JP2005133165A

JP2005133165A - 帯状基板の処理装置及び処理方法

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Publication number: JP2005133165A
Application number: JP2003371634A
Authority: JP
Inventors: Masahito Yonezawa; 雅人米澤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】
主に真空装置を用いて帯状基板上に太陽電池を作製するとき、帯状基板搬送機構の小型化によって、帯状基板搬送機構を収納している真空室及び真空装置全体を小型化する。それに伴って真空装置周辺の構成部品も小型、安価な部品を使用し、真空装置を含む太陽電池製造装置全体の価格、つまり設備償却費を抑える。その結果として太陽電池価格を低く抑える。
【解決手段】
螺旋型搬送方式の帯状基板搬送装置を用いる。常に帯状基板の処理面が放電空間側に向くため連続的に処理でき、帯状基板が放電空間にさらされている部分の基板長さに比べて搬送機構の長さを大幅に短くできる。また、真空室の容積を大幅に小型化できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、帯状基板の処理装置及び処理方法に係る。詳細には、可撓性を有する長尺の帯状基板をロールツーロール方式で搬送し、真空装置にて処理する、帯状基板の処理装置及び処理方法に関する。本発明による帯状基板の処理装置及び処理方法は、主に非単結晶シリコン太陽電池の作製に用いる。非単結晶シリコンはアモルファスシリコン、微結晶シリコン、薄膜多結晶シリコンを指す。

今日、化石エネルギー資源の大量消費による環境破壊が進行している。環境破壊に対処するため、再生可能エネルギー資源を使用することは人類の急務である。化石エネルギー資源消費量分を再生可能な自然エネルギー資源に転換して行かなければならない。

再生可能エネルギー資源を得る手段の一つとして、太陽光発電がある。しかし今日まで、太陽光発電に使用する太陽電池は高価であった。だから太陽光発電の普及は非常に遅かった。太陽光発電を普及させるため、安価な太陽電池を製造することは急務である。

従来、太陽電池が高価であった理由の一つは、太陽電池製造装置が高価であったことである。非単結晶シリコン太陽電池を製造するときには真空装置を使用する。特に真空装置は高価で、その原価償却費を太陽電池の価格に含めなければならなかった。

真空装置が高価である原因の一つに、真空装置の巨大化がある。真空装置は主に、真空室となる頑丈な金属製の箱と、真空室内部を真空状態に保つ為の真空ポンプで構成する。真空室が巨大であると、それに伴って、大型で高性能な真空ポンプが必要である。また排気ガス流量が増大すると、それに伴って、大型で高性能なガス処理装置が必要である。真空室が巨大であると、真空装置全体が巨大化し、高価になる。更に、巨大な真空装置は巨大な敷地面積を必要とし、土地代も高価になる。これらは太陽電池製作時に必要なの設備償却費となるが、設備償却費の高騰は太陽電池価格の高騰につながる。

ここで、従来形式の真空装置に必要な大きさを、真空装置の一つであるプラズマ処理装置について説明する。プラズマ処理装置は、主に非単結晶シリコン太陽電池の発電用半導体層を処理する装置である。図１に従来形式のプラズマ処理装置を示す。図１に示すプラズマ処理装置の放電電極は平行平板方式である。平行平板方式は、基板を載せた基板側接地電極１０５と、基板に対向する対向電極１０６を平行に、一定の間隔に保ち、両電極間に電力を投入して放電し、ガスを分解、放電空間に基板１０１をさらすことによって基板１０１上の薄膜を処理する方式である。放電電極は、基板を載せた基板側接地電極１０５と基板に対向する対向電極１０６の組み合わせを指す。本方式は製品となる太陽電池の製造に用いられている。また、図１に示すプラズマ処理装置の基板搬送機構はロールツーロール方式である。本方式は、可撓性を有する帯状基板が使用できる。他の帯状基板搬送方式と区別するため、本特許では直線型搬送方式と呼ぶ。

図１に示すプラズマ処理装置には問題点がある。まず、装置全体の長さが、膜を処理する部分の長さ以上必要である。つまり、装置が長大化する。理由は、基板及び放電電極が直線状に並んでいることである。また、可撓性を有する帯状基板１０１に張力をかけたとき、帯状基板１０１上にしわが発生する。理由は、ガイドローラー１０４間に、可撓性を有する帯状基板１０１を支持する部分がないことである。故に、しわの発生を防止する対策が必要である。

可撓性を有する帯状基板の搬送機構に円筒キャン方式がある。円筒キャン方式の搬送機構を備えたプラズマ処理装置を図２（１）に示す。図１に示すプラズマ処理装置の直線型搬送方式に対し、可撓性を有する帯状基板に張力をかけたとき、基板上にしわが発生する問題点を改良している。可撓性を有する帯状基板２０１に張力をかけ、円筒キャン２０５の曲面に沿わせることによって、しわの発生を防止する。

しかし、円筒キャン方式の搬送機構を備えたプラズマ処理装置には問題点もある。薄膜を処理する部分、つまり放電電極部分と比較して、円筒キャン２０５は空間的に多くの部分を占める。円筒キャン２０５を大型の真空室２０７内におくため、真空装置全体が大型化する。

図２（２）の様に、円筒キャンを複数個用い、放電電極を分割することもできる。しかし、隣接する円筒キャンの間にガイドローラー２１４が必要になる。可撓性を有する帯状基板２１１がガイドローラー２１４を通過するとき、基板上の膜面が接触する。このため膜面に傷が付き、太陽電池の特性不良をもたらす要因となる。膜面に接触させず搬送することは、非常に難しい。

本発明が解決しようとする課題は、帯状基板搬送機構の小型化である。そして、最終的には太陽電池価格を低く抑えることである。具体的には、帯状基板搬送機構の小型化によって真空装置全体を小型化する。それに伴って真空装置周辺の構成部品も小型、安価な部品を使用し、真空装置を含む太陽電池製造装置全体の価格、つまり設備償却費を抑える。その結果として太陽電池価格を低く抑えることが技術的な課題である。

前記課題を解決するため、本特許である帯状基板の処理装置及び処理方法を提案する。処理装置を図３に示し、処理方法を説明する。まず、仮想円筒３０５に、帯状基板を螺旋状になるように巻き付ける。ここでの仮想円筒とは、完全な円筒状の物体である必要は無く、帯状基板を巻き付けたときに帯状基板が円筒状になる構造物ということである。例えば骨組みだけの構造体でも良い。仮想円筒３０５部分は接地する。それに伴って帯状基板３０１も接地される。そして仮想円筒を覆う対向電極３０６を設置する。仮想円筒３０５に巻き付けた帯状基板３０１と対向電極３０６の間に電力を投入し、放電空間とする。帯状基板３０１を放電空間にさらすことによって処理する。

本特許である帯状基板の処理装置及び処理方法の特徴は、以下の事項である。常に帯状基板３０１の処理面が放電空間側に向くため、連続的に処理でき、帯状基板３０１が放電空間にさらされている部分の基板長さに比べて、搬送機構の長さ、つまり仮想円筒の長さを、大幅に短くできる。更に、仮想円筒に巻き付けた帯状基板は、張力をかけて仮想円筒曲面部に沿わせるため、しわの発生がない。また、処理部以外ガイドローラー等の駆動部が無いので、空間に無駄が無く、円筒キャン方式のように、処理面に接触することも無い。従来の帯状基板搬送方式と区別するため、本特許における帯状基板の搬送方式を螺旋型搬送方式と呼ぶ。

帯状基板が仮想円筒へ入る角度は、仮想円筒に一周巻き付けたときにちょうど帯状基板の幅だけ進むように調整する。帯状基板の具体的な巻き付け方を図４（１）〜（４）に示し、帯状基板が仮想円筒へ入る角度の詳細を図５に示す。まず、図４（１）は仮想円筒４０３に帯状基板をちょうど二周巻き付けた様子である。このとき帯状基板４０１は、最初に仮想円筒曲面上の線ＡＢにて仮想円筒曲面に接触する。そして帯状基板は、一周毎に帯状基板の幅分だけ進みながら仮想円筒曲面上を二周、螺旋状に進み、再び線ＡＢで仮想円筒曲面から離れる。線ＡＢは、仮想円筒にある二つの開口部円中心を結ぶ線と平行で、仮想円筒曲面部上にある線になる。図４（１）は線ＡＢを手前から見た図、図４（２）は線ＡＢを斜め右上から見た図である。次に、帯状基板４０１が仮想円筒４０３へ入る角度を説明するため、仮想円筒４０３を平面に展開する。展開方法は図４（２）〜（４）に示す。図４（４）に示すように、帯状基板４０１は、仮想円筒上の線ＡＢに垂直な線に対して角度θ（４１１）で入ることが分かる。

帯状基板４０１が、仮想円筒上の線ＡＢに垂直な線に対して取る角度θ（４１１）は、帯状基板の幅及び仮想円筒の直径によって決定することを図５に示す。図５は仮想円筒の展開図であり、仮想円筒にしたとき、線ＡＢと線Ａ’Ｂ’は重なる。今、仮想円筒直径をＤ、帯状基板幅をＷとする。図５に示すように、仮想円筒の円周はＤπとなる。帯状基板４０１の幅Ｗと、帯状基板４０１が、仮想円筒上の線ＡＢに垂直な線に対して取る角度θ（４１１）は、

の関係で表されることが分かる。例えば、仮想円筒直径Ｄ＝５０ｍｍ、帯状基板幅Ｗ＝２０ｍｍの場合、ｓｉｎθ＝０．１２７、θ＝７．３°となる。

ここで、従来形式と本特許形式の、帯状基板の処理装置及び処理方法を比較する。特に、処理装置長さ、真空室容積を比較する。ロールツーロール方式帯状基板搬送装置、帯状基板の幅２０ｍｍ、平行平板方式電極、帯状基板側電極と帯状基板に対向する電極の間隔２０ｍｍ、電極の厚さ３０ｍｍ、電極から真空室内壁までの距離５０ｍｍ、処理部に置かれる帯状基板長さ１５００ｍｍ、帯状基板の巻き出し、巻き取り装置、は共通とする。

図６（１）〜（３）に、従来形式と本特許形式の、帯状基板の処理装置を示す。まず図６（１）に、従来形式の一つとして、直線搬送方式の、帯状基板の処理装置装置を示す。基板処理部電極６０５、長さ５００ｍｍが三本配置されている。隣接電極間にはガイドローラー６０４が設置されている。ガイドローラー６０４の直径は５０ｍｍである。また、隣接電極間の距離は、ガイドローラーを挟んでいるため１１０ｍｍである。電極幅は、基板幅２０ｍｍに余裕を取って４０ｍｍとなっている。よって真空室は、前記基板処理部電極、ガイドローラー、帯状基板が納められているので、長さ１９４０ｍｍ（６１１）、幅１４０ｍｍ（６１２）、高さ２５５ｍｍ（６１３）である。帯状基板はガイドローラーによって少し搬送方向が変わるので、真空室高さには余裕がある。真空室容積は７０リットルである。

次に図６（２）に、従来形式の一つとして、円筒キャン方式の、帯状基板の処理装置を示す。円筒キャン６２５は三個設置されている。円筒キャン６２５の直径は３００ｍｍで、一個当たりの基板処理部長さは５００ｍｍである。また、円筒キャン６２５に沿って帯状基板が搬送されるようガイドローラー６２４が設置されている。よって真空室は、長さ１４００ｍｍ（６３１）、幅１４０ｍｍ（６３２）、高さ４５０ｍｍ（６３３）である。真空室容積は８８リットルである。

図６（３）に、本特許形式である螺旋型搬送方式の、帯状基板の処理装置を示す。仮想円筒６４４直径は５０ｍｍとする。帯状基板６４１を前記仮想円筒６４４に約十周巻き付けると、基板処理部が長さ１５００ｍｍになる。仮想円筒６４４は帯状基板側電極であり、帯状基板６４１に対向する対向電極６４６との間隔２０ｍｍ、電極の厚さ３０ｍｍは前記方式の処理装置と同様である。仮想円筒６４４長さは余裕を持たせ、２７０ｍｍとする。よって真空室は、長さ３７０ｍｍ（６５１）、直径２５０ｍｍ（６５２）となる。真空室容積は１８リットルとなる。

前記比較で明らかなように、本特許である螺旋型搬送方式の、帯状基板の処理装置及び処理方法により、帯状基板搬送機構の小型化が可能となる。また、帯状基板搬送機構の小型化によって真空装置全体を小型化できる。

本特許である螺旋型搬送方式の、帯状基板の処理装置及び処理方法により、帯状基板搬送機構の小型化が可能となる。また、帯状基板搬送機構の小型化によって真空装置全体を小型化でき、それに伴って真空装置周辺の構成部品も小型、安価な部品を使用し、真空装置を含む太陽電池製造装置全体の価格、つまり設備償却費を抑えることができる。その結果として太陽電池価格を低く抑えることが可能である。更に、太陽電池の低価格化によって太陽光発電の普及に貢献する事ができる。

実施例としてスパッタ、ＣＶＤ一体型薄膜形成装置を図７に示す。本装置では主に、太陽電池の発電層用半導体と電極を、薄膜として連続形成する。

スパッタ、ＣＶＤ一体型薄膜形成装置の構成を説明する。まず、本特許である、螺旋型搬送方式の帯状基板搬送装置７０４を設置する。帯状基板搬送装置７０４は基板側接地電極も兼ねる。そして帯状基板巻き出し機構７０２から巻き出した、可撓性を有する長尺の帯状基板７０１を、搬送装置７０４の仮想円筒部分に、螺旋状に巻き付け、帯状基板巻き取り機構７０３で巻き取る。帯状基板巻き出し機構及び巻き取り機構は、一定の張力で帯状基板を引っ張るように動作させる。帯状基板７０１にはＰＥＴ等の樹脂フィルムを用いる。仮想円筒部分が骨組みだけで、軟らかい樹脂フィルムを巻き付けることが難しい場合、比較的硬いスチールベルト等を重ねても良い。帯状基板搬送装置７０４の駆動、つまり仮想円筒部分の回転には駆動用モーター７０５を使用する。帯状基板７０１を仮想円筒へ沿わせた部分に、スパッタ室７０６とＣＶＤ室７０７を設置する。スパッタ室及びＣＶＤ室は、基板側接地電極に対向する対向電極も兼ねている。スパッタ室にはアルゴンガス７０８、ＣＶＤ室にはシランガス７０９を導入できるように配管し、各室にはガスを排気する排気ポンプ７１０を設置する。更にスパッタ室にはプラズマ発生用直流電力、ＣＶＤ室にはプラズマ発生用高周波電力を投入するため、直流電源７１１、高周波電源７１２をそれぞれ配線する。直流電源の負極側、高周波電源の、一方の電極は接地し、帯状基板搬送装置を兼ねた基板側接地電極と接続する（７１３）。

薄膜形成の手順を説明する。まず、帯状基板７０１に張力をかけ、搬送を停止した状態で、スパッタ室、ＣＶＤ室内を排気し、真空状態にする。前記真空状態にした後、スパッタ室へはアルゴンガス７０８、ＣＶＤ室へはシランガス７０９を導入する。そして、各ガス流量、各室内圧力を安定させるまでしばらく待つ。前記安定を確認した後、スパッタ室へは直流電力、ＣＶＤ室へは高周波電力を投入し、放電を開始する。放電状態を確認した後、帯状基板搬送装置７０４の駆動用モーター７０５を動作させ、搬送装置の仮想円筒部分を回転させることによって帯状基板７０１を搬送する。帯状基板７０１は、搬送装置の仮想円筒上に、螺旋状に巻いているので、仮想円筒が一回転する毎に帯状基板７０１の幅分進む。このため帯状基板７０１を、仮想円筒の長さ方向へ送る機構を設置する。構造は、図８に示ように、ボールベアリング８０１を配置する。スパッタ室内壁にはアルミニウムのターゲットを設置し、スパッタリングすることによって、帯状基板７０１上にアルミニウム薄膜を堆積形成する。ＣＶＤ室では放電空間でシランガス７０９を分解し、帯状基板７０１上にアモルファスシリコン薄膜を堆積形成する。帯状基板巻き出し機構７０２から巻き出した基板を、スパッタ室、ＣＶＤ室と通過させ、帯状基板巻き取り機構７０３で巻き取ることによって、帯状基板７０１上にアルミニウム薄膜、及びアルミニウム薄膜上にアモルファスシリコン薄膜を連続的に堆積形成することができる。

従来形式である直線型搬送方式のプラズマ処理装置円筒キャン方式の搬送機構を備えたプラズマ処理装置本特許である螺旋型搬送方式の、帯状基板の処理装置及び処理方法帯状基板の、仮想円筒への具体的な巻き付け方帯状基板が、仮想円筒上の線ＡＢに垂直な線に対して取る角度θの説明従来形式と本特許形式の、帯状基板の処理装置及び処理方法比較スパッタ、ＣＶＤ一体型太陽電池発電層半導体及び電極堆積形成装置螺旋型帯状基板搬送機構

符号の説明

１０１：帯状基板１０２：巻き出しローラー１０３：巻き取りローラー１０４：ガイドローラー１０５：基板側接地電極１０６：対向電極１０７：真空室
２０１：帯状基板２０２：巻き出しローラー２０３：巻き取りローラー２０４：ガイドローラー２０５：基板側接地電極兼円筒キャン２０６：対向電極２０７：真空室２１１：帯状基板２１２：巻き出しローラー２１３：巻き取りローラー２１４：ガイドローラー２１５ａ：基板側接地電極兼円筒キャン１２１５ｂ：基板側接地電極兼円筒キャン２２１５ｃ：基板側接地電極兼円筒キャン３２１６ａ：対向電極１２１６ｂ：対向電極２２１６ｃ：対向電極３２１７：真空室
３０１：帯状基板３０２：巻き出しローラー３０３：巻き取りローラー３０５：基板側接地電極兼螺旋型搬送機構ローラー３０６：対向電極３０７：真空室
４０１：帯状基板入り口側４０２：帯状基板出口側４０３：仮想円筒４０４：切断線４１１：帯状基板が、仮想円筒上の線ＡＢに垂直な線に対して取る角度θ
６０１：帯状基板６０２：巻き出しローラー６０３：巻き取りローラー６０４：ガイドローラー６０５：上部、基板側接地電極６０６：下部、対向電極６０７：真空室６０８：巻き出しローラー用真空室６０９：巻き取りローラー用真空室６１１：真空室長さ、１９４０ｍｍ６１２：真空室幅、１４０ｍｍ６１３：真空室高さ、２５５ｍｍ６１４：真空室内壁下部から最下部電極までの距離、５０ｍｍ６１５：下部、対向電極厚さ、３０ｍｍ６１６：対向電極間距離、２０ｍｍ６１７：上部、基板側接地電極厚さ、３０ｍｍ６１８：最上部ガイドローラーから真空室内壁上部までの距離、５０ｍｍ６１９：電極長さ、５００ｍｍ６２０：隣接電極間距離、１１０ｍｍ
６２１：帯状基板６２２：巻き出しローラー６２３：巻き取りローラー６２４：ガイドローラー６２５：基板側接地電極兼円筒キャン、直径３００ｍｍ６２６：対向電極６２７：真空室６２８：巻き出しローラー用真空室６２９：巻き取りローラー用真空室６３１：真空室長さ、１４００ｍｍ６３２：真空室幅、１４０ｍｍ６３３：真空室高さ、４５０ｍｍ６３４：真空室内壁下部から最下部電極までの距離、５０ｍｍ６３５：下部、対向電極厚さ、３０ｍｍ６３６：対向電極間距離、２０ｍｍ
６４１：帯状基板６４２：巻き出しローラー６４３：巻き取りローラー６４４：基板側接地電極兼螺旋型搬送機構ローラー、仮想円筒直径５０ｍｍ、長さ２７０ｍｍ６４６：対向電極６４７：真空室６４８：巻き出しローラー用真空室６４９：巻き取りローラー用真空室
７０１：帯状基板７０２：帯状基板巻き出し機構７０３：帯状基板巻き取り機構７０４：螺旋型搬送機構７０５：螺旋型搬送機構駆動用モーター７０６：スパッタ室７０７：プラズマＣＶＤ室７０８：スパッタ用アルゴンガス７０９：プラズマＣＶＤ用シランガス７１０：排気ポンプ７１１：直流電源７１２：高周波電源７１３：接地
８０１：ボールベアリング８０２：側面図８０３：断面図

Claims

真空室と、可撓性を有し、ロール状に巻かれた帯状基板を、そのロールから引き出し、引き出した前記帯状基板をロール状に巻き取るロールツーロール方式の基板搬送機構と、前記帯状基板を処理する機構と、を少なくとも有する帯状基板の処理装置において、前記帯状基板を、仮想円筒曲面部に沿い、且つ螺旋状に搬送し、前記帯状基板が仮想円筒曲面部に沿った部分で、且つ真空室内において前記帯状基板を処理することを特徴とする帯状基板の処理装置。
前記仮想円筒は、帯状基板が、仮想円筒曲面部に沿わせながら前記仮想円筒曲面部上を移動できる、帯状基板移動機構を備えていることを特徴とする、請求項１記載の、帯状基板の処理装置。
前記帯状基板移動機構は、ボールベアリングが配置されていることを特徴とする、請求項２記載の、帯状基板の処理装置。
前記帯状基板の処理が、堆積膜の形成であることを特徴とする、請求項１から３いずれか一項記載の、帯状基板の処理装置。
前記堆積膜の形成が、ＣＶＤ法による堆積形成であることを特徴とする、請求項４記載の、帯状基板の処理装置。
前記堆積膜の形成が、スパッタ法による堆積形成であることを特徴とする、請求項４記載の、帯状基板の処理装置。
真空室と、可撓性を有し、ロール状に巻かれた帯状基板を、そのロールから引き出し、引き出した前記帯状基板をロール状に巻き取るロールツーロール方式の基板搬送機構と、前記帯状基板を処理する機構と、を少なくとも用いる帯状基板の処理方法において、前記帯状基板を、仮想円筒曲面部に沿い、且つ螺旋状に搬送し、前記帯状基板が仮想円筒曲面部に沿った部分で、且つ真空室内において前記帯状基板を処理することを特徴とする帯状基板の処理方法。
前記仮想円筒は、帯状基板が、仮想円筒曲面部に沿わせながら前記仮想円筒曲面部上を移動できる、帯状基板移動機構を備えていることを特徴とする、請求項７記載の、帯状基板の処理方法。
前記帯状基板移動機構は、ボールベアリングが配置されていることを特徴とする、請求項８記載の、帯状基板の処理方法。
前記帯状基板の処理が、堆積膜の形成であることを特徴とする、請求項７から９いずれか一項記載の、帯状基板の処理方法。
前記堆積膜の形成が、ＣＶＤ法による堆積形成であることを特徴とする、請求項１０記載の、帯状基板の処理方法。
前記堆積膜の形成が、スパッタ法による堆積形成であることを特徴とする、請求項１０記載の、帯状基板の処理方法。