JP5267176B2 - 薄膜形成方法 - Google Patents

Description

成膜室内で予備成膜をした後に、その成膜室内で基板を成膜するための薄膜形成方法に関する。

光電変換層などの半導体膜を成膜した基板は、薄膜太陽電池などに代表的される工業製品に用いられている。この半導体膜を基板に成膜するためには、一般的に成膜装置が用いられる。この成膜装置は、その内部に設けられた成膜室内で基板を成膜するように構成されている。しかしながら、成膜室内には不純物が付着することがあり、このような不純物が、薄膜中に混入し、膜質を低下させるおそれがある。

そこで、成膜中の基板に、このような不純物の影響を与えないことを目的として、特許文献１には、基板の成膜開始前に成膜室内を予め被膜するための予備的な成膜（以下、「予備成膜」という）を行う方法が開示されている。

特開２００１−００７３６７号公報

しかしながら、特許文献１のような予備成膜の工程においては、予備成膜中における成膜室２内の予備成膜温度が、通常、基板を成膜中の成膜室２内の成膜温度よりも高く設定されている。そのため、予備成膜を一定の予備成膜温度で実施した後に、成膜室内の温度を予備成膜温度から成膜温度まで下げる必要がある。このことが、基板の成膜に関する工程のリードタイムを長くする要因となっており、その結果、生産効率が低下することとなる。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、予備成膜を含む基板の成膜に関する工程のリードタイムを短縮化して、生産効率を向上させることを可能とする薄膜形成方法を提供することにある。

課題を解決するために本発明の一態様に係る薄膜形成方法は、成膜室内に予備成膜を施した後に、前記成膜室内で基板を成膜するための薄膜形成方法であって、前記予備成膜の開始前に、前記成膜室内の温度を、前記予備成膜の開始時に到達すべき温度として定められた予備成膜開始目標温度に上げるステップと、前記予備成膜の実施中、前記成膜室内の温度を、前記予備成膜開始目標温度以下かつ成膜温度以上の温度範囲で、前記予備成膜中の全期間通じて一定とせず、かつ前記予備成膜の終了時、前記成膜室内の温度を、前記予備成膜開始目標温度より低くかつ成膜温度以上とするような温度プロファイルにて、予備成膜を行うステップと、前記成膜室内の温度が前記成膜温度に達した後に、前記基板への成膜を開始するステップとを含む。

また、本発明の別の一態様に係る薄膜形成方法は、成膜室内に予備成膜を施した後に、前記成膜室内で基板を成膜するための薄膜形成方法であって、前記予備成膜の開始前に、前記成膜室内の温度を、成膜温度以上の加熱温度に上げた後に、前記加熱温度から下げ始めるステップと、前記予備成膜の開始から終了までの間に、前記成膜室内の温度を、前記加熱温度より低くかつ前記成膜温度以上の温度範囲で、前記予備成膜中一定とする期間を設けないような温度プロファイルにて、予備成膜を行うステップと、前記成膜室内の温度が前記成膜温度に達した後に、前記基板への成膜を開始するステップとを含む。

本発明の一態様および別の一態様に係る薄膜形成方法によれば、以下の効果を得ることができる。本発明の一態様に係る薄膜形成方法は、成膜室内に予備成膜を施した後に、前記成膜室内で基板を成膜するための薄膜形成方法であって、前記予備成膜の開始前に、前記成膜室内の温度を、前記予備成膜の開始時に到達すべき温度として定められた予備成膜開始目標温度に上げるステップと、前記予備成膜の実施中、前記成膜室内の温度を、前記予備成膜開始目標温度以下かつ成膜温度以上の温度範囲で、前記予備成膜中の全期間通じて一定とせず、かつ前記予備成膜の終了時、前記成膜室内の温度を、前記予備成膜開始目標温度より低くかつ成膜温度以上とするような温度プロファイルにて、予備成膜を行うステップと、前記成膜室内の温度が前記成膜温度に達した後に、前記基板への成膜を開始するステップとを含む。そのため、前記予備成膜の開始から終了までの間にも、前記成膜室の温度を前記予備成膜開始目標温度より低くすることによって、前記予備成膜の終了時には、前記成膜室の温度を前記予備成膜開始目標温度から前記成膜温度により近付けた状態とすることができる。従って、前記予備成膜終了後から前記成膜を開始できる前記成膜温度に達するまでの時間が短縮されることとなる。よって、生産効率を向上させることができる。

本発明の別の一態様に係る薄膜形成方法は、成膜室内に予備成膜を施した後に、前記成膜室内で基板を成膜するための薄膜形成方法であって、前記予備成膜の開始前に、前記成膜室内の温度を、成膜温度以上の加熱温度に上げた後に、前記加熱温度から下げ始めるステップと、前記予備成膜の開始から終了までの間に、前記成膜室内の温度を、前記加熱温度より低くかつ前記成膜温度以上の温度範囲で、前記予備成膜中一定とする期間を設けないような温度プロファイルにて、予備成膜を行うステップと、前記成膜室内の温度が前記成膜温度に達した後に、前記基板への成膜を開始するステップとを含む。そのため、前記予備成膜の終了までの間に、前記成膜室の温度を前記予備成膜温度より低くすることによって、前記予備成膜の終了時には、前記成膜室の温度を前記予備成膜温度から前記成膜温度により近付けた状態とすることができる。従って、前記予備成膜終了後から前記成膜を開始できる前記成膜温度に達するまでの時間が短縮されることとなる。よって、生産効率を向上させることができる。

本発明の実施形態における成膜装置を含む薄膜光電変換素子の製造装置の内部構造を概略的に表す平面図である。 本発明の第１実施形態において成膜室内の温度変化のグラフを表す図である。 本発明の第２実施形態において成膜室内の温度変化のグラフを表す図である。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態における薄膜形成方法について以下に説明する。図１は、本発明の第１実施形態における成膜装置１の内部構造を概略的に表す図である。成膜装置１には成膜室２が設けられており、成膜室２内には互いに対向する高電圧電極３と接地電極４とが設けられている。基板５は、高電圧電極３と接地電極４との間で、矢印Ａで示す搬送方向に沿って搬送される構成となっている。接地電極４内にはヒーター６が設けられており、このヒーター６による加熱を制御することによって、成膜室２内および基板５の温度を制御するように構成されている。また、成膜室２内を脱気して真空状態にすることを可能にする真空ポンプ７が成膜室２に接続されている。さらに、成膜室２内に伝熱媒体用ガスおよび成膜用ガスなどを供給可能に構成したガス供給管８が接続されている。

伝熱媒体用ガスは、ヒーター６から発せられる熱を成膜室２内全体に効率的に熱伝導するために導入されるガスである。伝熱媒体用ガスの一例としては、Ｈ_２を主体とするＨ_２ガスが挙げられる。成膜用ガスは、予備成膜工程では成膜室２内を成膜するため、かつ成膜工程では基板５を成膜するために導入されるガスである。成膜用ガスの一例として、Ｈ_２とＳｉＨ_４との混合ガスが挙げられる。

ここで、本発明の第１実施形態におけるヒーター６の温度および作動時間の制御について、図２の実線Ｂで示す温度プロファイルを参照しながら説明する。
（１）ヒーター６の加熱開始から時間ｔ_１の間、成膜室２内の温度を、前記予備成膜の開始時に到達すべき温度として定められた予備成膜開始目標温度（以下、「予備成膜温度」という）Ｔ_１に安定させるまで、ヒーター６によって成膜室２内を加熱する。一例として、時間ｔ_１が、ヒーター６によって成膜室２内の温度を開始時予備成膜温度Ｔ_１に安定させるまで必要な時間を予め求めたものであってもよい。また別の一例として、成膜室２内の温度が予備成膜温度Ｔ_１に安定したことをセンサなどによって検知した後に、ヒーター６によって成膜室２を予備成膜温度Ｔ_１に加熱することを停止するように制御がされてもよい。
（２）時間ｔ_１の経過後、予備成膜工程に必要な時間ｔ_２の間、成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２以上に維持しながら成膜温度Ｔ_２に向けて下げるように、ヒーター６によって成膜室２内を加熱する。成膜室２内の温度を予備成膜温度Ｔ_１から成膜温度Ｔ_２に下げ始めるタイミングは、予備成膜を開始してから終了するまでの間であれば、任意のタイミングとしてよい。
（３）時間ｔ_２の経過後、時間ｔ_３の間、さらに成膜室２内の温度を下げて成膜室２内の温度を開始時予備成膜温度Ｔ_１より低くかつ成膜温度Ｔ_２以上の温度を維持しながら、成膜温度Ｔ_２に向けて下げるように、ヒーター６によって成膜室２内を加熱する。
（省略）

本発明の第１実施形態における成膜装置１において、成膜開始前に行なわれる予備成膜工程などの薄膜形成方法について説明する。
（１）真空ポンプ７により成膜室２内を脱気して真空状態にし、ガス供給管８によって成膜室２内に伝熱媒体用ガスを供給する。伝熱媒体用ガスが成膜室２内に充填された状態で、ヒーター６によって時間ｔ_１の間成膜室２内を加熱し、成膜室２内の温度を予備成膜温度Ｔ_１に上げて、成膜室２内の温度を予備成膜温度Ｔ_１に安定させる。
（２）時間ｔ_１の経過後、真空ポンプ７によって成膜室２内の伝熱媒体用ガスを脱気し、かつガス供給管８から成膜室２内に成膜用ガスを供給する。成膜用ガスが成膜室２内に充填された状態で、予備成膜を実施する。具体的には、高電圧電極３と接地電極４との間に電圧を印加して、成膜室２内を成膜する。時間ｔ_２の間、予備成膜を実施するとともに、成膜室２内の温度を予備成膜温度Ｔ_１より低く、成膜温度Ｔ_２以上の温度となるように維持しながら、成膜温度Ｔ_２に向けて下げるようにヒーター６により成膜室２内を加熱する。
（３）時間ｔ_２の経過後、真空ポンプ７によって成膜室２内の成膜用ガスを脱気し、かつガス供給管８から成膜室２内に伝熱媒体用ガスを供給する。伝熱媒体用ガスが成膜室２内に充填された状態で、時間ｔ_３の間、成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２に安定させるようにヒーターにより成膜室２内を加熱する。
（４）時間ｔ_３の経過後、真空ポンプ７によって成膜室２内の伝熱媒体用ガスを脱気し、かつガス供給管８から成膜室２内に成膜用ガスを供給する。成膜用ガスが成膜室２内に充填された状態で、成膜を開始する。具体的には、高電圧電極３と接地電極４との間に電圧を印加して、高電圧電極３と接地電極４との間に位置する基板２を成膜する。

以上のように本発明の第１実施形態によれば、予備成膜の開始から終了までの間にも、成膜室２内の温度を予備成膜温度Ｔ_１から成膜温度Ｔ_２まで下げることによって、予備成膜の終了時に成膜室２内の温度を予備成膜温度Ｔ_１から成膜温度Ｔ_２に近付けた状態とすることができる。従って、予備成膜終了後から成膜を開始できる成膜温度Ｔ_２に達するまでの時間が短縮されることとなる。よって、生産効率を向上させることができる。

ここまで本発明の第１実施形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。

例えば、本発明の第１実施形態の変形例として、成膜室２内の温度が、予備成膜温度Ｔ_１より低く成膜温度Ｔ_２以上の温度範囲であるならば、途中で一定の温度Ｔ_３(Ｔ_２≦Ｔ_３＜Ｔ_１)に保持されてもよい。このため、予備成膜終了までに成膜温度Ｔ_２に到達してもよく、この場合には、時間ｔ_３を最小にすることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態における薄膜形成方法について以下に説明する。第２実施形態では、第１実施形態と同様の成膜装置１を用いるものとする。第２実施形態は、第１実施形態とヒーター６の温度および作動時間の制御に関する温度プロファイルが異なる。

ここで、第２実施形態におけるヒーター６の温度および作動時間の制御について、図３の実線Ｃで示す温度プロファイルを参照しながら説明する。
（１）ヒーター６の加熱開始から時間ｔ_１の間、成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２以上の温度に上げて、成膜温度Ｔ_２以上の加熱温度Ｔ_４に達した後に成膜温度Ｔ_２に向けて下げるように、ヒーター６によって成膜室２内を加熱する。このとき、時間ｔ_１の間は、成膜温度Ｔ_２以上となるようにヒーターの温度または作動時間を制御する。
（２）時間ｔ_１の経過後、予備成膜工程に必要な時間ｔ_２の間、加熱温度Ｔ_４より低くかつ成膜温度Ｔ_２以上の温度範囲で予備成膜中の温度プロファイルを予備成膜中通して一定値とならないように、すなわち変化させながら、ヒーター６によって成膜室２内を加熱する。
（３）時間ｔ_２の経過後、時間ｔ_４の間、さらに成膜室２内の温度を下げて成膜室２内の温度を加熱温度Ｔ_４より低くかつ成膜温度Ｔ_２以上の温度を維持しながら、成膜温度Ｔ_２に向けて下げるように、ヒーター６によって成膜室２内を加熱する。

本発明の第２実施形態における成膜装置１において、成膜開始前に行なわれる予備成膜工程などの薄膜形成方法について説明する。
（１）真空ポンプ７により成膜室２内を脱気して真空状態にし、ガス供給管８によって成膜室２内に伝熱媒体用ガスを供給する。伝熱媒体用ガスが成膜室２内に充填された状態で、ヒーター６によって時間ｔ_１の間成膜室２内を加熱し、成膜室２内の温度を、成膜温度Ｔ_２以上の加熱温度Ｔ_４に上げた後に、成膜温度Ｔ_２に向けて下げる。このとき、時間ｔ_１の間は、成膜温度Ｔ_２以上となるようにヒーターの温度または作動時間を制御する。
（２）時間ｔ_１の経過後、真空ポンプ７によって成膜室２内の伝熱媒体用ガスを脱気し、かつガス供給管８から成膜室２内に成膜用ガスを供給する。成膜用ガスが成膜室２内に充填された状態で、予備成膜を実施する。具体的には、高電圧電極３と接地電極４との間に電圧を印加して、成膜室２内を成膜する。時間ｔ_２の間、予備成膜を実施するとともに、予備成膜中に成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２に向けて下げるようにヒーター６により成膜室２内を加熱する。
（３）時間ｔ_２の経過後、真空ポンプ７によって成膜室２内の成膜用ガスを脱気し、かつガス供給管８から成膜室２内に伝熱媒体用ガスを供給する。伝熱媒体用ガスが成膜室２内に充填された状態で、時間ｔ_４の間、成膜温度Ｔ_２に向けて降温するようにヒーターにより成膜室２内を加熱する。
（４）時間ｔ_４の経過後、真空ポンプ７によって成膜室２内の伝熱媒体用ガスを脱気し、かつガス供給管８から成膜室２内に成膜用ガスを供給する。成膜用ガスが成膜室２内に充填された状態で、成膜を開始する。具体的には、高電圧電極３と接地電極４との間に電圧を印加して、高電圧電極３と接地電極４との間に位置する基板２を成膜する。

以上のように本発明の第２実施形態によれば、予備成膜の開始から成膜室２内の温度を、成膜温度Ｔ_２より高い加熱温度Ｔ_４から成膜温度Ｔ_２まで下げることによって、予備成膜の終了時に成膜室２内の温度を加熱温度Ｔ_４から成膜温度Ｔ_２により近付けた状態とすることができる。従って、予備成膜終了後から成膜を開始できる成膜温度Ｔ_２に達するまでの時間がさらに短縮されることとなる。よって、生産効率を向上させることができる。

ここまで本発明の第２実施形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。

例えば、本発明の第２実施形態の変形例として、成膜室２内の温度が、加熱温度Ｔ_４より低く成膜温度Ｔ_２以上の温度範囲であるならば、途中で一定の温度Ｔ_５(Ｔ_２≦Ｔ_５＜Ｔ_４)に保持されてもよい。このため、予備成膜終了までに成膜温度Ｔ_２に到達してもよく、この場合には、時間ｔ_４を最小にすることができる。

ここで、本発明の実施例１および実施例２と比較例との対比を行う。
［実施例１］
実施例１は、薄膜太陽電池の製造過程に用いられる本発明の第１実施形態における基板の成膜に関するものである。図２の実線Ｂで示すように、時間ｔ_１の間、成膜室２内の温度を予備成膜温度Ｔ_１まで上げて、成膜室２内の温度を予備成膜温度Ｔ_１に安定させる。時間ｔ_１の経過後、予備成膜を実施する時間ｔ_２の間、成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２に向けて下げる。時間ｔ_２の経過後、時間ｔ_３の間、成膜室２内の温度をさらに成膜温度Ｔ_２に向けて下げて、成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２に安定させる。時間ｔ_３の経過後、成膜を開始する。

［実施例２］
実施例２は、薄膜太陽電池の製造過程に用いられる本発明の第２実施形態における基板の成膜に関するものである。図３の実線Ｃで示すように、時間ｔ_１の間、成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２以上の加熱温度Ｔ_４に上げて、加熱温度Ｔ_４に達した後、予備成膜開始前に成膜温度Ｔ_２に向けて下げはじめる。時間ｔ_１の経過後、予備成膜を実施する時間ｔ_２の間も、成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２に向けて下げ続ける。時間ｔ_４の経過後、成膜を開始する。

［比較例］
比較例は、薄膜太陽電池の製造過程に用いられる基板の成膜に関するものである。図２および図３の実線Ｄで示すように、時間ｔ_１の間、成膜室２内の温度を予備成膜温度Ｔ_１まで上げて、成膜室２内の温度を予備成膜温度Ｔ_１に安定させる。時間ｔ_１の経過後、予備成膜を実施する時間ｔ_２の間、成膜室２内の温度を予備成膜温度Ｔ_１の一定値に維持する。時間ｔ_２の経過後、図２においては時間ｔ_３’の間または図３においては時間ｔ_４’（＝ｔ_３’）の間、成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２に向けて下げて、成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２に安定させる。時間ｔ_３’または時間ｔ_４’の経過後、成膜を開始する。

ここで、図２を用いて実施例１と比較例とを対比すると、実施例１は比較例に対して、予備成膜の終了後から成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２に安定させるまでの時間が、Δｔ_３（＝ｔ_３’−ｔ_３）分短くなっている。よって、本発明の実施例１では、比較例に対して時間Δｔ_３分（最大でΔｔ_３＝ｔ_３’）、成膜に関わる工程のリードタイムを短くできる。

実施例１と比較例との対比における予備成膜の効果について図２を参照しながら説明する。実施例１において、予備成膜の時間ｔ_２と成膜温度Ｔ_２と実線Ｂとによって囲まれる面積Ｓ_１が大きいほど、予備成膜の効果が上がるが、時間ｔ_３が長くなることとなる。一方で、面積Ｓ_１が小さいほど、時間ｔ_３が短くなることとなるが、予備成膜の効果が低くなる。この面積Ｓ_１が、比較例における予備成膜の時間ｔ₂と成膜温度Ｔ_２と実線Ｄとによって囲まれる面積Ｓ_１’の１／４以上である場合、実施例１の薄膜太陽電池は、比較例と同等の性能を有することが確認できた。なお、実際の量産過程においては、実線Ｂで示す温度プロファイルのバラツキおよびマージンなどを考慮すると、面積Ｓ_１は、面積Ｓ_１’の１／２以上となっていることがより好ましい。

さらに、図３を用いて実施例２と比較例とを対比すると、実施例２は比較例に対して、予備成膜の終了後から成膜室２内の温度を成膜温度Ｔ_２に安定させるまでの時間が、Δｔ_４（＝ｔ_４’−ｔ_４）分短くなっている。よって、本発明の実施例２では、比較例に対して時間Δｔ_４分（最大でΔｔ_４＝ｔ_４’）、成膜に関わる工程のリードタイムを短くできる。

１ 成膜装置
２ 成膜室
３ 高電圧電極
４ 接地電極
５ 基板
６ ヒーター
７ 真空ポンプ
８ ガス供給管
Ａ 矢印
Ｂ，Ｃ，Ｄ 温度プロファイル
Ｔ_１ 予備成膜開始目標温度（予備成膜温度）
Ｔ_２ 成膜温度
Ｔ_４ 加熱温度
ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_３’，Δｔ_３，ｔ_４，ｔ_４’，Δｔ_４ 時間
Ｓ_１，Ｓ_１’，Ｓ_２，Ｓ_２’ 面積

１ 成膜装置
２ 成膜室
３ 高電圧電極
４ 接地電極
５ 基板
６ ヒーター
７ 真空ポンプ
８ ガス供給管
Ａ 矢印
Ｂ，Ｃ，Ｄ 温度プロファイル
Ｔ_１ 予備成膜温度
Ｔ_２ 成膜温度
Ｔ_４ 加熱温度
ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，ｔ_３’，Δｔ_３，ｔ_４，ｔ_４’，Δｔ_４ 時間
Ｓ_１，Ｓ_１’，Ｓ_２，Ｓ_２’ 面積

Claims (2)

1. 成膜室内に予備成膜を施した後に、前記成膜室内で基板を成膜するための薄膜形成方法であって、
   前記予備成膜の開始前に、前記成膜室内の温度を、前記予備成膜の開始時に到達すべき温度として定められた予備成膜開始目標温度に上げるステップと、
   前記予備成膜の実施中、前記成膜室内の温度を、前記予備成膜開始目標温度以下かつ成膜温度以上の温度範囲で、前記予備成膜中の全期間通じて一定とせず、かつ前記予備成膜の終了時、前記成膜室内の温度を、前記予備成膜開始目標温度より低くかつ成膜温度以上とするような温度プロファイルにて、予備成膜を行うステップと、
   前記成膜室内の温度が前記成膜温度に達した後に、前記基板への成膜を開始するステップと
   を含む薄膜形成方法。
2. 成膜室内に予備成膜を施した後に、前記成膜室内で基板を成膜するための薄膜形成方法であって、
   前記予備成膜の開始前に、前記成膜室内の温度を、成膜温度以上の加熱温度に上げた後に、前記加熱温度から下げ始めるステップと、
   前記予備成膜の開始から終了までの間に、前記成膜室内の温度を、前記加熱温度より低くかつ前記成膜温度以上の温度範囲で、前記予備成膜中一定とする期間を設けないような温度プロファイルにて、予備成膜を行うステップと、
   前記成膜室内の温度が前記成膜温度に達した後に、前記基板への成膜を開始するステップと
   を含む薄膜形成方法。

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