JP2011510176A - 真空コーティング装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
本発明のストリップコーティングシステム1は、第1のプーリ2に巻回された柔軟性のある、金属又はアルミの基板3を備えるプーリ2を含む。更に、本ストリップコーティングシステム1は、コーティングされた基板3を巻き取る第2のプーリ4(巻き取りプーリ)を有する。本ストリップコーティングシステム1において行われるコーティングプロセスは、連続的なコーティングプロセスである。このコーティングプロセスの間、第1のプーリ2及び第2のプーリ4は回動し、基板3の表面3’上にコーティングパーティクル6を堆積するためのコーティング装置5を、基板3が連続的に通過するように、基板3を動かす。速度vによりコーティング部を通過した後、表面3’の上にコーティングフィルムを載せた基板3は、コーティングフィルム7の層の厚さを計測するためのIR分光計測装置8を通過する。矢印9はIR分光計測装置8とコーティング装置5との間のフィードバック制御を示している。フィードバック制御9は計測装置8により検出されたコーティングフィルム7の厚さの計測値に応じて、コーティング装置5の、1つ、又は、複数のプロセスパラメータを制御する。このようにして、コーティングフィルム7の厚さを、インシチュにより、オンラインで測定し得る。
Description
本発明は、コーティングチャンバと、このコーティングチャンバのコーティング部にある基板上にコーティング層を堆積する為のコーティング装置と、この基板上に堆積したコーティング層の物理的な特性、特に厚さ、を決定する為の決定手段を含む真空コーティング装置に関する。更に、本発明は、a)コーティングチャンバ内を連続的に移動する基板を設け、b)基板の表面の第1の部分がコーティング部を通過する間、コーティングチャンバ内の基板の表面の第1の部分の物理的特性、特に厚さ、を有するコーティングフィルムを堆積し、c)赤外線(IR)分光計測法を用いることによりコーティングチャンバ内のコーティング部の下流の基板の表面の第1の部分上に堆積したコーティングフィルムの物理的特性、特に厚さ、を決定することを含む、基板上にコーティングフィルムを形成する方法に関する。更に、本発明は基板上に堆積したシリコン層の厚さを計測する方法に関する。
複数の技術分野において、薄膜の堆積、若しくは、幾層もの薄膜の堆積が求められる。1つの層若しくは複数層の堆積後、その層の特定の物理的な特性がその堆積システムの許容可能な一定の品質を確認するために、計測されなくてはならないことは明白である。計測されるべきパラメータの1つは、基板上に堆積した1つの層の厚さである。1つの層の厚さが、その層を含むシステムの、いくつかの物理的特性に影響を及ぼすという事実により、その層の厚さの計測は特に重要である。
1つの層の厚さを決定するために用いられる適宜な計測及び検出システムは、その層を含むシステム内の層の配置と同様に、コーティングフィルムの材質、及び、基板の特性次第で選択される。事実、多くの計測及び検出方法が知られている。例えば、1つの層の厚さは、反射及び/又は透過効果を計測することにより、例えば、基板に堆積したフィルムの表面から反射する第1の波と、その基板の表面から反射する第2の波との干渉を計測することに決定される。この方法は、単一の波長の計測、及び、例えば、可視及び紫外線(UV)の範囲での、スペクトラム波長帯の計測を含む。
しかしながら、ある特定の材質からなる1つの層の厚さを決定するためには、その通常用いられる方法は、適当ではない。例えば、真空コーティング装置内で作られたシリコン層の厚さを計測するのは困難である。更に、それらの層の表面は構造化/パターン化されているので、その光学的計測結果は、しばしば、劣化しており、ソーラー応用分野に用いられるシリコン層の厚さを決定することはできない。この構造化/パターン化された表面により、光の散乱及び不要波による干渉という問題が引き起こされる。他の問題は、シリコン層における比較的高い光の吸収率である。
更に、多くの計測方法は、1つの膜が堆積され、別個のプロセスにおいてコーティングチャンバから基板が取り除かれた後に行われるのみである。従って、その層の厚さが所定の範囲から逸脱したときに直ぐに対応することは不可能である。
本発明の目的は、たとえ、層の表面が構造化されているものであっても、その層の生産プロセスにおいて、その層の特性、特にその層の厚さ、に対し、信頼性ある計測が可能となる、基板上にコーティング層を形成する真空コーティング装置及び方法を提供することである。更に、他の目的は、本システム及び方法により層の厚さが所定範囲から逸脱したときに、そのコーティングプロセス内で迅速な対応を可能とすることである。
この目的は請求項1による真空コーティング装置を提供することにより、及び、請求項7による基板上のコーティング層の形成方法を提供することにより達成される。
本発明による真空コーティング装置は、コーティングチャンバと、コーティングチャンバのコーティング部において、基板上にコーティング層を堆積するためのコーティング装置と、基板上に堆積したコーティング層の物理的特性、特に厚さ、を決定するための決定手段とを含む。更に、本真空コーティング装置は、その基板上に堆積したコーティングフィルムの物理的特性、特に厚さ、を決定するための決定手段を含む。この決定手段は、その基板上に堆積したコーティングフィルムの物理的特性、特に厚さ、を計測するための、コーティング部の下流に配置された赤外線(IR)分光計測手段を含む。この真空コーティング装置は、決定手段により決定された物理的特性に応じて、真空コーティング装置の複数のパラメータの内の1つを制御し、コーティング部に堆積したコーティングフィルムの厚さを制御するフィードバック制御ユニットを含む。この決定手段は真空コーティング装置内に含まれる。
従来のシステムにおいては、別個のプロセス、即ち、エクスシチュー(ex-situ)により、1つの層の厚さが決定されていたが、本発明では、決定手段は、コーティング装置の一部分であり、1つの層の厚さをインシチュ(in-situ)による計測することが可能となる。
本発明は、ストリップコーティング装置内で、金属基板、若しくは、金属層によりコーティングされた、例えば、プラスティック基板など基板の上に堆積したシリコン層の厚さの計測について、特に、説明している。シリコン層は、例えば、ソーラーセルの応用分野などの多くの技術的応用分野において必要とされており、パターン化された/構造化された表面を有するかもしれない。しかしながら、一般に、他の特性、例えば、いくつかの層の、あるいは、シリコン層と基板との間に配置された中間層の上面上に堆積されているシリコン層の特性が決定されるかもしれない。
本コーティング装置は、基板上に、例えば、シリコンコーティングフィルム/シリコン層を堆積するためのコーティング装置である。「シリコンコーティングフィルム」という用語は、少なくとも少量のシリコンを含む、いかなる層も含む。コーティングプロセスは、真空の雰囲気中において実行される。例えば、蒸着コーティングプロセス、PVDコーティングプロセス、スパッターコーティングプロセス、プラズマ支援コーティングプロセスなど、適宜なコーティングプロセスが用いられ得る。
シリコン層の厚さをインシチュにより計測する為に、真空の雰囲気中において、層の物理的特性、特に厚さ、の計測を可能にする適宜な計測装置が提供される。物理的特性を決定することは、物理的特性(例えば、厚さ)、若しくは、その物理的特性の変化を決定することを含む。また、この計測装置により、1つのパターン若しくは構造がその層の表面上に形成されている場合でも、その特性の正確で信頼性のある計測が可能となる。更に、決定された特性が所定の値(範囲)から逸脱してときに、迅速な対応が可能となる迅速な計測手段が提供される。コーティングプロセスのパラメータは、その偏差を補償するように制御されるかもしれない。
制御ユニットは、コーティングプロセスの間に、コーティングフィルムの厚さに影響を及ぼすプロセスパラメータを制御するために、制御パラメータとしてコーティング層の厚さを用いるフィードバック制御を含む。従って、層の特性は、コーティング装置内の適宜な部位に配置された1つ、若しくは、複数のセンサーを用いて、製造プロセスの間、インシチュにより、及び、オンラインでモニターされ得る。反射したピークの振幅若しくは形状における変化は、シリコン層の特性、特に、厚さ、の変化を示すかもしれない。
特に、決定手段は基板上に堆積したコーティングフィルムの物理的特性、特に厚さ、を計測するための計測手段を含む。
コーティングフィルムが、第1の基板、若しくは、引き延ばされた基板の第1の部分に堆積した直後に、真空雰囲気内において、コーティングフィルムの厚さが真空コーティングチャンバ内で計測され得る。それと同時に、コーティングプロセスは、第2の基板、若しくは、引き延ばされた基板の第2の部分上に、コーティングフィルム堆積するために、継続されるかもしれない。インシチュによる計測を含む、特に、ストリップコーティング装置において、本発明のシステム及び方法を用いれば、特性(例えば、基板上に堆積したシリコン層の厚さ)の変化は、真空コーティングチャンバ内において決定されるので、迅速な対応が可能となる。他方、コーティングチャンバの外での計測、即ち、エクスシチューによる測定では、コーティングフィルムの欠陥及び良好でない特性は決定され得るが、迅速には修正され得ない。
基板上に堆積されるコーティングフィルムの特性をインシチュにより計測するための計測手段は、コーティングチャンバ内に配置されることが好ましい。インシチュによる計測とは、その計測が実質的にコーティングプロセスと同じ場所で、即ち、真空チャンバ内で行われることを意味する。
真空雰囲気内でのインシチュによる計測は、真空条件下で機能する計測装置を必要とする。このように、シリコン層の厚さのオンラインによる計測は、コーティングパラメータ及びその物理的特性が所定値の範囲から逸脱したときに直ぐに反応することを可能とするために行われる。
従って、この計測手段は赤外線(IR)分光計測手段を含むことが好ましい。IR分光計測手段は、コーティングフィルムを非接触で非破壊によって計測することを可能とする光学的計測手段である。インシチュによる計測を可能とするほか、赤外線(IR)分光計測手段は、その層の物理的特性が変化するときかなりの効果を示す。たとえば、典型的なソーラーの応用分野において、200ナノメートルより厚いシリコン層は、そのスペクトルの位置に基づき容易に評価されるかもしれない、IRスペクトラムの範囲における、反射の最大値を生成する。この屈折率は、およそ3.5である。
本発明のより好ましい実施形態において、赤外線(IR)分光計測手段は、基板、及び/又は、その基板上に堆積したコーティングフィルムから反射されるべきIR放射を放出するためのIR放出ソースを含む。このIR放出ソースは、1つ、若しくは、複数の分離した波長、若しくは、IR放射のスペクトラム範囲を有する放射を放出するかもしれない。
特に、本赤外線(IR)分光計測手段は、基板及び/又はその基板上に堆積したコーティングフィルムから反射したIR放射を、そのIR放射の波長の関数として検出するIR検出器を含む。
反射したIR放射のスペクトラムの分散(例えば、強度)は、基板、及び/又は、コーティングフィルムの物理的特性に依存する。従って、例えば、コーティングフィルムの厚さの特性の変化は、変化したIR反射のスペクトラムによってもたらされる。このIR反射スペクトラムの変化により、特定の物理的特性の変化についてのある結論がもたらされる。例えば、厚さが減少すると、IR反射のスペクトラムに第1の変化が現れ、コーティングフィルムの厚さが増加すると、IR反射のスペクトラムに第2の変化が現れる。コーティングフィルムの厚さの減少及び増加の量は、それぞれ、IR反射スペクトラムにおける変化から決定され得る。本発明のより好ましい実施形態において、真空コーティング装置は真空ストリップコーティング装置である。
本発明のインシチュによる計測は、特に、連続的コーティングプロセスにおいて用いられるのに好適である。真空ストリップ(バンド/ダブ)コーティング装置において、第1のプーリはその上に巻回された柔軟性ある基板(例えば、金属、及び/又は、Al/Moから造られた基板、及び/又は、例えば、金属/Al/Mo層によりコーティングされたプラスティック基板)を保持する。第1のプーリは、連続的に基板部材のストリップを供給し、第2のプーリ(巻き上げプーリ)は、基板部材のコーティングされたストリップを受け、それを巻き上げる。例えば、蒸着プロセス、CVDコーティングプロセス、PVDコーティングプロセス、スパッターコーティングプロセス、プラズマ支援プロセスなどにおいて、第1のプーリと第2のプーリとの間に、コーティング装置が配置され、コーティング装置を通過する基板上にシリコン層が堆積される。
計測手段、例えば、センサー素子は、シリコン層が基板ストリップの一部分に堆積されるところであるコーティング部と、そのコーティング部の下流にある第2のプーリとの間に配置される。このセンサーはシリコン層の厚さを決定するための測定を実施する。このインシチュによる計測は、コーティングされたストリップがセンサー素子を連続的に通過ときに、オンラインで実施されるかもしれない。これにより、連続的な制御、例えば、シリコン層の厚さ、コーティングプロセスのパラメータ、特に、層の厚さに影響をもたらし得るパラメータに対し、フィードバック制御が可能となる。
また、この目的は、a)コーティングチャンバ内に連続して移動する基板を提供し、b)基板表面の第1の部分がコーティング部を通過する間に、コーティングチャンバ内の基板の表面の第1の部分の上に、物理的特徴、特に厚さ、を有するコーティングフィルムを堆積し、c)赤外線(IR)分光計測方法を用いることによりコーティングチャンバ内において、コーティング部の下流で基板の表面の第1の部分上に堆積したコーティングフィルムの物理的特性、特に厚さ、を決定するステップを含む、基板上にコーティングフィルムを形成する方法を提供することにより達せられる。この方法は更に、d)前記基板の表面の第2の部分がコーティング部を通過する間に、コーティングチャンバのコーティング部内で基板の表面の第2の部分上に堆積したコーティングフィルムの厚さを制御するために物理的特性に反応してコーティングプロセスのパラメータの1つ又は複数をフィードバック制御することを含む。この方法のステップd)は、方法のステップc)において計測された物理的特性に応じて、方法のステップb)において基板の表面上に堆積したコーティングフィルムの物理的特性に影響を及ぼすフィードバックパラメータを提供することを含む。
物理的特性を決定する本方法のステップc)はコーティングチャンバ内で物理的特性を計測するステップを含む。
コーティングフィルムを堆積する本方法のステップb)は、例えば、PVDプロセス、CVDプロセス、スパッタープロセス、蒸着プロセス、プラズマ支援プロセスなどコーティングプロセスなどを用いることを含む。連続するコーティングプロセスにおいて、基板の第1の部分がコーティングされている間に、コーティングフィルムが既に形成されている基板の第2の部分が本発明のステップc)の対象となる。
本発明のより好ましい実施形態において、物理的特性を計測する本方法のステップc)は、赤外線(IR)分光計測方法を含む。この光学的計測方法は非接触で非破壊的な方法である。
この赤外線(IR)分光計測方法は、基板、及び/又は、その基板の表面上に堆積したコーティングフィルムからの反射するIR反射スペクトラムを計測することを含む。IR反射分光計測方法は、真空の雰囲気において、即ち、インシチュにより基板に堆積したシリコン層の特性及び/又は厚さを計測するのに好適である。入射する放射波は、1つ、若しくは、複数の分離した波長を有するか、若しくは、一定のスペクトラム範囲の連続する波長スペクトラムを有するかもしれない。
特に、IR放射の反射スペクトラムの強度は、放射の波長の関数として計測される。1つの例として、反射したIR放射の波長の関数としての強度が計測されるかもしれない。また、計測のサイクルの間に、入射する放射波の波長を変化させることも可能であるかもしれない。分光方法は、金属基板、あるいは、例えば、金属層によりコーティングされたプラスティック基板などの基板の上に堆積したシリコン層(例えば、α―Si,n−Si)のIR反射のスペクトラムを決定するのに用いられるかもしれない。このスペクトラムの波長の範囲は、約1000nmから、およそ1700nmまでの間であるかもしれない。そのIR波長の範囲において、金属ホイル上に堆積したシリコン層の反射スペクトラムの計測の効果は、シリコンは約1000nmより大きい電磁波に対して透過性を示すということである。従って、薄膜は、(放射の波長に比べ)比較的厚い層と同様に計測され得る。更に、ソーラーの技術において用いられる構造若しくは構成組織の影響がかなり低減される。光学的な測定を大きく邪魔する散乱光はない。
特定の厚さに対応する期待されるスペクトラムは、標準のスペクトラムを計算することにより、又は、計測することにより取得され得る。厚さを計測する間、IR放射のスペクトラムは、標準からの偏差を決定するために、これらのスペクトラムと比較される。
より好ましい実施形態において、本方法のステップb)は、真空ストリップコーティングプロセスを用いる、基板の表面上にコーティングフィルムを堆積することを含む。
本発明のより好ましい実施形態において、本方法のステップb)は、基板の表面上にシリコン層を堆積することを含む。この基板は、金属基板、及び/又は、アルミニウム(Al)若しくはモリブデン(Mo)層によりコーティングされた金属基板であるかもしれない。
また、本発明の目的は、基板の表面上に堆積したシリコンコーティングフィルムの厚さを決定するステップを含み、真空コーティングチャンバ内でIR分光計測方法を用いて厚さを計測するステップを含む、基板上に堆積したシリコンコーティングフィルムの厚さを計測する方法を提供することにより達成される。特に、本方法は、基板上にコーティングフィルムを形成するための方法と関連した、上述されたようなステップc)及び/又はステップd)による方法である。
説明された方法及び装置の特徴及びそれらの組合せに対しての保護が要求される。
本発明の更なる構成及び効果は以下のより好ましい実施形態及び添付図面により明白になる。
図1は本発明によるストリップコーティングシステム1の概略図である。
ストリップコーティングシステム1は、第1のプーリ2に巻回された、引き伸ばされた柔軟性のある、金属若しくはAl/Moでコーティングされた金属基板3を保持する第1のプーリ2に含む。更に、ストリップコーティングシステム1は、そのコーティングされた基板3を巻き上げる第2のプーリ4(巻き上げプーリ)を有する。
ストリップコーティング1において実行されるコーティングプロセスは連続的なコーティングプロセスである。このコーティングプロセスの間、第1のプーリ及び第2のプーリ4は回転し、基板3がコーティングツール5を連続的に通過するように基板3を移動せしめ、基板3の表面3’上にコーティングパーティクル6が堆積する。
表面3’上にコーティングフィルム7を有する基板は、速度vによりコーティング部を通過した後、コーティングフィルム7の厚さを決定するために、コーティングフィルム7のIR反射のスペクトラムを計測するためのIR分光計測装置8を通過する。
コーティングツール5は、例えば、スパッタコーティング装置、CVDコーティング装置、CVDコーティング装置、蒸着装置、プラズ支援プロセスのための装置等の、基板上に、シリコン(又はIR分光計測の可能性に関し同等の特性を有する層)を堆積するための適宜なコーティング装置であってもよい。
図1における矢印9は、IR計測装置8とコーティング装置5との間のフィードバック制御を示す。このフィードバック制御9は、計測装置8により検出されたコーティングフィルム7の厚さの計測値に応じて、コーティング装置5の1つ又は複数のプロセスパラメータを制御する。このように、コーティングフィルム7の厚さをインシチュによりオンライン計測することが可能となり得る。
基板3上にシリコン層7を形成するコーティングパーティクル6と同様に、説明されたコンポーネント2、4、5、及び8は、真空コーティングチャンバ(図示せず)内に、特に、真空ストリップコーティング装置(図示せず)の真空コーティングチャンバ内に配置され、収容される。
図2は図1のIR計測の構成8の特定の実施形態を図示する。
IR計測装置8は、単一の波長、若しくは、所定のスペクトラムの範囲のIR放射11を放出するIR放射放出器10を含む。IR放射の束11は、1つ又は複数の分離した波長、若しくは、一束のスペクトラムの波長の範囲のものであるかもしれない。
送出される放射波11は、例えば、シリコンコーティングフィルム7の表面7’、及び/又は、基板3の前面表面3’の上の境界層において反射される。この反射したビーム12は、IR検出器13により検出される。IR計測装置13は、例えば、反射されたIR放射の1つ又は複数の波長の関数として、あるいは、入射ビームの入射角の関数として、IR放射の強度スペクトラムを測定するかもしれない。
計測の間,IR検出器13は、基板3の表面3’に対して所定の角度により配置されるかもしれない。この角度は、一回の計測の間、若しくは、2回の計測の間で変化されるかもしれない。反射したIR放射12は、所定の波長のところで、及び/又は、いくつかの異なる波長の強度スペクトラムとして検出される。
シリコン層7の厚さを決定するこの方法は、シリコン層7の表面7’が構造化され/パターン化されている場合でも、真空雰囲気内でのオンライン計測に好適であり、良好な結果をもたらすものである。
Claims (11)
- コーティングチャンバと、
前記コーティングチャンバのコーティング部において、前記基板(3)上のコーティング層(7)を堆積するためのコーティング装置(5)と、
前記(3)上に堆積した前記コーティング層(7)の物理的特性、特に厚さ、を決定するための決定手段(8)とを含み、
前記決定手段(8)は、前記基板(3)上に堆積した前記コーティングフィルム(7)の前記物理的特性、特に厚さ、を計測するための、前記コーティング部の下流に配置された赤外線(IR)分光計測手段(10、13)を含み、
前記真空コーティング装置(1)は、前記決定手段(8)により決定された前記物理的特性に応じて、前記真空コーティング装置の1つ又は複数のパラメータを制御し、前記コーティング部において堆積したコーティングフィルムの厚さを制御するためのフィードバック制御を含むことを特徴とする、連続コーティングプロセスにおいて基板をコーティングするための真空コーティング装置(1)。 - 前記計測手段(10、13)は、前記基板(3)の上に堆積した前記コーティングフィルム(7)の特性をインシチュにより計測するために、前記コーティングチャンバ内に配置されていることを特徴とする請求項1記載の真空コーティング装置(1)。
- 前記赤外線(IR)分光計測手段(10、13)は、前記基板(3)及び/又は前記基板(3)上に堆積した前記コーティングフィルム(7)から反射されるIR放射を送出するためのIR放出ソース(10)を含むことを特徴とする請求項2記載の真空コーティング装置(1)。
- 前記赤外線(IR)分光計測手段(10、13)は、IR放射の波長の関数として、前記基板(3)及び/又は前記基板(3)上に堆積した前記コーティングフィルム(7)から反射されるIR放射を検出するためのIR検出器(13)を含むことを特徴とする請求項3記載の真空コーティング装置(1)。
- 前記真空コーティング装置(1)は、真空ストリップコーティング装置であることを特徴とする前記請求項のうちのいずれか1項記載の真空コーティング装置(1)。
- 前記真空コーティング装置(1)は、前記決定手段により決定された前記物理的特性に応じて、前記真空コーティング装置の1つ又は複数のパラメータを制御する制御ユニット(9)を含むことを特徴とする前記請求項のうちのいずれか1項記載の真空コーティング装置(1)。
- (a)コーティングチャンバ内において連続して移動する基板(3)を設け、
(b)前記基板(3)の表面の(3’)の前記第1の部分が前記コーティング部を通過する間に,前記コーティングチャンバのコーティング部内において,前記基板(3)の表面(3’)の第1の部分の上に,物理的特性,特に厚さ、を有するコーティングフィルム(7)を堆積し、
(c)赤外線(IR)分光計測方法を用いることにより、前記コーティングチャンバ内の前記コーティング部の下流で前記基板(3)の前記表面(3’)の前記第1の部分の上に堆積した前記コーティングフィルム(7)の前記物理的特性、特に前記厚さ、を決定するステップを含み、
前記方法は、更に、
(d)前記基板(3)の前記表面(3’)の前記第2の部分が前記コーティング部を通過する間に、前記コーティングチャンバの前記コーティング部において、前記基板(3)の前記表面(3’)の第2の部分上に堆積したコーティングフィルムの厚さを制御するために、前記物理的特性に応じて前記コーティングプロセスの1つ又は複数のパラメータをフィードバック制御するステップを更に含むことを特徴とする、基板(3)の上にコーティングフィルム(7)を形成するためのコーティング方法。 - 前記赤外線(IR)分光計測方法は、前記基板(3)及び/又は前記基板(3)の前記表面(3’)上に堆積したコーティングフィルム(7)から反射されるIR放射の反射スペクトラムを計測することを含むことを特徴とする請求項7記載の方法。
- 前記IR放射の反射スペクトラムの前記強度は、前記放射の波長の関数として計測されることを特徴とする請求項8記載の方法。
- 前記方法のステップb)は、真空ストリップコーティングプロセスを用いて前記基板(3)の前記表面(3’)上に前記コーティングフィルム(7)を堆積することを含むことを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項記載の方法。
- 前記方法のステップb)は前記基板(3)の前記表面(3’)上にシリコン層を堆積することを含むことを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項記載の方法。
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