JP2009188232A - 薄膜積層体の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可撓性基板を逆方向に巻き戻しても、基板搬送高さを維持し、可撓性基板の下がりを抑制して把持ローラからの脱落を防ぎ、基板通しの初期位置や成膜する位置の変更を可能とし、逆方向の搬送においても成膜することが可能な薄膜積層体の製造装置を提供する。
【解決手段】送り室１０から巻き取り室７０へ回転駆動し可撓性基板１を搬送する搬送ロールと押さえロールとの間に可撓性基板の上端および下端を把持する把持ローラ４４ｂを備え、複数の成膜室内に対向して設置された電極間に基板を通し、表面上に成膜する薄膜積層体の製造装置において、把持ローラは、水平方向に対して時計回り方向である任意の傾き角を持った正把持ローラと、水平方向に対して反時計回り方向である任意の傾き角を持った逆把持ローラと、対ローラであるこれら正把持ローラと逆把持ローラを把持開閉する把持機構とを具備し、任意の間隔で基板の端部を把持しながら搬送する。
【選択図】図１

Description

本発明は、住宅の屋根、ビルディングの屋上等に設置することにより太陽光を利用して電力を発生する薄膜太陽電池の光電変換ユニットを形成する薄膜積層体等に適用され、成膜室内に、可撓性フィルム基板を走行させて、該成膜室内で可撓性フィルム基板上に薄膜を連続的に形成するロールツーロール方式の薄膜積層体を製造する装置に関する。

複数の電極層および半導体層を有する薄膜半導体の代表例として、アモルファスシリコンを主原料とした半導体層を光電変換層とし、電極層がこの層を挟む構造を備えたアモルファス薄膜太陽電池が知られている。
また、このような薄膜太陽電池の製造方式として、枚葉式より生産性の優れているロールツーロール方式が知られている。この方式は、軽量で取り扱いが容易であるといった利便性や、大量生産に適合性があるロールに巻かれた長尺の高分子材料、あるいは金属材料からなる可撓性の電気絶縁性基板を各成膜室に順次送りながら、電極などの各層を、連続的に移動する基板上に、複数の成膜室毎に形成していく方式である。

かかる製造装置としては、可撓性基板の幅方向を水平方向に保持して、基板を水平方向に搬送して成膜を行なうタイプと、可撓性基板の幅方向を鉛直方向に保持して、基板を水平方向に搬送して成膜を行なうタイプなどがある。
後者のタイプは、前者のタイプに比べ、基板表面が汚染されにくい等の利点があるが、成膜室の数が多くなると、重力や基板の伸びによって、基板の表面に皴が発生したり、基板が幅方向に蛇行したり、下方へ垂れ下がったりする。

このような可撓性基板を用いて薄膜積層体を製造する装置として、例えば、特許文献１（特開２００５−７２４０８号公報）には、連続して配列された複数の成膜室に、帯状の可撓性基板を通し、各成膜室で停止した状態の可撓性基板の表面上に成膜を行い、次いでこの可撓性基板を次の成膜室の位置までは搬送する操作を繰り返し、可撓性基板上に複数の異なる性質の薄膜を積層するという装置が提供されている。

特開２００５−７２４０８号公報

また、図５および図６は本願出願人の特許出願（特願２００７−２０２６９６）に係る薄膜積層体の装置であり、図５は薄膜積層体の製造装置の構成図、図６は図５のＣ−Ｃ線から見た正面である。
図５および図６に示す薄膜積層体の製造装置は、可撓性基板１の幅方向を鉛直方向に保持して、該基板１を水平方向に搬送して成膜を行なうタイプであり、上述した皺、蛇行、垂れ下がりに対し、成膜室４０のそれぞれの間に可撓性基板１の鉛直方向、上側の端部を挟む対の把持ローラ４２を配置して把持することにより、皺、蛇行、垂れ下がりを低減している。

しかしながら、このような把持ローラは、垂れ下がった可撓性基板を上げる方向に、対の把持ローラを水平に対して斜めに設置されている。一方、可撓性基板は基板通しの初期位置や成膜する位置の変更から当該可撓性基板を逆方向に巻き戻す場合があるが、把持の傾きと搬送方向が相反することから、巻き戻しをする際に、可撓性基板が下方に下がって把持ローラから脱落するという問題がある。

本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、可撓性基板を逆方向に巻き戻しても、基板搬送高さを維持し、可撓性基板の下がりを抑制して把持ローラからの脱落を防ぎ、基板通しの初期位置や成膜する位置の変更が可能となるほか、逆方向の搬送においても成膜することが可能な薄膜積層体の製造装置を提供することにある。

上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、送り室から巻き取り室へ回転駆動し可撓性基板を搬送する搬送ロールと押さえロールとの間に前記可撓性基板の上端および下端を把持する把持ローラを備え、一つあるいは複数の成膜室内に対向して設置された電極間に前記可撓性基板をその通し面が前記電極面に対し鉛直面内となるように保ち、前記一方の電極に電圧を印加して前記可撓性基板の表面上に成膜するように構成された薄膜積層体の製造装置において、前記把持ローラは、水平方向に対して時計回り方向である任意の傾き角を持った正把持ローラと、水平方向に対して反時計回り方向である任意の傾き角を持った逆把持ローラと、前記正把持ローラと前記逆把持ローラは各々対ローラであって該対ローラを把持開閉する把持機構とを具備し、任意の間隔で前記可撓性基板の端部を把持しながら搬送するようにしている。

かかる構成を実現するために、具体的には、
（１）前記送り室から前記巻き取り室に前記可撓性基板を搬送する場合は、前記正把持ローラだけが前記可撓性基板の上端および下端を挟み、前記巻き取り室から前記送り室に逆方向へ前記可撓性基板を搬送する場合は、前記逆把持ローラだけが前記可撓性基板の上端および下端を挟み、前記可撓性基板の端部の把持を切り替えて搬送するようにしている。
（２）前記把持ローラは、複数の正把持ローラと複数の逆把持ローラとから構成されている。

上述の如く、本発明によれば、巻き出しから巻き取りへ正方向に繰り出し搬送する場合、基板通しの初期位置や成膜する位置の変更から基板を逆方向に巻き戻す場合において、把持ローラとして、水平方向に対して時計回り方向である任意の傾き角を持った正把持ローラと、水平方向に対して反時計回り方向である任意の傾き角を持った逆把持ローラと、これら正把持ローラと逆把持ローラは各々対ローラであって該対ローラを把持開閉する把持機構とを具備したので、搬送の方向別に可撓性基板の端部を把持する把持ローラを切り替えて搬送することにより、把持ローラの傾きを搬送方向に合わせられ、搬送の正方向および逆方向を問わず、可撓性基板が下方に下がり把持ローラから脱落するのを防止できる。

以下、本発明の薄膜積層体の製造装置について、図面を参照して、その実施形態に基づき更に詳細に説明する。
なお、ここでは、薄膜積層体の具体的な構成について特に言及しないが、本発明は、例えば、太陽電池用の光電変換素子や、有機ＥＬ等の半導体薄膜などの薄膜積層体の製造に適用することができる。

図１は、本発明に係る薄膜積層体の製造装置の実施の形態を模式的に示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線から見た正面図である。なお、図面はデフォルメされており、実物を縮尺通りに描いたものではない。

図１および図２に示すように、本実施形態の薄膜積層体の製造装置は、帯状の可撓性基板１を送り出す巻出部１０と、可撓性基板1を巻出部１０から成膜部４０へと搬送する巻出側駆動部２０と、可撓性基板１上に複数の薄膜を積層する成膜部４０と、可撓性基板１の側端の位置を制御する側端位置制御部５０と、可撓性基板1を成膜部４０から巻取部７０へと搬送する巻取側駆動部６０と、薄膜積層体が形成された可撓性基板１を巻き取る巻取部７０とから主に構成されている。なお、帯状の可撓性基板1は、その幅方向が鉛直方向を向きながら、水平方向へと搬送されるようになっている。

巻出部１０には、帯状の可撓性基板１がロール状に巻かれた原反から、当該可撓性基板１を送り出す巻出コア１１と、該巻出コア１１から送り出された可撓性基板１の張力を検出する張力検出ローラ１３と、補助ローラ１２が設けられている。
これら巻出コア１１、補助ローラ１２および張力検出ローラ１３は、軸方向が鉛直方向となるようにそれぞれ設置され、補助ローラ１２は巻出コア１１と張力検出ローラ１３との間に配置されている。なお、以下に説明する各ローラも、特に言及しない限り、軸方向が鉛直方向になるように設置されている。

巻出側駆動部２０には、帯状の可撓性基板１を巻出部１０から成膜部４０へと搬送するために回転駆動する巻出側フィルム駆動ローラ２１と、この駆動時の可撓性基板１の張力を検出する張力検出ローラ２２と、可撓性基板1の進行方向を９０度変えて成膜部４０へと送る補助ローラ２３が設けられている。張力検出ローラ２２は、駆動ローラ２１と補助ローラ２３との間に配置されている。

成膜部４０には、帯状の可撓性基板１の表面上に順次、薄膜を積層するために、複数の成膜室４２ａ〜４２ｍが、一直線上に配列されている。また、これら成膜室４２ａ〜４２ｍの基板入口の手前側には、それぞれ、可撓性基板１を挟む一対のグリップローラ４４ａ〜４４ｍが設けられている。
グリップローラ４４は、図２に示すように、可撓性基板1の鉛直方向上側の端部４４ａと、下側の端部４４ａ１の両方に配置されている。以下同様に、鉛直方向上側の端部４４ｂと、下側の端部４４ｂ１、・・・上側の端部４４ｍと、下側の端部４４ｍ１のように配置されている。
また、グリップローラ４４ａ〜４４ｍは、詳しくは後述するが、図３に示すように、水平方向に対して斜めに設置されている。

図１および図２中には、１３室の成膜室４２ａ〜４２ｍが示されているが、これら複数の成膜室のほぼ中央の位置、すなわち第７成膜室４２ｇと第８成膜室４２ｈとの問には、連続して複数対のグリップローラ４６ａ，４６ｂが設けられている。
また、最後の成膜室、すなわち第１３成膜室４２ｍの基板出口の外側にも、連続して複数対のグリップローラ４６ｃ，４６ｄが設けられている。
そして、これら連続して複数対に設けられたグリップローラ４６ａ，４６ｂ及び４６ｃ，４６ｄも、図２に示すように、帯状の可撓性基板1の鉛直方向上側の端部４６ａ，４６ｂ及び４６ｃ，４６ｄと、下側の端部４６ａ１，４６ｂ１及び４６ｃ１，４６ｄ１の両方に配置されている。

側端位置制御部５０には、成膜部４０から出てきた帯状の可撓性基板１の側端の位置を検出する蛇行検出ローラ５１と、帯状の可撓性基板１の鉛直方向、すなわち幅方向の蛇行を防ぐための側端位置制御（ＥＰＣ）ローラ５２が設けられている。
蛇行検出ローラ５１または蛇行検出センサは、必要により、基板１の搬送経路に適宜設けることができる。
ＥＰＣローラ５２は、帯状の可撓性基板１の幅よりも広いローラ面を有している。この側端位置制御部５０により、可撓性基板１の鉛直方向における位置(搬送高さ)の誤差を補正することが可能となっている。

なお、このような側端位置制御部５０は、通常、巻出側駆動部２０と成膜部４０との間や、成膜部４０の中央に位置する２室の成膜室４２ｇ，４２ｈの間にも設けられているが、本実施の形態では、成膜室４２の各間にグリップローラ４４ａ〜４４ｍを設けたことで、成膜部４０における可撓性基板１の蛇行が規制されることから、これらの位置の側端位置制御部は不要である。

巻取側駆動部６０には、帯状の可撓性基板１を成膜部４０から巻取部７０へと搬送するために、回転駆動する巻取側フィルム駆動ローラ６３と、この駆動時の可撓性基板1の張力を制御するための張力検出ローラ６２と、側端位置制御部５０から帯状可撓性基板1を受け取る補助ローラ６１が設けられている。張力検出ローラ６２は、補助ローラ６１と駆動ローラ６３との間に配置されている。
巻取部７０には、薄膜積層体が形成された帯状の可撓性基板１をロール状に巻き取る巻取コア７１と、巻き取り時の帯状可撓性基板１の張力を検出する張力検出ローラ７３と、補助ローラ７２が設けられている。補助ローラ７２は、張力検出ローラ７３と巻取コア７１との間に配置されている。

次に、成膜室４２の構造についてより詳細に説明する。
帯状可撓性基板１の表面上に複数の異なる性質の薄膜を積層することから、各成膜室の構造は、形成する薄膜の種類によって異なるが、ここでは、プラズマＣＶＤによってアモルファスシリコン層を成膜する成膜室について説明する。その他の種類の薄膜を形成する場合であっても、成膜室内を気密状態にするのであれば、同様の構造を採用することができる。

図３（Ａ）は、図１に示した成膜室４２を模式的に拡大した断面平面図である。また、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂ線から見た正面図である。
図３（Ａ）および（Ｂ）に示すように、帯状の可撓性基板1の両面側には、それぞれ断面コ字形状の成膜室４２の壁８０ａ，８０ｂが対向して配置されている。これら壁８０ａ，８０ｂは、成膜する際に、壁の先端部が可撓性基板１の表面に密着するまで可動する構成となっている。なお、壁８０（８０ａ，８０ｂ）の先端部には、成膜室４２内を気密状態にするためのシール材(図示省略)が取り付けられている。

成膜室４２の内部空間には、帯状の可撓性基板１を間に挟んで対向するように、高電圧電極８１と、基板ヒータを備えた接地電極８２とが設置されている。成膜室４２を構成する壁８０ｂには、成膜室４２内を排気して真空雰囲気にする排気管８３が設けられている。
また、成膜室４２の壁８０には、高電圧電極８１と接地電極８２との間で生ずるプラズマによって分解して薄膜を形成するためのシラン等の反応ガスを導入する導入管(図示省略)が設けられている。
高電圧電極８１と接地電極８２の幅方向の長さは、図３（Ｂ）に示すように、帯状の可撓性基板１の両端に薄膜を形成しない余白９０ができるように、可撓性基板１の幅よりも短くなっている。

そして、この余白９０の部分で可撓性基板1を挟むように、可撓性基板1の上側と下側にそれぞれ一対のグリップローラ４４ｂ及び４４ｂ１とグリップローラ４４ｂ´及び４４ｂ´１が配置されている。
グリップローラ４４ｂ及び４４ｂ１とグリップローラ４４ｂ´及び４４ｂ´１は、図３（Ｂ）に示すように、上方側のグリップローラ４４ｂ及び４４ｂ´は、搬送方向との間に上方向に角度θUだけ傾斜して配置され、下方側のグリップローラ４４ｂ１及び４４ｂ´１は、搬送方向との間に下方向に角度θLだけ傾斜して配置されている。
このように薄膜を形成しない余白９０の部分をグリップローラ４４ｂ及び４４ｂ１とグリップローラ４４ｂ´及び４４ｂ´１で挟むことで、可撓性基板1の薄膜が形成される部分に皺が生じたり、形成した薄膜が損傷したりするのを防ぐことが可能となる。
これら角度θＵ及びθLは０．１°〜６°であることが好ましい。角度θＵ、θLが大きい程、可撓性基板1を持ち上げる力は高くなるが、角度θＵ、θLが６°を超えるかまたはローラ自身の静止摩擦力を超えると、可撓性基板１を持ち上げる力はほとんど向上しなくなる。なお、角度θＵと角度θLは、同じ角度でもよいし、異なる角度でもよい。

また、図２に示される、中央に位置する２つの成膜室４２ｇ，４２ｈの間に連続して複数設けたグリップローラ４６ａ，４６ｂにも、搬送方向との間に上記と同様な角度θＵ及び角度θLが設けられている。このようにすれば、可撓性基板1の質量を支持するとともに、可撓性基板1の搬送高さを基準となる初期の高さまで確実に戻すことが可能となる。
さらに、最後の成膜室４２ｍの後に連続して複数設けたグリップローラ４６ｃ，４６ｄにも、搬送方向との間に角度θＵ及び角度θLが設けられている。このようにすれば、上記と同様に、可撓性基板1の質量支持と搬送高さの確実な回復を行うことが可能となる。

すなわち、上側のグリップローラ４４ｂ，４４ｂ´及び４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ（図２参照)は、該グリップローラの回転方向を、帯状の可撓性基板1の搬送方向(すなわち水平方向)に対して上方に傾けて設置されている。このように、上側のグリップローラ４４ｂ、４４ｂ´、４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄの回転力方向と、帯状の可撓性基板１の搬送方向との間に角度θＵをつけることで、帯状の可撓性基板1が水平方向に搬送される際に、可撓性基板1を上方に持ち上げる力が発生し、可撓性基板1の鉛直方向における位置を精度高く維持することが可能となる。

また、上記のように下側のグリップローラ４４ｂ１，４４ｂ´１及び４６ａ１，４６ｂ１，４６ｃ１，４６ｄ１は、該グリップローラの回転方向を、帯状の可撓性基板1の搬送方向(すなわち水平方向)に対して下方に傾けて設置されている。このように、下側のグリップローラ４４ｂ１，４４ｂ´１及び４６ａ１，４６ｂ１，４６ｃ１，４６ｄ１の回転方向と、帯状の可撓性基板１の搬送方向との間に角度θLをつけることで、帯状の可撓性基板１が水平方向に搬送される際に、可撓性基板１の表面に皺が発生するのを防ぐことが可能となる。

次に、グリップローラ４４とその付属装置の構成について説明する。
図４は上側のグリップローラ４４とその付属装置の一例を示す斜視図である。グリップローラ４４は、ローラ角可変板９１の中心にそれぞれ回転可能に設けられている。ローラ角可変板９１は、間隔を置いて対向して配置されている支持板９２ａ，９２ｂの中心部に揺動軸があり、この軸を基準として、調整ねじ９３により角度θＵと角度θLを調整することができるようになっている。
一方の支持板９２ａは固定されているが、他方の支持板９２ｂは水平に移動可能なスライドテーブル９４に案内され、シリンダー９０により矢印１００の方向に可動し、閉じていたグリップローラ４４を開くことができ、シリンダー９０は電磁弁等で駆動圧を切り替え往復運動するタイプが使用され、シリンダー９０の駆動圧を切り替えることで、グリップローラ４４の開閉操作が行なえ、帯状の可撓性基板１を把持したり、開放したりする制御が可能である。

上述したように、上側のグリップローラ４４ｂ，４４ｂ´及び４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄは、該ローラの回転方向を、帯状の可撓性基板１の搬送方向(すなわち水平方向)に対して上方に角度θＵ傾け、下側のグリップローラ４４ｂ１，４４ｂ´１及び４６ａ１，４６ｂ１，４６ｃ１，４６ｄ１は、該ローラの回転方向を、帯状の可撓性基板1の搬送方向(すなわち水平方向)に対して下方に角度θL傾けて設置されている。
従って、逆方向に搬送する場合は、搬送方向に対し、グリップローラの角度θＵと角度θLを合わすためには逆の角度にしなければならない。

そこで、本実施の形態では、搬送方向別のグリップローラ４４ｂ，４４ｂ´及び４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄとグリップローラ４４ｂ１，４４ｂ´１及び４６ａ１，４６ｂ１，４６Ｃ１，４６ｄ１とを設け、正方向の搬送時（搬送方向）には正方向用グリップローラ４４ｂ，４４ｂ´及び４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄが可撓性基板１の上端および下端を挟んで搬送し、逆方向に可撓性基板１を搬送する場合は逆把持ローラとなるグリップローラ４４ｂ´，４４ｂ´１及び４６ａ１，４６ｂ１，４６ｃ１，４６ｄ１が可撓性基板１の上端および下端を挟むように、切り替え制御を行なうことにより、巻取りおよび巻き出しの方向を問わず、グリップローラ４４，４６を用いた搬送が可能となる。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
例えば、可撓性基板が熱変形しやすく、ロールに接触した際生じる温度変化に伴う皺対策、あるいはプロセス等の制約でロールスパンが長く、可撓性基板のたるみが生じ易い、巻取りおよび巻き出し装置などに適用可能である。

本発明に係る薄膜積層体の製造装置の１実施の形態を模式的に示す平面図である。 図1のＡ−Ａ線から見た正面図である。 図３（Ａ）は、図1に示した成膜室を模式的に拡大した断面平面図である。また、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂ線から見た正面図である。 本発明に係る１実施の形態を示す上側のグリップローラとその付属装置の一例を示す斜視図である。 従来の薄膜積層体の製造装置の一実施の形態を模式的に示す平面図である。 図５のＣ―Ｃ線から見た正面図である。

符号の説明

１ 帯状の可撓性基板
１０ 巻出部
１１ 巻出コア
１２ 補助ローラ
１３ 張力検出ローラ
２０ 巻出側駆動部
２１ 巻出側フィルム駆動ローラ
２２ 張力検出ローラ
２３ 補助ローラ
４０ 成膜部
４２ 成膜室
４４，４６ グリップローラ
５０ 側端位置制御部
５１ 蛇行検出ローラ
５２ 側端位置制御ローラ
６０ 巻取側駆動部
６１ 補助ローラ
６２ 張力検出ローラ
６３ 巻取側フィルム駆動ローラ
７０ 巻取部
７１ 巻取りコア
７２ 補助ローラ
７３ 張力検出ローラ
８１ 高電圧電極
８２ 接地電極
９０ シリンダー
９１ ローラ角可変板
９２ 支持板
９３ 調整ねじ

Claims (3)

1. 送り室から巻き取り室へ回転駆動し可撓性基板を搬送する搬送ロールと押さえロールとの間に前記可撓性基板の上端および下端を把持する把持ローラを備え、一つあるいは複数の成膜室内に対向して設置された電極間に前記可撓性基板をその通し面が前記電極面に対し鉛直面内となるように保ち、前記一方の電極に電圧を印加して前記可撓性基板の表面上に成膜するように構成された薄膜積層体の製造装置において、
   前記把持ローラは、水平方向に対して時計回り方向である任意の傾き角を持った正把持ローラと、水平方向に対して反時計回り方向である任意の傾き角を持った逆把持ローラと、前記正把持ローラと前記逆把持ローラは各々対ローラであって該対ローラを把持開閉する把持機構とを具備し、任意の間隔で前記可撓性基板の端部を把持しながら搬送するようにしていることを特徴とする薄膜積層体の製造装置。
2. 前記送り室から前記巻き取り室に前記可撓性基板を搬送する場合は、前記正把持ローラだけが前記可撓性基板の上端および下端を挟み、前記巻き取り室から前記送り室に逆方向へ前記可撓性基板を搬送する場合は、前記逆把持ローラだけが前記可撓性基板の上端および下端を挟み、前記可撓性基板の端部の把持を切り替えて搬送するようにしていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜積層体の製造装置。
3. 前記把持ローラは、複数の正把持ローラと複数の逆把持ローラとから構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜積層体の製造装置。

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