JP2005200699A

JP2005200699A - 透明電極薄膜の製造方法

Info

Publication number: JP2005200699A
Application number: JP2004007798A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Takano; 章弘高野
Original assignee: Fuji Electric Advanced Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】簡便な装置で光学系あるいは成膜装置の構成に制約を受けず、安定した膜厚を有した透明電極薄膜を製造可能な透明電極薄膜の製造方法を提供する。
【解決手段】透明電極薄膜形成室１０にて透明電極薄膜２を形成すると、形成した透明電極薄膜２を膜厚測定室２０に移送し、膜厚測定室２０にて透明電極薄膜２の表面に単色光を照射してその反射強度を測定して透明電極薄膜２の膜厚を算出し、算出した膜厚を透明電極薄膜２の成膜条件へフィードバックする。
【選択図】図１

Description

本発明は太陽電池などに用いられる透明電極薄膜の製造方法に関する。

透明電極薄膜の利用分野の１つに薄膜太陽電池用透明電極がある。太陽電池は、クリーンな次世代エネルギー源として、研究開発及び事業化が積極的に進められている。特に薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コストが安価なこと、大面積化が容易であることなどから、今後の太陽電池の主流となると考えられている。

従来の薄膜太陽電池はガラス基板を用いていたが、軽量化、施工性、量産性においてプラスチックフィルム及び金属フィルムを用いたフレキシブルタイプの太陽電池の研究開発が進められている。このフレキシブル性を生かし、ロールツーロール方式またはステッピングロール方式の製造方法により大量生産が可能となった。

上記薄膜太陽電池は、フレキシブルな電気絶縁性フィルム基板上に金属電極層、薄膜半導体層からなる光電変換層及び透明電極層が積層されてなる光電変換素子（またはセル）が複数形成されている。ある光電変換素子の金属電極と隣接する光電変換素子の透明電極を電気的に接続することを繰り返すことにより、最初の光電変換素子の透明電極と最後の光電変換素子の透明電極とに必要な電圧を出力させることができる。例えば、インバータにより交流化し商用電力源として交流１００Ｖを得るためには、薄膜太陽電池の出力電圧は１００Ｖ以上が望ましく、実際には数十個以上の光電変換素子が直列に接続される。

このような光電変換素子とその直列接続は、電極層と光電変換層の成膜と各層のパターニング及びそれらの組み合わせ手順により形成される。
図７は、薄膜太陽電池の構成を示す斜視図である。

この図は、特許文献１に開示されている薄膜太陽電池の構成を示す図であり、プラスチックフィルムを基板とした可撓性薄膜太陽電池である。基板６１の表面に形成した単位光電変換素子６２および基板６１の裏面に形成した接続電極層６３は、それぞれ複数の単位ユニットに完全に分離され、それぞれの分離位置をずらして形成されている。このため、単位光電変換素子６２のアモルファス半導体部分である光電変換素子層６５で発生した電流は、まず透明電極層６６に集められ、次に透明電極層６６領域に形成された集電孔６７を介して背面の接続電極層６３に通じ、更に接続電極層６３領域で素子の透明電極層６６領域の外側に形成された直列接続用の接続孔６８を介して単位光電変換素子６２と隣り合う素子の透明電極層６６領域の外側に延びている下電極層６４に達し、両素子の直列接続が行われている。

ところで、上記のような薄膜太陽電池では、透明電極薄膜の膜厚が、太陽電池の出力特性及び外観に大きな影響を与える。透明電極薄膜の膜厚を成膜プロセス中に測定する手段としては、エリプソメトリーが知られている。

また、白色光を薄膜に照射して、その反射スペクトルを測定し、反射スペクトルの変化により、透明電極薄膜の膜厚の監視を行う方法がある（特許文献２参照）。
また、蒸着釜内に単色光を導入して反射光を受光し、膜厚に関するデータを計測する方法がある（特許文献３参照）。

さらに、特許文献４には、磁界を作るための磁石が成膜領域を往復移動する駆動装置を備えたマグネトロンスパッタ成膜装置において、単色光ビームを成膜中の薄膜表面に向けて出射する光源と、単色光ビームの薄膜からの反射光を検出し検出信号を出力する光検出器と、この検出信号とあらかじめ採取してある単色光薄膜と同質の薄膜の膜厚との関係から成膜中の薄膜の膜厚と、この膜厚と所定の膜厚との比較から磁石の所定往復回数で所定の膜厚を得るための放電パワーの補正信号または磁石の移動速度の補正信号を出力するコントローラを備えていることを特徴とするマグネトロンスパッタ成膜装置が開示されている。
特開２０００−２２３７２７号公報（段落番号〔００１７〕，図６）特開２０００−３５３８１４号公報（段落番号〔００２７〕、〔００２８〕，図１）特開平８−１８８８７４（段落番号〔００１３〕〜〔００１４〕，図１）特開平１０−１５８８３３（段落番号〔０００９〕，図１）

しかし、エリプソメトリーは、光学系が複雑で、計算ソフトを含めたシステムは非常に高価であり、実用上問題があった。また、特許文献２に開示された従来の技術では、エリプソメトリーと比較すれば安価で単純なシステムとなるが、白色光源及び分光器が必要となるため十分とはいえない。特許文献３、４の従来技術では、成膜室内に単色光を導入して反射信号を検出するため、光学系あるいは成膜装置の構成に制限があるという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、簡便な装置で光学系あるいは成膜装置の構成に制約を受けず、安定した膜厚を有した透明電極薄膜を製造可能な透明電極薄膜の製造方法を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、透明電極薄膜の製造方法において、透明電極薄膜形成室にて透明電極薄膜を形成する工程と、形成した前記透明電極薄膜を膜厚測定室に移送する工程と、前記膜厚測定室にて前記透明電極薄膜の表面に単色光を照射してその反射強度を測定し、前記透明電極薄膜の膜厚を算出する工程と、算出した前記膜厚を前記透明電極薄膜の成膜条件にフィードバックする工程と、を有することを特徴とする透明電極薄膜の製造方法が提供される。

上記の方法によれば、透明電極薄膜形成室にて透明電極薄膜を形成すると、形成した透明電極薄膜を膜厚測定室に移送し、膜厚測定室にて透明電極薄膜の表面に単色光を照射してその反射強度を測定して透明電極薄膜の膜厚を算出し、算出した膜厚を透明電極薄膜の成膜条件へフィードバックする。

本発明は、透明電極薄膜形成室で形成した透明電極薄膜を、膜厚測定室に移送した後に透明電極薄膜の表面に単色光を照射してその反射強度を測定して透明電極薄膜の膜厚を算出し、算出した膜厚を成膜条件へフィードバックすることで、光学系あるいは成膜装置の構成に制約を受けることなく、簡便な装置で安定した膜厚を有した透明電極薄膜を製造できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態の透明電極薄膜の製造方法を適用する装置の構成図である。

本発明の実施の形態の透明電極薄膜の製造方法を適用する装置は、２つの処理室を有している。基板１上に透明電極薄膜２を形成するための透明電極薄膜形成室１０と、形成した透明電極薄膜２の膜厚を測定するための膜厚測定室２０である。

透明電極薄膜形成室１０では、例えばＤＣ（Direct Current）スパッタリング法により、透明電極薄膜２を形成する。透明電極薄膜形成室１０は、図１のように陰極１１と、基板１が設置される陽極１２を有し、互いに対向して配置されている。陰極１１において陽極１２と対向する面にはターゲット材１３を配置している。また、図示を省略しているがスパッタガスを透明電極薄膜形成室１０内に供給するためのスパッタガス供給手段と、透明電極薄膜形成室１０内を排気するための排気手段とを有する。陰極１１と陽極１２にはプラズマ発生用ＤＣ電源３０が接続され、陰極１１と陽極１２間にプラズマを発生させる。なお、基板１の温度を上げるためのヒータを有していてもよい。

膜厚測定室２０は、透明電極薄膜２を形成した基板１を設置するステージ２１と、半導体レーザーダイオードあるいはＬＥＤ（Light Emitting Diode）である単色光の光源２２と、反射光の反射強度を測定する、例えば、フォトダイオードなどの検出器２３とを有する。単色光の光源２２と、検出器２３とは、膜厚測定室２０の外部に配置されたコンピュータ４０のＣＰＵ（Central Processing Unit）によって制御される。また、膜厚測定室２０内は、図示しない排気手段によって真空排気される。

コンピュータ４０は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェースなどから構成される。ＣＰＵは、単色光の光源２２、検出器２３を制御し、検出器２３で検出された透明電極薄膜２からの反射光の反射強度の変化による光学的膜厚（屈折率×膜厚）情報の変動に基づき膜厚を算出する。また、得られた膜厚を透明電極薄膜形成室１０における透明電極薄膜２の形成の際の成膜条件にフィードバックする。その際、ＣＰＵは、プラズマ発生用ＤＣ電源３０を制御する（具体例は後述する）。

また、図１の装置は処理室間の仕切りに用いられるゲートバルブ１４、１５、２４を有している。これらのゲートバルブ１４、１５、２４は図示しない搬送機構により処理室間での搬送が可能なように開閉可能である。

図２は、本発明の実施の形態の透明電極薄膜の製造方法における製造工程の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１：透明電極薄膜形成
図示しない搬送機構により、基板１がゲートバルブ１４を介して透明電極薄膜形成室１０に搬入されると、透明電極薄膜２の形成工程が行われる。

なお、薄膜太陽電池を製造する場合、透明電極薄膜形成室１０に搬送される以前に、基板１上には、下電極層及び光電変換層が形成されているが、ここでは図示を省略している（薄膜太陽電池の例は図７に示している）。

図１に示したような透明電極薄膜形成室１０において、ＤＣスパッタリング法により、透明電極薄膜２を形成する。例えば、このとき、スパッタガスとしてＡｒ（アルゴン）とＯ₂（酸素）の混合ガス（Ｏ₂／（Ａｒ＋Ｏ₂）＝１．２％）を用いる。混合ガス流量は１００ｓｃｃｍ、圧力は０．３Ｐａに保つ。さらに、プラズマ発生用ＤＣ電源３０により高電圧を陰極１１と陽極１２間に印加してプラズマを発生してスパッタリングにより透明電極薄膜２を形成する。以下、透明電極薄膜２として、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いた場合について説明する。

図３は、太陽電池の変換効率とＩＴＯ薄膜の膜厚の関係を示す図である。
縦軸が変換効率、横軸がＩＴＯ薄膜の膜厚（単位はｎｍ）である。
この図のように、膜厚が７０ｎｍの場合に最も変換効率が高くなる。そのため、薄膜太陽電池の出力特性を上げるためには、透明電極薄膜２の膜厚を７０ｎｍに制御して形成する必要がある。

ステップＳ２：膜厚測定室に移送
ステップＳ１で基板１上に形成した透明電極薄膜２を、図示しない搬送機構によりゲートバルブ１５を介して膜厚測定室２０に移送する。

ステップＳ３：膜厚算出
透明電極薄膜２が膜厚測定室２０に移送されると、図示しない排気手段により、膜厚測定室２０は、例えば、１×１０^-3Ｐａに真空排気される。ここで、コンピュータ４０の制御のもと、半導体レーザーダイオードあるいはＬＥＤである単色光の光源２２からの単色光を、透明電極薄膜２に入射光として照射し、その反射光の反射強度を検出器２３にて測定する。

反射強度の透明電極薄膜２の膜厚による差異は、入射光の波長が３５０〜５００ｎｍの波長領域において、透明電極薄膜２の膜厚に起因する干渉として現れる。薄膜太陽電池の場合、入射光の波長が５００ｎｍ以上になると、透明電極薄膜２の下部に形成されている図示しない光電変換層に起因した干渉が現れる。

そこで、本発明の実施の形態では、入射光として、例えば、４００ｎｍの単色光を用いる。コンピュータ４０のＣＰＵは、このときの反射強度の変化（干渉パターン）による透明電極薄膜２の光学的膜厚（屈折率ｎ×膜厚ｄ）情報の変動に基づき透明電極薄膜２の膜厚を算出する。

この膜厚算出法は、透明電極薄膜２の表面で反射した光と太陽電池内部で反射した光の干渉パターンを含む反射率を、膜厚をパラメータとした光学モデルを使用してフィッティングするものである。太陽電池の層構成を持つ多層膜光学モデルを構築し、各界面でのフレネル係数を用いた振幅反射率計算を膜厚を変数として行い、測定範囲である３５０〜１６００ｎｍの波長範囲内で測定値を最小偏差でフィッティングすることで膜厚を求める。各薄膜層の光学定数（屈折率及び吸収係数）は、あらかじめ与えておく。コンピュータ４０のＣＰＵは、このフィッティング計算を行い、透明電極薄膜２の膜厚を算出する。

図４は、４００ｎｍの単色光の反射率とＩＴＯ薄膜の膜厚の関係を示す図である。
縦軸が４００ｎｍの単色光の反射率であり、横軸がＩＴＯ薄膜の膜厚である。
この図のように、ＩＴＯ薄膜の膜厚の増加とともに反射率が増加する。変換効率が最大となるＩＴＯ薄膜の膜厚である７０ｎｍの場合には、反射率は約２７％である。

ステップＳ４：膜厚を成膜条件にフィードバック
コンピュータ４０のＣＰＵは、算出した膜厚を成膜条件にフィードバックする。例えば、反射率が最適な膜厚である７０ｎｍを示す２７％より小さい場合、形成された膜厚は７０ｎｍより薄いと考えられるので、成膜条件のうち、プラズマ発生用ＤＣ電源３０の電圧を上げて、次に、透明電極薄膜形成室１０に搬送されてくる基板１に形成する透明電極薄膜２の膜厚が７０ｎｍになるようなフィードバックを行う。また、反射率が２７％を上回った場合、形成される膜厚は７０ｎｍより厚いと考えられるので、成膜条件のうち、プラズマ発生用ＤＣ電源３０の電源を下げて、次に、透明電極薄膜形成室１０に搬送されてくる基板１に形成する透明電極薄膜２の膜厚が７０ｎｍになるようなフィードバックを行う。

上記のようにして、１回の透明電極薄膜２の製造工程が終了する。基板１上に形成された透明電極薄膜２は、例えば、図示しない搬送機構により、ゲートバルブ２４を介して、薄膜太陽電池の製造工程の次の製造工程を行うための処理室に搬送される。

図５は、ＩＴＯ薄膜の膜厚の成膜処理回数依存性を示す図である。
縦軸はＩＴＯ薄膜の膜厚、横軸は成膜処理回数を示す。
また、フィードバックを行わない場合の膜厚の成膜処理回数依存性を、フィードバックを行う本発明の実施の形態の透明電極薄膜の製造方法における膜厚の成膜処理回数依存性とともに図示している。

この図のように、フィードバックを行わない場合は、成膜処理回数が多くなると、膜厚が薄くなるように変動していくが、フィードバックを行う本発明の実施の形態の透明電極薄膜の製造方法によれば、最適な膜厚である７０ｎｍを安定して保ち続ける。

このように、本発明の実施の形態の透明電極薄膜の製造方法を用いることにより、安定した膜厚の透明電極薄膜を形成できる。しかも、透明電極薄膜形成室１０から、形成した透明電極薄膜２を膜厚測定室２０に移送した後に反射測定を行うため、光学系あるいは成膜装置の構成に制約を受けることなく、簡便な装置で透明電極薄膜の形成を行うことができる。

なお、上記では、透明電極薄膜２として、ＩＴＯを用いるとしたが、ＳｎＯ₂、ＺｎＯを用いてもよいし、これらの積層構造からなるような透明電極薄膜２を形成する場合にも適用可能である。

また、上記では、ＤＣスパッタリング法により、透明電極薄膜を形成するとしたがこれに限定されない。
また、上記では、単色光の光源２２及び検出器２３を膜厚測定室２０の内部に設けたが、以下の図のような構成であってもよい。

図６は、膜厚測定室の外部に光源及び検出器を設けた場合の装置の構成図である。
この図のように、単色光の光源２２及び検出器２３を膜厚測定室２０の外部に設け、光ファイバ２５を用いて、単色光を導入あるいは反射光の取り出しを行うようにしてもよい。

本発明は、薄膜太陽電池の製造における透明電極薄膜の形成工程の際に適用される。

本発明の実施の形態の透明電極薄膜の製造方法を適用する装置の構成図である。本発明の実施の形態の透明電極薄膜の製造方法における製造工程の流れを示すフローチャートである。太陽電池の変換効率とＩＴＯ薄膜の膜厚の関係を示す図である。４００ｎｍの単色光の反射率とＩＴＯ薄膜の膜厚の関係を示す図である。ＩＴＯ薄膜の膜厚の成膜処理回数依存性を示す図である。膜厚測定室の外部に光源及び検出器を設けた場合の装置の構成図である。薄膜太陽電池の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１基板
２透明電極薄膜
１０透明電極薄膜形成室
１１陰極
１２陽極
１３ターゲット材
１４、１５、２４ゲートバルブ
２０膜厚測定室
２１ステージ
２２単色光の光源
２３検出器
３０プラズマ発生用ＤＣ電源
４０コンピュータ

Claims

透明電極薄膜の製造方法において、
透明電極薄膜形成室にて透明電極薄膜を形成する工程と、
形成した前記透明電極薄膜を膜厚測定室に移送する工程と、
前記膜厚測定室にて前記透明電極薄膜の表面に単色光を照射してその反射強度を測定し、前記透明電極薄膜の膜厚を算出する工程と、
算出した前記膜厚を前記透明電極薄膜の成膜条件にフィードバックする工程と、
を有することを特徴とする透明電極薄膜の製造方法。
前記単色光は、３５０乃至５００ｎｍの波長領域であることを特徴とする請求項１記載の透明電極薄膜の製造方法。
前記単色光の光源は、半導体レーザーダイオードあるいはＬＥＤであることを特徴とする請求項１記載の透明電極薄膜の製造方法。
前記透明電極薄膜は、ＩＴＯ、ＳｎＯ₂、ＺｎＯのいずれか、あるいはこれらの積層構造よりなることを特徴とする請求項１記載の透明電極薄膜の製造方法。
前記反射強度が検出器で測定されると、ＣＰＵは前記反射強度の変化による前記透明電極薄膜の光学的膜厚情報の変動に基づき前記膜厚を算出し、
前記ＣＰＵは前記膜厚を前記成膜条件にフィードバックすることを特徴とする請求項１記載の透明電極薄膜の製造方法。