JP2005126757A - 化合物薄膜の製造装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 製膜室全体を大気開放することなくVIｂ族元素を補充することができ、また、製膜室内壁など、基板の製膜面以外への付着量を低減できる化合物薄膜の製造装置および方法を提供する。
【解決手段】 製膜室としての真空容器１内に設置した基板７の製膜面にVIｂ族元素を含んだ化合物薄膜を蒸着形成する化合物薄膜の製造装置を、前記真空容器１に対して開閉バルブ１６を介して連通する第２の真空容器１５を設け、この真空容器１５内にVIｂ族元素であるＳｅ蒸着源１２の一部を設置した構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各種デバイスに用いられる化合物薄膜の製造装置および方法に関し、特に太陽電池に利用されるＣｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ化合物薄膜などの化合物薄膜の製造装置および方法に関するものである。

従来より行われている化合物薄膜の製造方法の一例として、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２化合物薄膜をロール・トウ・ロール法で蒸着形成する方法を図３により説明する。Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２（以下、ＣＩＧＳと呼ぶ）は、太陽電池の光吸収層として用いられている。

図３に示す化合物薄膜の製造装置において、１は製膜室としての真空容器、２は真空容器１内を排気する排気装置としてのターボ分子ポンプ、３，４はそれぞれ真空容器１外に配置された送り出しローラ，巻き取りローラ、５，６は真空容器１内に配置された中間ローラである。

基板７は、ステンレス材などからなるフレキシブル製の金属箔であり、送り出しローラ３に巻回され、中間ローラ５，６を経て巻き取りローラ４に取り付けられていて、送り出しローラ３，巻き取りローラ４の動力によって、中間ローラ５，６により撓むことなく展張された状態で、一定方向に搬送される。

そして搬送される基板７の製膜面に対して連続的に、真空容器１内に設置されたＳｅ蒸着源１２ａ，Ｃｕ蒸着源９，Ｉｎ蒸着源１０，Ｇａ蒸着源１１，Ｓｅ蒸着源１２ｂからそれぞれ、Ｓｅ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅの各元素が供給されるとともに、基板加熱ヒータ８による基板３の加熱が行われ、それにより製膜面上にＣＩＧＳ化合物が生成され、その結晶成長が熱によって促進される結果、ＣＩＧＳ化合物薄膜が製膜されていく。

このときＳｅは、他元素と比べて多量の供給が必要であり、例えばＩｎまたはＣｕの蒸着供給量の２〜４倍以上必要である。そのため、図示したように、Ｃｕ蒸着源９，Ｉｎ蒸着源１０，Ｇａ蒸着源１１をそれぞれ１個設置する場合も、Ｓｅ蒸着源１２ａ，１２ｂというように２箇所以上設置することにより、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａといった他元素の蒸着粒子とＳｅ蒸着粒子を混合しやすくする方法がとられる。

このようにしてフレキシブル性の金属箔基板を搬送しながら連続的にＣＩＧＳ膜を蒸着形成するロール・トウ・ロール法は、時間あたりの生産数が多く、量産性に優れている（非特許文献１参照）。

ＣＩＧＳ膜を蒸着により製造する他の方法に、多元蒸着法がある。この方法は、ガラス基板などの基板を固定して製膜を行うもので、基板の製膜面に同時に複数の元素を一定の割合で供給可能である（たとえば特許文献１参照）。

しかしいずれの蒸着法を実施する装置も、製膜室としての真空容器内に各元素の蒸着源を配置する構成であるため、蒸着るつぼ内の元素が消耗した時には真空容器を大気開放して元素の補充を行なわなければならない。

ＣＩＧＳ成分のなかでＳｅは特に消耗しやすいので、Ｓｅを補充するために真空容器を大気開放する頻度が多く、装置停止の要因となっている。Ｓｅが消耗しやすいのは、昇華しやすいため、また基板の製膜面を高温にして製膜することが多いため、ＣＩＧＳの化学量論比以上のＳｅ供給量が必要となるからである。

一方でＳｅは、上記した理由から蒸発粒子が拡散しやすく、製膜室内壁など、基板以外への付着量が多い。そのため、製膜室内部の掃除に多くの時間を要し、Ｓｅは毒物であることから掃除時に注意も要するという問題がある。金属箔などの基板の裏面にＳｅが付着した場合には、侵食を起こすという問題もある。さらには基板以外への付着量が多いことは、基板への付着率が低いこと、ＣＩＧＳ化合物薄膜中に含有されない割合が多いことを意味し、材料利用率が低いという問題がある。

これらの問題はＳｅに限らずVIｂ族元素に共通する問題である。
太陽光発電技術研究組合、松下電器産業株式会社、太陽光発電技術研究開発先進太陽電池技術研究開発「ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール製造技術開発」、平成１３年度新エネルギー・産業技術総合開発機構委託業務成果報告書、Ｐ．４５（２００２） 特開平８−１０２５４６号公報

本発明は上記従来の問題に鑑み、製膜室全体を大気開放することなくVIｂ族元素を補充することができ、かつ、基板の製膜面以外へのVIｂ族元素の付着を低減できる化合物薄膜の製造装置および方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、真空排気可能な製膜室内に設置した基板の製膜面にVIｂ族元素を含んだ化合物薄膜を蒸着形成する化合物薄膜の製造装置を、前記製膜室に対して弁手段を介して連通する真空室を設け、この真空室内にVIｂ族元素の蒸着源の一部を設置した構成としたものである。

詳細には、製膜室と真空室とを弁手段を介装した配管で連通させ、この配管の内壁を管内のVIｂ族元素が蒸気状態に維持される温度に加熱する加熱機構を設ける。
好ましくは、配管に、一端が弁手段に連通し、他端が基板の製膜面の近傍で開口するVIｂ族元素吹き出し管を設ける。また好ましくは、複数のVIｂ族元素吹き出し管を設ける。
より好ましくは、VIｂ族元素吹き出し管の開口部と基板の製膜面との距離を５０ｍｍ以内とする。さらに好ましくは、VIｂ族元素吹き出し管の開口部と基板の製膜面との距離を３０ｍｍ以内とする。

VIｂ族元素は、Ｏ、Ｓｅ、Ｓ、およびＴｅの内の少なくとも１種とすることができる。
また本発明は、真空排気可能な製膜室内に設置した基板の製膜面にVIｂ族元素を含んだ化合物薄膜を蒸着形成する化合物薄膜の製造方法において、VIｂ族元素の一部を前記製膜室に弁手段を介して連通した真空室内のVIｂ族元素蒸着源から供給しつつ前記化合物薄膜の製膜を行う工程と、前記弁手段を閉じ、前記真空室内のVIｂ族元素蒸着源を補給する工程とを行うようにしたものである。

本発明の化合物薄膜の製造装置は、VIｂ族元素蒸着源を設置する真空室を製膜室とは別途に弁手段を介して設けているため、補充頻度が高いVIｂ族元素の補給を、製膜室を大気開放することなく行うことが可能である。

製膜室と真空室とを連通させる配管の内壁を加熱する加熱機構を有することにより、配管内壁へのVIｂ族元素の付着を防止できる。
基板の製膜面の近傍で開口するVIｂ族元素吹き出し管を有することにより、VIｂ族元素を基板製膜面に効率よく供給することができ、製膜室内壁など、基板の製膜面以外への付着量を低減できる。

本発明の化合物薄膜の製造方法は、VIｂ族元素蒸着源を設置する真空室を製膜室とは別途に弁手段を介して設けておき、真空室からVIｂ族元素を導入しつつ化合物薄膜を製膜する工程と、真空室内にVIｂ族元素を補給する工程とを行うものであり、補充頻度が高いVIｂ族元素の補給を製膜室を大気開放することなく行える。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施形態における化合物薄膜の製造装置の概略構成を示す断面図、図２は同装置を別方向から示す断面図である。

図１および図２において、１は真空容器、２は真空容器１内を排気する排気装置としてのターボ分子ポンプである。３，４はそれぞれ真空容器１外に配置された送り出しローラ，巻き取りローラ、５，６は真空容器１内の上部であって真空容器１に開口するスリット（図示せず）の近傍に配置された中間ローラである。

基板７は、ステンレス材などからなるフレキシブル性の金属箔であり、送り出しローラ３に巻回され、巻き取りローラ４に取り付けられていて、送り出しローラ３、巻き取りローラ４の動力によりテンションがかけられることで、中間ローラ５，６間に撓むことなく展張される。

８，９，１０はそれぞれ、真空容器１内、基板７の展張位置の下方に基板７の走行方向に沿って配列されたＣｕ蒸着源，Ｉｎ蒸着源，Ｇａ蒸着源であり、１１は真空容器１内、基板７の展張位置の上方に基板７の走行方向に沿って配置された基板加熱ヒータである。１２はＳｅ蒸着源であり、第１配管系１３，第２配管系１４を通じて真空容器１内に連通した第２の真空容器１５内に配置されている。

第１配管系１３は、開閉バルブ１６を介装した主管１７と、主管１７の開閉バルブ１６の下流側から分岐した複数の供給管１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ・・）とを有している。各供給管１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ・・）は、開閉バルブ１９（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ・・），流量制御装置２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ・・）を介装し、真空容器１の壁部を上下方向に貫通する１対の吹き出し管２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ・・）を有している。

各１対の吹き出し管２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ・・）は、基板７の走行方向に沿って適当間隔を形成するように、また１対ごとに基板７の幅方向の一側と他側に位置するように、配置されている。各吹き出し管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ・・は先端近傍で角度θをなすように折れ曲がっていて、先端の吹き出し口２１ａ′，２１ｂ′，２１ｃ′・・から基板７の成膜面に対して斜め上向きに蒸気を吹き出し可能である。

第１配管系１３には配管加熱ヒータ２２が設けられている。この配管加熱ヒータ２２は、配管全体の内壁まで熱を伝えられるように配管外壁に接触して設けられていて、図示を省略した温度制御手段により一定温度に設定されて、管内を流れる蒸気が内壁に付着するのを防止する。第２配管系１４は、開閉バルブ２３を配管２４に介装して構成されている。第２の真空容器１５（以下、単に真空容器１５という）は、開閉バルブ２５を配管２６に介装して構成された大気開放管系２７も備えている。

真空容器１内には、吹き出し口２１ａ′，２１ｂ′，２１ｃ′・・に対応して、基板７の裏面（成膜面に背反する面）への蒸気付着を防止する防着板２８が基板７の縁部に沿って設けられるとともに、真空容器１内壁への蒸気付着を防止する防着板２９が設けられている。

上記構成における化合物薄膜の製造方法を説明する。
まず、真空容器１内をターボ分子ポンプ２により５×１０^−４Ｐａ以下の圧力まで排気する。

その後に、基板７を基板加熱ヒータ８により５５０℃に加熱する。また基板７の下方のＣｕ蒸着源９、Ｉｎ蒸着源１０、Ｇａ蒸着源１１、真空容器１５内のＳｅ蒸着源１２をそれぞれ加熱して、１２００℃、９００℃、２２０℃、２２０℃に保持することにより、真空容器１内のＣｕ蒸着源９、Ｉｎ蒸着源１０、Ｇａ蒸着源１１よりＣｕ、Ｉｎ，Ｇａ蒸気を放出させるとともに、真空容器１５内のＳｅ蒸着源１２からＳｅ蒸気を放出させ、第１配管系１３を通じて真空容器１内へ供給する。

このときには、Ｓｅ蒸気が凝固しないように主管１７，供給管１８などを配管加熱ヒータ２２により例えば内壁が１８０℃以上になるように加熱するとともに、流量制御装置２０によりＳｅ蒸気の流量を調整する。このＳｅ蒸気の流量は、真空容器１内でＣｕＩｎＳｅ_２の化学量論比に対して２〜４倍以上過剰の供給量となる流量である。

この状態において、基板７を送り出しローラ３から０．１ｍ／分の速度で送り出し、巻き取りローラ１０に巻き取る。
このことにより、真空容器１内を中間ローラ５から中間ローラ６へ向かう方向に走行する基板７の製膜面に連続的にＣｕ、Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｅの蒸気（蒸着粒子）が供給され、それにより製膜面上でＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２が形成され、その結晶成長が基板加熱ヒータ８による加熱で促進される結果、製膜面上にＣｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２薄膜が形成されていく。

このときには、開閉バルブ１６を開いておくことで、真空容器１５内の真空度を真空容器１内の真空度と同等にできるので、したがって真空容器１内と真空容器１５内とで蒸着材料の蒸気圧を等しく設定できるので、真空容器１内における蒸着供給量を、真空容器１５内の蒸気圧を調整することで制御可能である。

Ｓｅ蒸気は、基板７の製膜面に対して、上記したように基板７の幅方向の両端側に設置された各１対の吹き出し口２１ａ′，２１ｂ′，２１ｃ′・・によって、２方向から供給されるのであるが、吹き出し口２１ａ′，２１ｂ′，２１ｃ′の角度θを基板７の製膜面を基準に予め調整しておくことにより、２方向から供給されるＳｅ蒸気の粒子の重なり合いを最適状態とすることができ、基板７の製膜面に幅方向において均一にＳｅを分布させることができる。

また、吹き出し口２１ａ′，２１ｂ′，２１ｃ′と基板７の製膜面との距離を例えば１５ｍｍという短い距離に予め調整しておくことにより、Ｓｅ蒸気の無用な拡散を抑制することができ、真空容器１内壁など、基板７の製膜面以外への付着量を減少できる。

製膜を続ける間に蒸着材料が消耗してきたら補充を行う。その際には、特に消耗しやすいＳｅについてはＳｅ蒸着源１２を真空容器１５内に設置しているので、補充に際して開閉バルブ１６を閉じることで、真空容器１を真空に保持したまま真空容器１５を大気開放することが可能であり、製膜室としての真空容器１を大気開放することなくＳｅを補充できる。

なお、Ｃｕ蒸着源９、Ｉｎ蒸着源１０、Ｇａ蒸着源１１の配列順序は上記した配列順序に限定されない。上記においてはＳｅ蒸着源１２は真空容器１５内にのみ設置したが、Ｓｅ蒸着源の一部を真空容器１５内に設置し、残りのＳｅ蒸着源を真空容器１内に設置するようにしてもよい。真空容器１と真空容器１５とを開閉バルブ１６を介装した第１配管系１３により連通させたが、開閉機構を備えた壁を介して直接に接続させてもよい。

上記実施形態は、ロール・ツー・ロール方式に適合する装置構成を説明したものであるが、これに限定されず、たとえば多元蒸着法に適用しても同様の効果が得られる。

本発明の化合物薄膜の製造装置および方法は、太陽電池の光吸収層として用いられるＣｕ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｓｅ化合物薄膜などの化合物薄膜の製造に有用である。

本発明の一実施形態における化合物薄膜の製造装置の概略構成を示す断面図 図１の化合物薄膜の製造装置を別方向から示す断面図 従来の化合物薄膜の製造装置の概略構成を示す断面図

符号の説明

１ 真空容器
７ 基板
９ Ｃｕ蒸着源
10 Ｉｎ蒸着源
11 Ｇａ蒸着源
12 Ｓｅ蒸着源
15 真空容器
16 開閉バルブ
21 吹き出し管
22 配管加熱ヒータ

Claims (8)

1. 真空排気可能な製膜室内に設置した基板の製膜面にVIｂ族元素を含んだ化合物薄膜を蒸着形成する化合物薄膜の製造装置であって、前記製膜室に対して弁手段を介して連通する真空室を設け、この真空室内にVIｂ族元素の蒸着源の一部を設置した化合物薄膜の製造装置。
2. 製膜室と真空室とを弁手段を介装した配管で連通させ、この配管の内壁を管内のVIｂ族元素が蒸気状態に維持される温度に加熱する加熱機構を設けた請求項１記載の化合物薄膜の製造装置。
3. 一端が弁手段に連通し、他端が基板の製膜面の近傍で開口するVIｂ族元素吹き出し管を設けた請求項１または請求項２のいずれかに記載の化合物薄膜の製造装置。
4. 複数のVIｂ族元素吹き出し管を設けた請求項３記載の化合物薄膜の製造装置。
5. VIｂ族元素吹き出し管の開口部と基板の製膜面との距離が５０ｍｍ以内である請求項３または請求項４のいずれかに記載の化合物薄膜の製造装置。
6. VIｂ族元素吹き出し管の開口部と基板の製膜面との距離が３０ｍｍ以内である請求項３または請求項４のいずれかに記載の化合物薄膜の製造装置。
7. VIｂ族元素がＯ、Ｓｅ、Ｓ、およびＴｅの内の少なくとも１種である請求項１〜請求項６のいずれかに記載の化合物薄膜の製造装置。
8. 真空排気可能な製膜室内に設置した基板の製膜面にVIｂ族元素を含んだ化合物薄膜を蒸着形成する化合物薄膜の製造方法において、VIｂ族元素の一部を前記製膜室に弁手段を介して連通した真空室内のVIｂ族元素蒸着源から供給しつつ前記化合物薄膜を製膜する工程と、前記弁手段を閉じ、前記真空室内のVIｂ族元素蒸着源を補給する工程とを行う化合物薄膜の製造方法。

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