JP2011137215A - 平行平板型プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平行平板型プラズマＣＶＤ装置の真空容器内の部品表面に付着する膜状物質の剥離を低減する。
【解決手段】太陽電池基板の表面に反射防止膜を成膜する平行平板型プラズマＣＶＤ装置であって、真空容器内に設けられ、この太陽電池基板を戴置する基板電極と、これに対向する高周波電極とを備え、この高周波電極の基板電極に対向する面に、溶射によってＡｌより融点の高い金属膜を形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、平行平板型プラズマＣＶＤ装置に関し、とりわけ太陽電池の製造においてＳｉＮ_ｘの反射防止膜を太陽電池の基板表面に形成するために使用するプラズマＣＶＤ装置に関する。

近年、太陽電池などの製造において、製造コストの削減の要求が大きくなっている。このため、太陽電池の製造に用いる装置のスループットを向上することが重要となっている。

平行平板型のプラズマＣＶＤ装置を含むプラズマ処理装置では、この真空容器内部で発生したプラズマに接する電極等の部品表面に膜状の物質が付着する。このプラズマ処理装置を用いて太陽電池の製造を続けると、この膜状物質は堆積して厚くなり、ある膜厚に達すると電極等の表面から剥離し、パーティクルと呼ばれる粒子となり、真空容器内部を汚染する。このパーティクルが太陽電池の処理基板の上に落下すると、不良の原因となり、太陽電池の収率を低下させる。このパーティクルの発生を低減するため、プラズマ処理装置内部の電極等の部品は、所定の期間が経過すると、その表面に付着した膜状物質を取り除くメンテナンス作業を行っている。
しかしながら、このメンテナンス作業は必然的に、プラズマ処理装置のスループットの低下となるので、メンテナンスの周期を出来る限り長くし、プラズマ処理装置の稼働時間を確保することがスループット向上に必要となる。

プラズマ処理装置の真空容器内の電極等に付着する、この膜状物質はプラズマ処理の時間に比例して堆積してゆくが、この膜状物質の堆積厚さが大きくなっても剥離を起こしにくくすることで、剥離を低減し、メンテナンス期間を長くすることが考えられる。この膜状物質の剥離を起こしにくくする方法として、プラズマに接する電極等の表面に表面粗さＲａが数十μの凹凸を形成する方法が知られている。

平行平板型プラズマＣＶＤ装置では、この真空容器（反応室）でプラズマを発生する電極ならびに、この電極の周囲に配置されるアースシールドや防着板等の部材は導電性のあることが必要である。従って、電極等の表面の凹凸の形成は導電性を維持することが必要であり、この条件を満たすものとして、電極等の表面をブラスト処理する方法（特許文献１）と、合金を含む金属材料をプラズマ溶射などの方法で吹き付ける方法が知られている（特許文献２、３、４）。これらの方法により表面に表面粗さＲａが数十μの凹凸が形成される。
Ｒａが１０以上で大きいほど表面に付着した膜状物質の剥離が少なくなることが一般的傾向であるが、Ｒａが５０μを越えると逆に剥離しやすくなる可能性があることが指摘されている（特許文献３）。

ブラスト処理による場合、Ｒａは２０μ程度が限界である。特許文献２においてはＳＵＳ３０４材の表面のＲａを１９．１μとした例が示されている。

また金属をプラズマ溶射により吹き付けて、電極等の表面に凹凸を形成する場合は、溶射する金属にはＡｌが多く用いられている（例えば特許文献４）。

特開平１１−２１６６２号公報 特開２００６−３０３１５８号公報 特開２００７−１００２１８号公報 特開２００８−２９１２９９号公報

従って、平行平板型プラズマＣＶＤ装置の反応室で使用する電極等の表面粗さＲａを大きくするためには、電極等の表面のブラスト処理よりも、溶射により合金等を表面に吹き付けることが必要である。更に、平行平板型プラズマＣＶＤ装置では、太陽電池の処理基板を４５０℃程度に加熱して処理するため、反応室１内の部材はこの温度に十分耐える特性を備えることが必要であり、従って溶射に用いる金属も十分な温度特性を持っている必要がある。
しかしながら、上記のように従来良く用いられているＡｌは融点が６６０℃と低く、上記のような高温では軟化して剥離を起こし易い。また太陽電池の処理基板の加熱は４５０℃より高くなる場合があることや、加熱用のヒータ自体の温度は６００℃近くに達するので、Ａｌよりも高温での使用に適した金属が必要である。

（１）請求項１の発明による平行平板型プラズマＣＶＤ装置は、太陽電池基板の表面に反射防止膜を成膜する平行平板型プラズマＣＶＤ装置であって、真空容器内に設けられ、この太陽電池基板を戴置する基板電極と、これに対向する高周波電極とを備え、前記高周波電極の基板電極に対向する面に、溶射によってＡｌより融点の高い金属膜を形成したことを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、前記高周波電極を囲むように設けられたアースシールドを更に備え、このアースシールドの外側の面に溶射によってＡｌより融点の高い金属膜を形成したことを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２のいずれか一項に記載の平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、真空容器内の上部において、アースシールドを囲むように設けられた上部防着板と、真空容器内の下部において、上部防着板に対向し、基板電極を囲むように設けられた下部防着板とを更に備え、前記の上部防着板と下部防着板とが対向する面に、溶射によってＡｌより融点の高い金属膜を形成したことを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、溶射によって形成された金属膜は、Ｒａ＝２０μから５０μの間の表面粗さであることを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、Ｎｉ合金、Ｃｕ合金、Ｆｅ合金のいずれかの溶射材料を用いて、前記金属膜を前記溶射により形成したことを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項５に記載の平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、前記Ｎｉ合金は略５重量％のＡｌを含むＮｉＡl合金であることを特徴とする。

本発明により、太陽電池の製造に用いる平行平板型プラズマＣＶＤ装置の反応室内で用いる電極等の部材に付着する膜状物質の剥離が抑えられ、電極等の部材をメンテナンスするまでの期間が長くなるので、このプラズマＣＶＤ装置のスループットが改善される。

本発明における平行平板型プラズマＣＶＤ装置の一実施形態の概略を説明する垂直断面図である。 図１の平行平板型プラズマＣＶＤ装置の水平断面図で、図１のＡ２−Ａ２線に沿って上側（高周波電極側）を見た概略図である。 図２において、図１の真空容器内の部品で、ＮｉＡｌ合金を溶射した部分（ＳＬ）を示す図である。 図１の平行平板型プラズマＣＶＤ装置の水平断面図で、図１のＡ４−Ａ４線に沿って下側（基板電極側）を見た概略図である。 図４において、ＮｉＡｌ合金を溶射した部分（ＳＬ）を示す図である。 図１の平行平板型プラズマＣＶＤ装置の垂直断面図で、図１のＢ６−Ｂ６線に沿って左側から見た概略図である。 図６において、ＮｉＡｌ合金を溶射した部分（ＳＬ）を示す図である。 ＮｉＡｌ合金を溶射した高周波電極を用いて太陽電池基板に反射防止膜を形成した場合の効果を示すグラフである。

本発明における平行平板型プラズマＣＶＤの実施形態を図１〜図８を用いて説明する。
本発明の一実施形態のプラズマＣＶＤ装置は平行平板型プラズマＣＶＤであり、図１および図２に示すように、真空容器（反応室）１と、高周波電力部２と、成膜ガス供給部３と、真空ポンプ４とを有している。高周波電力部２、成膜ガス供給部３、真空ポンプ４は公知のプラズマＣＶＤ装置に共通な一般的な構成であり、ここでの説明は省略し、真空容器１の内部の構成を以下に説明する。

真空容器１の内部には、カート（基板電極）５と、これに対向するように高周波電極６が設けられている。高周波電極６には高周波電力部２から配線７を介して高周波電力が供給される。また高周波電極６には成膜ガスを放出するガス放出孔６ａが設けられ、更に高周波電極６には電極板６ｂが備えられ、電極板６ｂには複数の細孔６ｃが設けられ、複数の細孔６ｃから反応室１内に成膜ガスが放出される。高周波電極６の電極板６ｂと基板電極５との間にプラズマが生成される。
成膜処理が施される太陽電池の基板８（以下太陽電池基板８）は複数枚がカート５に搭載された状態で反応室１の搬入窓（図示省略）から反応室１内に搬入される。カート５は反応室１内で接地され、平行平板型プラズマ装置の基板電極となる。カート５の下側にはカートごと基板を加熱する複数のヒーター９が設置されている。

高周波電極６の外側には、この高周波電極６を囲むようにアースシールド１０が設けられている（図１、２、４、６参照）。アースシールドは高周波電極と基板電極の間の電界がこれらの電極から外側に洩れることを抑え、高周波電極と基板電極の間に生成するプラズマの密度が低下しないように機能する。従って、アースシールドより内側の、高周波電極と基板電極の間の空間に、密度の高いプラズマが発生し、この領域が成膜処理を行う成膜領域となる。成膜処理される複数の太陽電池基板８はこの領域で成膜処理される。

更にアースシールド１０の周囲で反応室１の上部に、およびカート５の周囲で反応室１の横側の下部には上部防着板１１、下部防着板１２が設けられている（図１、２、４参照）。上部防着板１１および下部防着板１２は、成膜領域から外側に洩れたプラズマにより反応室１の内壁に膜状物質が付着することを防ぐ。アースシールド１０、上部防着板１１、下部防着板１２はそれぞれ接地されている。

図１、３、５、７中に「ＳＬ」と矢印および斜線部で示された、電極板６ｂの基板電極５に対向する面（図1、３）、アースシールド１０の外側の面（図１で下向きおよび真空容器内壁に対向する面、図１、３、５、７参照）、上部防着板１１および下部防着板１２の互いに対向する面（図１、３、５参照）、更には下部防着板１２の基板電極５に対向した面の上部は（図１、５参照）、発生したプラズマに接する面であり、ここに上記のように膜状物質が付着する。この膜状物質の剥離を抑えるために、これらの面には、５重量％のＡｌを含むＮｉＡl合金（Ｎｉ−５Ａｌと略記）を溶射の材料に用いて、表面粗さＲａが２０μから５０μとなるように、ＮｉＡｌ合金の膜を形成してある。電極板６ｂには全面に渡ってＮｉＡｌ合金の膜が形成されている。
Ｎｉ−５Ａｌは融点が約１４３０℃と高いため、従来からプラズマ溶射材としてよく用いられてきた純粋なＡｌ（融点６６０℃）に比べ安定しており、基板を加熱した場合でも軟化せず、膜状物質の剥離を起しにくい。 また、プラズマ溶射に使用する金属は、溶射される反応室１内の部材との親和性も必要である。Ｎｉ−５Ａｌは、一実施形態の平行平板型プラズマＣＶＤ装置の反応室１内で用いる部品の母材である、ＳＵＳ３０４および／またはＳＵＳ４３０との親和性が良く、熱膨張率も近いため、溶射したＮｉ−５Ａｌ自体が剥離することは殆どない。

尚、本発明における上記の溶射はアーク溶射を用いている。しかしながら、本発明はアーク溶射に限定するものではない。溶射技術にはアーク溶射、プラズマ溶射等、種々の技術があるが、本発明は特にいずれかに限定するものでない。

ここで、本発明の一実施形態による平行平板型プラズマＣＶＤ装置の動作と太陽電池基板８への反射防止膜形成方法および一実施形態の効果について説明する。

上記のようにカート５に戴置された太陽電池基板８が反応室１内に搬入され、真空ポンプ４により反応室１の内部が真空状態とされる。太陽電池基板８はカート５ごとヒーターによって加熱され、基板表面が約４５０℃となるように調整する。成膜ガス供給部から反射防止膜形成用の成膜ガス（ＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２）が供給され、高周波電極の細孔６ｃから反応室１内に放出される。
高周波電極６には外部の高周波電力部２から高周波が印加され、電極板６ｂとカート５の間に、放出された成膜ガスから反応性のあるプラズマが生成される。このプラズマには各種のイオンおよびラジカルなどの反応性のある中性粒子が含まれており、これらが太陽電池基板８に付着し反応することにより太陽電池基板上に反射防止膜となるＳｉＮ_ｘの成膜が行われる。
成膜処理が完了すると、太陽電池基板８は反応室１からカート５ごと搬出され、更に次に成膜される太陽電池基板８がカート５ごと反応室１に搬入される。

このＳｉＮ_ｘからなる反射防止膜を太陽電池基板８の表面に生成する際に、発生したプラズマに接する、電極板６ｂ自体、およびこの周辺に配された、アースシールド１０や防着板１１、１２にもＳｉＮ_ｘを主成分とする膜状物質が付着する。防着板１１、１２は反応室１の内壁にこの膜状物質が付着することを防ぐために設けている。
前述のように、膜状物質はプラズマＣＶＤ装置の稼働時間と共に厚くなり、ある厚さに達すると剥離して、パーティクルとなり、太陽電池基板８に落下して不良の原因となる。
本実施形態では、Ｎｉ−５Ａｌ合金を溶射して、電極板６ｂ、アースシールド１０、防着板１１、１２の表面に表面粗さ約Ｒａ＝３０μのＮｉ−５Ａｌ合金の膜を形成しておく。この表面粗さのアンカー効果により、膜状物質が剥離しにくくなる。

図８はこのＮｉ−５Ａｌ合金の溶射の効果の例を示す。横軸は平行平板型プラズマＣＶＤ装置の稼働時間、すなわち太陽電池基板８の表面への反射防止膜形成のためのプラズマ発生時間である。縦軸は太陽電池基板８の表面へのパーティクル落下による不良率を示す。
この例では、電極板６ｂのみに対し、ブラスト処理あるいは溶射による表面処理を行っている。また、ブラスト処理による表面粗さはＲａ＝１０μ以下である。また、Ｎｉ−５Ａｌ合金の溶射厚みは約１５０μ、表面粗さは約Ｒａ＝２７μであった。

不良率がたとえば１％を越えた場合には、反応室１の内部の部品、すなわち電極板６ａ、アースシールド１０、防着板１１、１２をクリーニングするので、この時点でプラズマＣＶＤ装置の稼働は停止する。ブラスト処理した場合では、プラズマＣＶＤ装置が約１０時間稼働した時点で不良率が１％に達している。
これに対し、電極板６ｂの表面にＮｉ−５Ａｌ合金を溶射し、約Ｒａ＝２７μの表面粗さを形成した場合には、不良率が１％に達成するまでのプラズマＣＶＤ装置の稼働時間が、３０時間以上になっており、ブラスト処理に比べ３倍の時間、膜状物質を保持していることが分かる。

このようにして、平行平板型プラズマＣＶＤ装置の反応室１内の部品の表面に、Ｎｉ−５Ａｌ合金の溶射によってＲａ＝２０μから５０μの表面粗さを形成しておくことにより、部品の表面に付着する膜状物質の剥離が低減され、これによってプラズマＣＶＤ装置の連続稼働時間を大きくなり、太陽電池製造のスループットを大幅に向上することができる。

尚、溶射する金属として、Ｎｉ−Ａｌ合金以外の金属であっても、これと同様の温度特性と、ＳＵＳ３０４および／またはＳＵＳ４３０との親和性とを持つものであれば、Ｎｉ−Ａｌ合金以外のＮｉ合金や、他の金属およびその合金であっても、同様に使用可能である。例えばＣｕ系やＦｅ系の合金も、融点が高く、ＳＵＳ３０４および／またはＳＵＳ４３０との親和性も良好であるので、使用可能である。

また、本発明の実施形態として、ＳｉＮｘからなる反射防止膜を太陽電池基板８の表面に形成する例で説明したが、本発明はＳｉＮｘ膜の形成だけに限らず、成膜ガスを変更することにより、ＳｉＯ２やＩＴＯ等の他の種類の成膜処理を行う場合にも有効である。従って、太陽電池の反射防止膜の成膜に限らず、太陽電池および各種半導体デバイスのパッシベーション膜の成膜やＥＬパネルの封止膜の成膜、液晶での透明電極膜の成膜等においても有効である。
従って、太陽電池基板以外に成膜処理を行う場合であっても、また上記で説明されたＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２以外の成膜ガスを反応室１内に導入する場合であっても、反応室１内の部品表面に付着する膜状物質の剥離を抑えることに同様に用いることができる。

１‥ 真空容器（反応室）
２‥ 高周波電力部
３‥ 成膜ガス供給部
４‥ 真空ポンプ
５‥ カート（基板電極）
６‥ 高周波電極
６ａ‥ ガス放出孔 ６ｂ‥ 電極板 ６ｃ‥ 細孔
７‥ 配線
８‥ 太陽電池基板
９‥ ヒーター
１０‥ アースシールド
１１‥ 上部防着板
１２‥ 下部防着板
ＳＬ‥ Ｎｉ−５Ａｌ合金溶射部

Claims (6)

1. 太陽電池基板の表面に反射防止膜を成膜する平行平板型プラズマＣＶＤ装置であって、
   真空容器内に設けられ、前記太陽電池基板を戴置する基板電極と、
   これに対向する高周波電極とを備え、
   前記高周波電極の基板電極に対向する面に、溶射によってＡｌより融点の高い金属膜を形成したことを特徴とする平行平板型プラズマＣＶＤ装置。
2. 請求項１に記載の平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、
   前記高周波電極を囲むように設けられたアースシールドを更に備え、
   前記アースシールドの外側の面に溶射によってＡｌより融点の高い金属膜を形成したことを特徴とする平行平板型プラズマＣＶＤ装置。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載の平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、
   前記真空容器内の上部において、前記アースシールドを囲むように設けられた上部防着板と、
   前記真空容器内の下部において、前記上部防着板に対向し、前記基板電極を囲むように設けられた下部防着板とを更に備え、
   前記上部防着板と前記下部防着板とが対向する面に、溶射によってＡｌより融点の高い金属膜を形成したことを特徴とする平行平板型プラズマＣＶＤ装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、
   前記溶射によって形成された、前記金属膜はＲａ＝２０μから５０μの間の表面粗さであることを特徴とする平行平板型プラズマＣＶＤ装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、
   Ｎｉ合金、Ｃｕ合金、Ｆｅ合金のいずれかの溶射材料を用いて、前記金属膜を前記溶射により形成したことを特徴とする平行平板型プラズマＣＶＤ装置。
6. 請求項５に記載の平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、
   前記Ｎｉ合金は略５重量％のＡｌを含むＮｉＡl合金であることを特徴とする平行平板型プラズマＣＶＤ装置。

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