JP2010111948A - 成膜装置、太陽電池及び太陽電池の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平行平板方式と同程度の規模の搬送装置を設けた成膜装置で、可撓性基板のしわを防止し、可撓性基板裏面への傷を防止しながら、連続搬送が可能な搬送装置を設けた成膜装置を提供する。
【解決手段】一方の端から他方の端に、可撓性基板６０１を連続して搬送させる手段を備えた搬送装置を設けた成膜装置において、成膜装置の電極の一方が弧に沿って配列された複数の円筒形ローラー６０２を有し、他方の電極がその弧に沿った曲面を有している。
【選択図】図６

Description

本発明は可撓性基板の搬送装置及び成膜装置に関するものである。

近年、薄膜系太陽電池の量産において、低コストで生産できる工程が期待されている。製造の低コスト化を図る手段の一つとして、ロール状に巻いた可撓性基板を他方のロールへ巻き取りながら、その過程において成膜、印刷、レーザー加工等の各単位操作をインラインで行って、連続的に処理する方法が知られている。この方法をロールツーロール（Ｒｏｌｌ―ｔｏ−Ｒｏｌｌ、以下ロールツーロールと表記）法と呼んでいる。

特に薄膜形成工程の生産性を高める方法として、例えば特開昭５８−２１６４７５号公報、特開昭５９−３４６６８号公報に示されるようなロールツーロール方式の搬送装置を設けた成膜装置を使用し、連続搬送及び連続成膜を行うことは有効である。

ロールツーロール方式の搬送装置を設けた成膜装置においては、可撓性フィルム基板を連続的に搬送しながら連続成膜を行うわけであるが、目的とする膜厚を効率良く得るためには成膜用の放電電極長を長くし、搬送速度を上げることが一つの方法である。

しかし可撓性基板を、搬送装置により搬送しながら成膜するにあたって、一般的に小型、安価な平行平板方式の成膜装置を使用した場合、基板に発生するしわが成膜むらの原因となり、問題であった。図１に平行平板方式による成膜装置を示す。図１（Ａ）は成膜装置全体側面、図１（Ｂ）は電極１０８付近を可撓性基板１０１と共に下方から見たものである。電極１０８は接地されており、可撓性基板１０１を必要に応じて加熱できるよう、ヒーターが内蔵されている。基板の設置方法は、先ず可撓性基板１０１を巻き出しロール１０５から巻き出し、巻き出し用真空室１１０と成膜用真空室１０２の基板搬送部分側面にそれぞれ設けた基板を通すための隙間１０３に通し、電極１０８と対向電極１０９の間を通し、成膜用真空室右側の隙間１１２を通して更に巻き取りロール１０４に巻き付ける。基板を電極と平行に保つため、巻き取りロール１０４及び巻き出しロール１０５に一定の回転トルクを発生させ、基板に張力をかける。このときガイドローラー１０６と１０７の間では可撓性基板が空間に浮いた状態になっている。また可撓性基板は伸縮するため、基板に張力がかかった状態において、空間に浮いた状態になっている可撓性基板の各部分では、搬送方向に伸びる力、幅方向に縮む力が存在し、しわ１１１を発生させる要因となる。可撓性基板はヒーターにより加熱したときは伸縮が大きくなり、しわの発生は顕著に表れる。また成膜時しわの発生した部分が放電空間にさらされ成膜されるため、成膜むらの原因となっていた。電極長が長くなるほど、つまり基板が空間に浮いた部分が長くなるほどしわの発生頻度は高い。

可撓性基板のしわの発生を防止するために、一つの方法として円筒キャン方式がある。円筒キャン方式による搬送装置を設けた成膜装置は、例えば特開昭５８−２１６４７５号公報に示されている。可撓性基板に張力をかけ、搬送を支持する部分である円筒キャンの曲面上に密着させることにより基板に発生するしわを抑えることができる。従来の円筒キャン方式では、成膜用接地電極として用いられる領域が円筒キャンの一部分であり、電極面積に比例して装置が大型化した。
特に太陽電池を目的とした、ＰＩＮ各層を連続成膜するため多数の真空室を一列に接続したマルチチャンバー方式の成膜装置において大型化は顕著である。

円筒キャン方式による搬送装置を設けた成膜装置では大型化は避けられないが、装置の小型化を考えて改良型平行平板方式を使用する方法も考えられる。可撓性基板に接触し搬送を支持する部分を、曲面状にすれば良い。図２に、曲面状電極を搬送支持部として使用した搬送装置、及び搬送装置を設けた成膜装置を示す。曲面状電極２０１は搬送支持部と放電用接地電極を兼ねている。可撓性基板２０４に張力をかけることによって基板が曲面状電極に密着し、基板に発生するしわを抑えることができる。装置の小型化という点では円筒キャン方式よりも著しく優れており、平行平板方式と同程度の大きさでよい。但し問題は、張力をかけた状態で基板を搬送すると曲面状電極上に接触しながら基板を搬送することになるので、可撓性基板裏面と曲面状電極の擦れによって基板裏面へ傷が付くことである。また、電極長が長くなると摩擦力も大きくなるため、基板を搬送するときに基板を巻き取る力も大きなものになり、基板に加わる力も相当大きなものになることも問題である。

従来の平行平板方式と同程度の規模の、搬送装置を設けた成膜装置で、従来の円筒キャン方式の搬送装置を設けた成膜装置より小型化を実現でき、可撓性基板のしわを防止し、可撓性基板裏面への傷を防止しながら、連続搬送が可能な搬送装置及び搬送装置を設けた成膜装置を提供することにある。

本発明は、一方の端から他方の端に、可撓性基板を連続して搬送させる手段を備えた搬送装置及び搬送装置を設けた成膜装置において、前記一方の端と前記他方の端との間に、半径Ｒの円弧に沿って、中心軸が平行になるように配列した複数の円筒形ローラーを設け、前記可撓性基板が、前記複数の円筒形ローラーのそれぞれに接して搬送させる機構を用いたことを特徴とする搬送装置及び搬送装置を設けた成膜装置である。可撓性基板に張力をかけて、前記複数の円筒形ローラーのそれぞれに密着させ、可撓性基板のしわを防止し、基板裏面への傷を防止しながら連続搬送が可能となる。図３に詳細を示す。先ず中心軸３０３から半径Ｒ（３０２）の円弧を持った曲面３０１を考える。曲面３０１は説明のために示すもので、実物は存在しない。次に曲面３０１上に任意の長さを有する複数の円筒形ローラー３０４を連続的に、できる限り間隔が小さくなるように並べる。このとき複数の円筒形ローラー３０４の各中心軸３０５は曲面３０１上にあり、曲面３０１の中心軸３０３と平行となるようにする。更に可撓性基板３０６を複数の円筒形ローラーそれぞれに、張力をかけて密着させる。ここで、複数の円筒形ローラー３０４は、可撓性基板３０６が各円筒形ローラー３０４に接触する抱き角が必ず正となるように配置していることに留意する。本発明の可撓性基板を連続して搬送させる手段を備えた搬送装置及び搬送装置を設けた成膜装置を曲面ローラー方式と呼ぶことにする。

円筒形ローラーの配置方法について述べるとともに図４に示す。図４（Ａ）に示すように円筒形ローラーの中心軸を配置する曲面４０１を一種類とし、円筒形ローラー４０２を等間隔に曲面上に並べてもよいし、必要に応じて間隔を変えたり、図４（Ｂ）に示すように曲率の違う複数の曲面４０１と４０３上に並べて配置したり、また円筒形ローラー４０２の径を変えたりしてもよい。他の考え方では、可撓性基板４０７を複数の円筒形ローラーそれぞれに接触させたとき、可撓性基板が各円筒形ローラーに接触する部分４０４の円弧角度、つまり抱き角４０５が正の値であれば、その抱き角は任意でよい。搬送方向の成膜状態安定化のためには抱き角を一定角度にそろえる方が都合良いが、搬送装置全体を真空室内に収めなければならないなど機械的な制約がある場合は自由に設定することもできる。これは曲面の曲率４０６を変化させるということに他ならない。

図５（Ａ）に従来の平行平板方式の成膜用放電電極、図５（Ｂ）に曲面ローラー方式の搬送装置の搬送支持部を兼ねた成膜用放電電極を示し、可撓性基板に張力をかけ、複数の円筒形ローラーの曲面上に可撓性基板を密着させる様子を示す。従来の平行平板方式の電極５０４では、可撓性基板５１２への張力５０１を大きくしても電極に対抗する基板面５０７では電極に対して平行方向の分力５０３が存在するのみで垂直方向への分力５０２は得ることができない。平行平板方式の電極の両端に分力５０９、５１０が存在するのみである。曲面ローラー方式の場合も一直線上に円筒形ローラー５１１が並んでいれば垂直方向への分力５０５は得ることができないが、可撓性基板５１２が各円筒形ローラー５１１に接触する抱き角５０８が正の値であれば、基板を電極に押しつける方向の分力５０６が発生する。但し図５（Ｂ）においては、可撓性基板と円筒形ローラーは点接触であると仮定して張力及び分力を示している。曲面ローラー方式の電極は、各円筒形ローラーの抱き角を全て正の値にしてあるので、全ての円筒形ローラーに可撓性基板を押しつけることができる。つまり可撓性基板を搬送装置の搬送支持部を兼ねた成膜用放電電極に密着させることができる。

図６に曲面ローラー方式の搬送装置を設けた成膜装置を示す。曲面ローラー方式において、円筒形ローラー間距離を可能な限り近付け、可撓性基板が空間に浮いている状態の部分を短くすることにより、可撓性基板は、円筒キャン方式における連続した曲面上に密着させたときと同じ密着効果を得ることが可能となり、可撓性基板のしわ及びしわに起因する成膜時の成膜むらを防止することができる。また可撓性基板搬送時も各円筒形ローラー６０２が回転することにより、基板と成膜用放電電極の擦れによる基板裏面への傷を抑えることができる。

曲面ローラー方式の搬送装置を設けた成膜装置と、円筒キャン方式の搬送装置を設けた成膜装置を比較して、曲面ローラー方式は装置の小型化が実現可能であることを図７に示す。図７（Ａ）は曲面ローラー方式の搬送装置を設け、搬送支持部を兼ねた電極を使用した成膜装置、図７（Ｂ）は円筒キャン方式の搬送装置を設け、搬送支持部を兼ねた円筒キャン電極７１０を使用した成膜装置である。
図７（Ａ）の搬送装置は曲率半径Ｒ１０００ｍｍの曲面ローラー方式で、図７（Ｂ）の搬送装置は半径Ｒ５００ｍｍの円筒キャン方式である。各装置の総電極面積は同程度である。円筒キャン方式では、曲面ローラー方式における曲率半径と比較して半分の径に収めたが、円筒キャン全体を装置に設置しなければならず、装置の大型化は避けることができない。実際には側面図での大きさの違いだけでなく、真空装置においては真空室の体積の差も重要である。真空室の壁は、真空室が大型化するほど厚く、丈夫なものを使用しなければならない。そのため装置の重量がかなり大きなものになり、建築物の床強度等も問題になってくる。円筒キャンの径Ｒ５００ｍｍを使用した真空装置では、重量が２ｔになることもある。また真空室の大型化に伴って、排気系に使用する真空ポンプ等も大型化し、高価になる。同程度の電極面積が得られる成膜装置、特に真空装置において、装置の小型化は利点が多い。

曲面ローラー方式における複数の円筒形ローラーが、可撓性基板を加熱するためのヒーターを兼ねる場合の、基板への熱伝導の様子を図８に示す。ヒーター本体を内蔵したヒーターブロック８０３から可撓性基板８０７への熱伝導において、領域８０１は円筒形ローラー８０４との接触による熱伝導、領域８０２はヒーターブロック８０３及び円筒形ローラー８０４からの輻射による熱伝導である。
基板搬送時は基板が領域８０１と８０２を交互に通過することになるが、基板温度の変動を抑えられるよう、ヒーターブロックとローラーの隙間８０５及びヒーターブロックと基板の隙間８０６を調整すると良い。また、基板の温度は、高真空時とガス導入時では、ヒーターの設定温度が同じでも異なることがあり、領域８０１の接触部分での基板温度と領域８０２の輻射部分での基板温度の差は搬送速度によっても異なることがあるので、基板温度測定時や設計時等には留意しておく。

本発明である曲面ローラー方式の搬送装置及び搬送装置を設けた成膜装置によって、従来の平行平板方式と同程度の規模の、搬送装置を設けた成膜装置で、従来の円筒キャン方式の搬送装置を設けた成膜装置より小型化を実現でき、可撓性基板のしわを防止し、可撓性基板裏面への傷を防止しながら、連続搬送が可能な搬送装置及び搬送装置を設けた成膜装置を提供することができた。

平行平板方式成膜装置における可撓性基板 曲面電極方式成膜装置における可撓性基板 曲面ローラー方式の円筒形ローラー概念 曲面ローラー方式の円筒形ローラー配置 可撓性基板に働く張力の力学的説明 曲面ローラー方式成膜装置 円筒キャン方式成膜装置と曲面ローラー方式成膜装置の大きさ比較 曲面ローラー方式の熱伝導 曲面ローラー方式成膜装置における基板温度測定 曲面ローラー方式成膜装置における基板幅方向膜厚測定

本発明での実施例を以下に説明する。先ず、曲面ローラー方式による搬送装置の搬送支持部を製作した。搬送支持部は、ヒーターからの熱を均等に伝えるための曲面ブロックと可動部である複数の円筒形ローラーより構成した。材質には熱伝導率の良いアルミニウム合金を使用した。曲面ブロックの大きさは４２８ｍｍ×３００ｍｍ、最大厚さ３０ｍｍ、曲面の曲率半径Ｒは１０００ｍｍとした。次に曲面に沿って直径９ｍｍの円筒形ローラーを４２本、ベアリングを介して取り付けた。円筒形ローラー間の角度は０°３５’とした。図８に示す円筒形ローラー８０４とヒーターブロック８０３の間隔８０５は１ｍｍとした。また可撓性基板８０７とヒーターブロックの間隔８０６は７ｍｍとした。

図６に示すような搬送装置を設けた成膜装置を準備する。この装置は可撓性基板搬送装置、真空室、成膜ガス導入系、排気系、高周波電源導入系を備えており、成膜はプラズマＣＶＤにより行う。先ず、曲面ローラー方式による搬送装置の搬送支持部６１０をヒーター６０９に取り付け、曲面ローラー方式の搬送装置を構成した。曲面ローラー方式による搬送装置の搬送支持部は接地電極として使用した。高周波電源導入系は、前記曲面ローラー方式による接地電極と、高周波電源側電極６０８より構成した。次に可撓性基板６０１を巻き出しロール６０７から巻き出し、ガイドロール６０６、曲面ローラー方式による接地電極６１０を通って巻き取りロール６０８に巻き取られるよう設置した。この時、巻き取りロール６０８を基準にして巻き出しロール６０７に逆方向で一定の回転トルクをかけているので、可撓性基板６０１には張力がかかっており、曲面ローラー方式による接地電極の曲面に密着する。

可撓性基板６０１の表面温度変化を測定するため、可撓性基板表面のある位置に熱電対６１１を固定し、可撓性基板６０１を巻き取りロール６０８により巻き取り、搬送した。この時、可撓性基板に固定した熱電対部分が曲面ローラー方式による接地電極６１０に接触する部分前後の温度変化を、１秒毎に記録した。測定値を図９（Ａ）に示す。測定値は可撓性基板が曲面ローラー方式による接地電極に接触している時の基板温度平均値との差で示した。結果として基板温度は、基板が曲面ローラー方式による電極に接触している時はほぼ一定となり、問題になる温度むらの程度ではなかった。厳密に見ると、図８に示す可撓性基板と円筒形ローラーの接触熱伝導部分８０１と円筒形ローラー及びローラーブロックからの輻射熱伝導部分８０２の温度差が存在するが、この温度差は１℃未満となった。図９（Ｂ）には比較のため、搬送装置を設けた平行平板方式成膜装置における、ヒーターを内蔵した平板接地電極部分を可撓性基板が通過したときのデータを示す。可撓性基板とヒーターを内蔵した平板接地電極は２ｍｍの間隔を開け、接触していない状態であったので、可撓性基板通過時の基板への熱伝導は常時輻射による熱伝導である。このデータと比較しても曲面ローラー方式の電極による温度むらは問題なく抑えられていると言える。

可撓性基板のしわ、及びしわが原因となって発生する成膜むらについて観察した。先ず、可撓性基板にＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）フィルムを使用し、図６に示す搬送装置を設けた成膜装置の搬送系に設置し、可撓性基板に張力をかけた。曲面ローラー方式による接地電極下部から可撓性基板６０１を観察したが、基板にしわは見られなかった。次に成膜室６０４内にシランガス及び水素ガスを導入し、高周波電源側電極６０８と曲面ローラー方式による接地電極６１０間に放電させ、可撓性基板上に非単結晶シリコンの成膜を行った。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示す。この膜を、分光光度計を使用して、基板の幅方向に走査し、膜厚を測定した。図１０に結果を示す。図１０（Ａ）は平行平板方式成膜装置による成膜の基板幅方向の膜厚分布、図１０（Ｂ）は曲面ローラー方式成膜装置による成膜の膜厚分布である。平行平板方式成膜装置では成膜時に基板のしわがあるため、膜厚分布も±１０％程有り目視でも色むらが観察された。曲面ローラー方式成膜装置における成膜では、成膜時に基板のしわが無く、膜厚分布が±５％程に抑えられ、色むらは目視ではほとんど確認できなかった。結果、膜厚のむらは抑えられたと言える。

１０１ 可撓性基板
１０２ 成膜用真空室
１０３ 基板を通すための隙間
１０４ 巻き取りロール
１０５ 巻き出しロール
１０６、１０７ ガイドローラー
１０８ 電極
１０９ 対向電極
１１０ 巻き出し用真空室
１１１ 可撓性基板上のしわ
１１２ 成膜用真空室右側の隙間
１１３ 巻き取り用真空室
２０１ 曲面電極
２０２ 対向電極
２０３ ガイドローラー
２０４ 可撓性基板
２０５ 可撓性基板上のしわ
３０１ 半径Ｒの円弧を持つ曲面
３０２ 曲面の曲率半径
３０３ 曲面の中心軸
３０４ 円筒形ローラー
３０５ 円筒形ローラーの中心軸
３０６ 可撓性基板
４０１ 曲面
４０２ 円筒形ローラー
４０３ 他の種類の曲面
４０４ 可撓性基板が各円筒形ローラーに接触する部分
４０５ 抱き角
４０６ 曲面の曲率
４０７ 可撓性基板
５０１ 可撓性基板への張力
５０２ 垂直方向への分力
５０３ 電極に対して平行方向の分力
５０４ 従来の平行平板方式の電極
５０５ 垂直方向への分力
５０６ 基板を電極に押しつける方向の分力
５０７ 電極に対抗する基板面
５０８ 接触する抱き角
５０９、５１０ 分力
５１１ 円筒形ローラー
５１２ 可撓性基板
６０１ 可撓性基板
６０２ 円筒形ローラー
６０３ 巻き出し用真空室
６０４ 成膜用真空室
６０５ 巻き取り用真空室
６０６ ガイドローラー
６０７ 巻き出しローラー
６０８ 巻き取りローラー
６０９ 基板加熱用ヒーター
６１０ 曲面ローラー方式による搬送装置の搬送支持部兼接地電極
６１１ 熱電対
７０１ 可撓性基板
７０２ 曲面ローラー方式の接地電極
７０３ 対向電極
７０４ 巻き出し用真空室
７０５ 巻き取り用真空室
７０６ 成膜室
７０７ 巻き出しローラー
７０８ 巻き取りローラー
７０９ ガイドローラー
７１０ 円筒キャン方式電極
８０１、８０２ 熱伝導領域
８０３ ヒーター本体を内蔵したヒーターブロック
８０４ 円筒形ローラー
８０５ ヒーターブロックとローラーの隙間
８０６ ヒーターブロックと基板の隙間
８０７ 可撓性基板

Claims (15)

1. 対向した２つの電極の一方が複数（２を除く）の円筒形ローラーを有しており、
   前記複数の円筒形ローラーは、弧に沿って配列されており、
   前記２つの電極の他方は、前記弧に沿った曲面を有しており、
   前記複数の円筒形ローラーにより可撓性基板が搬送されることを特徴とする成膜装置。
2. 対向した２つの電極の一方が複数（２を除く）の円筒形ローラーを有しており、
   前記複数の円筒形ローラーは、弧に沿って配列されており、
   前記２つの電極の他方は、前記弧に沿った曲面を有しており、
   前記複数の円筒形ローラーにより可撓性基板が搬送される成膜用真空室を複数有していることを特徴とする成膜装置。
3. 請求項２において、
   前記成膜用真空室内にガスを導入する手段と、前記ガスを排気する手段と、を有することを特徴とする成膜装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
   前記可撓性基板の搬送部を有し、
   前記可撓性基板の搬送部は、前記搬送支持部と第１及び第２のローラーとを有し、
   巻き出し用真空室と、巻き取り用真空室と、を有し、
   前記第１のローラーは、前記巻き出し用真空室内に配置されており、
   前記第２のローラーは、前記巻き取り用真空室内に配置されており、
   前記搬送支持部は、前記第１のローラーと前記第２のローラーとの間に配置されており、
   前記可撓性基板の搬送は、前記第１のローラーから巻き出され前記第２のローラーで巻き取られることによって行われることを特徴とする成膜装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、
   前記２つの電極の一方は、接地されており、
   前記２つの電極の他方は、電源と接続されていることを特徴とする成膜装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
   前記２つの電極の一方は、ヒーターと兼用されていることを特徴とする成膜装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の成膜装置は、プラズマＣＶＤ装置であることを特徴とする成膜装置。
8. 請求項１乃至請求項７に記載の成膜装置を用いて作製することを特徴とする太陽電池。
9. 可撓性基板を搬送しながら、前記可撓性基板上に成膜を行う太陽電池の作製方法であって、
   前記成膜は、前記可撓性基板を、２つの電極の一方に設けられた複数（２を除く）の円筒形ローラーのそれぞれの曲面に接触させて搬送しながら行い、
   前記複数の円筒形ローラーは、弧に沿って配列され、
   前記２つの電極の他方は、前記弧に沿った曲面を有していることを特徴とする太陽電池の作製方法。
10. 可撓性基板を複数の成膜用真空室内で搬送しながら、前記可撓性基板上に成膜を行う太陽電池の作製方法であって、
    前記成膜は、前記可撓性基板を、２つの電極の一方に設けられた複数（２を除く）の円筒形ローラーのそれぞれの曲面に接触させて搬送しながら行い、
    前記複数の円筒形ローラーは、弧に沿って配列され、
    前記２つの電極の他方は、前記弧に沿った曲面を有していることを特徴とする太陽電池の作製方法。
11. 請求項９又は請求項１０において、
    前記２つの電極の一方と、前記２つの電極の他方と、の間で前記可撓性基板上に成膜が行われることを特徴とする太陽電池の作製方法。
12. 請求項９乃至請求項１１のいずれか一項において、
    前記可撓性基板の搬送は、前記複数の円筒形ローラーと、第１及び第２のローラーと、によって行われ、
    前記第１のローラーは前記可撓性基板を巻き出し、前記第２のローラーは前記可撓性基板を巻き取り、
    前記可撓性基板の搬送中は、前記第１のローラーに、前記第２のローラーと逆回転のトルクをかけていることを特徴とする太陽電池の作製方法。
13. 請求項９乃至請求項１２のいずれか一項において、
    前記成膜は、プラズマＣＶＤによって行われることを特徴とする太陽電池の作製方法。
14. 請求項９乃至請求項１３のいずれか一項において、
    前記２つの電極の一方は、接地されており、
    前記２つの電極の他方は、電源と接続されていることを特徴とする太陽電池の作製方法。
15. 請求項９乃至請求項１４のいずれか一項において、
    前記２つの電極の一方は、ヒーターと兼用されていることを特徴とする太陽電池の作製方法。

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