JP5402502B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、異常放電を抑制することができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

プラズマ処理装置は、例えば基板上にアモルファスシリコン層又は微結晶シリコン層を形成するときに用いられている。アモルファスシリコン層及び微結晶シリコン層は、例えば薄膜太陽電池の光電変換層として使用することができる。

薄膜太陽電池の基板としては、例えば可撓性基板を用いることができる。可撓性基板を用いると、ロール状に巻かれた可撓性基板を成膜室に搬送して処理を行い、その後ロール状に巻き取るという処理を行うことができる。このようにすると、基板に対する処理効率が向上する。

ロール状に巻かれた可撓性基板を処理する方法としては、ロールツーロール方式と、ステッピングロール方式がある。ロールツーロール方式は、可撓性基板を連続して移動させながら処理する方式であり、ステッピングロール方式は、処理中には可撓性基板を停止させ、その後処理された部分を成膜室から送り出す方式である。例えば特許文献１〜３には、ステッピングロール方式に用いられる装置が開示されている。

特開平８−２９３４９１号公報 特開平１１−１４５０６０号公報 特開２００７−３１１４１７号公報

プラズマ処理装置において、異常放電を抑制することは処理品質を確保する上で重要である。異常放電を抑制するためには、プラズマを発生するために入力された高周波電力を、基板を介してプラズマの周囲に位置している部材で十分回収する必要がある。しかし基板から高周波電力を回収するルートが十分確保されていないと、異常放電を十分に抑制することは難しかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、異常放電を抑制することができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。

本発明によれば、真空容器と、
前記真空容器内に配置され、基板に接する接地電極と、
前記真空容器内に、前記接地電極に対向するように配置された高周波電極と、
前記真空容器内のうち前記高周波電極の背面側に設けられ、接地されているシールド部材と、
前記真空容器内のうち前記高周波電極の外周側に設けられ、かつプラズマ処理時に前記基板に接する第１導電部材と、
前記第１導電部材を前記シールド部材に接続する第２導電部材と、
を備えるプラズマ処理装置が提供される。

本発明によれば、真空容器と、
前記真空容器内に配置され、接地されているシールド部材と、
前記真空容器内に配置され、前記シールド部材を介して互いに対向するように配置された２つの高周波電極と、
前記真空容器内に前記２つの高周波電極それぞれに対応して設けられ、前記高周波電極を基準としたときに前記シールド部材とは反対側に配置され、互いに異なる基板に接する２つの接地電極と、
前記真空容器内のうち前記２つの高周波電極それぞれの外周側に設けられ、プラズマ処理時に前記基板に接する２つの第１導電部材と、
前記真空容器内に前記２つの前記第１導電部材それぞれに対応して設けられ、前記第１導電部材を前記シールド部材に接続する第２導電部材と、
を備えるプラズマ処理装置が提供される。

本発明によれば、真空容器と、
前記真空容器内に配置された接地電極と、
前記真空容器内に、前記接地電極に対向するように配置された高周波電極と、
前記真空容器内のうち前記高周波電極の背面側に設けられ、接地されているシールド部材と、
を有するプラズマ処理装置を準備し、
前記真空容器内のうち前記高周波電極の外周側に第１導電部材を設け、
前記第１導電部材を、第２導電部材を用いて前記シールド部材に接続し、
前記接地電極及び前記第１導電部材の双方に基板を接させて前記基板をプラズマで処理する、プラズマ処理方法が提供される。

本発明によれば、基板には第１導電部材が接している。第１導電部材は、第２導電部材を介してシールド部材に接続している。このため、高周波電力を十分に回収することができ、その結果、異常放電を抑制することができる。

実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す図である。 真空容器の構成を示す断面図である。 図２の要部を拡大した図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す図である。このプラズマ処理装置は、ステッピングロール方式で可撓性基板５０を処理する装置であり、直列に配置された複数の成膜室２００、基板送出部１００、及び基板巻取部３００を備える。成膜室２００で行われる処理は、例えばプラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法により可撓性基板５０に成膜を行う処理である。本図に示す例において複数の成膜室２００は、一つの真空容器２０２の中に設けられている。

基板送出部１００は、ロール状に巻かれた可撓性基板５０を保持しており、成膜室２００に可撓性基板５０を送り出す。基板巻取部３００は、複数の成膜室２００それぞれで順に成膜処理された可撓性基板５０をロール状に巻き取る。

可撓性基板５０は全体が導電性を有していても良いし、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、及びポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）などの絶縁性の基材の上に導電性の層を設けたものであってもよい。導電層は、例えばＡｇ膜やＡｌ膜などの金属膜であるが、これらの表面にＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２、及びＩＴＯ（Indium Thin Oxide）などの透明酸化物膜を設けたものであっても良いし、これら透明酸化物膜で形成されていても良い。

図１に示すプラズマ処理装置は、例えば可撓性基板５０に薄膜太陽電池の光電変換層を形成する装置である。この場合、第１の成膜室２００では第１導電型（例えばｎ型）の微結晶シリコン層またはアモルファスシリコン層が成膜され、第２の成膜室２００では真性型の微結晶シリコン層（ｉ型微結晶シリコン層）またはアモルファスシリコン層が成膜され、第３の成膜室２００では第２導電型（例えばｐ型）の微結晶シリコン層またはアモルファスシリコン層が成膜される。

図２は、真空容器２０２の内部の構成を示す断面図である。なお図２に示す真空容器２０２は、同時に２枚の可撓性基板５０を処理することができるようになっている。ただし図１では、説明の都合上可撓性基板５０を一枚のみ図示している。図２において、成膜室２００は第１導電部材２３０、第２導電部材２３４、成膜空間形成部材２１２、絶縁部材２３２、成膜空間形成部材２２２、及び側枠２２６によって囲まれた空間である。またプラズマを生成する放電空間は、可撓性基板５０と高周波電極２１０の間の空間になる。

真空容器２０２は、接地電極２２０、高周波電極２１０、整合器２５２、シールド部材２６０、第１導電部材２３０、及び第２導電部材２３４を備える。接地電極２２０は、真空容器２０２の中に配置されている。高周波電極２１０は、真空容器２０２の中に接地電極２２０に対向するように配置されている。整合器２５２は、真空容器２０２の外に設けられており、高周波電極２１０と高周波電源２５０の間のマッチングを取りつつ、これらを互いに接続している。シールド部材２６０は、真空容器２０２の中のうち高周波電極２１０の背面側に設けられており、接地されている。本実施形態においてシールド部材２６０は、同軸管２５４の外部導体を介して、真空容器２０２のうち整合器２５２に面している部分である第１の領域２０２ａに接続しており、この部分において接地している。整合器２５２は、第１の領域２０２ａにおいて真空容器２０２に接地している。

第１導電部材２３０は、真空容器２０２の中のうち高周波電極２１０の外周側に設けられており、かつ、可撓性基板５０に対して成膜処理を行うときには可撓性基板５０のうち成膜処理がされる側の面に接する。可撓性基板５０には、放電空間内で生成したプラズマから高周波が流れるが、この高周波は、接地電極２２０に加えて第１導電部材２３０にも流れる。なお、接地電極２２０に垂直な方向に座標軸をとった場合に、第１導電部材２３０のうち接地電極２２０に近い側の面は、高周波電極２１０の表面より、接地電極２２０の表面の近くに位置していても良い。この場合、第１導電部材２３０の内周側の側面は放電空間に面する。

第２導電部材２３４は、第１導電部材２３０をシールド部材２６０に接続している。このようにすると、可撓性基板５０に流れた高周波電力を、第１導電部材２３０、第２導電部材２３４、及びシールド部材２６０を介して短いルートで回収することができる。なお本実施形態では、第２導電部材２３４は真空容器２０２に接していない。

本実施形態において、第１導電部材２３０のうち可撓性基板５０に面している面は、高周波電極２１０より可撓性基板５０の近くに位置している。このため、第１導電部材２３０は、内周側の側面が放電空間に面することになる。

本実施形態において、第１導電部材２３０及び第２導電部材２３４は、それぞれ枠形状を有しており、中空部分の面積が高周波電極２１０の面積より大きい。このため、第１導電部材２３０及び第２導電部材２３４は、高周波電極２１０の全周を囲んでいる。このようにすると、高周波電力の回収量が多くなる。なお、第２導電部材２３４の重量を抑制するという観点から、第２導電部材２３４は板状または箔状として、その厚さを０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下にするのが好ましい。高周波は導電体のごく表面を流れるという特性を有しているため、第２導電部材２３４の厚さは０．５ｍｍ程度でも問題はない。なお第２導電部材２３４は、例えば銅により形成されているが、他の材料により形成されていても良い。

本実施形態において、シールド部材２６０はブロック状の導電性の部材である。上記したように成膜室２００は、同時に２枚の可撓性基板５０を処理することができるようになっている。そして成膜室２００において、シールド部材２６０以外の部材は、シールド部材２６０を介して対称に２つずつ配置されている。そしてシールド部材２６０は、２つの高周波電極２１０に共通に使用される。

シールド部材２６０は、第１の領域２０２ａとは異なる部分である第２の領域２０２ｂにおいて、真空容器２０２の内壁に固定されている。第２の領域２０２ｂの面積は、第１の領域２０２ａの面積より小さい。本実施形態において第２の領域２０２ｂは、真空容器２０２の内部空間を介して第１の領域２０２ａとは反対側に位置している。

シールド部材２６０は、プラズマ処理装置を小型化する、という観点からなるべく小さいのが好ましい。例えばシールド部材２６０の形状を、直接可撓性基板５０に接させるような形状にすることも考えられるが、このようにすると、シールド部材２６０が大型化して重くなる。シールド部材２６０が重くなると、シールド部材２６０を真空容器２０２に固定する部分を大面積にする必要が出てくる。なお、シールド部材２６０と真空容器２０２の内壁との接続面積が大きいと、この接続部分を介してシールド部材２６０に回収された高周波電力が真空容器２０２に逃げ、真空容器２０２と他の部材の間での異常放電を引き起こすことがある。

これに対して本実施形態では、上記したようにシールド部材２６０は、第１導電部材２３０及び第２導電部材２３４を介して可撓性基板５０に接続している。このため、シールド部材２６０を直接可撓性基板５０に接させる場合と比較して、シールド部材２６０を小型化（例えば半分の重量）にすることができる。この結果、シールド部材２６０のうち真空容器２０２の内壁に固定されている部分の面積を小さくすることができる。具体的には、第２の領域２０２ｂの面積は、第１の領域２０２ａの面積よりより小さくなっている。このため、シールド部材２６０に回収された高周波電力が真空容器２０２のうち整合器２５２に接している部分以外の領域に逃げることが抑制され、真空容器２０２と他の部材の間での異常放電を引き起こすことを抑制できる。

シールド部材２６０の中には、絶縁材（図示せず）を介して同軸管２５４の給電体２５４ａ、及び接続部材２１４の一端側が埋め込まれている。同軸管２５４は、一端が整合器２５２を介して高周波電源２５０に接続しており、他端が接続部材２１４の一端に接続している。接続部材２１４は軸状の部材であり、その他端は高周波電極２１０の背面の中心に接続している。すなわち高周波電源２５０から出力された高周波電力は、整合器２５２、同軸管２５４の給電体２５４ａ、及び接続部材２１４を介して高周波電極２１０に入力される。

接続部材２１４には、成膜空間形成部材２１２が取り付けられている。成膜空間形成部材２１２は、後述する成膜空間形成部材２２２とともに、図１に示した成膜室２００を形成する。成膜空間形成部材２１２は板状の部材であり、中心を接続部材２１４が貫通している。成膜空間形成部材２１２は高周波電極２１０の背面の全面を覆っているが、高周波電極２１０と同電位になっているため、成膜空間形成部材２１２と高周波電極２１０との間の空間では放電は生じない。なお成膜空間形成部材２１２の周縁部は、平面視において高周波電極２１０の外側に位置している。成膜空間形成部材２１２の周縁部には、絶縁部材２３２を介して第１導電部材２３０が固定されている。すなわち接続部材２１４及び高周波電極２１０と、第１導電部材２３０及び第２導電部材２３４とは、成膜空間形成部材２１２及び絶縁部材２３２を介して互いに固定されている。

またシールド部材２６０の中には、排気管２４０が設けられている。排気管２４０は、一端が成膜空間形成部材２１２を貫通して高周波電極２１０と成膜空間形成部材２１２の間の空間に接続しており、他端が排気ポンプ（図示せず）に接続している。すなわち、高周波電極２１０と接地電極２２０の間の放電空間は、高周波電極２１０と成膜空間形成部材２１２の間の空間及び排気管２４０を介して排気ポンプにより排気される。

なお放電空間へのプロセスガスの供給は、高周波電極２１０によって行われる。すなわち高周波電極２１０はシャワーヘッド構造になっており、このシャワーヘッドに接続されているガス供給管（図示せず）を介して、プロセスガスは放電空間に供給される。なお、本図に示す例では、成膜室２００に対して放電空間が占める割合が大きくなるため、プロセスガスの利用効率が高くなる。

接地電極２２０は、支持軸２２４によって支持されている。支持軸２２４は、駆動手段（図示せず）によって可撓性基板５０に近づく方向及び離れる方向それぞれに移動する。すなわち接地電極２２０は支持軸２２４を介して駆動手段により、可撓性基板５０に接し、かつ離れることができる。接地電極２２０はヒータ（図示せず）を内蔵しており、可撓性基板５０を処理している間、可撓性基板５０に接することにより可撓性基板５０を加熱する。このときの可撓性基板５０の温度は、例えば２８０℃である。

支持軸２２４には、成膜空間形成部材２２２が取り付けられている。成膜空間形成部材２２２は板状の部材であり、中心を支持軸２２４が貫通している。成膜空間形成部材２２２は、接地電極２２０と同電位になっている。成膜空間形成部材２２２は、接地電極２２０の背面の全面を覆っており、その周縁部は、平面視において接地電極２２０の外側に位置している。成膜空間形成部材２２２の周縁部には、側枠２２６が固定されている。側枠２２６は、接地電極２２０が可撓性基板５０に接している状態において、第１導電部材２３０との間で可撓性基板５０を挟んでいる。すなわち可撓性基板５０を処理している間、高周波電極２１０、接地電極２２０、及びこれらの間の放電空間は、成膜空間形成部材２１２、絶縁部材２３２、第１導電部材２３０、成膜空間形成部材２２２、及び側枠２２６によって形成される閉空間の中に位置することになる。

なお、上記したように真空容器２０２は、互いに異なる２枚の可撓性基板５０を同時に処理することができるようになっている。真空容器２０２内には、接地電極２２０、高周波電極２１０、第１導電部材２３０、及び第２導電部材２３４が２組ずつ、高周波電極２１０が互いに対向する向きに設けられている。シールド部材２６０は、２つの高周波電極２１０の間に位置している。すなわち２組の真空容器２０２内には、接地電極２２０、高周波電極２１０、第１導電部材２３０、及び第２導電部材２３４が、シールド部材２６０を介して線対称となるように、高周波電極２１０が互いに対向する向きに配置されている。２つの接地電極２２０は、それぞれが対応する高周波電極２１０を基準としたときに、シールド部材２６０とは反対側に配置されている。そして２つの第２導電部材２３４は、同一のシールド部材２６０に接続している。このため、シールド部材２６０を複数設ける必要がなく、部材の数を少なくすることができる。

図３は、図２の要部を拡大した図である。上記したように、側枠２２６は、接地電極２２０が可撓性基板５０に接している状態において、第１導電部材２３０との間で可撓性基板５０を挟んでいる。このため、成膜室２００は、成膜処理を行っている間は外部から遮断される。従って、プロセスガスが成膜室２００の外に拡散することが抑制される。詳細には、側枠２２６は、可撓性基板５０に対向する面にシールリング２２８を有しており、第１導電部材２３０は、シールリング２２８と対向する部分にシールリング２３８を有している。シールリング２２８，２３８は、例えばバイトン（登録商標）などの耐熱性の高い絶縁性のゴムにより形成されている。

なお、接地電極２２０が可撓性基板５０から離れているときは、第１導電部材２３０も可撓性基板５０から離れているため、可撓性基板５０は移動することができる。そして接地電極２２０は、可撓性基板５０に向けて移動するとき、可撓性基板５０に接した後、さらに高周波電極２１０に近づく方向に移動する。これにより、可撓性基板５０は、第１導電部材２３０のシールリング２２８に接することができる。

以上、本実施形態によれば、第１導電部材２３０は、成膜処理が行われるときには可撓性基板５０に接する。第２導電部材２３４は、第１導電部材２３０をシールド部材２６０に接続している。シールド部材２６０は整合器２５２の接地側に接続している。このため、可撓性基板５０に流れた高周波を、第１導電部材２３０、第２導電部材２３４、及びシールド部材２６０を介して短いルートで整合器２５２に回収することができる。このため、異常放電を十分に抑制することができる。

また、第２導電部材２３４は真空容器２０２には接続していない。このため、第２導電部材２３４から高周波電力が真空容器２０２に逃げ、真空容器２０２と他の部材の間での異常放電を引き起こすことを抑制できる。

また、シールド部材２６０は、真空容器２０２の内壁に固定されている部分の面積が小さく、整合器２５２に接続している部分の面積より小さくなっている。このため、シールド部材２６０と真空容器２０２の内壁との接続部分から、シールド部材２６０に回収された高周波電力が真空容器２０２に逃げ、真空容器２０２と他の部材の間での異常放電を引き起こすことを抑制できる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

５０ 可撓性基板
１００ 基板送出部
２００ 成膜室
２０２ 真空容器
２０２ａ 第１の領域
２０２ｂ 第２の領域
２１０ 高周波電極
２１２ 成膜空間形成部材
２１４ 接続部材
２２０ 接地電極
２２２ 成膜空間形成部材
２２４ 支持軸
２２６ 側枠
２２８ シールリング
２３０ 第１導電部材
２３２ 絶縁部材
２３４ 第２導電部材
２３８ シールリング
２４０ 排気管
２５０ 高周波電源
２５２ 整合器
２５４ 同軸管
２５４ａ 給電体
２６０ シールド部材
３００ 基板巻取部

Claims (4)

1. 真空容器と、
   前記真空容器内に配置され、基板に接する接地電極と、
   前記真空容器内に、前記接地電極に対向するように配置された高周波電極と、
   前記真空容器内のうち前記高周波電極の背面側に設けられ、接地されているシールド部材と、
   前記真空容器内のうち前記高周波電極の外周側に設けられ、かつプラズマ処理時に前記基板に接する第１導電部材と、
   前記第１導電部材を前記シールド部材に接続する第２導電部材と、
   を備え、
   前記第１導電部材及び前記第２導電部材は、前記高周波電極の全周を囲むように設けられ、
   前記第２導電部材の厚さは０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記真空容器の外に設けられ、前記高周波電極を高周波電源に接続する整合器を備え、
   前記シールド部材は、
   前記真空容器のうち前記整合器に面している部分である第１の領域に接続することにより接地されており、かつ前記真空容器のうち前記第１の領域とは異なる第２の領域において前記真空容器の内壁に固定されており、
   前記第２の領域の面積は、前記第１の領域の面積より小さいプラズマ処理装置。
3. 真空容器と、
   前記真空容器内に配置され、接地されているシールド部材と、
   前記真空容器内に配置され、前記シールド部材を介して互いに対向するように配置された２つの高周波電極と、
   前記真空容器内に前記２つの高周波電極それぞれに対応して設けられ、前記高周波電極を基準としたときに前記シールド部材とは反対側に配置され、互いに異なる基板に接する２つの接地電極と、
   前記真空容器内のうち前記２つの高周波電極それぞれの外周側に設けられ、プラズマ処理時に前記基板に接する２つの第１導電部材と、
   前記真空容器内に前記２つの第１導電部材それぞれに対応して設けられ、前記第１導電部材を前記シールド部材に接続する第２導電部材と、
   を備え、
   前記第１導電部材及び前記第２導電部材は、前記高周波電極の全周を囲むように設けられ、
   前記第２導電部材の厚さは０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるプラズマ処理装置。
4. 真空容器と、
   前記真空容器内に配置された接地電極と、
   前記真空容器内に、前記接地電極に対向するように配置された高周波電極と、
   前記真空容器内のうち前記高周波電極の背面側に設けられ、接地されているシールド部材と、
   を有するプラズマ処理装置を準備し、
   前記真空容器内のうち前記高周波電極の外周側に第１導電部材を設け、
   前記第１導電部材を、厚さが０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である第２導電部材を用いて前記シールド部材に接続し、
   前記第１導電部材及び前記第２導電部材を、前記高周波電極の全周を囲むように設け、
   前記接地電極及び前記第１導電部材の双方に基板を接させて前記基板をプラズマで処理する、プラズマ処理方法。

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