JP2006032800A - プラズマ処理装置、太陽電池及び太陽電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】内部圧力を調整可能に設けられたチャンバー10と、チャンバー10内に被処理基板11を保持するように設けられ、接地されている基板電極3と、チャンバー10内に基板電極11に対向して間隔を空けて設けられ、高周波電源26の給電を受けて放電する対向電極21と、を備えたプラズマ処理装置において、対向電極21の長尺方向に複4カ所の給電点24を設け、各給電点24に給電するケーブル25の長さLを、高周波電源26の周波数とケーブル25の構造で決まるケーブル25の高周波電力の波長をλとしたとき、L=nλ/2(nは正の整数、n≠0)で表される略同一長さに設定するとともに、4カ所の給電点24を位相の異なる二つの給電系統E1,E2に分割し、互いに隣接する各給電点24の位相が異なるように配置した。
【選択図】図3
Description
プラズマCVD手法とは、電磁波等のエネルギーを電子を介して、ガスを電離、解離することにより、反応ガスを化学的に活性なラジカルとし、さらに、ラジカルが基板等に堆積することにより、基板上に薄膜を形成させる手法をいう。
この特許文献1には、単一の放電電極に対して複数の給電点を介して異なる周波数の高周波を給電する際に、複数の高周波電源から発振される発振周波数を20〜200MHzの範囲とし、かつ複数の高周波電源間の発振周波数の差を各高周波電源の発振周波数の20%以内として変調波成分を生じさせ、これにより単一の放電電極に生じる電圧分布の包絡線成分を単一の放電電極に沿って変位させ、単一の放電電極内に生じる電圧分布における定在波の発生を抑制する放電電極への給電方法が開示されている。この給電方法によれば、大面積の成膜及びエッチング処理等に高高周波(VHF)を用いて1m×1mをも越えるような非常に大きな基板や薄膜の表面に対して均一な処理を行うことができ、プラズマCVD成膜等においては、高高周波であるにもかかわらず、広範囲にわたりプラズマ密度を均一化できるとされる。
特に、本発明のプラズマ処理装置では、おおよそ3m角(3m×3m)クラスという従来と比較して非常に大きな被処理基板を処理対象としているため、放電電極等を長尺化するなどして均一な薄膜を形成する成膜処理が問題となる。被処理基板の大面積化と処理速度の向上で成膜が不均一になる主な原因としては、
(1)放電電極の長尺化に伴って給電点から給電した高周波が減衰するので、位相を変化させても給電点から遠い位置におけるプラズマ発生量が減少して長尺方向で不均一になること、
(2)放電電極の大面積化により平板電極における電圧分布の均一化が困難になるため、プラズマ発生量も不均一になること、
(3)放電電極や被処理基板等の熱変形により電極間隔が変化すると、電極間隔の差に応じて電圧も変動するので、電圧分布を均一に保つことが困難になってプラズマ発生量も不均一になること、
(4)処理速度の向上にこうかのある周波数の高周波化と成膜ガス圧の増加は、放電電極内の給電点から給電した高周波の減衰のさらなる増加と、定在波波長のさらなる短縮を引き起こすこと、
が考えられる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、特に大面積化した被処理基板に対するプラズマ処理の成膜品質を向上させることにより、太陽電池等プラズマCVD処理品の生産性を向上させるとともに生産コストの大幅な低減を可能にするプラズマ処理装置を提供することにある。
本発明の請求項1に係るプラズマ処理装置は、内部圧力を調整可能に設けられたチャンバーと、該チャンバー内に被処理基板を保持するように設けられ、接地されている基板電極と、前記チャンバー内に前記基板電極に対向して間隔を空けて設けられ、高周波電源の給電を受けて放電する対向電極と、を備えたプラズマ処理装置において、
前記対向電極の長尺方向に複数の給電点を設け、各給電点に給電するそれぞれの伝送線路の長さLを、前記高周波電源周波数と伝送線路の構造で決まる当該伝送線路の高周波電力の波長をλとしたとき、
L=nλ/2(nは正の整数、n≠0)で表される略同一長さに設定するとともに、
複数の給電点は、位相の異なる複数の給電系統に分割され、かつ、互いに隣接する各給電点の位相が異なるように配置されていることを特徴とするものである。
L=nλ/2(nは正の整数、n≠0)で表される略同一長さに設定するとともに、
複数の給電点は、位相の異なる複数の給電系統に分割され、かつ、互いに隣接する各給電点の位相が異なるように配置されているので、各給電系統では、同位相の高周波電力が略同じ伝送線路長さ(L=nλ/2)を通って給電点に給電されるため、給電点の負荷が異なっても同じ位相のまま給電することができる。また、隣接する各給電点に給電される高周波電源は、伝送線路長さの設定により各系統毎に異なる位相が維持されるため、対向電極内において進行波となる。
前記長尺対向電極の長尺方向と略直交する方向に前記被処理基板を搬送し、当該被処理基板へのプラズマ処理を連続的に行うことを特徴とするものである。
前記対向電極の長尺方向に複数の給電点を設け、該対向電極に長尺方向へ延在して貫通するスリットを設けたことを特徴とするものである。
前記対向電極の長尺方向に複数の給電点を設けるとともに、各給電点には、前記基板電極と前記対向電極との間の電極間距離を検出して所定値に補正する電極間隔制御手段が設けられていることを特徴とするものである。
前記太陽電池としては、例えば、p型シリコン層、n型シリコン層及びi型シリコン層からなるpin構造またはnip構造の多結晶シリコン層を少なくとも1層有する太陽電池、p型シリコン層、n型シリコン層及びi型シリコン層からなるpin構造またはnip構造のアモルファスシリコン層を少なくとも1層有する太陽電池、pin構造またはnip構造の多結晶シリコン層と、pin構造またはnip構造のアモルファスシリコン層とを積層して2層構造としたいわゆるタンデム型の太陽電池、pin構造またはnip構造のアモルファスシリコン層、pin構造またはnip構造の多結晶シリコン層、pin構造またはnip構造の別の多結晶シリコン層を積層して3層構造としたいわゆるトリプル型の太陽電池が挙げられる。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の一実施形態に係るプラズマCVD装置(プラズマ処理装置)の構成を示す模式断面図、図2は、図1に示したチャンバー10の要部を拡大して示す斜視図である。
プラズマCVD装置1について、図1を参照して説明する。チャンバー10には、基板電極3と、この基板電極3を搬送方向へ移動させる複数のローラ(基板搬送手段)7と、対向電極装置20とが設けられている。また、チャンバー10には、図示しない真空ポンプと、原料ガス供給源と、例えば60MHzの高高周波電源とが接続されている。高高周波電源としては、13.56MHz〜200MHzの間で適当な周波数のものが適宜選択される。
対向電極装置20は、チャンバー10の搬送方向(矢印5)に対して略中央部に設置されており、その長手方向(図2に矢印6で示す方向)が搬送方向と直交又は略直交するように設けられている。
図3に示す模式構成図の構成例では、対向電極装置20が長尺の対向電極21を備えている。この対向電極21は、図4に示すように、大型化した被処理基板11の幅Wよりも長い寸法を有しており、おおむね3mを越える細長い長尺の平板状部材とされる。また、対向電極21は、放電電極22の放電面22aを残して、絶縁体23で周囲を被覆された構成とされる。なお、基板電極3へのリターンパスを確実にするため、放電電極22と基板電極3とを互い違いの櫛状とするのが好ましい。
放電電極22は、長手方向の同一直線上に等ピッチで配置された4つの給電点24a、24b、24c、24dを備えており、それぞれが同一長さのケーブル25a、25b、25c、25dにより後述する給電系統と接続されている。なお、以下の説明では、4つの給電点及び4本のケーブルを特定しない場合には、給電点24またはケーブル25と呼ぶことにする。なおまた、本実施形態では伝送線路にケーブル25を用いているが、同軸管やストリップラインなどの他の伝送手段を用いてもよい。
一方の給電系統E1は、アンプ27と、整合器28と、位相・電圧検波器29とが直列に接続されており、位相・電圧検波器29の後流で2本のケーブル25a、25cに分かれてそれぞれ給電点24a、24cに接続される。
もう一方の給電系統E2は、フェーズシフタ30を介してアンプ27に接続され、以下整合器28及び位相・電圧検波器29が直列に接続されている。そして、位相・電圧検波器29の後流で2本のケーブル25b、25dに分かれ、それぞれが給電点24b、24dに接続される。また、真空となるチャンバー10内の配線を行うケーブル25については、インピーダンスの変化を防止するため、大気側と直結した固定の配線とすることが好ましい。なお、対向電極装置20の対向電極21は、チャンバー10の外側から取り外しが可能な構成とすればよい。
また、4つの給電点24には、電極間隔微調整機構32a、32b、32c、32dがそれぞれ設けられている。これらの電極間隔微調整機構32a、32b、32c、32dもまた、破線で示す信号線によりコントローラ31に接続されている。なお、以下の説明では、4つの電極間隔微調整機構を特定しない場合には、電極間隔微調整機構32と呼ぶことにする。
L=nλ/2(nは正の整数、n≠0)
従って、ケーブル25の長さLは、4本全てが高周波電源26の波長λの半分の長さであるλ/2をn倍した同一長さ又は略同一長さに設定される。ここで、nは1以上の整数(n=1,2,3・・・)である。
すなわち、上述した給電系統E2にはコントローラ30の制御を受けるフェーズシフタ30が設けられており、このフェーズシフタ30を通過することで高周波電源の位相がずらされるので、同一の高周波電源26から給電される二つの給電系統E1,E2は互いに異なる位相となる。また、長尺方向に並べた4カ所の給電点24は、紙面左側から順に、フェーズシフタ30を通過しない電源系統E1の給電点24a、フェーズシフタ30を通過した電源系統E2の給電点24b、フェーズシフタ30を通過しない電源系統E1の給電点24c及びフェーズシフタ30を通過した電源系統E2の給電点24dとなるため、隣接する給電点24の位相は互いに異なったものとなる。
なお、給電点24の間隔及び数については、高周波電源26の周波数や電極構造等の影響を受ける減衰を考慮して適宜決定すればよい。
また、上述したスリット40は、給電点24及びその近傍を避けて設けられている。換言すれば、スリット40は給電点24及びその周辺部において仕切部材41により分断され、結果として長手方向に3分割されたものとなる。
従って、スリット40及び仕切部材41を設けたことにより、長尺方向におけるプラズマ発生量の不均一を解消し、大面積化した被処理基板11に対し、均一な薄膜を形成することが可能になる。
この電極間隔微調整機構32は、通電等による電極の熱変形や被処理基板11側の熱変形等に起因して電極間距離が変動した場合、この変化を検出して所定の値に補正する機能を有している。
この監視を行う手段としては、例えば位相・電圧検波29の情報を利用することができる。すなわち、位相・電圧検波29で検出した電圧値が所定値より高くなると、電極間隔が所定値より小さくなって接近したものと判断できるので、この変化を検出した給電点24の電極間隔微調整機構32の動作により所定の電極間隔まで広げて補正する。このような電極間隔の補正は、例えばピエゾ素子や流体圧力シリンダ等のアクチュエータにより、いずれか一方の電極を移動させればよい。また、電極間隔微調整機構32による電極間距離の補正は、コントローラ31により行われる。
なお、電極間距離を監視する手段は、上述した位相・電圧検波29の情報以外にも、例えばレーザ距離計等を使用することができる。
このような構成により、プラズマ発生用の原料ガスは、図示しないガス供給ラインからチャンバー10内のガス供給孔43に導入される。そして、ガス供給孔43から流出して電極間でプラズマPを発生させた後、プラズマとともに生成されたガス類はスリット40を通り抜けて被処理基板11から離れる方向へ流出し、最終的にはチャンバー10の所定位置に設けられたガス排気管10aを通して外部へ排気される。
次に、本発明の第二実施形態に係るプラズマCVD装置1′について、図6を参照して説明する。
本実施形態は、太陽電池用発電層となるシリコン膜の成膜を行うものであり、成膜を行うチャンバー10が複数直列に配置されている点で前述した第1の実施形態のものとは異なっている。その他の構成要素については、前述した第1の実施形態のものと同じであるので、第1の実施形態と同じ部材には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
本実施形態に係るプラズマCVD装置1′は、ゲートバルブ50を介して連結される複数のチャンバー10を備えている。
これらチャンバー10は、形成する薄膜に対応してそれぞれ設けられるものであり、例えば、太陽電池を構成するpin構造のシリコン層を形成する場合には、p型シリコン層、i型シリコン層、n型シリコン層を形成するそれぞれのチャンバー10が設けられることとなる。
チャンバー10間に設けられたゲートバルブ50には、例えば、チャンバー10間で互いに原料ガスの混入を抑えるために不活性ガスを噴射するゲートガス導入部等が備えられている。
また、被処理基板11の下方には、対向電極装置20に対して対向配置されたローラ7が設けられている。このローラ7は、チャンバー10内で被処理基板11を所定速度で搬送方向に移動させることができる。
被処理基板11は、3m×3mの大きさで、基板電極3上に配置され、ローラ7下部のヒータにより所定の温度、例えば160℃に加熱されている。被処理基板11は基板電極3と一体となってローラ7上を移動する。
まず、例えばガラスの表面に透明電極が形成された被処理基板11が配された基板電極3をp室チャンバー10内に配置してp型シリコン層を成膜する。次いで、被処理基板11をi室チャンバー10に移動させてi型シリコン層を成膜する。次いで、被処理基板11をn室チャンバー10に移動させてn型シリコン層を成膜する。
その後、この被処理基板11は、プラズマCVD装置1′から取り出され、さらに、第2透明電極及び裏面電極が順次形成されることにより、太陽電池が製造される。
p室チャンバー10でp型シリコン層が成膜された被処理基板11は、i室チャンバー10内に配置される。そして、真空排気装置(図示略)によってi室チャンバー10内を図示しない真空ポンプによって真空排気させ、例えば1kPaまで減圧する。
次いで、チャンバー10内に成膜ガス供給源から成膜ガスとしてシラン(SiH4)ガス100sccmと水素(H2)ガス1ksccmを送り込むとともに60MHzの高高周波電力を供給することで、対向電極装置20と被処理基板11との間に成膜プラズマを発生させる。
3台の対向電極装置20で発生された成膜プラズマは、対向電極装置20と対向した状態で所定の速さで搬送される被処理基板11にそれぞれ連続的に作用し、結果的に、被処理基板11全面に多結晶i型シリコン層薄膜が形成される。
また、n室では、i室での成膜ガスに適正なn型不純物ガス(例えばPH3等)を加えることで、n型結晶性シリコン層またはn型アモルファスシリコン層を成膜することができる。
このような太陽電池は、透明絶縁性基板側から太陽光のような光を入射させてpin構造の多結晶シリコン層或いはアモルファスシリコン層で光電変換させることにより起電される。
さらに、チャンバー10をさらに反復して設けて9個とすることにより、pin構造のアモルファスシリコン層、pin構造の多結晶シリコン層、pin構造の別の多結晶シリコン層を積層して3層構造としたトリプル構成の太陽電池を作成することも可能となる。
また、図6では、p層、i層、n層の順に薄膜を形成する場合について述べたが、これに限定されることなく、n層、i層、p層の順に薄膜を形成してもよい。つまり、形成する薄膜に応じて、成膜ガス等を調整することにより、種々の薄膜を形成することが可能となる。
3 基板電極
5 搬送方向
7 ローラ
10 チャンバー
11 被処理基板
20 対向電極装置
21 対向電極
22 放電電極
24 給電点
25 ケーブル
26 高周波電源
29 位相・前圧検波器
30 フェーズシフタ
31 コントローラ
32 電極間隔微調整機構(電極間隔制御手段)
40 スリット
41 仕切部材
50 ゲートバルブ
Claims (7)
- 内部圧力を調整可能に設けられたチャンバーと、
該チャンバー内に被処理基板を保持するように設けられ、接地されている基板電極と、
前記チャンバー内に前記基板電極に対向して間隔を空けて設けられ、高周波電源の給電を受けて放電する対向電極と、
を備えたプラズマ処理装置において、
前記対向電極の長尺方向に複数の給電点を設け、各給電点に給電するそれぞれの伝送線路の長さLを、前記高周波電源周波数と伝送線路の構造とで決まる当該伝送線路の高周波電力の波長をλとしたとき、
L=nλ/2(nは正の整数、n≠0)
で表される略同一長さに設定するとともに、
前記複数の給電点は、位相の異なる複数の給電系統に分割され、かつ、隣接する各給電点が互いに異なる給電系統に接続されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 内部圧力を調整可能に設けられたチャンバーと、
該チャンバー内に被処理基板を保持するように設けられ、接地されている基板電極と、
前記チャンバー内に前記基板電極に対向して間隔を空けて設けられ、高周波電源の給電を受けて放電する長尺対向電極と、
を備えたプラズマ処理装置において、
前記長尺対向電極の長尺方向と略直交する方向に前記被処理基板を搬送し、当該被処理基板へのプラズマ処理を連続的に行うことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 内部圧力を調整可能に設けられたチャンバーと、
該チャンバー内に被処理基板を保持するように設けられ、接地されている基板電極と、
前記チャンバー内に前記基板電極に対向して間隔を空けて設けられ、高周波電源の給電を受けて放電する対向電極と、
を備えたプラズマ処理装置において、
前記対向電極の長尺方向に複数の給電点を設け、該対向電極に長尺方向へ延在して貫通するスリットを設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記スリットは、前記給電点及びその近傍を避けて設けられていることを特徴とする請求項3に記載のプラズマ処理装置。
- 内部圧力を調整可能に設けられたチャンバーと、
該チャンバー内に被処理基板を保持するように設けられ、接地されている基板電極と、
前記チャンバー内に前記基板電極に対向して間隔を空けて設けられ、高周波電源の給電を受けて放電する対向電極と、
を備えたプラズマ処理装置において、
前記対向電極の長尺方向に複数の給電点を設けるとともに、各給電点には、前記基板電極と前記対向電極との間の電極間距離を検出して所定値に補正する電極間隔制御手段が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項1から請求項5のいずれかに記載のプラズマ処理装置により形成された薄膜を備える太陽電池。
- 請求項1から請求項6のいずれかに記載のプラズマ処理装置を用いた太陽電池の製造法法。
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