JP4316767B2 - 基板処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜系太陽電池等電子デバイスを形成するための基板処理装置に関するもので、特に処理室と緩衝室の接続管にガス導入口を設けたことを特徴とした基板処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、薄膜系太陽電池の量産において、低コストで生産できる工程が期待されている。製造の低コスト化を図る手段の一つとして、ロール状に巻いた可撓性基板を他方のロールへ巻き取りながら、その過程において成膜、印刷、レーザー加工等の各単位操作をインラインで行って、連続的に処理する方法が知られている。この様な、一方の端から他方の端に、可撓性基板を連続して搬送させる方法をロールツーロール（Roll-to-Roll、以下ロールツーロールと表記）法と呼んでいる。特に非単結晶シリコン膜などの半導体薄膜を可撓性基板（例えば、高分子フィルム、金属薄膜等）上に連続的に成膜する手段としてロールツーロール方式は一般的に使用される。非単結晶シリコンはアモルファスシリコン、微結晶シリコン、薄膜多結晶シリコンを示す。
【０００３】
ロールツーロール方式成膜装置は一般的にロード室、アンロード室の他、複数の成膜室からなるマルチチャンバー方式で構成される。ロールツーロール方式成膜装置では長尺の可撓性基板が連続的に搬送される被成膜物であり、各真空室間を分離するゲートバルブを用いることができない。そのため、各真空室を連続的に設けた成膜装置で成膜工程を行うと、可撓性基板からの脱ガス及び各成膜室で用いる原料ガスが、隣接する他の成膜室へ混入するというクロスコンタミネーションを起こし、半導体膜の膜質が悪化してしまうという問題が発生した。
【０００４】
クロスコンタミネーションを防止する従来の方法は、特開昭59-34668号公報に開示されている。成膜室間に緩衝室を設け、緩衝室には各成膜室より独立した排気系を接続し、雰囲気制御のために成膜室より高い真空度が得られるようにすることである。図１は成膜室間に緩衝室を設けた従来の雰囲気分離方法である。成膜室101、103の間に緩衝室102を設けている。成膜室101、103の雰囲気圧力をそれぞれＰｃ１、Ｐｃ２とし、緩衝室の雰囲気圧力をＰｂ１とすると、圧力の大きさはＰｃ１、Ｐｃ２＞Ｐｂ１の関係になる。緩衝室の圧力は成膜室の成膜時圧力よりも1/10以下であることが望ましい。前記方法により各成膜室に導入される成膜原料ガスが隣接する他の成膜室へ混入するというクロスコンタミネーションを防止する。しかし、緩衝室に流入する成膜原料ガスのほとんどは緩衝室の排気系を通じて緩衝室外に排気されるが、高真空に保つが故にガス分子の平均自由行程は長く、緩衝室単体での雰囲気制御は十分でないという問題が発生する。また、塵の多い成膜室から緩衝室へと成膜原料ガスが流入する方向であるため、塵を巻き込みやすい構造で、可撓性基板などの被成膜基板へ塵が付着する頻度が高くなることも問題である。
【０００５】
クロスコンタミネーションを防止する他の方法は、特開平9-107116号公報に開示されている。各成膜室間に、断面の開口部寸法が処理対象基板を通し得る最小の寸法となる接続管（実質的には緩衝室）を設け、接続管に、イナートガス（水素や希ガス）を導入する方法である。図２は成膜室を接続する接続管にイナートガスを導入し、雰囲気制御を行うための従来構造である。イナートガス208は接続管204から成膜室201及び203へと流入する。成膜室201、203の雰囲気圧力をそれぞれＰｃ３、Ｐｃ４とし、接続管内の雰囲気圧力をＰｓ１とすると、圧力の大きさはＰｓ１＞Ｐｃ３、Ｐｃ４の関係になる。前記方法では、各成膜室の雰囲気制御も効果的で、被成膜基板への塵の付着も少ない。しかし、イナートガスが成膜用プラズマ中に混入することから半導体膜の膜質が変化してしまうという問題が発生する。本来、イナートガスは不活性であるが半導体膜中では不純物として導電特性などの物性に変化をもたらしてしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
基板を連続して処理する、複数の基板処理室を備えた基板処理装置において、基板処理室間の雰囲気分離を行い、クロスコンタミネーションを防止し、原料ガスと異なるガス種が基板処理室内に混入することによる半導体膜の膜質悪化及び基板処理能力の悪化を防止する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも一つの処理室と、前記処理室とは独立した排気系を持つ、少なくとも一つの緩衝室を設けた基板処理装置において、前記処理室と前記緩衝室の間は、接続管を設け、前記接続管にガス導入口を設けたことを特徴とした基板処理装置である。前記接続管は、断面の開口部寸法が処理対象基板を通し得る最小の寸法となるようにする。
【０００８】
図３は本発明の一実施例における基板処理室分離の構造である。基板処理室３０１と３０３の間には雰囲気分離のための緩衝室３０２を設け、各基板処理室と緩衝室の間は基板処理用ガスの導入管３０７ａ及び３０７ｂをそれぞれ備えた接続管３０４ａ及び３０４ｂで接続する。ここで本発明の特徴となるのが、接続管へ導入するガスが隣接する基板処理室で必要とされる基板処理用ガスであることである。例えば導入ガス３０８は基板処理室３０１で使用するガス、導入ガス３０９は基板処理室３０３で使用するガスである。本発明により基板処理室の雰囲気組成を変えることなく、純度の高い半導体膜を処理することが可能となる。また基板処理室３０１、３０３の雰囲気圧力をそれぞれＰｓ５、Ｐｓ６とし、接続管３０４ａ、３０４ｂ内の雰囲気圧力をそれぞれＰｓ２、Ｐｓ３とし、緩衝室３０２内の雰囲気圧力をＰｂ２とすると、圧力の大きさはＰｓ２、Ｐｓ３＞Ｐｓ５、Ｐｓ６＞Ｐｂ２の関係になる。前記圧力関係により基板処理用ガス３０８は接続管から基板処理室３０１及び緩衝室３０２へと流入し、基板処理用ガス３０９は接続管から基板処理室３０３及び緩衝室３０２へと流入するため、塵の多い基板処理室から緩衝室への塵の移動は、ガス流に逆らって発生することはなく、被処理基板への付着も少ない。
【０００９】
本発明の雰囲気分離方法は、プラズマＣＶＤ装置、スパッタ装置、プラズマエッチング装置等の内一つ、あるいは複数の装置を組み合わせたプラズマ処理装置に限定されるものではなく、熱ＣＶＤ装置、蒸着装置等の基板処理装置においても雰囲気分離を行い、基板を連続して処理する必要がある場合には有効である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、以下に説明する。太陽電池作製用のプラズマＣＶＤ装置を例として、ｎ層成膜室、緩衝室、ｉ層成膜室でのプラズマＣＶＤ工程を、図３を用いて説明する。プラズマ処理室３０１がｎ層成膜室、３０３がｉ層成膜室となる。ｎ層成膜室３０１には原料ガスであるＳｉＨ４＋Ｈ２＋ＰＨ３（３０８）を、接続管３０７ａを通じて供給し、同時に緩衝室３０２へも同原料ガスが流入する。他方、ｉ層成膜室３０３では原料ガスであるＳｉＨ４＋Ｈ２（３０９）を、接続管３０７ｂを通じて供給し、同時に緩衝室３０２へも同原料ガスが流入する。緩衝室３０２に流入した各原料ガスは独立した排気系３０６ｂによって、そのほとんどが緩衝室外へと排気される。また、各原料ガスは接続管を通じて緩衝室に流入するため、一度緩衝室へ流入した原料ガスが接続管内のガス流に逆らって再び成膜室に流入することはない。原料ガスは接続管を通じて成膜室へと供給されるが、成膜室内に別途原料ガスの供給口を設けても良い。
【００１１】
【実施例】
［実施例１］
本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。図４は本発明であるプラズマ処理室分離方法を用いたロールツーロール方式マルチチャンバープラズマ処理装置である。先ず、図４の装置を太陽電池作成用のロールツーロール方式マルチチャンバープラズマＣＶＤ装置として実施例を説明する。本図面はプラズマ電極に平行平板方式を用いているが、特に本構造に限定したものではなく、キャン方式、曲面ローラー方式を用いたものでも効果は同様である。
【００１２】
401は巻き出しロール、402a、402b、402c、402d、402e、402f、402g、402h、402i、402j、402k、402lはガイドローラー、403は可撓性の被成膜基板であるＰＥＮフィルム（ポリエチレンナフタレート）、404a、404b、404c及び405a、405b、405cはｐ、ｉ、ｎの各導電型を有するアモルファスシリコンを成膜するためのプラズマＣＶＤの電極対である。406は各導電型のアモルファスシリコンを成膜したフィルムを巻取る巻き取りロールとなっている。407のロード室、409a、409b、409cの成膜室、410に示すアンロード室それぞれの間には本発明の構成である408a、408b、408c、408dの緩衝室及び411a、411b、411c、411d、411e、411fの原料ガス導入口付接続管を設けている。409a、409b、409cの成膜室はそれぞれｎ型、ｉ型、ｐ型の導電率を有するアモルファスシリコンを成膜する成膜室で、原料ガス導入口である411a、411bからはSiH4+H2+PH3、411c、411dからはSiH4+H2、411e、411fからはSiH4+H2+B2H6を導入する。
【００１３】
成膜室の成膜時圧力は133Paであるのに対し、緩衝室は独立真空系で10Paとしてある。それぞれの成膜室には両隣に接続される原料ガス導入口から接続管を通して原料ガスが流入され、それぞれの導電率を有するアモルファスシリコンが成膜される。一方で各成膜室に対向する方向に設けられた緩衝室にも接続管を通して原料ガスが流入され、独立の真空系にて緩衝室外へと排気される。また、緩衝室へ流入した原料ガス分子は接続管内のガス流に逆らって再度プラズマ室に流入することができないため、各成膜室の雰囲気は不純物が混入することなく一定に保たれる。加えて、緩衝室から成膜室方向へとガスが流れるため、塵が可撓性基板に付着する頻度を抑えることができる。
【００１４】
本実施例において、各成膜室では純度の高い原料ガスによってアモルファスシリコンの成膜がなされるとともに、塵の基板への付着を抑えることが可能となった。本実施例ではマルチチャンバープラズマＣＶＤ装置を例としたが、シングルチャンバーでの単層および往復多層成膜やスパッタ装置などに適用できることは言うまでもなく、太陽電池に限らずＴＦＴなどのシリコン活性層形成にも有効である。
【００１５】
［実施例２］
本発明の他の実施例について、図４をロールツーロール方式スパッタ装置として説明する。409aはアルミニウムをスパッタリング法によって成膜する成膜室である。先ず、接続管上のガス導入口411a及び411bからアルゴンガスを導入し、409a内をアルゴンガス雰囲気にする。次に雰囲気ガス圧力を67Paに調整し、404aと405aの間に電力を投入し、プラズマを発生させる。 409bはＩＴＯをスパッタリング法によって成膜する成膜室で、成膜時、ガス導入口411c及び411dからアルゴンガスと酸素を導入し、409b内をアルゴンガスと酸素の混合ガス雰囲気にする。成膜時ガス圧力は67Paとする。成膜室409aと409bの間には緩衝室408bを設け、各成膜室と緩衝室はガス導入口を設けた接続管で接続する。404bと405bはそれぞれプラズマを発生させるための電極対である。
【００１６】
ここで成膜室409aと409bにそれぞれ導入したガスが互いに混合し、各成膜室に必要な雰囲気組成とは変わってしまうと、スパッタリング法により成膜されたアルミニウム膜及びＩＴＯ膜における導電率等の膜質が変化してしまう。特にアルミニウム膜においては雰囲気に酸素が混合することによって導電率が下がり、所望の高導電率を得ることができない。
【００１７】
しかし成膜室409aと409bの間に接続管及び緩衝室408bを設け、本発明である、接続管に設けたガス導入口からの、前記ガス導入方法を用いると、成膜室間の雰囲気は分離される。そして成膜室409aにはアルゴンガス、成膜室409bにはアルゴンガスと酸素の混合ガスという雰囲気に分離され、各成膜室に必要な雰囲気組成を得ることができる。また成膜されたアルミニウム膜及びＩＴＯ膜における導電率等の膜質に変化を及ぼさず、所望の膜質を得ることができる。
【００１８】
［実施例３］
本発明の他の実施例について、以下に示す。図４に示すロールツーロール方式プラズマ処理装置を使用して、図５に示す可撓性基板上の非単結晶シリコン膜を連続加工する。
【００１９】
先ず、図５（Ａ）に示すような可撓性基板503を準備し、ロール状に巻く。可撓性基板503上には金属電極502、非結晶シリコン膜501を堆積する。
【００２０】
図４に示す装置の409aはＩＴＯをスパッタリング法によって成膜するスパッタ室、409bはCF4+O2による非単結晶シリコン膜のプラズマエッチング室である。スパッタ室409aとプラズマエッチング室409bの間には緩衝室408bを設け、スパッタ室と緩衝室、プラズマエッチング室と緩衝室はそれぞれガス導入口を設けた接続管で接続する。404aと405a 、404bと405bはそれぞれプラズマを発生させるための電極対である。この装置に前記可撓性基板を設置する。巻き出しローラー401から前記可撓性基板を巻き出し、巻き取りローラー406に巻き取り、可撓性基板を搬送しながら連続処理する。
【００２１】
ＩＴＯスパッタ室409aではマスク等を使用してＩＴＯを成膜する。成膜時、接続管上のガス導入口411a及び411bからアルゴンガス及び酸素を導入し、409a内をアルゴンガス及び酸素の混合ガス雰囲気にする。成膜時圧力は67Paとする。前記成膜後、図５（Ｂ）に示す構造が作成できる。504はＩＴＯ、505はマスクによりＩＴＯが成膜されなかったＩＴＯの開口部である。
【００２２】
プラズマエッチング室409bではCF4+O2のプラズマにより、非単結晶シリコン膜のプラズマエッチングを行う。エッチング時、ガス導入口411c及び411dからCF4と酸素（O2）を導入し、409b内をCF4と酸素の混合ガス雰囲気にする。エッチング時圧力は100Paとする。前記プラズマエッチングで、図５（Ｂ）に示す開口部505の下に位置する非単結晶シリコン層のみがエッチングされ、図５（Ｃ）に示す構造が作成できる。
【００２３】
本実施例において、スパッタ室409aとプラズマエッチング室409bにそれぞれ導入したガスが互いに混合し、各処理室に必要な雰囲気組成とは変わってしまうと、スパッタリング法により成膜されたＩＴＯ膜における導電率等の膜質が変化したり、非単結晶シリコン膜のエッチング速度等が変化したりする。しかしスパッタ室409aとプラズマエッチング室409bの間に接続管及び緩衝室408bを設け、本発明である、接続管に設けたガス導入口からの、前記ガス導入方法を用いると、各処理室間の雰囲気は分離される。そしてスパッタ室409aにはアルゴンガスと酸素の混合ガス、プラズマエッチング室409bにはCF4と酸素の混合ガスと、各処理室に必要な雰囲気組成を得ることができる。また成膜されたＩＴＯ膜における導電率等の膜質に変化を及ぼしたり、非単結晶シリコン膜のエッチング速度等が変化したりせず、所望の処理が可能となる。
【００２４】
［実施例４］
本発明の他の実施例について、以下に示す。図６に示すバッチ方式プラズマＣＶＤ装置を使用して、透明導電膜付きガラス基板上に非単結晶シリコン膜を連続成膜する。さらに集積型太陽電池を作成する。
【００２５】
先ず、図７（Ａ）に示すような透明導電膜702付きガラス基板703を準備する。前記透明導電膜にはＩＴＯとＳｎＯ２を二層重ねたものを使用する。ＩＴＯの膜厚は５０ｎｍ、ＳｎＯ２の膜厚は２０ｎｍである。また透明導電膜は、開口部705を設け島状に分割する。
【００２６】
次に、透明導電膜付きガラス基板を、図６に示すバッチ方式プラズマＣＶＤ装置の基板導入用カセット６０１に設置する。この時、ガラス基板は、成膜後の非単結晶シリコン膜をパターニングできるようマスクを取り付ける。プラズマＣＶＤ装置には、各成膜室６０９ａ、６０９ｂ、６０９ｃの間には緩衝室６０８ｂ、６０８ｃを設け、更に各成膜室と緩衝室の間はそれぞれガス導入口を設けた接続管で接続する。６０４ａと６０５ａ、６０４ｂと６０５ｂ、６０４ｃと６０５ｃはそれぞれプラズマを発生させるための電極対である。透明導電膜付きガラス基板は、基板設置機構６０３及びバッチ搬送機構６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄにより搬送しながら、成膜室６０９ａにてｐ型、成膜室６０９ｂにてｉ型、成膜室６０９ｃにてｎ型の非単結晶シリコン層を、プラズマＣＶＤ法により成膜する。成膜時、接続管上のガス導入口６１１ａ及び６１１ｂからはＳｉＨ４＋Ｈ２＋Ｂ２Ｈ６、６１１ｃ及び６１１ｄからはＳｉＨ４＋Ｈ２、６１１ｅ及び６１１ｆからはＳｉＨ４＋Ｈ２＋ＰＨ３を導入する。ｐ、ｎ層の膜厚は２０〜５０ｎｍ、ｉ層の膜厚は３００〜８００ｎｍとする。成膜後、ガラス基板は基板搬送機構により取り出し用カセット６０６に設置される。この時ガラス基板からマスクを取り外す。すると図７（Ｂ）に示すように、ガラス基板上に透明導電膜７０２及び非単結晶シリコン層７０１を成膜したものを得る。
【００２７】
更に裏面電極704を、マスクを使用して成膜する。前記裏面電極材料にはクロムを使用する。また前記裏面電極は、膜厚を３００ｎｍとする。そして図７（Ｃ）に示すような集積型太陽電池構造を得る。その後図７（Ｄ）に示すように、取り出し電極706を形成し、導線707を取り付け、集積型太陽電池を完成する。前記取り出し電極には導電性接着剤を使用する。
【００２８】
本実施例において、各成膜室６０９ａ、６０９ｂ、６０９ｃにそれぞれ導入した原料ガスが互いに混合し、各成膜室に必要な雰囲気組成とは変わってしまうと、特にｉ層中に不純物準位が多量に形成され、ｉ層膜質の低下と共に太陽電池出力特性の大幅な低下を引き起こす。しかし各成膜室間に接続管及び緩衝室を設け、本発明である、接続管に設けたガス導入口から原料ガスを導入すると、各処理室間の雰囲気は分離され、各成膜室に必要な雰囲気組成を得ることができる。また成膜した非単結晶シリコン膜の特性、更には太陽電池の出力特性に変化を及ぼさず、所望の成膜が可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
基板を連続して処理する、複数の基板処理室を備えた基板処理装置において、本発明による、特別なイナートガスを用いることなく原料ガスのみを接続管へ導入する構造を使用することによって、各基板処理室における雰囲気制御および塵の付着防止がより効果的に行えるようになった。さらにクロスコンタミネーションの低減によって原料ガスと異なるガス種が基板処理室中に混入することによる半導体膜の膜質悪化及び基板処理能力の悪化を防止することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】緩衝室と独立排気系
【図２】接続管とイナートガス導入管
【図３】隣接する基板処理室で使用するガスを接続管へ導入する新規構造
【図４】ロールツーロール方式プラズマ処理装置
【図５】可撓性基板上の非単結晶シリコン膜
【図６】バッチ方式プラズマＣＶＤ装置
【図７】透明導電膜付きガラス基板上の太陽電池
【符号の説明】
101、103、201、203 成膜室
102、204、302 緩衝室
104 基板を通す開口部
105、205 可撓性基板
106、206 独立排気系
204 接続管
207 イナートガス導入口
304a、304b 接続管
306a、306b、306c 独立排気系
307a、307b 基板処理用ガス導入管
308、309 導入ガス
401 巻き出しロール
402a、402b、402c、402d、402e、402f、402g、402h、402i、402j、402k、402l ガイドローラー
403 可撓性基板
404a、404b、404c、604a、604b、604c 上部電極
405a、405b、405c、605a、605b、605c 下部電極
406 巻き取りロール
407、607 ロード室
408a、408b、408c、408d、608a、608b、608c、608d 緩衝室
409a、409b、409c、609a、609b、609c プラズマ処理室
410、610 アンロード室
411a、411b、411c、411d、411e、411f、611a、611b、611c、611d、611e、611f 原料ガス導入口付接続管
601 基板導入用カセット
602a、602b、602c、602d バッチ搬送機構
603 基板設置機構
606 基板取り出し用カセット
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜系太陽電池等電子デバイスを形成するための基板処理装置に関するもので、特に処理室と緩衝室の接続管にガス導入口を設けたことを特徴とした基板処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、薄膜系太陽電池の量産において、低コストで生産できる工程が期待されている。製造の低コスト化を図る手段の一つとして、ロール状に巻いた可撓性基板を他方のロールへ巻き取りながら、その過程において成膜、印刷、レーザー加工等の各単位操作をインラインで行って、連続的に処理する方法が知られている。この様な、一方の端から他方の端に、可撓性基板を連続して搬送させる方法をロールツーロール（Roll-to-Roll、以下ロールツーロールと表記）法と呼んでいる。特に非単結晶シリコン膜などの半導体薄膜を可撓性基板（例えば、高分子フィルム、金属薄膜等）上に連続的に成膜する手段としてロールツーロール方式は一般的に使用される。非単結晶シリコンはアモルファスシリコン、微結晶シリコン、薄膜多結晶シリコンを示す。
【０００３】
ロールツーロール方式成膜装置は一般的にロード室、アンロード室の他、複数の成膜室からなるマルチチャンバー方式で構成される。ロールツーロール方式成膜装置では長尺の可撓性基板が連続的に搬送される被成膜物であり、各真空室間を分離するゲートバルブを用いることができない。そのため、各真空室を連続的に設けた成膜装置で成膜工程を行うと、可撓性基板からの脱ガス及び各成膜室で用いる原料ガスが、隣接する他の成膜室へ混入するというクロスコンタミネーションを起こし、半導体膜の膜質が悪化してしまうという問題が発生した。
【０００４】
クロスコンタミネーションを防止する従来の方法は、特開昭59-34668号公報に開示されている。成膜室間に緩衝室を設け、緩衝室には各成膜室より独立した排気系を接続し、雰囲気制御のために成膜室より高い真空度が得られるようにすることである。図１は成膜室間に緩衝室を設けた従来の雰囲気分離方法である。成膜室101、103の間に緩衝室102を設けている。成膜室101、103の雰囲気圧力をそれぞれＰｃ１、Ｐｃ２とし、緩衝室の雰囲気圧力をＰｂ１とすると、圧力の大きさはＰｃ１、Ｐｃ２＞Ｐｂ１の関係になる。緩衝室の圧力は成膜室の成膜時圧力よりも1/10以下であることが望ましい。前記方法により各成膜室に導入される成膜原料ガスが隣接する他の成膜室へ混入するというクロスコンタミネーションを防止する。しかし、緩衝室に流入する成膜原料ガスのほとんどは緩衝室の排気系を通じて緩衝室外に排気されるが、高真空に保つが故にガス分子の平均自由行程は長く、緩衝室単体での雰囲気制御は十分でないという問題が発生する。また、塵の多い成膜室から緩衝室へと成膜原料ガスが流入する方向であるため、塵を巻き込みやすい構造で、可撓性基板などの被成膜基板へ塵が付着する頻度が高くなることも問題である。
【０００５】
クロスコンタミネーションを防止する他の方法は、特開平9-107116号公報に開示されている。各成膜室間に、断面の開口部寸法が処理対象基板を通し得る最小の寸法となる接続管（実質的には緩衝室）を設け、接続管に、イナートガス（水素や希ガス）を導入する方法である。図２は成膜室を接続する接続管にイナートガスを導入し、雰囲気制御を行うための従来構造である。イナートガス208は接続管204から成膜室201及び203へと流入する。成膜室201、203の雰囲気圧力をそれぞれＰｃ３、Ｐｃ４とし、接続管内の雰囲気圧力をＰｓ１とすると、圧力の大きさはＰｓ１＞Ｐｃ３、Ｐｃ４の関係になる。前記方法では、各成膜室の雰囲気制御も効果的で、被成膜基板への塵の付着も少ない。しかし、イナートガスが成膜用プラズマ中に混入することから半導体膜の膜質が変化してしまうという問題が発生する。本来、イナートガスは不活性であるが半導体膜中では不純物として導電特性などの物性に変化をもたらしてしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
基板を連続して処理する、複数の基板処理室を備えた基板処理装置において、基板処理室間の雰囲気分離を行い、クロスコンタミネーションを防止し、原料ガスと異なるガス種が基板処理室内に混入することによる半導体膜の膜質悪化及び基板処理能力の悪化を防止する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも一つの処理室と、前記処理室とは独立した排気系を持つ、少なくとも一つの緩衝室を設けた基板処理装置において、前記処理室と前記緩衝室の間は、接続管を設け、前記接続管にガス導入口を設けたことを特徴とした基板処理装置である。前記接続管は、断面の開口部寸法が処理対象基板を通し得る最小の寸法となるようにする。
【０００８】
図３は本発明の一実施例における基板処理室分離の構造である。基板処理室３０１と３０３の間には雰囲気分離のための緩衝室３０２を設け、各基板処理室と緩衝室の間は基板処理用ガスの導入管３０７ａ及び３０７ｂをそれぞれ備えた接続管３０４ａ及び３０４ｂで接続する。ここで本発明の特徴となるのが、接続管へ導入するガスが隣接する基板処理室で必要とされる基板処理用ガスであることである。例えば導入ガス３０８は基板処理室３０１で使用するガス、導入ガス３０９は基板処理室３０３で使用するガスである。本発明により基板処理室の雰囲気組成を変えることなく、純度の高い半導体膜を処理することが可能となる。また基板処理室３０１、３０３の雰囲気圧力をそれぞれＰｓ５、Ｐｓ６とし、接続管３０４ａ、３０４ｂ内の雰囲気圧力をそれぞれＰｓ２、Ｐｓ３とし、緩衝室３０２内の雰囲気圧力をＰｂ２とすると、圧力の大きさはＰｓ２、Ｐｓ３＞Ｐｓ５、Ｐｓ６＞Ｐｂ２の関係になる。前記圧力関係により基板処理用ガス３０８は接続管から基板処理室３０１及び緩衝室３０２へと流入し、基板処理用ガス３０９は接続管から基板処理室３０３及び緩衝室３０２へと流入するため、塵の多い基板処理室から緩衝室への塵の移動は、ガス流に逆らって発生することはなく、被処理基板への付着も少ない。
【０００９】
本発明の雰囲気分離方法は、プラズマＣＶＤ装置、スパッタ装置、プラズマエッチング装置等の内一つ、あるいは複数の装置を組み合わせたプラズマ処理装置に限定されるものではなく、熱ＣＶＤ装置、蒸着装置等の基板処理装置においても雰囲気分離を行い、基板を連続して処理する必要がある場合には有効である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、以下に説明する。太陽電池作製用のプラズマＣＶＤ装置を例として、ｎ層成膜室、緩衝室、ｉ層成膜室でのプラズマＣＶＤ工程を、図３を用いて説明する。プラズマ処理室３０１がｎ層成膜室、３０３がｉ層成膜室となる。ｎ層成膜室３０１には原料ガスであるＳｉＨ４＋Ｈ２＋ＰＨ３（３０８）を、接続管３０７ａを通じて供給し、同時に緩衝室３０２へも同原料ガスが流入する。他方、ｉ層成膜室３０３では原料ガスであるＳｉＨ４＋Ｈ２（３０９）を、接続管３０７ｂを通じて供給し、同時に緩衝室３０２へも同原料ガスが流入する。緩衝室３０２に流入した各原料ガスは独立した排気系３０６ｂによって、そのほとんどが緩衝室外へと排気される。また、各原料ガスは接続管を通じて緩衝室に流入するため、一度緩衝室へ流入した原料ガスが接続管内のガス流に逆らって再び成膜室に流入することはない。原料ガスは接続管を通じて成膜室へと供給されるが、成膜室内に別途原料ガスの供給口を設けても良い。
【００１１】
【実施例】
［実施例１］
本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。図４は本発明であるプラズマ処理室分離方法を用いたロールツーロール方式マルチチャンバープラズマ処理装置である。先ず、図４の装置を太陽電池作成用のロールツーロール方式マルチチャンバープラズマＣＶＤ装置として実施例を説明する。本図面はプラズマ電極に平行平板方式を用いているが、特に本構造に限定したものではなく、キャン方式、曲面ローラー方式を用いたものでも効果は同様である。
【００１２】
401は巻き出しロール、402a、402b、402c、402d、402e、402f、402g、402h、402i、402j、402k、402lはガイドローラー、403は可撓性の被成膜基板であるＰＥＮフィルム（ポリエチレンナフタレート）、404a、404b、404c及び405a、405b、405cはｐ、ｉ、ｎの各導電型を有するアモルファスシリコンを成膜するためのプラズマＣＶＤの電極対である。406は各導電型のアモルファスシリコンを成膜したフィルムを巻取る巻き取りロールとなっている。407のロード室、409a、409b、409cの成膜室、410に示すアンロード室それぞれの間には本発明の構成である408a、408b、408c、408dの緩衝室及び411a、411b、411c、411d、411e、411fの原料ガス導入口付接続管を設けている。409a、409b、409cの成膜室はそれぞれｎ型、ｉ型、ｐ型の導電率を有するアモルファスシリコンを成膜する成膜室で、原料ガス導入口である411a、411bからはSiH4+H2+PH3、411c、411dからはSiH4+H2、411e、411fからはSiH4+H2+B2H6を導入する。
【００１３】
成膜室の成膜時圧力は133Paであるのに対し、緩衝室は独立真空系で10Paとしてある。それぞれの成膜室には両隣に接続される原料ガス導入口から接続管を通して原料ガスが流入され、それぞれの導電率を有するアモルファスシリコンが成膜される。一方で各成膜室に対向する方向に設けられた緩衝室にも接続管を通して原料ガスが流入され、独立の真空系にて緩衝室外へと排気される。また、緩衝室へ流入した原料ガス分子は接続管内のガス流に逆らって再度プラズマ室に流入することができないため、各成膜室の雰囲気は不純物が混入することなく一定に保たれる。加えて、緩衝室から成膜室方向へとガスが流れるため、塵が可撓性基板に付着する頻度を抑えることができる。
【００１４】
本実施例において、各成膜室では純度の高い原料ガスによってアモルファスシリコンの成膜がなされるとともに、塵の基板への付着を抑えることが可能となった。本実施例ではマルチチャンバープラズマＣＶＤ装置を例としたが、シングルチャンバーでの単層および往復多層成膜やスパッタ装置などに適用できることは言うまでもなく、太陽電池に限らずＴＦＴなどのシリコン活性層形成にも有効である。
【００１５】
［実施例２］
本発明の他の実施例について、図４をロールツーロール方式スパッタ装置として説明する。409aはアルミニウムをスパッタリング法によって成膜する成膜室である。先ず、接続管上のガス導入口411a及び411bからアルゴンガスを導入し、409a内をアルゴンガス雰囲気にする。次に雰囲気ガス圧力を67Paに調整し、404aと405aの間に電力を投入し、プラズマを発生させる。 409bはＩＴＯをスパッタリング法によって成膜する成膜室で、成膜時、ガス導入口411c及び411dからアルゴンガスと酸素を導入し、409b内をアルゴンガスと酸素の混合ガス雰囲気にする。成膜時ガス圧力は67Paとする。成膜室409aと409bの間には緩衝室408bを設け、各成膜室と緩衝室はガス導入口を設けた接続管で接続する。404bと405bはそれぞれプラズマを発生させるための電極対である。
【００１６】
ここで成膜室409aと409bにそれぞれ導入したガスが互いに混合し、各成膜室に必要な雰囲気組成とは変わってしまうと、スパッタリング法により成膜されたアルミニウム膜及びＩＴＯ膜における導電率等の膜質が変化してしまう。特にアルミニウム膜においては雰囲気に酸素が混合することによって導電率が下がり、所望の高導電率を得ることができない。
【００１７】
しかし成膜室409aと409bの間に接続管及び緩衝室408bを設け、本発明である、接続管に設けたガス導入口からの、前記ガス導入方法を用いると、成膜室間の雰囲気は分離される。そして成膜室409aにはアルゴンガス、成膜室409bにはアルゴンガスと酸素の混合ガスという雰囲気に分離され、各成膜室に必要な雰囲気組成を得ることができる。また成膜されたアルミニウム膜及びＩＴＯ膜における導電率等の膜質に変化を及ぼさず、所望の膜質を得ることができる。
【００１８】
［実施例３］
本発明の他の実施例について、以下に示す。図４に示すロールツーロール方式プラズマ処理装置を使用して、図５に示す可撓性基板上の非単結晶シリコン膜を連続加工する。
【００１９】
先ず、図５（Ａ）に示すような可撓性基板503を準備し、ロール状に巻く。可撓性基板503上には金属電極502、非結晶シリコン膜501を堆積する。
【００２０】
図４に示す装置の409aはＩＴＯをスパッタリング法によって成膜するスパッタ室、409bはCF4+O2による非単結晶シリコン膜のプラズマエッチング室である。スパッタ室409aとプラズマエッチング室409bの間には緩衝室408bを設け、スパッタ室と緩衝室、プラズマエッチング室と緩衝室はそれぞれガス導入口を設けた接続管で接続する。404aと405a 、404bと405bはそれぞれプラズマを発生させるための電極対である。この装置に前記可撓性基板を設置する。巻き出しローラー401から前記可撓性基板を巻き出し、巻き取りローラー406に巻き取り、可撓性基板を搬送しながら連続処理する。
【００２１】
ＩＴＯスパッタ室409aではマスク等を使用してＩＴＯを成膜する。成膜時、接続管上のガス導入口411a及び411bからアルゴンガス及び酸素を導入し、409a内をアルゴンガス及び酸素の混合ガス雰囲気にする。成膜時圧力は67Paとする。前記成膜後、図５（Ｂ）に示す構造が作成できる。504はＩＴＯ、505はマスクによりＩＴＯが成膜されなかったＩＴＯの開口部である。
【００２２】
プラズマエッチング室409bではCF4+O2のプラズマにより、非単結晶シリコン膜のプラズマエッチングを行う。エッチング時、ガス導入口411c及び411dからCF4と酸素（O2）を導入し、409b内をCF4と酸素の混合ガス雰囲気にする。エッチング時圧力は100Paとする。前記プラズマエッチングで、図５（Ｂ）に示す開口部505の下に位置する非単結晶シリコン層のみがエッチングされ、図５（Ｃ）に示す構造が作成できる。
【００２３】
本実施例において、スパッタ室409aとプラズマエッチング室409bにそれぞれ導入したガスが互いに混合し、各処理室に必要な雰囲気組成とは変わってしまうと、スパッタリング法により成膜されたＩＴＯ膜における導電率等の膜質が変化したり、非単結晶シリコン膜のエッチング速度等が変化したりする。しかしスパッタ室409aとプラズマエッチング室409bの間に接続管及び緩衝室408bを設け、本発明である、接続管に設けたガス導入口からの、前記ガス導入方法を用いると、各処理室間の雰囲気は分離される。そしてスパッタ室409aにはアルゴンガスと酸素の混合ガス、プラズマエッチング室409bにはCF4と酸素の混合ガスと、各処理室に必要な雰囲気組成を得ることができる。また成膜されたＩＴＯ膜における導電率等の膜質に変化を及ぼしたり、非単結晶シリコン膜のエッチング速度等が変化したりせず、所望の処理が可能となる。
【００２４】
［実施例４］
本発明の他の実施例について、以下に示す。図６に示すバッチ方式プラズマＣＶＤ装置を使用して、透明導電膜付きガラス基板上に非単結晶シリコン膜を連続成膜する。さらに集積型太陽電池を作成する。
【００２５】
先ず、図７（Ａ）に示すような透明導電膜702付きガラス基板703を準備する。前記透明導電膜にはＩＴＯとＳｎＯ２を二層重ねたものを使用する。ＩＴＯの膜厚は５０ｎｍ、ＳｎＯ２の膜厚は２０ｎｍである。また透明導電膜は、開口部705を設け島状に分割する。
【００２６】
次に、透明導電膜付きガラス基板を、図６に示すバッチ方式プラズマＣＶＤ装置の基板導入用カセット６０１に設置する。この時、ガラス基板は、成膜後の非単結晶シリコン膜をパターニングできるようマスクを取り付ける。プラズマＣＶＤ装置には、各成膜室６０９ａ、６０９ｂ、６０９ｃの間には緩衝室６０８ｂ、６０８ｃを設け、更に各成膜室と緩衝室の間はそれぞれガス導入口を設けた接続管で接続する。６０４ａと６０５ａ、６０４ｂと６０５ｂ、６０４ｃと６０５ｃはそれぞれプラズマを発生させるための電極対である。透明導電膜付きガラス基板は、基板設置機構６０３及びバッチ搬送機構６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄにより搬送しながら、成膜室６０９ａにてｐ型、成膜室６０９ｂにてｉ型、成膜室６０９ｃにてｎ型の非単結晶シリコン層を、プラズマＣＶＤ法により成膜する。成膜時、接続管上のガス導入口６１１ａ及び６１１ｂからはＳｉＨ４＋Ｈ２＋Ｂ２Ｈ６、６１１ｃ及び６１１ｄからはＳｉＨ４＋Ｈ２、６１１ｅ及び６１１ｆからはＳｉＨ４＋Ｈ２＋ＰＨ３を導入する。ｐ、ｎ層の膜厚は２０〜５０ｎｍ、ｉ層の膜厚は３００〜８００ｎｍとする。成膜後、ガラス基板は基板搬送機構により取り出し用カセット６０６に設置される。この時ガラス基板からマスクを取り外す。すると図７（Ｂ）に示すように、ガラス基板上に透明導電膜７０２及び非単結晶シリコン層７０１を成膜したものを得る。
【００２７】
更に裏面電極704を、マスクを使用して成膜する。前記裏面電極材料にはクロムを使用する。また前記裏面電極は、膜厚を３００ｎｍとする。そして図７（Ｃ）に示すような集積型太陽電池構造を得る。その後図７（Ｄ）に示すように、取り出し電極706を形成し、導線707を取り付け、集積型太陽電池を完成する。前記取り出し電極には導電性接着剤を使用する。
【００２８】
本実施例において、各成膜室６０９ａ、６０９ｂ、６０９ｃにそれぞれ導入した原料ガスが互いに混合し、各成膜室に必要な雰囲気組成とは変わってしまうと、特にｉ層中に不純物準位が多量に形成され、ｉ層膜質の低下と共に太陽電池出力特性の大幅な低下を引き起こす。しかし各成膜室間に接続管及び緩衝室を設け、本発明である、接続管に設けたガス導入口から原料ガスを導入すると、各処理室間の雰囲気は分離され、各成膜室に必要な雰囲気組成を得ることができる。また成膜した非単結晶シリコン膜の特性、更には太陽電池の出力特性に変化を及ぼさず、所望の成膜が可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
基板を連続して処理する、複数の基板処理室を備えた基板処理装置において、本発明による、特別なイナートガスを用いることなく原料ガスのみを接続管へ導入する構造を使用することによって、各基板処理室における雰囲気制御および塵の付着防止がより効果的に行えるようになった。さらにクロスコンタミネーションの低減によって原料ガスと異なるガス種が基板処理室中に混入することによる半導体膜の膜質悪化及び基板処理能力の悪化を防止することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】緩衝室と独立排気系
【図２】接続管とイナートガス導入管
【図３】隣接する基板処理室で使用するガスを接続管へ導入する新規構造
【図４】ロールツーロール方式プラズマ処理装置
【図５】可撓性基板上の非単結晶シリコン膜
【図６】バッチ方式プラズマＣＶＤ装置
【図７】透明導電膜付きガラス基板上の太陽電池
【符号の説明】
101、103、201、203 成膜室
102、204、302 緩衝室
104 基板を通す開口部
105、205 可撓性基板
106、206 独立排気系
204 接続管
207 イナートガス導入口
304a、304b 接続管
306a、306b、306c 独立排気系
307a、307b 基板処理用ガス導入管
308、309 導入ガス
401 巻き出しロール
402a、402b、402c、402d、402e、402f、402g、402h、402i、402j、402k、402l ガイドローラー
403 可撓性基板
404a、404b、404c、604a、604b、604c 上部電極
405a、405b、405c、605a、605b、605c 下部電極
406 巻き取りロール
407、607 ロード室
408a、408b、408c、408d、608a、608b、608c、608d 緩衝室
409a、409b、409c、609a、609b、609c プラズマ処理室
410、610 アンロード室
411a、411b、411c、411d、411e、411f、611a、611b、611c、611d、611e、611f 原料ガス導入口付接続管
601 基板導入用カセット
602a、602b、602c、602d バッチ搬送機構
603 基板設置機構
606 基板取り出し用カセット
Claims (12)
- 第一の処理室と、
第二の処理室と、
少なくとも一つの緩衝室と、
前記第一の処理室と前記緩衝室を接続する第一の接続管と、
前記第二の処理室と前記緩衝室を接続する第二の接続管と、
前記第一の接続管に設けられ、第一のガスを導入するための第一のガス導入口と、
前記第二の接続管に設けられ、酸素を含む第二のガスを導入するための第二のガス導入口と、を有し、
前記第一のガスの組成は、前記第一の処理室で使用するガスの組成と同じであり、
前記第二のガスの組成は、前記第二の処理室で使用するガスの組成と同じであり、
前記第一のガスの組成と前記第二のガスの組成とは異なることを特徴とする基板処理装置。 - 請求項１に記載の基板処理装置が、スパッタ装置であることを特徴とする基板処理装置。
- 第一の処理室と、
第二の処理室と、
少なくとも一つの緩衝室と、
前記第一の処理室と前記緩衝室を接続する第一の接続管と、
前記第二の処理室と前記緩衝室を接続する第二の接続管と、
前記第一の接続管に設けられ、アルゴンガスを含む第一のガスを導入するための第一のガス導入口と、
前記第二の接続管に設けられ、ＣＦ ４ を含む第二のガスを導入するための第二のガス導入口と、を有し、
前記第一のガスの組成は、前記第一の処理室で使用するガスの組成と同じであり、
前記第二のガスの組成は、前記第二の処理室で使用するガスの組成と同じであり、
前記第一のガスの組成と前記第二のガスの組成とは異なることを特徴とする基板処理装置。 - 請求項３において、
前記第一の処理室は、前記第一のガスを用いたスパッタ室であり、
前記第二の処理室は、前記第二のガスを用いたシリコン膜のプラズマエッチング室であることを特徴とする基板処理装置。 - 第一の処理室と、
第二の処理室と、
少なくとも一つの緩衝室と、
前記第一の処理室と前記緩衝室を接続する第一の接続管と、
前記第二の処理室と前記緩衝室を接続する第二の接続管と、
前記第一の接続管に設けられ、ＳｉＨ ４ を含む第一のガスを導入するための第一のガス導入口と、
前記第二の接続管に設けられ、ＰＨ ３ またはＢ ２ Ｈ ６ を含む第二のガスを導入するための第二のガス導入口と、を有し、
前記第一の処理室において、前記第一のガスを用いたプラズマＣＶＤ法によってｉ型の導電型を有するアモルファスシリコン膜が成膜され、
前記第二の処理室において、前記第二のガスを用いたプラズマＣＶＤ法によってｎ型またはｐ型の導電型を有するアモルファスシリコン膜が成膜され、
前記第一のガスの組成は、前記第一の処理室で使用するガスの組成と同じであり、
前記第二のガスの組成は、前記第二の処理室で使用するガスの組成と同じであることを特徴とする基板処理装置。 - 第一の処理室と、
第二の処理室と、
少なくとも一つの緩衝室と、
前記第一の処理室と前記緩衝室を接続する第一の接続管と、
前記第二の処理室と前記緩衝室を接続する第二の接続管と、
前記第一の接続管に設けられ、アルゴンガスを含む第一のガスを導入するための第一のガス導入口と、
前記第二の接続管に設けられ、アルゴンガスと酸素を含む第二のガスを導入するための第二のガス導入口と、を有し、
前記第一の処理室において、前記第一のガスを用いたスパッタリング法によってアルミニウム膜が成膜され、
前記第二の処理室において、前記第二のガスを用いたスパッタリング法によってＩＴＯ膜が成膜され、
前記第一のガスの組成は、前記第一の処理室で使用するガスの組成と同じであり、
前記第二のガスの組成は、前記第二の処理室で使用するガスの組成と同じであることを特徴とする基板処理装置。 - 第一の処理室と、
第二の処理室と、
少なくとも一つの緩衝室と、
前記第一の処理室と前記緩衝室を接続する第一の接続管と、
前記第二の処理室と前記緩衝室を接続する第二の接続管と、
前記第一の接続管に設けられ、アルゴンガスと酸素を含む第一のガスを導入するための第一のガス導入口と、
前記第二の接続管に設けられ、ＣＦ ４ と酸素を含む第二のガスを導入するための第二のガス導入口と、を有し、
前記第一の処理室において、前記第一のガスを用いたスパッタリング法によってＩＴＯ膜が成膜され、
前記第二の処理室において、前記第二のガスを用いたプラズマエッチングが行われ、
前記第一のガスの組成は、前記第一の処理室で使用するガスの組成と同じであり、
前記第二のガスの組成は、前記第二の処理室で使用するガスの組成と同じであることを特徴とする基板処理装置。 - 請求項７において、
前記第二のガスを用いたプラズマエッチングによって、シリコン膜がエッチング処理されることを特徴とする基板処理装置。 - 請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、
前記緩衝室は、前記第一の処理室及び前記第二の処理室とは独立した排気系を有することを特徴とする基板処理装置。 - 請求項１乃至請求項９のいずれか一項において、
前記第一の処理室及び前記第二の処理室は、減圧状態に保持され、ガスを導入する手段、ガスを排気する手段、及びガスを分解するための電磁波等のエネルギー供給手段を備えたことを特徴とする基板処理装置。 - 請求項１乃至請求項１０のいずれか一項において、
前記第一の処理室、前記第一の接続管、前記緩衝室、前記第二の接続管、及び前記第二の処理室を通る経路の一方から他方に、基板を連続して搬送させる手段を備えたことを特徴とする基板処理装置。 - 請求項１１において、
前記基板は可撓性基板であることを特徴とする基板処理装置。
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