JP3640376B2 - 薄膜製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、薄膜太陽電池,半導体,感光体などの薄膜形成に用いられる薄膜の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、上記薄膜太陽電池は周知のように、金属電極層やアモルファスシリコンを主材料とした光電変換層や透明電極層などを含む多層薄膜からなる薄膜光電変換素子などを長尺の高分子材料あるいはステンレス鋼などの金属からなる可撓性基板上に形成しておき、後で裁断して個別化する量産性に優れた製造方法を採用している。
【0003】
長尺の可撓性基板上への複数層の成膜方法としては、各成膜室内を連続移動しながら成膜するロールツーロール方式と、成膜室毎に停止させて成膜した後、成膜の終わった基板部分を成膜室外へ送り出すステッピングロール方式とがある。
【0004】
ステッピングロール方式の成膜装置は薄膜光電変換素子製造に用いることができ、成膜室ではスパッタ成膜またはプラズマCVD成膜が行われる。このステッピングロール方式を採用した成膜装置は、通常のロールツーロール成膜に比べ以下の点が優れている。
【0005】
(1)隣接する成膜室とのガス相互拡散がない。
【0006】
(2)装置がコンパクトである。
【0007】
ステッピングロール方式成膜装置に関する従来技術は、特開平6−291349号公報、特開平7−6953号公報、特開平7−221025号公報、特開平8−250431号公報、特開平8−293491号公報、特開平9−63970号公報、特願平10−368782号などに記載されている。
【0008】
図2に、共通真空室内に成膜室を複数有するステッピングロール成膜方式の従来の製造方法に関わる薄膜製造装置例の側面断面図を示し、図3に前記特開平8−250431号公報に記載された成膜室の概略構造の一例を示す。先に成膜室の概略構造について、以下に説明する。
【0009】
図3(a)、(b)はそれぞれ、成膜室の開放時および封止時の概略断面図を示す。断続的に搬送されてくる可撓性基板1の上下に函状の下部成膜部室壁体21と上部成膜部室壁体22とを対向配置し、成膜室の封止時には、下部成膜部室壁体21と上部成膜部室壁体22からなる独立した処理空間を構成するようになっている。この例においては、下部成膜部室壁体21は電源40に接続された高周波電極31を備え、上部成膜部室壁体22は、ヒータ33を内蔵した接地電極32を備える。
【0010】
成膜時には、図3(b)に示すように、上部成膜部室壁体22が下降し、接地電極32が基板1を抑えて下部成膜部室壁体21の開口側端面に取付けられたシール部材50に接触させる。これにより、下部成膜部室壁体21と基板1とから、排気管61に連通する気密に密閉された成膜空間60を形成する。上記のような成膜室において、例えば、プラズマ化学気相成長(以下、CVDという。)により成膜する場合、高周波電極31へ高周波電圧を印加することにより、プラズマを成膜空間60に発生させ、図示しない導入管から導入された原料ガスを分解して基板1上に膜を形成することができる。なお、高周波電極31は、図3には図示しないが、原料ガスを成膜空間60に導入するために、電極は、ガス導入口と、シャワー電極としての格子状金属板を備える構成が採用される。図2におけるプラズマCVD室84の左上の電極は、上記シャワー電極のイメージで図示している。
【0011】
次に、ステッピングロール成膜方式の従来の薄膜製造装置に関して、図2により、以下に説明する。基板1は基板搬送系の一部であるコア82から巻き出されコア83に巻き取られる間に、いくつかの成膜室で成膜される。共通室81は複数の成膜室を内部に収めている。薄膜太陽電池の場合、成膜室は、アモルファスシリコンを形成するプラズマCVD室84と透明電極や金属電極を形成するスパッタ室85とからなる。プラズマCVD室84は、成膜時に原料ガスの圧力制御を行うようになっており、メカニカルブースターポンプ91とドライポンプ92の組み合わせで構成されたプラズマCVD室用真空排気系に、圧力制御弁103、開閉弁B101を介して接続されている。
【0012】
また、ガス供給系は、ガス供給バルブ72、74とマスフロー73、および、図示しないガスボンベとからなる。ガス供給系は、開閉弁A70を介してプラズマCVD室84に接続されている。ガス供給バルブ72、74、マスフロー73、および、ガスボンベは、当該プラズマCVD室84に必要なガスの種類分用意されている。
【0013】
スパッタ室85は圧力制御弁106、開閉弁B104を介してスパッタ室用真空排気系としてのクライオポンプ95に接続されている。共通室81は開閉弁C105を介してターボ分子ポンプ96、ドライポンプ97の組み合わせからなる高真空の共通室用真空排気系に接続されている。また、ガス供給系は、プラズマCVD室84と同様に、図示しないガス供給バルブ、マスフロー、ガスボンベから構成されている。
【0014】
なお、プラズマCVD室84ならびに共通室81のポンプの後段には図示しない配管によりガスの除害装置が接続されている。
【0015】
上記装置により、薄膜太陽電池の場合、前段の複数のプラズマCVD室84において光電変換層が形成され、次のスパッタ室85において透明電極層が形成され、最終段のスパッタ室85において金属電極層(裏面の接続電極層)が形成される。
【0016】
次に、従来の製造方法について説明する。説明の便宜上、プラズマCVD室84を中心に説明するが、スパッタ室85もこの発明に関わる操作は実質的に同様である。プラズマCVD室84においては、プラズマCVD室開放−基板の1フレーム移動−プラズマCVD室封止−原料ガス導入−圧力制御−放電開始−放電終了−原料ガス停止−ガス引き−プラズマCVD室開放からなる操作が繰り返される。
【0017】
以下に、従来のステッピングロール方式のプラズマCVDによる成膜方法の詳細を上記操作手順にしたがって述べる。
【0018】
まず最初に、プラズマCVD室開放の状態で成膜する可撓性基板1を成膜位置に移動する。この状態では、成膜する圧力に制御する排気系とプラズマCVD室を接続する開閉弁B101は閉じており、成膜する圧力に制御するための圧力制御弁103、106は開いている。その他の開閉弁B104および開閉弁C105は開いた状態で共通室81の高真空排気を行っている。また、プラズマCVD室84の開閉弁A70およびガス供給バルブ72、74は閉じている。(基板の1フレーム移動)
次に、プラズマCVD室84を封止する。(プラズマCVD室封止)
その後、開閉弁A70およびガス供給バルブ72、74を開け、マスフロー73で成膜原料ガスを流量制御して導入し、圧力が2Paに上昇してから開閉弁B101を開け、メカニカルブースターポンプ91、ドライポンプ92で真空排気する。(原料ガス導入)
さらに約30秒経過後、ガスの流れ、混合比が安定した段階で圧力制御弁103により成膜する圧力に制御する。圧力制御開始から圧力制御完了まで約15秒を要する。即ち、ガス混合比安定および圧力制御完了まで約45秒を要する。(圧力制御)
真性アモルファスシリコンを成膜する際には、SiH4を主原料ガスとし、これにH2、あるいは、He、あるいは、Ar等の希釈ガスを加えた混合ガスを用いる。p型、あるいは、n型のアモルファスシリコンを形成する際には、これらにB2H6、あるいは、PH3を加え、さらに所望の光学的バンドギャップを得るためにCO2、あるいは、CH4を加えた混合ガスを用いる。なお、スパッタにおいては、例えば、ArとO2の混合ガスが使用される。
【0019】
次に、図示しない高周波電源、または、直流電源により接地電極と高周波電極の間に電圧を印加して放電させ、成膜を行う。(放電開始)
規定時間の放電終了後、電圧印加を停止し成膜を終了する。(放電終了)
次に、ガス供給バルブ72、74を閉じて成膜原料ガスの供給を停止する。(原料ガス停止)
圧力制御弁103での圧力制御を停止しガスの真空排気を行う。(ガス引き)
プラズマCVD室84では圧力が2Pa以下になった段階で、開閉弁A70を閉じた後、開閉弁B101を閉じ、プラズマCVD室84を開放する。(プラズマCVD室開放)
その後、可撓性基板1を次の成膜位置に送り、以下必要なステップの成膜を続けて行う。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、ステッピングロール方式でプラズマCVD成膜を行う場合、プラズマCVD室開放−基板1フレーム移動−プラズマCVD室封止−原料ガス導入−圧力制御−放電開始−放電終了−原料ガス停止−ガス引き−プラズマCVD室開放からなる操作が繰り返される。これら操作のうち、成膜開始−放電終了の間以外は、成膜に寄与しない無駄な時間(以下、成膜外時間という。)である。従来の製造方法では、これら成膜外時間は、プラズマCVD室開放に、約2秒、基板の1フレーム移動に約30秒、プラズマCVD室封止に約2秒、原料ガス導入に約1秒、ガス混合比安定・圧力制御に約45秒、ガス引きに約10秒の合計約90秒かかっていた。一方、成膜開始−放電終了の成膜時間は、約240秒である。1ステップにかかる時間は、約330秒であり、成膜外時間の割合は、約27%であった。生産性を上げるためには、1ステップにかかる時間(タクトタイム)を短縮、すなわち、成膜外時間を短くするか、成膜速度を上げて成膜時間を短くする必要がある。
【0021】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、成膜に寄与しない無駄な時間を短縮し、生産性の向上を図った薄膜製造方法を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を達成するため、この発明はまず、一つの真空槽からなる共通室と、前記共通室の内部に設けられた可撓性基板の搬送系と、前記可撓性基板に薄膜を形成するために設けられた少なくとも一つのプラズマCVD室を含む複数の成膜室と、前記プラズマCVD室に開閉弁Aを介して接続されたガス供給系と、前記プラズマCVD室に開閉弁Bを介して接続されたプラズマCVD室用真空排気系と、前記共通室に開閉弁Cを介して接続された共通室用真空排気系と、前記プラズマCVD室と開閉弁Bとの間に設けた圧力制御弁とを備え、さらに、前記ガス供給系と開閉弁Aとの間と、前記開閉弁BとプラズマCVD室用真空排気系との間に接続して設けられ、開閉弁Dを有するガス供給分岐配管を備えた薄膜製造装置を用いて、薄膜を製造する方法において、前記可撓性基板への第1ステップの成膜終了後、ガスの供給を一旦停止してプラズマCVD室内のガスを所定圧力まで排気した後、可撓性基板を次のステップに搬送開始時点でガス供給を開始して前記プラズマCVD室用真空排気系に予備的に流し、可撓性基板の搬送終了後にプラズマCVD室を封止し、ガス供給をプラズマCVD室用真空排気系からプラズマCVD室へ切り換えて成膜を行うこととする(請求項1)。
【0023】
上記発明の好適な実施態様として、請求項1に記載の薄膜製造方法において、前記ガス供給系は、複数のガスを供給する系とする(請求項2)。
【0024】
また、請求項1または2に記載の薄膜製造方法において、前記薄膜は、薄膜太陽電池用の薄膜とする(請求項3)。
【0025】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態について以下に述べる。
【0026】
図1に、この発明の薄膜製造方法を実施するための薄膜製造装置に関わる実施例の側面断面図を示す。図1において図2の装置における部材と同一の部材には、同一番号を付して説明を省略する。図1と図2の相違点は、図1においては、ガス供給系(ガス供給バルブ72、74、マスフロー73)と開閉弁A70との間と、開閉弁B101とプラズマCVD室用真空排気系(メカニカルブースターポンプ91およびドライポンプ92)との間に、開閉弁D71を有するガス供給分岐配管100を接続した点である。上記装置を用いた製造方法の実施例について、以下に説明する。
【0027】
(製造方法の実施例)
図1に示す薄膜製造装置により、アモルファスシリコンの膜形成を行った。以下に、その実施例を述べる。
【0028】
大気中でコア82に巻かれた可撓性基板1は、プラズマCVD室84、スパッタ室85の間を通され、コア83に取り付けられた。
【0029】
次に、共通室81の真空引きを行うために、開閉弁C105を開け、ドライポンプ97を起動した。共通室81の圧力が10Paになった時点で、ターボ分子ポンプ96を起動し、6×10-3Pa以下の圧力になるまで真空引きを行った。
【0030】
次に、例えば特願平11−179455号に、同一発明者により提案されている工程、即ち、可撓性基板上に薄膜光電変換素子を形成する前に,成膜室にガスを導入して予め成膜室を加熱する工程と、正規に薄膜光電変換素子を成膜する前に,製造開始時にコア82から巻き出された先頭部分の基板上に薄膜光電変換素子の予備的成膜を施す予備成膜工程を行った。これらの工程は、製造開始当初から、変換効率の高い太陽電池の製造を可能とし、製品の歩留りの向上を図ることを目的としている。
【0031】
次に、プラズマCVD室開放の状態で成膜する可撓性基板1を成膜位置に移動する。この状態では、成膜する圧力に制御するプラズマCVD室用真空排気系とプラズマCVD室84を接続する開閉弁B101は閉じており、成膜する圧力に制御する圧力制御弁103、106は開いている。開閉弁B104、および開閉弁C105は開いた状態で共通室81の高真空排気を行っている。また、プラズマCVD室84の開閉弁A70およびガス供給バルブ72、74は閉じている。
【0032】
次に、プラズマCVD室84を封止した。
【0033】
その後、開閉弁A70およびガス供給バルブ72、74を開け、マスフロー73で成膜原料ガスを流量制御して導入し、圧力が2Paに上昇してから開閉弁B101を開け、メカニカルブースターポンプ91、ドライポンプ92で真空排気した。この時、開閉弁D71は閉じた状態である。さらに30秒経過後、ガスの流れが安定した段階で圧力制御弁103により成膜する圧力に制御した。
【0034】
真性アモルファスシリコンを成膜する際には、SiH4を主原料ガスとし、これにH2、あるいは、He、あるいは、Ar等の希釈ガスを加えた混合ガスを用いた。p型、あるいは、n型のアモルファスシリコンを形成する際には、これらにB2H6、あるいは、PH3を加え、さらに所望の光学的バンドギャップを得るためにCO2、あるいは、CH4を加えた混合ガスを用いた。
【0035】
次に、図示しない高周波電源、または、直流電源により接地電極と高周波電極の間に電圧を印加して放電させ、成膜を行った。そして、規定時間の放電終了後、電圧印加をやめ成膜を終了した(第1ステップの成膜終了)。
【0036】
次に、ガス供給バルブ72、74を閉じて成膜原料ガスの供給をやめ、圧力制御弁103、106での圧力制御をやめガスの真空排気をした。プラズマCVD室84では圧力が2Pa以下になった段階で、開閉弁A70を閉じ、次に開閉弁B101を閉じた。
【0037】
その後、以下の2つの工程(A),(B)を並行して行った。
【0038】
(A)成膜室を開放し、可撓性基板1を次の成膜位置に送った。
【0039】
(B)開閉弁D71を開け、続いてガス供給バルブ72、74を開けてマスフロー73で成膜原料ガスを流量制御した。
【0040】
次に、プラズマCVD室84を封止した。そして、開閉弁A70を開け、続いて開閉弁D71を閉じた。圧力が2Paに上昇してから開閉弁B101を開け、メカニカルブースターポンプ91、ドライポンプ92で真空排気した。直ちに圧力制御弁103により成膜する圧力に圧力制御を開始した。圧力制御完了後、放電を開始し、規定時間の放電終了後、電圧印加をやめ成膜を終了した。
【0041】
以下必要なステップの成膜を続けた。
【0042】
上記実施例では、2ステップ目以降では、基板1フレーム移動中に原料ガスがプラズマCVD室用真空排気系に流れ続けているので、基板搬送中にガス混合比の安定化が図れる。このため、従来に比べ成膜外時間を約30秒短縮することができた。つまり、成膜外時間約60秒、成膜時間約240秒で、1ステップにかかる時間は、約300秒であり、成膜外時間の割合は、約20%であった。タクトタイムは、従来の約330秒からこの実施例では約300秒に短縮された。この結果、生産性が約10%向上した。
【0043】
【発明の効果】
上記のように、この発明によれば、一つの真空槽からなる共通室と、前記共通室の内部に設けられた可撓性基板の搬送系と、前記可撓性基板に薄膜を形成するために設けられた少なくとも一つのプラズマCVD室を含む複数の成膜室と、前記プラズマCVD室に開閉弁Aを介して接続されたガス供給系と、前記プラズマCVD室に開閉弁Bを介して接続されたプラズマCVD室用真空排気系と、前記共通室に開閉弁Cを介して接続された共通室用真空排気系と、前記プラズマCVD室と開閉弁Bとの間に設けた圧力制御弁とを備え、さらに、前記ガス供給系と開閉弁Aとの間と、前記開閉弁BとプラズマCVD室用真空排気系との間に接続して設けられ、開閉弁Dを有するガス供給分岐配管を備えた薄膜製造装置を用いて、薄膜を製造する方法において、前記可撓性基板への第1ステップの成膜終了後、ガスの供給を一旦停止してプラズマCVD室内のガスを所定圧力まで排気した後、可撓性基板を次のステップに搬送開始時点でガス供給を開始して前記プラズマCVD室用真空排気系に予備的に流し、可撓性基板の搬送終了後にプラズマCVD室を封止し、ガス供給をプラズマCVD室用真空排気系からプラズマCVD室へ切り換えて成膜を行うことにより、ガス混合比を安定させることを基板の移動時間中に行うことができ、成膜外時間を短縮でき、その結果、生産性が向上する。
【0044】
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明に関わる薄膜製造装置の実施例の側面断面図
【図2】 従来の製造方法に関わる薄膜製造装置の一例の側面断面図
【図3】 図2における成膜室の概略構成の一例を示す図
【符号の説明】
1:可撓性基板、70:開閉弁A、71:開閉弁D、72,74:ガス供給バルブ、73:マスフロー、81:共通室、82,83:コア、84:プラズマCVD室、85:スパッタ室、91:メカニカルブースターポンプ、92:ドライポンプ、95:クライオポンプ、96:ターボ分子ポンプ、97:ドライポンプ、100:ガス供給分岐配管、101,104:開閉弁B、103,106:圧力制御弁、105:開閉弁C。
Claims (3)
- 一つの真空槽からなる共通室と、前記共通室の内部に設けられた可撓性基板の搬送系と、前記可撓性基板に薄膜を形成するために設けられた少なくとも一つのプラズマCVD室を含む複数の成膜室と、前記プラズマCVD室に開閉弁Aを介して接続されたガス供給系と、前記プラズマCVD室に開閉弁Bを介して接続されたプラズマCVD室用真空排気系と、前記共通室に開閉弁Cを介して接続された共通室用真空排気系と、前記プラズマCVD室と開閉弁Bとの間に設けた圧力制御弁とを備え、さらに、前記ガス供給系と開閉弁Aとの間と、前記開閉弁BとプラズマCVD室用真空排気系との間に接続して設けられ、開閉弁Dを有するガス供給分岐配管を備えた薄膜製造装置を用いて、薄膜を製造する方法において、前記可撓性基板への第1ステップの成膜終了後、ガスの供給を一旦停止してプラズマCVD室内のガスを所定圧力まで排気した後、可撓性基板を次のステップに搬送開始時点でガス供給を開始して前記プラズマCVD室用真空排気系に予備的に流し、可撓性基板の搬送終了後にプラズマCVD室を封止し、ガス供給をプラズマCVD室用真空排気系からプラズマCVD室へ切り換えて成膜を行うことを特徴とする薄膜製造方法。
- 請求項1に記載の薄膜製造方法において、前記ガス供給系は、複数のガスを供給する系としたことを特徴とする薄膜製造方法。
- 請求項1または2に記載の薄膜製造方法において、前記薄膜は、薄膜太陽電池用の薄膜であることを特徴とする薄膜製造方法。
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