JP2011222863A - 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
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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3と、第1の電極3に対向し、基板10を保持できる第2の電極4と、処理室2内から排気を行なう排気手段と、処理室2内にガスを供給するガス供給手段と、を備え、第1の電極3は、第2の電極4に対向する側に凸部41を有し、凸部41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41(41a〜41e)の先端部の幅が、第1の電極3の中央部に比べ、外周部の方が小さい。
【選択図】 図2
【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3と、第1の電極3に対向し、基板10を保持できる第2の電極4と、処理室2内から排気を行なう排気手段と、処理室2内にガスを供給するガス供給手段と、を備え、第1の電極3は、第2の電極4に対向する側に凸部41を有し、凸部41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41(41a〜41e)の先端部の幅が、第1の電極3の中央部に比べ、外周部の方が小さい。
【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5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6は、図5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5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5および図6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6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。
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、外周部でのガスの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の幅が、前記第1の電極の中央部に比べ、外周部の方が小さい。
本発明の他の実施形態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、複数の凸部間に形成される凹部の幅が、第1の電極の中央部に比べ、外周部の方が大きい。
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第1工程と、基板側電極上に光電変換ユニットを形成する第2工程と、光電変換ユニット上に裏面側電極を形成する第3工程と、を含む太陽電池の製造方法であって、第2工程は、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、を備えるプラズマ処理装置を用いて光電変換ユニットを形成し、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の幅が、第1の電極の中央部に比べ、外周部の方が小さい。
本発明の他の実施形態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第1工程と、基板側電極上に光電変換ユニットを形成する第2工程と、光電変換ユニット上に裏面側電極を形成する第3工程と、を含む太陽電池の製造方法であって、第2工程は、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、を備えるプラズマ処理装置を用いて光電変換ユニットを形成し、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、複数の凸部間に形成される凹部の幅が、第1の電極の中央部に比べ、外周部の方が大きい。
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。
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40を示した概略図である図2を用いて説明する。
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40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40を有する。シャワープレート40には、図2(a)に示した上面図のように、X−Y方向に整列する略格子状に配置された複数の凸部41・・・が設けられる。この凸部41の先端部は、X−Y面と平行な面を有するように形成され、中心には原料ガス供給源7に接続されたガス供給口42が設けられる。なお、X方向およびY方向に隣接するガス供給口42は、1cm程度の間隔となるように等間隔に配置される。
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。
凸部41a〜41eの先端部のX方向における幅Ha〜Heは、シャワープレート40の中央部に比べて外周部に位置するものの方が小さくなるように形成される。本実施形態では、凸部41a〜41eの先端部のX方向における幅Ha〜Heは、Ha>Hb>Hc>Hd>Heのように、シャワープレート40の中央部から外周部に向かって順々に小さくなるものとしたが、例えばHa=Hb>Hc=Hd>Heのように段階的に小さくなるようにしても良い。
一方、隣接する凸部41a〜41eの間に形成された凹部43a〜43dのX方向における幅ha〜hdは、シャワープレート40の中央部に比べて外周部に位置するものの方が大きくなるように形成される。つまり、シャワープレート40は中央部から外周部に向かって、凸部41a〜41eの先端部の幅Ha〜Heが小さくなった分、凹部43a〜43dの幅を大きくすることにより、凸部41a〜41eの先端部の中央部に設けられた各々のガス供給口42の間隔を一定とすることができる。本実施形態では、凹部43a〜43dのX方向における幅ha〜hdは、ha<hb<hc<hdのように、シャワープレート40の中央部から外周部に向かって順々に大きくなるものとしたが、例えばha=hb<hc=hdのように段階的に小さくなるようにしても良い。
なお、凹部43a〜43dの底部までの深さは、シャワープレート40の中央部および外周部に亘って、Z方向に同じ深さを有するように形成される。
上記の記載では、X方向における凸部41a〜41eおよび凹部43a〜43dの幅の関係を説明したが、Y方向においても同様の関係となるようにシャワープレート40が形成される。
なお、本実施形態は図2(a)に記載したシャワープレート40の全面に複数の凸部41・・・を形成したものに限らず、図3に記載したようにシャワープレート40の外周部の領域にだけ複数の凸部41・・・を形成したものとしても良い。
シャワープレート40としては、Al板を用いる。このシャワープレート40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。
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、中央部から外周部に向かってX/Y方向に対する先端部の幅が小さくなった凸部41a〜41eが設けられたシャワープレート40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。さらには、シャワープレート40の中央部に比べて外周部に位置する凸部41の先端部の幅を小さくすることにより、中央部に位置する凸部41aに比べて外周部に位置する凸部41eの方がより良く電界を集中させることが可能となり、より活性なプラズマ発生領域8を発生させることができる。これにより、中央部に比べて原料ガス濃度が希釈され易い外周部においても、このプラズマ発生領域8で効率良く原料ガスを分解し、より多くの活性種を生成することが可能となるので、外周部における成膜速度を向上させることができる。
(2)シャワープレート40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40の中央部に比べ、外周部の方がX/Y方向への幅が大きくなるように形成する。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の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、ガスの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)シャワープレート40に設けられた凸部41a〜41eを、略格子状に形成しているので、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)隣接する凸部41a〜41eの中心(ガス供給口42)間は、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ように1cm程度とする。これにより、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。
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4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,SnO2,SiO2,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、In2O3,SnO2,TiO2,Zn2SnO4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。
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、SiH4、CH4、H2およびB2H6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、SiH4とH2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、SiH4、H2およびPH4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、SiH4、H2およびB2H6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、SiH4とH2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、SiH4、H2およびPH4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5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。
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
40 シャワープレート
41、41a〜41e 凸部
42 ガス供給口
43、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
3 下部電極
4 上部電極
40 シャワープレート
41、41a〜41e 凸部
42 ガス供給口
43、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 (11)
- 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の幅が、前記第1の電極の中央部に比べ、外周部の方が小さいことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記凸部間に形成される凹部の幅が、前記第1の電極の中央部に比べ、外周部の方が大きいことを特徴とする請求項1に記載されたプラズマ処理装置。
- 複数の前記ガス供給口が、等間隔となるように配置された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。
- 前記複数の凸部の先端部となる面は、面一に形成されたことを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項に記載されたプラズマ処理装置1。
- 前記凸部の幅が、前記第1の電極の中央部から外周部に向かって段階的に小さくなることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載されたプラズマ処理装置。
- 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、
前記複数の凸部間に形成される凹部の幅が、前記第1の電極の中央部に比べ、外周部の方が大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記凸部間に形成される凹部の幅が、前記第1の電極の中央部から外周部に向かって段階的に大きくなることを特徴とする請求項2又は6に記載されたプラズマ処理装置。
- 前記複数の凸部の先端部となる面は、面一に形成されたことを特徴とする請求項6又は7に記載されたプラズマ処理装置。
- 基板上に基板側電極を形成する第1工程と、
前記基板側電極上に光電変換ユニットを形成する第2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第3工程と、
を含む太陽電池の製造方法であって、
前記第2工程は、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、を備えるプラズマ処理装置を用いて前記光電変換ユニットを形成し、
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の幅が、前記第1の電極の中央部に比べ、外周部の方が小さいことを特徴とする太陽電池の製造方法。 - 前記第2工程において、前記凸部間に形成される凹部の幅が、前記第1の電極3の中央部に比べ、外周部の方が大きいプラズマ処理装置を用いることを特徴とする請求項9に記載された太陽電池の製造方法。
- 基板上に基板側電極を形成する第1工程と、
前記基板側電極上に光電変換ユニットを形成する第2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第3工程と、
を含む太陽電池の製造方法であって、
前記第2工程は、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、を備えるプラズマ処理装置を用いて前記光電変換ユニットを形成し、
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、前記複数の凸部間に形成される凹部の幅が、前記第1の電極の中央部に比べ、外周部の方が大きいことを特徴とする太陽電池の製造方法。
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