）に示すように、第１段階での
粒径を反映した形で成長を続け、最終的に比較的大きな
粒径のＣＩＧＳ薄膜が得られるようになる。太陽電池の
エネルギー変換効率が最も高いのはＣｕ／（Ｉｎ，Ｇ
ａ）＝０．９付近とされている。
【００３４】図５は、１００ｍｍ角の基材２の表面にＣ
ＩＧＳ薄膜を形成した太陽電池の面内における実測した
エネルギー変換効率η（％）の分布状態の一例を示して
いる。
ＩＧＳ薄膜を形成した太陽電池の面内における実測した
エネルギー変換効率η（％）の分布状態の一例を示して
いる。
【００３５】このように、本発明によれば、スパッタ法
によりエネルギー変換効率１５％を越える太陽電池の製
造が可能になり、また、１００ｍｍ角の基材を用いても
面内平均１４％以上のエネルギー変換効率をもった太陽
電池のミニモジュールの製造ができるようになる。
によりエネルギー変換効率１５％を越える太陽電池の製
造が可能になり、また、１００ｍｍ角の基材を用いても
面内平均１４％以上のエネルギー変換効率をもった太陽
電池のミニモジュールの製造ができるようになる。
【００３６】表２および図６は、本発明の成膜法によっ
て光吸収層が作製された太陽電池と従来の成膜法によっ
て光吸収層が作製された太陽電池との各特性を示してい
る。
て光吸収層が作製された太陽電池と従来の成膜法によっ
て光吸収層が作製された太陽電池との各特性を示してい
る。
【００３７】
【００３８】ここで、Ａは光吸収層としてＣｕ，Ｉｎ，
Ｓｅの各単体ターゲットを用いて従来のスパッタ法によ
りＣＩＳ薄膜を形成した太陽電池を、Ｂは従来のＣｕ，
Ｉｎをスパッタ法、Ｓｅを蒸着法によりＣＩＳ薄膜を形
成した太陽電池を、Ｃは従来のＣｕ，Ｉｎ，ＣｕＧａ
（３０ｗｔ％）をスパッタ法、Ｓｅを蒸着法によりＣＩ
ＧＳ薄膜を形成した太陽電池を示している。Ｄは、本発
明によるＣｕＩｎＳｅ２，ＧａＳｅ，Ｃｕ２Ｓｅのター
ゲットを用いた化合物半導体成膜装置によってＣＩＧＳ
薄膜を形成した太陽電池を示している。Ｅは、本発明に
よるＣｕＧａＳｅ２，ＩｎＳｅ，Ｃｕ２Ｓｅのターゲッ
トを用いた化合物半導体成膜装置によりＣＩＧＳ薄膜を
形成した太陽電池を示している。
Ｓｅの各単体ターゲットを用いて従来のスパッタ法によ
りＣＩＳ薄膜を形成した太陽電池を、Ｂは従来のＣｕ，
Ｉｎをスパッタ法、Ｓｅを蒸着法によりＣＩＳ薄膜を形
成した太陽電池を、Ｃは従来のＣｕ，Ｉｎ，ＣｕＧａ
（３０ｗｔ％）をスパッタ法、Ｓｅを蒸着法によりＣＩ
ＧＳ薄膜を形成した太陽電池を示している。Ｄは、本発
明によるＣｕＩｎＳｅ２，ＧａＳｅ，Ｃｕ２Ｓｅのター
ゲットを用いた化合物半導体成膜装置によってＣＩＧＳ
薄膜を形成した太陽電池を示している。Ｅは、本発明に
よるＣｕＧａＳｅ２，ＩｎＳｅ，Ｃｕ２Ｓｅのターゲッ
トを用いた化合物半導体成膜装置によりＣＩＧＳ薄膜を
形成した太陽電池を示している。
【００３９】Ａの太陽電池とＢの太陽電池とを比較する
と、Ｓｅを蒸着法によって供給することでエネルギー変
換効率ηが２倍以上に向上することがわかる。これによ
り、単体のＳｅをスパッタ法によってＣＩＳ薄膜中に供
給することは、何らかのダメージを与えていることが推
測される。
と、Ｓｅを蒸着法によって供給することでエネルギー変
換効率ηが２倍以上に向上することがわかる。これによ
り、単体のＳｅをスパッタ法によってＣＩＳ薄膜中に供
給することは、何らかのダメージを与えていることが推
測される。
【００４０】Ｂの太陽電池とＣの太陽電池とを比較する
と、ＣＩＳにＧａを添加することによって開路電圧Ｖｏ
ｃが増大し、結果的にエネルギー変換効率ηが向上して
いる。Ｃ，Ｄ，Ｅの各太陽電池に着目すると、Ｄ，Ｅは
ＡのようにＳｅをスパッタ法により供給しているにもか
かわらず、エネルギー変換効率ηの低下がみられない。
これは、Ｓｅ化合物をターゲットに用いることで、Ｓｅ
単体の負イオンによるダメージを低減できることが推測
される。
と、ＣＩＳにＧａを添加することによって開路電圧Ｖｏ
ｃが増大し、結果的にエネルギー変換効率ηが向上して
いる。Ｃ，Ｄ，Ｅの各太陽電池に着目すると、Ｄ，Ｅは
ＡのようにＳｅをスパッタ法により供給しているにもか
かわらず、エネルギー変換効率ηの低下がみられない。
これは、Ｓｅ化合物をターゲットに用いることで、Ｓｅ
単体の負イオンによるダメージを低減できることが推測
される。
【００４１】また、Ｃの太陽電池に関しても、エネルギ
ー変換効率ηの低下はみられないが、Ｃｕ，Ｉｎおよび
ＣｕＧａのターゲットの表面がＳｅ蒸気によって汚染さ
れるために、再現性に乏しいという問題がある。
ー変換効率ηの低下はみられないが、Ｃｕ，Ｉｎおよび
ＣｕＧａのターゲットの表面がＳｅ蒸気によって汚染さ
れるために、再現性に乏しいという問題がある。
【００４２】しかして、本発明に係るＤ，Ｅの太陽電池
によれば、Ｓｅの負イオンによるダメージが低減され、
エネルギー変換効率ηに優れた再現性の良いものとなる
ことがわかる。
によれば、Ｓｅの負イオンによるダメージが低減され、
エネルギー変換効率ηに優れた再現性の良いものとなる
ことがわかる。
【００４３】
【発明の効果】以上、本発明による化合物半導体成膜装
置にあっては、真空槽内に設けられた化合物半導体を生
成するための複数種のＳｅ化合物からなる各ターゲット
への供給電力を電力供給制御手段によって段階的に制御
しながら、最初はＣｕリッチな状態から次第に（Ｉｎ，
Ｇａ）リッチな状態に移行するように、Ｃｕ／（Ｉｎ，
Ｇａ）の組成比を調整しながらスパッタリングを行わせ
るようにしているので、スパッタダメージを低減して、
蒸着法に近い粒径の大きな高品質なＣＩＧＳ薄膜を短時
間で再現性良く形成できるようになり、エネルギー変換
効率の高い太陽電池を容易に量産できるようになるとい
う利点を有している。
置にあっては、真空槽内に設けられた化合物半導体を生
成するための複数種のＳｅ化合物からなる各ターゲット
への供給電力を電力供給制御手段によって段階的に制御
しながら、最初はＣｕリッチな状態から次第に（Ｉｎ，
Ｇａ）リッチな状態に移行するように、Ｃｕ／（Ｉｎ，
Ｇａ）の組成比を調整しながらスパッタリングを行わせ
るようにしているので、スパッタダメージを低減して、
蒸着法に近い粒径の大きな高品質なＣＩＧＳ薄膜を短時
間で再現性良く形成できるようになり、エネルギー変換
効率の高い太陽電池を容易に量産できるようになるとい
う利点を有している。
【図１】ＣＩＧＳ系薄膜太陽電池の一般的な構造を示す
正断面図である。
正断面図である。
【図２】本発明による化合物半導体成膜装置の一実施例
を示す概略構成図である。
を示す概略構成図である。
【図３】本発明によって基材の表面にＣＩＧＳ薄膜を形
成するプロセスを示す図である。
成するプロセスを示す図である。
【図４】本発明によって基材の表面にＣＩＧＳ薄膜を形
成する際における成膜の成長過程を模擬的に示す図であ
る。
成する際における成膜の成長過程を模擬的に示す図であ
る。
【図５】本発明によって１００ｍｍ角の基材の表面にＣ
ＩＧＳ薄膜を形成したしたときの面内における実測した
エネルギー変換効率η（％）の分布状態の一例を示す図
である。
ＩＧＳ薄膜を形成したしたときの面内における実測した
エネルギー変換効率η（％）の分布状態の一例を示す図
である。
【図６】本発明によって光吸収層が作製された太陽電池
と従来の成膜法によって光吸収層が作製された太陽電池
との各特性を示す図である。
と従来の成膜法によって光吸収層が作製された太陽電池
との各特性を示す図である。
１ 真空槽 ２ 基材 １１ ガラス基板 １２ Ｍｏ電極層 ３ 回転機構 ４ ヒータ板 ５１，５２，５３ ターゲット ６ 電力供給コントローラ ７ 直流電源
Claims (4)
- 【請求項１】 真空槽内に配設されたターゲットに直流
電力を供給して、スパッタリングによりその真空槽内に
設けられた基材の表面にＣＩＧＳ系の化合物半導体を成
膜する装置であって、その化合物半導体を生成するため
の複数種のＳｅ化合物からなるターゲットを複数設ける
とともに、各ターゲットへの供給電力を段階的に制御す
る電力供給制御手段を設けたことを特徴とする化合物半
導体成膜装置。 - 【請求項２】 ＣｕＧａＳｅ２またはＣｕＩｎＳｅ２か
らなる第１のターゲットと、Ｃｕ２Ｓｅからなる第２の
ターゲットと、ＩｎＳｅまたはＧａＳｅからなる第３の
ターゲットとを設けたことを特徴とする請求項１の記載
による化合物半導体成膜装置。 - 【請求項３】 電力供給制御手段により、第１段階とし
て、第１ないし第３の各ターゲットにＣｕリッチな成膜
を行わせるようにそれぞれ規定された電力を供給し、第
２段階として、第２のターゲットへの電力供給を停止す
るようにしたことを特徴とする請求項２の記載による化
合物半導体成膜装置。 - 【請求項４】 電力供給制御手段により、第３段階とし
て、第２のターゲットへの電力供給を停止した状態のま
まで、第１のターゲットへの供給電力を所定に低下させ
るようにしたことを特徴とする請求項３の記載による化
合物半導体成膜装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000287741A JP4288641B2 (ja) | 2000-08-17 | 2000-08-17 | 化合物半導体成膜装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000287741A JP4288641B2 (ja) | 2000-08-17 | 2000-08-17 | 化合物半導体成膜装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002064108A true JP2002064108A (ja) | 2002-02-28 |
| JP4288641B2 JP4288641B2 (ja) | 2009-07-01 |
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|---|---|---|---|---|
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| JP2011504546A (ja) * | 2007-07-25 | 2011-02-10 | ジーエス ナノテク カンパニー リミテッド | 非電導性ターゲットを使用するスパッタリングによるセラミック薄膜の成膜方法 |
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| KR101438486B1 (ko) | 2013-01-07 | 2014-11-04 | 한국생산기술연구원 | 탠덤구조 ｃｉｇｓ 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 ｃｉｇｓ 박막 태양전지 |
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| RU2695716C1 (ru) * | 2017-06-14 | 2019-07-25 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" | Составная мишень для магнетронного распыления |
-
2000
- 2000-08-17 JP JP2000287741A patent/JP4288641B2/ja not_active Expired - Fee Related
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