JP4857456B2

JP4857456B2 - 真空成膜装置

Info

Publication number: JP4857456B2
Application number: JP2000158647A
Authority: JP
Inventors: 健太郎筒井; 晃武田; 励白井; 恭市山本
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2020-05-29
Also published as: JP2001339082A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロールツーロール方式でフィルム表面に薄膜を形成する構成の真空成膜装置での、搬送されるフィルムの張力を制御する機構の改良に関する。
特に、ロールツーロール方式のうち、間欠的にフィルムを搬送→停止・成膜が行なわれるステッピングロール方式の真空成膜装置での上記改良に関する。
本発明の適用される分野としては、複数の電極層および半導体層などを有する多層の薄膜半導体素子が代表的であり、太陽電池素子，透明電極，タッチパネルなどの製造に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
複数の電極層および半導体層などを有する薄膜半導体装置の代表例として、アモルファスシリコン（以下ａ−Ｓｉと記す）を主原料とした半導体層を光電変換層とし、電極層がこの層を挟む構造の薄膜太陽電池が公知である。
【０００３】
発電量の点から太陽電池の大面積化に対する要求が強く、このような大面積の薄膜太陽電池の製造方式としては、枚葉方式より生産性の優れているロールツーロール方式の連続巻き取り方式またはステッピングロール方式による製造の実現が要求されている。
【０００４】
これらの方式は、ロールに巻かれた長尺の高分子材料あるいはステンレス鋼などの金属材料からなるフレキシブル（可撓性）の基板を、各成膜室に順次に送りながら、基板上に光電変換層，電極層などの各層を各成膜室毎に形成して、薄膜太陽電池を製造する方式である。
前者は、各成膜室内を連続的に移動する基板上に成膜し、後者は各成膜室内で同時に停止させた基板上に成膜し、成膜の終わった基板部分を次の成膜室へ送り出している。
ステッピングロール方式の成膜装置は、隣接する成膜室間でのガスの相互拡散を防止できることから、各薄膜の特性が安定して得られる点で優れている。
【０００５】
太陽電池を構成する光電変換素子の成膜においては、光電変換層各層、例えばｐ−ｉ−ｎ構成の太陽電池の場合、ｉ層に対してｐ層およびｎ層はｐｐｍオーダーのジボラン，フォスフィンなどの微量元素の添加（＝ドーパント）によって膜特性を規定しているため、ステッピングロール方式において、フィルムを搬送する際に成膜面にローラが接触してしまうと、ロール表面に残留した微量元素の成膜面上への転移または機械的応力によりデリケートな各層の界面に影響を与えてしまう。
【０００６】
上記の事情から、成膜が施されることになるフィルム表面には、搬送ロールを接触させないようにする工夫が必要となる。
また、成膜準備および成膜自体において、約２００°前後の加熱処理が必要な場合もあり、高分子材料（樹脂）製のフィルムでは、温度上昇により伸び・たるみを生じてしまい、設計通りの成膜が行なわれない。
本発明は、ステンレス鋼などの金属材料よりも「温度上昇による伸び・たるみ」が問題となり、成膜に十分な耐熱性および可撓性は備える材料からなるフレキシブル基板を用いる場合に、特に有効である。
【０００７】
そのため、ステッピングロール方式では、成膜中の温度上昇によるフィルムの伸びを吸収して、成膜室内のフィルムに張力を付与する機構が必要となる。
従来のそれは、図１に示すダンサロールなどが使用されていた。
同図に示すように、搬送されるフィルムに接するダンサロールが、同図上方に移動することにより、フィルムの搬送路（パス）を長くして、その上流または下流に位置する温度上昇で伸びたフィルムに張力を付与する機構である。
しかしながら、ダンサロールの上下動（ストローク）を大きくとらなければ、吸収できる伸びの量が少ないこと、軸やロールが移動するためのスペースを確保しなければならないという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、生産性および成膜室の相互拡散防止において優れるステッピングロール方式の成膜装置においても、成膜面の汚染防止・フィルム搬送の観点からは、未解決の問題点を有している。
本発明は、前記問題点を鑑みなされたものであり、その目的とするところは、成膜面への種々の影響を排除した上で、フィルムの張力を付与（制御）する機構を装置に備えることにより、各薄膜の特性を安定して得られる巻き取り式フィルム太陽電池成膜装置（に例示される真空成膜装置）を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
ロールツーロール方式（または、ステッピングロール方式）でフィルム表面に薄膜を形成する真空成膜装置において、搬送されるフィルムの幅方向に平行なローラ対によりフィルムを表裏から挟んだ状態で、ローラ対の相対位置を維持しながら、ローラ対の軸線に平行な任意の回転軸を中心にして回転変位を与えることにより、フィルムの搬送経路を変位させて、フィルム張力を制御する機構を有することを特徴とする真空成膜装置である。
【００１０】
＜作用＞
本発明の構造の「フィルム張力の制御機構」によると、
フィルムの伸びを、一対のローラの回転によって巻き込んで吸収し張力を付与することができ、前述のダンサロールのように、軸やロールが大きく上下動する動作が無く、装置の省スペース化の上で有効である。
【００１１】
好ましくは、一対のローラーが、適度な間隔を空けて離間できる構成とすることにより、成膜の行なわれるフィルム表面が搬送されて、ローラー間を通過する際に、前記フィルム表面はローラ表面に接触することがないので、成膜面を清浄に保つことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、フレキシブル（可撓性）基材に対して光電変換層を形成する太陽電池用の真空成膜装置について説明する。
図２は、太陽電池成膜装置の全体構成を示す説明図である。
上記装置は、真空成膜法によりフィルム上に薄膜太陽電池の光電変換部を形成する成膜室を有するステッピングロール方式の成膜装置であって、フィルムが、巻き出しロール２から巻き取りロール８に搬送される間、成膜に必要なガス雰囲気以外の気体に曝されることなく、また、搬送に必要な張力以外の機械的外力に曝されること無く成膜を施すことができる構成である。
【００１３】
フィルムは、ｎ層成膜室１８→ｉ層成膜室１７→ｐ層成膜室１９を順に経由して、光電変換部が形成される。
各成膜室の前後には、成膜が行なわれるフィルム表面の清浄や温度調整などの成膜準備と共に、成膜室内の雰囲気と成膜前後のフィルムを隔離するための中間室が備えられている。
隔離は、ゲートバルブ１０〜１５によって確実にされる。
【００１４】
本発明の主要部である「フィルム張力の制御機構」は、各中間室内に備えられている。
前記機構は、前述の通り、フィルムの幅方向に平行な一対のローラーが、フィルムを挟んで対抗する位置に配置され、この一対のローラの軸線に平行した軸を中心に回転変位を与えることにより、フィルムの搬送路（パス）を変位させて、ローラで巻き取り、フィルム張力が制御され、一般には、熱に起因するフィルムの伸びを吸収し、適正な張力を付与することができる。
成膜室と中間室、およびゲートバルブの構造を、図３に拡大して示す。
また、「フィルム張力の制御機構」の駆動の一例を、図４に示す。
【００１５】
以下、装置および機構の動作を詳細に説明する。
まず、図２および図３に従って、ステッピングロール方式による本発明に係る太陽電池成膜装置の説明をする。
【００１６】
巻き出し室１に配置された成膜前のロールフィルム２は、アイドルロール３からテンションロール４を経て第一の中間室５に入る。
この間、フィルム６は、テンションロール４に設置された（図示しない）張力検出器により検出された張力値が電気信号に変換され、（図示しない）巻き出し軸に連結されたモータの制御ループにフィードバックされることにより、所定の張力に制御されることになる。
【００１７】
巻き取り室７においても、同様に巻き取り張力の制御が行われ、成膜後のロールフィルム８として巻き取られる。
所定の長さ、即ち成膜室−中間室の間隔相当分の長さが繰り出されて搬送された後、フィルムは停止する。
停止後、中間室では、図３に示すように、駆動ロールが隣接した成膜室内のフィルムに適正な張力を与え、電極に対するフィルムの距離を一定に保たれる。
この際の張力は、駆動ロールの回転角により定義され制御される。
【００１８】
以上は、ステッピングロール方式の成膜装置に係る説明であるが、ロールツーロール方式の成膜装置についても、フィルムの搬送は一対のローラの間で行われるので、例えば、単層のみの成膜が行なわれるような装置では、成膜されるフィルム表面には非接触な構成をとるならば、本発明が適用される。
【００１９】
次に、図４および図５に従って、本発明の主要部である「フィルムの張力制御機構」の駆動の一例について説明する。
図４は、一対の巻き込みローラ２２の軸線に平行な軸を、巻き込みローラ２２同士の中心を結んだ中点に置き、回転変位を与えることによってフィルムに張力を付与する例に係る説明図である。
【００２０】
一対の巻き込みローラの中心間距離を３０ｍｍ、巻き込みローラ，フリーロールの径をφ５０ｍｍとした場合の、駆動ロールの回転変位（ｄｅｇ）とフィルム行程距離の増分（ｍｍ）との関係を図５に示す。
これにより、一対の巻き込みローラ２２の回転変位量に応じてフィルムの行程距離が変化し、任意の張力を付与することができ、本発明の目的が果たされる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって、ステッピングロール方式で成膜が行われる場合は、成膜室内のフィルムに適正な張力が与えられると共に、成膜面への種々の悪影響が排除され、各薄膜の特性を安定して得られるような、生産性の高い巻き取り式フィルム太陽電池の生産が可能となる。
【００２２】
本発明の「フィルムの張力制御機構」では、前記機構を配置する間隔や数量を調整することにより、上流〜下流の複数の成膜箇所のそれぞれで、任意の張力をフィルムに付与することができる。
【００２３】
さらに、前記機構は、駆動ローラの回転によってフィルムを巻き込んで張力を付与する性質を有しており、装置前後のフィルムの行程（パス）に大幅な変化が生じないことから、従来のダンサロールと比べて、設置スペース上の制約は受けない構成である。
【００２４】
【図面の簡単な説明】
【図１】フィルムに張力を付与する手段として用いられている従来技術の１つであるダンサロールの説明図。
【図２】本発明に係るフィルム張力制御機構を内蔵した太陽電池成膜装置の全体を示す説明図（側面図）。
【図３】本発明に係るフィルム張力制御機構の説明図。
【図４】本発明に係るフィルム張力制御機構の駆動例を示す説明図。
【図５】本発明に係るフィルム張力制御機構の駆動例における駆動ロールの回転変位（ｄｅｇ）とフィルム行程距離の増分（ｍｍ）との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１…巻き出し室
２…成膜前のロールフィルム
３…アイドルロール
４…テンションロール
５…中間室
６…フィルム
７…巻き取り室
８…成膜後のロールフィルム
９…巻き出し室ゲートバルブ
１０…ゲートバルブ
１１…ゲートバルブ
１２…ゲートバルブ
１３…ゲートバルブ
１４…ゲートバルブ
１５…ゲートバルブ
１６…巻き取り室ゲートバルブ
１７…ｉ層成膜室
１８…ｎ層成膜室
１９…ｐ層成膜室
２０…駆動ロール
２１…フリーロール
２２…巻き込みロール
２３…フィルム

Claims

ロールツーロール方式でフィルム表面に薄膜を形成する真空成膜装置において、搬送されるフィルムの幅方向に平行なローラ対によりフィルムを表裏から挟んだ状態で、ローラ同士の相対位置を維持しながら、当該ローラ対の軸線に平行な回転軸を前記ローラの中心を結んだ中点に置き、当該ローラ対に対し回転変位を与えることにより、フィルムの搬送経路を変位させて、フィルムの張力を制御する機構を有することを特徴とする真空成膜装置。
ステッピングロール方式の真空成膜装置であり、
複数の成膜室と、
各成膜室の前後には、成膜が行なわれるフィルム表面の清浄や温度調整などの成膜準備と共に、成膜室内の雰囲気と成膜前後のフィルムを隔離するための中間室を備え、
中間室内に、フィルムの張力を制御する機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の真空成膜装置。
張力の制御は、成膜が行われない領域にあたるフィルム表面が、中間室に存在する際に行なわれ、
前記ローラ対の間を、成膜が行われる領域のフィルム表面が通過する際には、少なくとも成膜面側に接するローラの接触が解除される構成であることを特徴とする請求項２に記載の真空成膜装置。
複数の成膜室では、半導体層または電極層が形成されることを特徴とする請求項２または３に記載の真空成膜装置。