JP2011210797A - プラズマ処理装置およびそれよって製造される太陽電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形成される膜の膜質および膜厚が均一となるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】本発明のプラズマ処理装置１は、処理室２内に配設された第１の電極４と、第１の電極４に対向し、基板１０を保持できる第２の電極３と、処理室２内から排気を行なう排気手段６と、処理室２内にガスを供給するガス供給手段７と、を備え、第１の電極４は、第２の電極３に対向する複数の凸部４１ａ〜４１ｅを有し、凸部４１ａ〜４１ｅの先端部にガス供給口４２が形成されたものであって、複数の凸部４１ａ〜４１ｅの先端部となる面が面一に形成され、凸部間に形成される凹部４２ａ〜４２ｄの深さが、第１の電極４の中央部に比べ、外周部の方が深い。
【選択図】 図２

Description

本発明は、互いに対向するように配置された第１電極および第２電極を備えたプラズマ処理装置およびそれを用いて製造される太陽電池の製造方法に関する。

従来、基板を保持することが可能な上部電極と、その上部電極と対向するように配置された下部電極とを備えた平行平板型のプラズマ処理装置を用いた膜の製造方法が知られている（特許文献１参照）。

図４は、従来の平行平板型のプラズマ処理装置１０１を示した概略図である。図５は、図４に示したプラズマ処理装置１０１の下部電極１０４の拡大断面図である。プラズマ処理装置１０１では、図４に示すように、真空チャンバ１０２内に、上部電極１０３と下部電極１０４とが互いに対向するように設置される。

上部電極１０３には、下部電極１０４と対向する面に基板１０を保持するための基板保持部１０３ａが形成される。

また、下部電極１０４の上部電極１０３と対向する面には、図４および図５に示すように、原料ガスを供給するための複数のガス供給口１４２が設けられる。真空チャンバ１０２の一方の側面には、排気口１０２ａが設けられるとともに、その排気口１０２ａは、排気流量調整バルブ５を介して真空排気設備６に接続される。この真空排気設備６は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）６ａおよび油回転ポンプ（ＲＰ）６ｂによって構成される。また、下部電極１０４のガス供給口１４２は、原料ガス供給源１０７に接続される。

上記のプラズマ処理装置１０１では、下部電極１０４の上面でプラズマを発生させ、そのプラズマにより原料ガスが分解し、基板１０上に成膜を行う。

上記のプラズマ処理装置１０１では、下部電極１０４の上面全体でプラズマを発生させ、そのプラズマにより原料ガスが分解し、基板１０上に成膜を行う。下部電極１０４は、図５に示すように、上部電極１０３と対向する面に複数の凸部１４１ａが形成される。これにより、成膜時に凸部１４１ａの先端部付近に電界が集中し、凸部１４１ａを中心としたプラズマ発生領域２０に高密度なプラズマを発生させることが可能となる。その結果、より多くの成膜種を生成することが可能となるので、成膜速度をより大きくすることが可能となる。

特開２００６−２３７４９０号公報

従来のプラズマ処理装置では、成膜種を生成するために用いられる原料ガスが、下部電極１０４に設けられた複数のガス供給口１４２から上部電極１０３に保持された基板１０へ向けて供給される。したがって、下部電極１０４の上面で発生させたプラズマにより、多くの成膜種を生成し、成膜に作用させることが可能となる。

しかしながら、原料ガスの一部は、成膜に寄与しない不活性なガスやフレーク等の副生成物となる。副生成物により基板１０の外周部においては原料ガスが希釈化され、成膜速度が低下する問題を引き起こしていた。この問題は基板を大型化したとき、または原料ガスを大量に供給して高速成膜するときに顕著となる。そこで従来では、均一成膜を図るために原料ガスの供給量を基板１０の中央部に比べ、外周部での供給流量を多くするなどの制御が行われていた。

しかし、原料ガスを大量に供給して高速成膜する方法では、基板１０中央部に比べ、外周部でのガス流速をより一層速くする結果となり、膜質を向上させることが困難だった。

本発明では、生成される膜の膜質および膜厚が不均一になる課題を解決するためになされたプラズマ処理装置、およびこのプラズマ処理装置によって製造された太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明のプラズマ処理装置は、処理室内に配設された第１の電極と、第１の電極に対向し、基板を保持できる第２の電極と、処理室内から排気を行なう排気手段と、処理室内にガスを供給するガス供給手段と、を備え、第１の電極は、第２の電極に対向する側に複数の凸部を有し、凸部の先端部にガス供給口が形成されたものであって、複数の凸部の先端部となる面が面一に形成され、凸部間に形成される凹部の深さが、第１の電極の中央部に比べ、外周部の方が深い。

また、本発明の太陽電池の製造方法は、基板上に基板側電極を形成する工程と、基板を保持できる第２の電極と、第２の電極に向けてガス供給口を有する複数の凸部が形成された第１の電極を備えたプラズマ処理装置を用いて、基板側電極上に光電変換ユニットの少なくとも一部を形成する工程と、光電変換ユニット上に裏面側電極を形成する工程と、を含み、複数の凸部は、先端部となる面が面一に形成されており、且つ凸部間に形成される凹部の深さが、第１の電極の中央部に比べ、外周部の方が深い。

なお、本発明における面一とは、本発明の所期の目的を達成する範囲で実質的に面一である状態を含む。

本発明のプラズマ処理装置によれば、成膜速度を大きくした場合においても、基板中央部と基板外周部に生成される膜の膜質および膜厚が不均一になることを抑制できる。また、本発明のプラズマ処理装置で形成された太陽電池の製造方法では、成膜速度を大きくしても膜質および膜厚が不均一になることを抑制できるため、所望の良好な膜を形成することができる。このため、太陽電池の出力特性の低下を防止しつつ、成膜速度を大きくすることができる。

本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置を示した概略図である。 図１に示した第１実施形態に係るプラズマ処理装置の上部電極を示した概略図である。 本発明に係る太陽電池の拡大断面図である。 従来技術に係るプラズマ処理装置を示した概略図である。 従来技術に係るプラズマ処理装置における下部電極周辺の拡大断面図である。

次に、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

〈プラズマ処理装置の構成〉
以下に、本発明の第１実施形態におけるプラズマ処理装置１について、プラズマ処理装置１を示した概略図である図１、およびこのプラズマ処理装置１の上部電極４のシャワープレート４１を示した概略図である図２を用いて説明する。

図１に示すように、真空チャンバ２内には、平行型構造を有する上部電極４と下部電極３とが互いに対向するように設置される。真空チャンバ２、上部電極４および下部電極３は、それぞれ、本発明の「処理室」、「第１電極」および「第２電極」の一例である。なお、第１実施形態によるプラズマ処理装置１は、上部電極４より原料ガスを供給するとともに電圧を印加し、下部電極３を所定の電圧とする点で背景技術と異なる。

また、真空チャンバ２は、側方に排気口２ａを有するとともに、その排気口２ａは、排気流量調整バルブ５を介して真空排気設備６に接続される。本実施形態では、真空排気設備６は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）６ａおよび油回転ポンプ（ＲＰ）６ｂによって構成される。

下部電極３は、上部電極４と対向する側に基板１０を保持するための基板保持部３ａが形成される。この下部電極３は、基板１０を所定の温度に保持するための図示しない加熱冷却機構部を含む。上部電極４および下部電極３のそれぞれが対向する表面は、約１５００ｍｍ×１５００ｍｍの面積を有する。また、基板１０は、約１４００ｍｍ×１１００ｍｍの面積を有する。

また、上部電極４は、下部電極３上に保持された基板１０に対向するように配置されたシャワープレート４１を有する。シャワープレート４１には、図２（ａ）に示した上面図のように、同心円状に形成された凸部４１ａ〜４１ｅが設けられる。この凸部４１ａ〜４１ｅの先端部は、Ｘ−Ｙ面と平行な面を有し、Ｘ／Ｙ方向にいずれも３ｍｍ程度の幅となるように形成される。凸部４１ａ〜４１ｅの先端部のＸ−Ｙ平面の中心には、ガス供給口４２を設けられ、このガス供給口４２は原料ガス供給源７に接続される。

また、図２（ａ）のＡ−Ｂ断面を示した図２（ｂ）のように、凸部４１ａ〜４１ｅの先端部は、Ｘ−Ｙ面と平行な面が形成され、いずれの先端部の平面はＺ軸において面一となるように形成されている。なお、ここでの面一とは凸部４１ａ〜４１ｅの先端部の平面が完全に同一のＸ−Ｙ平面上に位置するもののみでなく、凸部４１ａ〜４１ｅの先端部の平面がＺ軸方向に約１ｍｍ以内の高低差を有するものをも含む。

さらに、隣接する凸部４１ａ〜４１ｅの間に形成された凹部４３ａ〜４３ｄの底部までの深さは、シャワープレート４１の中央部に比べ、外周部の方が先端部からのＺ方向に深くなるように形成される。本実施形態では、凹部４３ａ〜４３ｄの底部までの深さは、４３ａ＝４３ｂ＜４３ｃ＜４３ｄのように段階的に基板１０中央部のＡ側から外周部のＢ側に向かって深くなるように形成したが、例えば４３ａ＜４３ｂ＜４３ｃ＜４３ｄ＜４５ｅのように基板１０中央部から外周部に向かって順々に先端部から底部までの深さが深くなるように形成しても良い。

シャワープレート４１は、Ａｌ板を用いる。このシャワープレート４１は導電性部材であればよく、本実施形態で用いたＡｌの代わりに、Ｃｕ，ＳＵＳなどを用いても良い。
〈作用および効果〉
本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置１によれば、基板１０全面に渡って均一な膜質と膜厚を有する膜を成膜することができる。このような効果について、以下に詳説する。

（１）本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置１では、凸部４１ａ〜４１ｅが設けられたシャワープレート４１を用いる。これにより、凸部４１ａ〜４１ｅの先端部に電界を集中させることが可能となり、先端部付近に高密度なプラズマからなるプラズマ発生領域８を発生させることができる。このプラズマ発生領域８で効率良く原料ガスを分解してより多くの成膜種を生成することが可能となるので、成膜速度を向上させることができる。

（２）さらに、シャワープレート４１に設けられた隣接する凸部４１ａ〜４１ｅの間に形成された凹部４３ａ〜４３ｄを、シャワープレート４１の中央部に比べ、外周部の方が先端部からのＺ方向への深さが深くなるように形成される。つまり、本実施形態では基板１０とそれぞれの凹部４３ａ〜４３ｄで形成されるガスが流れる空間を、基板１０の中央部のＡ側に比べて外周部のＢ側の方が広くなるようにする。これにより、原料ガスを大量供給した場合であっても、基板１０中央部に比べて外周部でのガスの流速が速くなることを抑制し、基板１０の中央部と外周部におけるガス流速が一定となるようにすることができる。したがって、本実施形態のプラズマ処理装置１では、基板１０中央部と外周部において、ガス流速をほぼ一定にすることにより、膜質および膜厚が不均一になることを抑制することができる。

（３）また、シャワープレート４１に設けられた凸部４１ａ〜４１ｅは、同心円状に形成される。これにより、基板１０の中央部から外周部に向かってより良くガスが流れやすくすることができ、より早く成膜することができる。

（４）さらに、隣接する凸部４１ａ〜４１ｅの中心間は、１ｃｍ程度とする。これにより、凸部４１ａ〜４１ｅを中心とする隣接し合うプラズマ発生領域８、８とがオーバラップする。上部電極４の全面に配置されたプラズマ発生領域８、８…により、基板１０の全面で成膜種を生成することができるので、膜質および膜厚が不均一になるのを有効に抑制することができる。

〈太陽電池の構成〉
次に、プラズマ処理装置１を用いて本発明の太陽電池２０を製造する方法について説明する。

本実施形態で製造される太陽電池２０は、図３に示すように、基板１０上に透明導電膜１１と光電変換ユニット１２および１３と裏面電極１４とを順次積層される。

基板１０は、ガラス等の光透過性の部材により構成され、太陽電池の単一基板である。この基板１０の光入射側と反対の裏面側に複数の光起電力素子が形成される。

透明導電膜１１（基板側電極）は、基板１０上に形成される。透明導電膜１１として、本実施形態では高い光透過性、低抵抗性、可塑性を有し、低価格であるため好適なＺｎＯを用いる。

光電変換ユニット１２および１３は、透明導電膜１１上に形成され、光電変換ユニット１２および１３は、それぞれ非晶質シリコン半導体および微結晶シリコン半導体により構成される。なお、本明細書において、「微結晶」の用語は、完全な結晶状態のみならず、部分的に非結晶状態を含む状態をも意味するものとする。

裏面電極１４（裏面側電極）は、Ａｇ等の導電性部材により構成され、光電変換ユニット１２および１３上に形成される。なお、裏面電極１４と光電変換ユニット１３の間に透明導電材料からなる層を介在させても良い。

上記の実施形態では、非晶質シリコン半導体と微結晶シリコン半導体とが順次積層された光電変換ユニット１２および１３を用いたが、微結晶又は非晶質光電変換ユニットの単層又は３層以上の積層体を用いても良い。また、第１光起電力素子と第２光起電力素子の間にＺｎＯ，ＳｎＯ_２，ＳｉＯ_２，ＭｇＺｎＯからなる中間層を設け、光学的特性を向上させた構造としても良い。さらに、透明導電膜１１は、本実施形態で用いたＺｎＯの他、Ｉｎ_２Ｏ_３，ＳｎＯ_２，ＴｉＯ_２，Ｚｎ_２ＳｎＯ_４の金属酸化物より選択された一種類あるいは複数種類の積層体により構成しても良い。

〈太陽電池の製造方法〉
以下に、プラズマ処理装置１を用いた上述の太陽電池２０の製造方法について説明する。

初めに、４ｍｍ厚のガラス基板１０上に、スパッタにより６００ｎｍ厚のＺｎＯ電極１１を形成する。

次に、上記実施形態のプラズマ処理装置により、光電変換ユニット１２および１３を形成する。

詳述すると図１に示すように、プラズマ処理装置１の下部電極３の上部電極４と対向する面に形成された基板保持部３ａに基板１０を固定した後、真空排気設備６により真空チャンバ２内を真空排気する。

そして、上部電極４と下部電極３との間に、図２に示すように、原料ガス供給源７（図１参照）に接続された上部電極４のガス供給口４２から原料ガスを供給する。この後、上部電極４に高周波電力を供給することにより、上部電極４の凸部４１ａ〜４１ｅを中心としてプラズマを発生させる。これにより、原料ガスがプラズマにより分解されて成膜種が生成される。原料ガスがプラズマにより分解されて生成された成膜種が基板１０上に堆積することによって、基板１０上に所定の膜（図示せず）が形成される。

光電変換ユニット１２は、プラズマ処理装置１により、ＳｉＨ_４、ＣＨ_４、Ｈ_２およびＢ_２Ｈ_６との混合ガスを原料ガスとして膜厚１０ｎｍのｐ型非晶質シリコン半導体層を、ＳｉＨ_４とＨ_２との混合ガスを原料ガスとして膜厚３００ｎｍのi型非晶質シリコン半導体層を、ＳｉＨ_４、Ｈ_２およびＰＨ_４との混合ガスを原料ガスとして膜厚２０ｎｍのｎ型非晶質シリコン半導体層を形成し順次積層する。又、光電変換ユニット１３は、プラズマ処理装置１により、ＳｉＨ_４、Ｈ_２およびＢ_２Ｈ_６との混合ガスを原料ガスとして膜厚１０ｎｍのｐ型微結晶シリコン半導体層を、ＳｉＨ_４とＨ_２との混合ガスを原料ガスとして膜厚２０００ｎｍのi型微結晶シリコン半導体層を、ＳｉＨ_４、Ｈ_２およびＰＨ_４との混合ガスを原料ガスとして膜厚２０ｎｍのｎ型微結晶シリコン半導体層を形成し順次積層する。以下にプラズマ処理装置の諸条件の詳細を表１に示す。

次に、２００ｎｍ厚のＡｇ電極１４を、光電変換ユニット１３上にスパッタにより形成する。

以上により、ガラス基板１０上に太陽電池２０を形成する。そして、この太陽電池２０の裏面電極１４上には、図４で示すようにＥＶＡ（エチレン・ビニル・アセテート）等からなる充填剤１５、およびＰＥＴ／Ａｌ箔／ＰＥＴ等からなるバックシート１６を設け、太陽電池モジュールとする。

なお、上記実施形態では、光電変換ユニット１２および１３の全てをプラズマ処理装置１によって形成する例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、光電変換ユニット１２および１３の少なくとも一部をプラズマ処理装置１によって形成すればよい。
〈作用および効果〉
本発明の太陽電池２０の製造方法では、成膜速度を大きくしても膜質および膜厚が不均一になることを抑制できるため、所望の良好な膜を形成することができる。この結果、膜質および膜厚の不均一に起因する変換効率の低下を防止することができ、より大きな電力を取り出すことができる。即ち、本発明の太陽電池の製造方法では、成膜速度の向上と太陽電池の変換効率の低下防止を両立することができる。

１ プラズマ処理装置
３ 下部電極
４ 上部電極
４１ シャワープレート
４１ａ〜４１ｅ 凸部
４２ ガス供給口
４３ａ〜４３ｄ 凹部
１０ 基板
１１ 透明導電膜
１２、１３ 光電変換ユニット
１４ 裏面電極
２０ 太陽電池

Claims (5)

1. 処理室内に配設された第１の電極と、
   前記第１の電極に対向し、基板を保持できる第２の電極と、
   前記処理室内から排気を行なう排気手段と、
   前記処理室内にガスを供給するガス供給手段と、
   を備え、
   前記第１の電極は、前記第２の電極に対向する側に複数の凸部を有し、前記凸部の先端部にガス供給口が形成されたものであって、
   前記複数の凸部の先端部となる面が面一に形成され、
   前記凸部間に形成される凹部の深さが、前記第１の電極の中央部に比べ、外周部の方が深いことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記凸部間に形成される凹部の深さが、前記第１の電極の中央部から外周部に向かい、段階的に深くなることを特徴とする請求項２に記載されたプラズマ処理装置。
3. 前記凸部が同心円状に配置された前記第１の電極を有することを特徴とする請求項１又は２に記載されたプラズマ処理装置。
4. 基板上に基板側電極を形成する工程と、
   基板を保持できる第２の電極と、前記第２の電極に向けてガス供給口を有する複数の凸部が形成された第１の電極を備えたプラズマ処理装置を用いて、前記基板側電極上に光電変換ユニットの少なくとも一部を形成する工程と、
   前記光電変換ユニット上に裏面側電極を形成する工程と、
   を含み、
   前記複数の凸部は、先端部となる面が面一に形成されており、且つ前記凸部間に形成される凹部の深さが、前記第１の電極の中央部に比べ、外周部の方が深いことを特徴とする太陽電池の製造方法。
5. 前記光電変換ユニットとして、微結晶光電変換ユニットを含む複数の光電変換ユニットを用いたことを特徴とする請求項４に記載された太陽電池の製造方法。

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