JP2008106362A - 薄膜形成方法及び装置並びに太陽電池の製造方法及び装置並びに太陽電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】多数枚の大型基板に一度に成膜することで生産性を向上する。しかも、良好な膜質を得るために必要な成膜時間を削減しないでこれを達成する。
【解決手段】平行な２本の直線状導体（３１、３５）の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子（３０）を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナ（２０）を、成膜室（１０）内に設置して使用する。アレイアンテナ（２０）と、このアレイアンテナの両側においてアレイ平面に平行に配置される成膜用の各基板（４０）との距離Ｄを、直線状導体（３１、３５）どうしのピッチＰと同程度に設定して成膜する。
【選択図】図４
【解決手段】平行な２本の直線状導体（３１、３５）の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子（３０）を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナ（２０）を、成膜室（１０）内に設置して使用する。アレイアンテナ（２０）と、このアレイアンテナの両側においてアレイ平面に平行に配置される成膜用の各基板（４０）との距離Ｄを、直線状導体（３１、３５）どうしのピッチＰと同程度に設定して成膜する。
【選択図】図４
Description
この発明は、例えば太陽電池量産用に好適な薄膜形成方法及び装置並びに太陽電池の製造方法及び装置並びに太陽電池に関するものである。
一般に、太陽電池はクリーンなエネルギー源としておおいに期待されているが、その普及を図るためにはコストダウンが不可欠である。そのため、大型基板に高品質で均一膜厚のａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）薄膜を形成できる薄膜形成装置が望まれている。また、基板にａ−Ｓｉ薄膜とμｃ−Ｓｉ（微結晶シリコン）薄膜とを積層したタンデム構造とすることで、ａ−Ｓｉ薄膜単独のものに比べて変換効率の向上を図るため、ａ−Ｓｉ薄膜を形成できる薄膜形成装置だけでなく、μｃ−Ｓｉ薄膜を形成できる薄膜形成装置も望まれている。
このような薄膜形成装置として、従来は、平行平板型（容量結合型）プラズマＣＶＤ装置が実用化されている。
特開昭５９−０１４６３３号公報
しかしながら、平行平板型（容量結合型）プラズマＣＶＤ装置は、高周波電極板と接地電極板とを対向して配置し、接地電極板上に置かれた基板に薄膜を形成するものであるため、高周波−接地電極対を複数枚の基板に分割して用いない限り、１組の高周波−接地電極対につき１枚の基板しか成膜することができないという原理上の制約があり、そのため、成膜室内で一度に複数枚の基板に成膜しようとすると、その基板枚数と同組数の高周波−接地電極対を設置しなければならず、成膜室が広い内部空間を必要とするだけでなく、成膜室内を満たす原料ガスも大量に必要となるという問題がある。したがって、現実的な装置としては、成膜室内にせいぜい２組の高周波−接地電極対を設けて、一度に２枚の基板に成膜するというのが妥当なところである。
また、平行平板型（容量結合型）プラズマＣＶＤ装置は、高周波電極板の大きさおよび接地電極板の大きさが少なくとも基板の大きさ以上でなければならないという原理上の制約があり、そのため、大型基板に成膜しようとすると、より大型の高周波電極板および接地電極板が必要となるが、高周波電極板および接地電極板が大きくなればなるほど、全体に均一密度のプラズマを形成することが困難になり、その結果、大型基板全体に均一の膜厚で成膜することはきわめて困難であるという問題がある。
このように、平行平板型（容量結合型）プラズマＣＶＤ装置は、成膜室内で一度に成膜できる基板の枚数にも大きさにも制約があるため、生産性が低い。それにもかかわらず、生産性を上げて薄膜形成基板のコストダウンを図ろうとすれば、成膜工程に要する時間を短縮できるように成膜速度を上げるしかないが、成膜速度を無理に上げれば膜質の低下が避けられないという問題がある。
したがって、平行平板型（容量結合型）プラズマＣＶＤ装置では、良好な膜質のａ−Ｓｉ薄膜またはこれに積層するμｃ−Ｓｉ薄膜を均一の膜厚で形成した基板を量産することは非常に難しく、量産によるコストダウンを実現することは困難であるという問題があった。
この発明の課題は、上記従来のもののもつ問題点を排除して、平行平板型（容量結合型）プラズマＣＶＤ装置とは全く異なるアンテナ式の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置を用いることで、平行平板型（容量結合型）プラズマＣＶＤ装置に比べて、成膜室内で一度に成膜できる基板の枚数を増やせるとともに、成膜できる基板の大型化が容易で生産性を向上させることができ、これにより、ａ−Ｓｉ、μｃ−Ｓｉ、チッ化ケイ素、酸化ケイ素などの薄膜やこれらを適宜組み合わせた、例えばタンデム構造太陽電池や薄膜トランジスタなどの機能素子を良好な特性を維持しつつ、均一に、大型基板上に量産することが可能で、薄膜形成装置のコストダウンを図ることができ、しかもこの生産性の向上を、良好な膜質を得るために必要な成膜時間を削減しないで達成することのできる薄膜形成方法及び装置並びに太陽電池の製造方法及び装置並びに太陽電池を提供することにある。
この発明は上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して使用する薄膜形成方法であって、前記アレイアンテナと、このアレイアンテナの両側において前記平面に平行に配置される成膜用の各基板との距離を、前記直線状導体どうしのピッチと同程度に設定して前記各基板に成膜する薄膜形成方法である。
請求項２に係る発明は、平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して使用する薄膜形成方法であって、前記成膜室内の原料ガスの圧力を６０Ｐａ以下に保って基板に成膜する薄膜形成方法である。
請求項３に係る発明は、平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して使用する薄膜形成方法であって、前記アレイアンテナと、このアレイアンテナの両側において前記平面に平行に配置される成膜用の各基板との距離を、前記直線状導体どうしのピッチと同程度に設定し、前記成膜室内の原料ガスの圧力を６０Ｐａ以下に保って前記各基板に成膜する薄膜形成方法である。
請求項４に係る発明は、請求項１、２または３記載の発明において、成膜中に必要に応じて、前記基板を、前記アレイアンテナの直線状導体が並んだ方向に沿って所定ストローク往復動させる薄膜形成方法である。
請求項５に係る発明は、原料ガスの導入口および排気口を有する成膜室と、平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子複数個が、各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置して構成され、前記成膜室内に設置された少なくとも１組のアレイアンテナと、前記アレイアンテナの両側で成膜される基板を保持して、この両基板をアレイアンテナの前記平面に平行に、かつ、アレイアンテナとの距離を前記直線状導体どうしのピッチと同程度に位置決めする基板ホルダと、を備えている薄膜形成装置である。
請求項６に係る発明は、請求項５記載の発明において、前記各アンテナ素子の２本の直線状導体のうち高周波電力供給部を端部とする直線状導体の周囲に、筒状で、かつ、その肉厚が必要に応じて設定される誘電体を配置した薄膜形成装置である。
請求項７に係る発明は、平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して太陽電池を製造する方法であって、前記アレイアンテナと、このアレイアンテナの両側において前記平面に平行に配置される成膜用の各基板との距離を、前記直線状導体どうしのピッチと同程度に設定して前記各基板に成膜する太陽電池の製造方法である。
請求項８に係る発明は、平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して太陽電池を製造する方法であって、前記成膜室内の原料ガスの圧力を６０Ｐａ以下に保って基板に成膜する太陽電池の製造方法である。
請求項９に係る発明は、平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して太陽電池を製造する方法であって、前記アレイアンテナと、このアレイアンテナの両側において前記平面に平行に配置される成膜用の各基板との距離を、前記直線状導体どうしのピッチと同程度に設定し、前記成膜室内の原料ガスの圧力を６０Ｐａ以下に保って前記各基板に成膜する太陽電池の製造方法である。
請求項１０に係る発明は、請求項７、８または９記載の発明において、成膜中に必要に応じて、前記基板を、前記アレイアンテナの直線状導体が並んだ方向に沿って所定ストローク往復動させる太陽電池の製造方法である。
請求項１１に係る発明は、原料ガスの導入口および排気口を有する成膜室と、平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子複数個が、各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置して構成され、前記成膜室内に設置された少なくとも１組のアレイアンテナと、前記アレイアンテナの両側で成膜される基板を保持して、この両基板をアレイアンテナの前記平面に平行に、かつ、アレイアンテナとの距離を前記直線状導体どうしのピッチと同程度に位置決めする基板ホルダと、を備えている太陽電池の製造装置である。
請求項１２に係る発明は、請求項１１記載の発明において、前記各アンテナ素子の２本の直線状導体のうち高周波電力供給部を端部とする直線状導体の周囲に、筒状で、かつ、その肉厚が必要に応じて設定される誘電体を配置した太陽電池の製造装置である。
請求項１３に係る発明は、請求項７〜１０の方法または請求項１１、１２の装置によって製造された太陽電池である。
この発明は以上のように、平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して使用する薄膜形成方法であって、前記アレイアンテナと、このアレイアンテナの両側において前記平面に平行に配置される成膜用の各基板との距離を、前記直線状導体どうしのピッチと同程度に設定して前記各基板に成膜するように構成したので、平行平板型（容量結合型）プラズマＣＶＤ装置に比べて、成膜室内で一度に成膜できる基板の枚数を増やせるとともに、成膜できる基板の大型化が容易で生産性を向上させることができる。例えば、チッ化ケイ素、酸化ケイ素、酸化チッ化ケイ素などのゲート絶縁膜と、ａ−Ｓｉやμｃ−Ｓｉなどの半導体膜、そしてオーミックコンタクトを得るためのドーピングされた半導体膜を積層して薄膜トランジスタを製造したり、後に述べるように、ａ−Ｓｉのシングルジャンクション太陽電池、ａ−Ｓｉとμｃ−Ｓｉを積層構造としてタンデム構造とした太陽電池、そしてａ−Ｓｉとアモルファスシリコンゲルマニウムとを積層構造とした太陽電池など大型基板上での工程が望まれる量産現場に適用することが可能で、薄膜形成工程のコストダウンを図ることができ、しかもこの生産性の向上を、良好な膜質を得るために必要な成膜時間を削減しないで達成することができ、その結果、例えば太陽電池の量産やその他種々の用途に広く用いてきわめて好適であるという効果がある。
この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、この発明による薄膜形成装置の一実施の形態を示す模式的正面図、図２はその側面図である。この薄膜形成装置１は、アンテナ式の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置であり、しかも、例えば電力用太陽電池に充分対応可能な大型（大面積）の基板に成膜可能な比較的大型のもので、成膜室１０と、成膜室１０内に設置されたアレイアンテナ２０と、成膜用の基板４０を保持する基板ホルダ５０とを備えている。
図１は、この発明による薄膜形成装置の一実施の形態を示す模式的正面図、図２はその側面図である。この薄膜形成装置１は、アンテナ式の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置であり、しかも、例えば電力用太陽電池に充分対応可能な大型（大面積）の基板に成膜可能な比較的大型のもので、成膜室１０と、成膜室１０内に設置されたアレイアンテナ２０と、成膜用の基板４０を保持する基板ホルダ５０とを備えている。
成膜室１０は、例えば１ｍ角超級の大型の基板４０に成膜するために必要な高さと幅とを有するとともに、このような基板を一度に複数枚（図示の例では６枚）同時に成膜できるように、必要な奥行きを有する空間サイズに構成されている。
成膜室１０内には、複数組のアレイアンテナ２０（図示の例では３組のアレイアンテナ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）が設置され、各アレイアンテナ２０は、複数個（図示の例では６個）のアンテナ素子３０で構成される。
図３に示すように、各アンテナ素子３０は、平行な２本の直線状導体３１、３５の隣接する一端（例えば下端）どうしを結合部材３８によって電気的に結合することで、ほぼＵ字形をなす往復平行線路状に形成されたものであり、一方の直線状導体３１の他端（すなわち上端）を高周波電力供給部とし、他方の直線状導体３５の他端（すなわち上端）を接地部とするものである。
直線状導体３１には、中実のロッドが用いられ、その上端は例えばＡｌ２Ｏ３等の誘電体製のフィードスルー３２を介して成膜室１０を貫通し、成膜室１０の外方に設置された高周波電源１１に接続される。また、成膜室１０内における直線状導体３１の周囲には、例えばＡｌ２Ｏ３等の筒状の誘電体パイプ３３が設けられ、この誘電体パイプ３３の肉厚は、必要に応じて適宜設定されるものである。
一方、直線状導体３５には、周面に多数の孔３６があいた中空のパイプが用いられ、その上端は成膜室１０の枠体を介して接地されるとともに、成膜室１０の外方に設置された原料ガス供給源１２に連結される。そのため、各アンテナ素子３０の中空パイプ状の直線状導体３５の上端接地部が、成膜室１０の原料ガス導入口として構成されている。
このようなアンテナ素子３０を複数個（図示の例では６個）用いて、これらのアンテナ素子３０、３０、…の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並ぶようにして直線状導体３１と直線状導体３５を交互に並べるとともに、全個数（６個）のアンテナ素子３０、３０、…のすべての直線状導体３１、３５を同一平面（アレイ平面）上に等間隔で配置することで、アレイアンテナ２０を構成する。そして、このようなアレイアンテナ２０（図示の例では３組のアレイアンテナ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）が、互いに所定の間隔を隔てて平行になるようにして、成膜室１０内に設置されている。そのため、各アレイアンテナ２０のアレイ平面は、成膜室１０内で互いに所定の間隔を隔てて平行に位置している。
基板ホルダ５０は、アレイアンテナ２０の両側で成膜される２枚の基板４０を保持して、この両基板４０をアレイアンテナ２０のアレイ平面に平行に、かつ、アレイアンテナ２０との距離Ｄ（図２参照）を、直線状導体３１、３５どうしのピッチＰ（図１参照：例えば約３５ｍｍ）と同程度（具体的には後述する）に位置決めするものである。図示の例では３組のアレイアンテナ２０ａ、２０ｂ、２０ｃが設置してあるため、基板ホルダ５０は、各アレイアンテナ２０ごとにその両側に１枚ずつで合わせて２枚、全体で合計６枚の基板４０を保持して、すべての基板４０を対応するアレイアンテナ２０のアレイ平面に平行に、かつ、アンテナ基板間距離Ｄを直線状導体３１、３５どうしのピッチＰ（約３５ｍｍ）と同程度に位置決めしてある。
このような基板ホルダ５０は、すべての基板４０を保持したまま成膜室１０に搬入・搬出するため、図示しない適宜の搬送体に支持されて成膜室１０に搬入・搬出可能に構成されている。そのため、図１には示してないが、成膜室１０の左右の側板は開閉可能に構成されていて、左右いずれか一側（例えば左側）の側板を開放して基板ホルダ５０を搬入する一方、他側（例えば右側）の側板を開放して基板ホルダ５０を搬出するようになっている。また、図示してないが、成膜室１０の例えば下部には、原料ガスを含む室内ガス排気口が設けられている。
また、成膜室１０には、成膜中に各基板４０の温度が上昇するのを抑制するための制熱装置１３が設けてある。制熱装置１３は、例えば、各基板４０から輻射または熱伝導によって熱を吸収する適宜の吸熱体と、この吸熱体が吸収した熱を成膜室１０の側壁等へ輻射または熱伝導によって逃がす機構とで構成することができ、また、例えば、流体を媒体とする冷却機能を吸熱体にもたせることによって、この冷却機能つき吸熱体だけで構成することもでき、さらには、例えば、吸熱体なしで、成膜室１０内の熱を強制的に外へ逃がす廃熱機構だけで構成することもできる。
上記のように構成された薄膜形成装置１（アンテナ式の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置）を使用して成膜形成処理を行なうときは、成膜室１０内の原料ガスの圧力を６０Ｐａ以下に保って成膜プロセスを実行する。
すなわち、まず、成膜室１０内において、基板ホルダ５０によって、すべて（６枚）の基板４０を対応するアレイアンテナ２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）のアレイ平面に平行に、かつ、アンテナ基板間距離Ｄを直線状導体３１、３５どうしのピッチＰ（約３５ｍｍ）と同程度（Ｄ≒Ｐ）に位置決めする。
つぎに、成膜室１０の外方に設置された原料ガス供給源１２からアレイアンテナ２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の各アンテナ素子３０のすべての直線状導体３５内に原料ガスを供給し、すべての直線状導体３５の多数の孔３６から放出される原料ガスによって成膜室１０内を満たし、成膜室１０内の原料ガスの圧力を６０Ｐａ以下の適正圧力にする。
そして、成膜室１０内の原料ガス圧力を６０Ｐａ以下の適正圧力に保ちながら、成膜室１０の外方に設置された高周波電源１１からアレイアンテナ２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の各アンテナ素子３０のすべての直線状導体３１に高周波電力（例えば８５ＭＨｚのＶＨＦ電力）を供給し、すべての直線状導体３１およびこれと結合部材３８によって電気的に結合されたすべての直線状導体３５の周囲にプラズマを発生させる。
以上の成膜プロセスを実行することで、図４（ａ）に成膜状況を部分的に示してあるように、すべて（６枚）の基板４０の表面には原料が微結晶となって成膜されることとなる。
この成膜プロセスを実際に行なってみたところ、成膜室１０内のすべて（６枚）の基板４０の表面全体（全面積）に亘って、良好な膜質のμｃ−Ｓｉ（微結晶シリコン）薄膜が均一の膜厚で形成されることが確認された。なお、微結晶シリコンの成膜では、単位面積あたり１ｋＷを超える高周波電力を投入することが要求されるため、成膜中に高密度プラズマに曝されることで、各基板４０の温度が上昇するという現象が発生する。しかし、成膜室１０には制熱装置１３が設けてあるため、この制熱装置１３の作用によって、成膜中の各基板４０の温度上昇が膜特性に悪影響を及ぼさないよう効果的に抑制されることも確かめられた。
また、上記の成膜プロセスにおいて、アンテナ基板間距離Ｄをいろいろ変更して実験したところ、図５（ａ）（ｂ）に示すような結果が得られた。
すなわち、図５（ａ）に示すように、アンテナ基板間距離Ｄが、直線状導体３１、３５どうしのピッチＰとほぼ同一の約３５ｍｍであるとき、ａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）に対するμｃ−Ｓｉ（微結晶シリコン）の割合が最も大きく、そのため結晶性がよく、すぐれた膜質が得られることがわかる。アンテナ基板間距離Ｄがこれより大きくても、約４７ｍｍ程度までなら、かなり良好な膜質が得られることがわかる。また、アンテナ基板間距離Ｄが小さい方は図５（ａ）には明示してないが、約１７ｍｍ程度までなら、かなり良好な膜質が得られることを確認した。以上の実験結果から、アンテナ基板間距離Ｄの最適値は、直線状導体３１、３５どうしのピッチＰとほぼ同一の約３５ｍｍであり、これを中心として±５０％程度（約１７ｍｍ〜約４７ｍｍ）が、膜質からみたアンテナ基板間距離Ｄの許容範囲であることがわかった。これは、アンテナ基板間距離Ｄがこの許容範囲内にあれば、電磁界が効率よく電離作用を引き起こしていることを裏付けるものである。
また、アンテナ基板間距離Ｄが、最適値（約３５ｍｍ）からの許容範囲下限に近い約１７ｍｍのときの成膜状況を、図４（ｂ）に示してある。このとき成膜される膜厚は、アレイアンテナ２０の直線状導体３１、３５に対応する位置ではより厚く形成されるが、直線状導体３１、３５から離れるにつれて薄くなり、その結果、一定の間隔を保って配置された直線状導体３１、３５に対応して、各基板４０には厚膜部分と薄膜部分とが交互になった縞模様が形成される。
そこで、成膜中に基板４０を、アレイアンテナ２０の直線状導体３１、３５が並んだ方向に沿って所定ストロークだけ繰り返し往復動させることで、このような縞模様の形成を回避することができる。このときの往復動ストロークＳは、図４（ｃ）に示すように、直線状導体３１、３５どうしのピッチＰ（約３５ｍｍ）の２倍程度（Ｓ≒２Ｐ）の長さ、すなわち、アレイアンテナ２０の隣り合うアンテナ素子３０、３０間のピッチ（７０ｍｍ）に相当する長さに設定することが好ましい。これは、例えば、直線状導体３１に対応する位置と直線状導体３５に対応する位置とで厳密には成膜状態が異なっていても、隣り合うアンテナ素子３０、３０の直線状導体３１から直線状導体３１まで、または直線状導体３５から直線状導体３５まで、成膜状態が同一と考えられる２点間を往復動させことで、各基板４０の表面には縞模様のない均一な微結晶薄膜が形成されると期待されるからである。
実験したところ、成膜中に基板４０を、アレイアンテナ２０の隣り合うアンテナ素子３０、３０間のピッチ（７０ｍｍ）に相当するストロークだけ繰り返し往復動させることによって、各基板４０の表面には縞模様のない均一な微結晶薄膜が形成されることが確認された。
したがって、アンテナ基板間距離Ｄを、直線状導体３１、３５どうしのピッチＰ（約３５ｍｍ）とほぼ同一の最適値を中心とする±５０％程度の許容範囲内で、最適値付近に設定すれば、成膜中に基板４０を往復動させることなく、良好な膜質の微結晶薄膜が均一の膜厚で形成され、また、最適値から離れても許容範囲内に設定すれば、成膜中に基板４０を所定ストロークだけ繰り返し往復動させることで、縞模様のない良好な膜質の微結晶薄膜が均一の膜厚で形成されることが確認された。
また、成膜速度については、図５（ｂ）に示すように、アンテナ基板間距離Ｄが約４０ｍｍのときに最大値を示し、アンテナ基板間距離Ｄがこれより大きくても小さくても、成膜速度は低下することがわかる。
膜質については、図５（ａ）に示すように、アンテナ基板間距離Ｄが直線状導体３１、３５どうしのピッチＰとほぼ同一の約３５ｍｍであるとき最適値を示すのに対し、成膜速度については、図５（ｂ）に示すように、アンテナ基板間距離Ｄが膜質最適値の距離約３５ｍｍより遠い約４０ｍｍのときに最大値を示しているが、この原因の１つは、基板４０をアレイアンテナ２０に近づけすぎると、アレイアンテナ２０の直線状導体３１、３５の周囲に発生する電磁界が基板４０を通り抜けたり漏れたりするからだと考えられる。
そこで、アンテナ基板間距離Ｄをその許容範囲内で最適値（約３５ｍｍ）より狭く設定する場合は、基板４０の裏面に金属製の裏板を設けることが好ましい。この金属製の裏板によって電磁界を反射させ、ＶＨＦ電力を効率的にプラズマに吸収させることができるからである。
また、上記の成膜プロセスにおいて、成膜室１０内の原料ガス圧力をいろいろ変更して実験したところ、図５（ｃ）に示すような結果が得られた。
すなわち、図５（ｃ）に示すように、成膜室１０内の原料ガス圧力が２０Ｐａ（パスカル）程度以下になると急に、ａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）に対するμｃ−Ｓｉ（微結晶シリコン）の割合が大きくなり、そのため結晶性がよく、すぐれた膜質が得られることがわかる。また、成膜速度も、成膜室１０内の原料ガス圧力が低い方が幾分早くなることがわかる。図５（ｃ）には明示してないが、成膜室１０内の原料ガス圧力が６０Ｐａ（パスカル）を超えて高くなると、各基板４０には、アレイアンテナ２０の直線状導体３１、３５に対応する位置で厚く、直線状導体３１、３５から離れるにつれて薄く、一定の間隔を保って配置された直線状導体３１、３５に対応して厚膜部分と薄膜部分とが交互になった縞模様が形成される。そして、成膜室１０内の原料ガス圧力が６０Ｐａ（パスカル）以下であれば、このような縞模様が実質的に形成されず、実質的に良好な膜質が得られ、また、実用的な成膜速度が得られることを確認した。
上記したさまざまな事項は、微結晶薄膜の成膜について実験により確認された事柄であるが、これらの実験で得られた確認事項については、その他の薄膜（例えばａ−Ｓｉ、ＳｉＮ、ＤＬＣ等）を成膜する場合も同様の傾向をもってあてはまるものであることはいうまでもない。
また、上記の説明では、直線状導体３１、３５どうしのピッチＰが約３５ｍｍであるため、アンテナ基板間距離Ｄの最適値は約３５ｍｍ、また許容範囲は約１７ｍｍ〜約４７ｍｍであるが、直線状導体３１、３５どうしのピッチＰがこれ以外の数値に設定された場合は、当然に、アンテナ基板間距離Ｄの最適値はその設定された直線状導体３１、３５どうしのピッチＰにほぼ等しく、また、許容範囲はそのアンテナ基板間距離Ｄを中心として±５０％程度となることはいうまでもない。
以上のように、この薄膜形成装置１（アンテナ式の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置）を使用して成膜形成処理を行なうと、一度に、１組のアレイアンテナ２０につきその両側に１枚ずつで合わせて２枚の基板４０の表面に成膜することができ、図示のように３組のアレイアンテナ２０ａ、２０ｂ、２０ｃが成膜室１０内に設置してある場合は、一度に、各アレイアンテナ２０ごとにその両側に１枚ずつで合わせて２枚、全体で合計６枚の基板４０の表面に成膜することができる。
しかも、各アレイアンテナ２０は、複数個のアンテナ素子３０で構成されるもので、アンテナ素子３０の個数（図示の例では６個）は、成膜室１０の空間サイズが許す限り、原理的にはいくらでも増やせるものであるから、各基板４０を大型化するうえで、図１の左右方向には原理的制約がないといえる。
一方、図１の上下方向に各基板４０を大型化するには、各アンテナ素子３０の直線状導体３１、３５の長さを長くしなければならない。この直線状導体３１、３５の長さを長くするうえで有効なはたらきをするのが、直線状導体３１の周囲に設けられた誘電体パイプ３３である。この誘電体パイプ３３がない場合、直線状導体３１はその上端が高周波電力供給部であるから、この高周波電力供給部から下方へある程度の長さまでしかプラズマが発生せず、そのため直線状導体３１、３５の長さが限られてしまう。この誘電体パイプ３３があることで、プラズマの発生領域を下方まで延ばすことができる。
そして、この誘電体パイプ３３の肉厚を、両端間で一定に保って加減したり、または長さ方向に加減することで、直線状導体３１、３５から基板４０に作用するプラズマを均一密度に保つように設定することができる。また、誘電体パイプ３３の肉厚を変えることは、実質的にアンテナ基板間距離Ｄを調整することになるから、結晶性や成膜速度を所望に変更するうえで、誘電体パイプ３３の肉厚の最適化を利用することができる。
また、プラズマ誘電率とアンテナ形状との整合がとれない場合は、例えば、フィードスルー３２を構成する誘電体の厚さを変えることで整合させたり、あるいは、各アンテナ素子３０の直線状導体３１、３５の端部または結合部材３８に適宜のインピーダンスを装荷することで、整合をとることが可能である。
上記したように、この薄膜形成装置１（アンテナ式の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置）は、大型基板に高品質で均一膜厚のａ−Ｓｉ（アモルファスシリコン）薄膜を形成できる薄膜形成装置として使用することができ、また、ａ−Ｓｉ薄膜単独のものに比べて変換効率の向上を図るため、基板にａ−Ｓｉ薄膜とμｃ−Ｓｉ（微結晶シリコン）薄膜とを積層したタンデム構造の薄膜を形成できる薄膜形成装置として使用することもできる。
また、この薄膜形成装置１（アンテナ式の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置）は、太陽電池を製造するための太陽電池の製造装置として使用することができる。
なお、上記の実施の形態では、成膜室１０を１つだけ図示して説明したが、これに限定するものでなく、例えば、ｐ型成膜用、ｉ型成膜用、ｎ型成膜用など複数の成膜室１０を並べて、それらの成膜室１０に基板搬送体６０の搬入・搬出を繰り返すことで、例えば電力用太陽電池を効率よく製造することが可能である。
１ 薄膜形成装置
１０ 成膜室
１１ 高周波電源
１２ 原料ガス供給源
１３ 制熱装置
２０ アレイアンテナ
３０ アンテナ素子
３１、３５ 直線状導体
３２ フィードスルー
３３ 誘電体パイプ
３６ 孔
３８ 結合部材
４０ 基板
５０ 基板ホルダ
１０ 成膜室
１１ 高周波電源
１２ 原料ガス供給源
１３ 制熱装置
２０ アレイアンテナ
３０ アンテナ素子
３１、３５ 直線状導体
３２ フィードスルー
３３ 誘電体パイプ
３６ 孔
３８ 結合部材
４０ 基板
５０ 基板ホルダ
Claims (13)
- 平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して使用する薄膜形成方法であって、
前記アレイアンテナと、このアレイアンテナの両側において前記平面に平行に配置される成膜用の各基板との距離を、前記直線状導体どうしのピッチと同程度に設定して前記各基板に成膜することを特徴とする薄膜形成方法。 - 平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して使用する薄膜形成方法であって、
前記成膜室内の原料ガスの圧力を６０Ｐａ以下に保って基板に成膜することを特徴とする薄膜形成方法。 - 平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して使用する薄膜形成方法であって、
前記アレイアンテナと、このアレイアンテナの両側において前記平面に平行に配置される成膜用の各基板との距離を、前記直線状導体どうしのピッチと同程度に設定し、
前記成膜室内の原料ガスの圧力を６０Ｐａ以下に保って前記各基板に成膜することを特徴とする薄膜形成方法。 - 成膜中に必要に応じて、前記基板を、前記アレイアンテナの直線状導体が並んだ方向に沿って所定ストローク往復動させることを特徴とする請求項１、２または３記載の薄膜形成方法。
- 原料ガスの導入口および排気口を有する成膜室と、
平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子複数個が、各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置して構成され、前記成膜室内に設置された少なくとも１組のアレイアンテナと、
前記アレイアンテナの両側で成膜される基板を保持して、この両基板をアレイアンテナの前記平面に平行に、かつ、アレイアンテナとの距離を前記直線状導体どうしのピッチと同程度に位置決めする基板ホルダと、
を備えていることを特徴とする薄膜形成装置。 - 前記各アンテナ素子の２本の直線状導体のうち高周波電力供給部を端部とする直線状導体の周囲に、筒状で、かつ、その肉厚が必要に応じて設定される誘電体を配置したことを特徴とする請求項５記載の薄膜形成装置。
- 平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して太陽電池を製造する方法であって、
前記アレイアンテナと、このアレイアンテナの両側において前記平面に平行に配置される成膜用の各基板との距離を、前記直線状導体どうしのピッチと同程度に設定して前記各基板に成膜することを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して太陽電池を製造する方法であって、
前記成膜室内の原料ガスの圧力を６０Ｐａ以下に保って基板に成膜することを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子を複数個用いて、これらのアンテナ素子の各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置されたアレイアンテナを、成膜室内に設置して太陽電池を製造する方法であって、
前記アレイアンテナと、このアレイアンテナの両側において前記平面に平行に配置される成膜用の各基板との距離を、前記直線状導体どうしのピッチと同程度に設定し、
前記成膜室内の原料ガスの圧力を６０Ｐａ以下に保って前記各基板に成膜することを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 成膜中に必要に応じて、前記基板を、前記アレイアンテナの直線状導体が並んだ方向に沿って所定ストローク往復動させることを特徴とする請求項７、８または９記載の太陽電池の製造方法。
- 原料ガスの導入口および排気口を有する成膜室と、
平行な２本の直線状導体の隣接する一端どうしを電気的に結合し、他端の一方を高周波電力供給部、他方を接地部とするアンテナ素子複数個が、各高周波電力供給部と各接地部とが交互に並んですべての直線状導体が平面上に等間隔で配置して構成され、前記成膜室内に設置された少なくとも１組のアレイアンテナと、
前記アレイアンテナの両側で成膜される基板を保持して、この両基板をアレイアンテナの前記平面に平行に、かつ、アレイアンテナとの距離を前記直線状導体どうしのピッチと同程度に位置決めする基板ホルダと、
を備えていることを特徴とする太陽電池の製造装置。 - 前記各アンテナ素子の２本の直線状導体のうち高周波電力供給部を端部とする直線状導体の周囲に、筒状で、かつ、その肉厚が必要に応じて設定される誘電体を配置したことを特徴とする請求項１１記載の太陽電池の製造装置。
- 請求項７〜１０の方法または請求項１１、１２の装置によって製造された太陽電池。
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