JP5453543B2 - シリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックス - Google Patents

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Description

本発明は、一般的に、太陽電池技術に関し、より詳細には、VHF(27.12MHz〜100MHz)で駆動される、シリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックスに関する。
現在、シリコン薄膜太陽電池では、多くの場合、プラズマ増強化学気相堆積(PECVD)を使用して単接合または多接合光起電PIN膜層を堆積する。このタイプの高周波(RF)容量結合型平行平板反応器は、一般に、薄膜太陽電池業界で使用される。堆積プロセス、例えば、プラズマ増強化学気相堆積は、電極板アレイを持つ電極板要素により、反応チャンバ内で実施される。RF容量結合型平行平板電極反応チャンバは、アモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、炭化シリコン、窒化シリコンおよび酸化シリコン材料等の様々な種類の大面積薄膜堆積に広く使用される。業界内では、支持フレームを持つ電極は、通例、クランプユニット、ホルダまたは固定具と呼ばれ、チャンバ内部にホルダが設置されるプラズマ化学気相堆積装置は、多くの場合、「堆積ボックス」、すなわち、反応器と呼ばれる。
シリコン薄膜太陽電池分野は、太陽エネルギー業界の重要な部門であり、平行平板電極容量放電パターンは、太陽電池業界のコア技術の一つである。さらに、13.56MHz RFは、高い生産効率および低いプロセスコストを持つ高速アモルファスシリコン薄膜堆積で広く使用される。シリコン薄膜技術に対する需要が高まるにつれ、微結晶およびナノ結晶シリコン薄膜材料が一層注目されている。
しかし、微結晶環境下では、13.56MHz RFで生成されるプラズマは、低いプラズマ密度、低い堆積速度、目標膜厚さに到達するまでの長い堆積時間および有意なバックグラウンド汚染を有することができる。したがって、多くの場合、作製される薄膜が高い不純物特性および不十分な光電特性を有し、製品の品質および性能に深刻な影響を及ぼす。結晶シリコン薄膜技術が業界に十分に貢献するには、いかに高速堆積を行うかが重要になる。
超短波(VHF)は、13.56MHzの二倍以上の正規の周波数を指す。業界で主に使用されるVHFは、一般的に、27.12〜100MHzの範囲である。しかし、容量放電モデルでは、VHFで生じる定在波効果および表皮効果が非常に顕著になり、駆動周波数が増大するとこれらの効果がより強くなる。カリフォルニア大学バークレー校のM. A. Lieberman教授は、これらの二つの効果について徹底的な調査を行った。彼の研究結果が示すように、均一な薄膜のVHF PECVD堆積の重大な条件は、励起周波数(λ)の自由空間波長が容量放電電極チャンバの寸法係数(Χ)よりもはるかに大きく、表皮深さ(δ)が厚さ許容係数(η)よりもはるかに大きいことである。例として、1m2の放電面積および60MHzの励起周波数では、λ≒Χおよびδ≒ηである。そのため、この励起周波数では、表皮効果および定在波効果が非常に顕著になり、1m2の電極板上における不均一な放電につながる。このように、VHFで駆動される大面積の均一な放電をいかに達成するかは、結晶シリコン薄膜技術のために対処すべき技術的問題の一つである。
これも、業界内で大変な関心を生じさせた。2003年、米国特許第2003/0150562A1号は、VHFで生じる不均質性を改善するため、容量結合型放電で磁気ミラーを使用する方法を開示した。中国特許第200710150227.4号、第200710150228.9号および第200710150229.3号は、均一な電界を得るため、VHF信号の異なる給電形態を適用するVHFの三つの電極設計を開示した。
しかし、依然として以下の問題が残ることができる: 1)VHF−PECVDチャンバ内の電極が複雑な設計構造を有する; 2)継続的な改善の一つの理由として、反応チャンバおよび電極の定常的な組立/分解および清掃により、電極の異常な変形が生じることができる; 3)既存特許で開示された多点給電構造は、個々の給電点の対称経路を要求する小さい接触表面を有することができ、給電点のボンディング導体とカソード板との間に接触がない。より具体的には、有効な放電のため、ボンディング導体とカソード板との間に隔離シールドが要望されることができる。これらの構造設計は、比較的厳しい実際の要件を有し、均一な放電のための多過ぎる決定因子を有し、実際の生産における要望、例えば、分解および清掃を満たすことができない。
そのため、業界で使用される設備では、単点給電が主流の設計になる。しかしながら、定在波効果および表皮効果のため、現在の単点給電構造は、高い給電周波数を増大させるための要件を満たすことができない。したがって、現在の市場需要を満たし、コストを低減するには、既存の堆積ホルダをより実用的にするためのさらなる開発および改善が要望されることができる。他方、複数のガラスを加工または堆積することができるCVD反応器システムを使用する傾向もある。そのため、大量生産の需要を満たし、工業生産段階に入るため、有効なVHF給電モデルを適用することは、業界にとって実用的に大変に有意義である。
発明の内容
本発明の目的は、VHF電源駆動放電システムの不均一性の問題を解決し、電極板要素を有する電極アレイの新しい概念設計の使用により、均一な電界を持つ大面積VHF−PECVD堆積チャンバを提供することを包含し、大面積VHF−PECVD電極板多板アレイの生産に適用される。
それゆえに、本発明の堆積ボックス技術による解決策は、電極板要素、信号給電要素およびチャンバを包含し、カソード板のシールドカバーも包含し、チャンバがローラを持つ可動チャンバであり、その内部には電極板からなる電極アレイが設置される。給電ポートが電極板要素の裏側の中心における凹状の円または半円領域に位置し、表面接触により、円または半円形状給電ポートに接続された信号給電要素が、給電用高周波(RF)または超短波(VHF)電源信号のマイナス電極に接続される。カソード板のシールドカバーがスルーホールを有する。カソード板とシールドカバーとの間が絶縁され、電極アレイが少なくとも1セットのカソード板および一つのアノード板を包含する。
堆積ボックスによる解決策で述べたカソード板のセットおよびアノード板は、アノード板の二つの側の方を向く、対称に配置されたカソード板の二つの効率的な放電側部を指す。カソード板が片側放電に使用され、カソード板のシールドカバーがセラミック絶縁層およびシールド層を包含する。シールドカバーがカソード板の背面および側部表面全体を覆う。
電極が、シールドカバーを持つ複数のカソード板および複数の接地されたアノード板を包含し、特定の放電空間を持つ電極アレイを形成する。
RF/VHF電源信号を給電するため、シールドカバーが、カソード板の裏側の中心位置および周囲側部のシールドを包含する。信号給電要素は、銅給電コア、絶縁層および外面シールド層を含む。
信号給電要素が胴部およびヘッド部を含み、Z形状を有する。胴部が高温耐性セラミック絶縁層を有し、金属給電コアがRF/VHF給電ラインの導体である。信号給電要素の一つの端部が、RF/VHF電源信号のマイナス出力ポートおよび電源適合装置に接続される。
本発明による解決策は、電極板要素、給電要素およびチャンバが信号給電モードを形成し、電極アレイがローラを持つ可動チャンバに設置される方法を提供する。電極アレイが少なくとも1セットのカソード板および一つのアノード板を包含する。給電ポートが電極板要素の裏側の中心における凹状の円または半円領域に位置し、給電要素が、表面接触により、円または半円凹部表面でカソード板に接続される。さらに、信号給電要素の一つの端部が、円または半円形状であり、電極板要素の給電ポートに表面接触し、RF/VHF電源信号を給電する。
本発明による解決策は、複数セットの給電要素および電極板が、表面接触モードにより、RF/VHF電源信号を電極板給電口に給電し、特定の放電空間を持つ電極アレイを形成することを包含する。
給電要素がZ形状金属ベルトまたはストリップであることができ、胴部が高温耐性セラミック絶縁層を有し、金属給電コアがRF/VHF信号給電ラインの導体である。
信号給電要素の一つの端部が、RF/VHF電源信号のマイナス出力ポートおよび電源適合装置に接続される。
本発明の堆積ボックスの有益な効果は、側部給電モードを持つスロットタイプのカソード板と異なり、より高い均一性、より大きい放電面積および安定した放電性能を達成する堆積が堆積ボックス内で得られ、接続キャパシタンスがより小さく、実際の放電電力がより大きく、電極板アレイ間の高周波干渉がより小さいことを包含する。単チャンバ堆積システムのカソード板中心点タイプ給電モードとも異なり、接続キャパシタンスがより小さく、定在波および表皮効果がより小さく、一体化されたアレイタイプの多チャンバ堆積が得られ、生産効率を大いに改善することができる。そのため、VHF電源給電形態および電極板構造の最適化により、RF/VHF放電均一性の解決策を得ることができ、それは、結晶化シリコン薄膜のための高効率な作製技術の前提である。本発明は、大面積の均一な放電のため、27.12MHz〜200MHzの範囲の任意の電源および任意の正規のVHF周波数に適用可能である。この構造は、生産性を大いに改善し、太陽電池のコストを低減するため、複数のガラス堆積システムに適用することができる。本発明は、従来の電極設計の技術的な制限を打破し、VHF誘導効果、例えば、定在波および表皮効果を効果的に除去し、均一な放電を工業的な適用レベルまで改善する。
堆積ボックス断面図。 堆積ボックスチャンバ図。 図1の信号給電要素201の概略図。 図1のカソード板203の概略図。 図1のカソード板シールド204の概略図。 本発明の実施態様1の構造スケッチ図。 本発明の実施態様2の構造スケッチ図。 本発明の実施態様3の構造スケッチ図。
図1〜8では、堆積ボックス02は、真空チャンバ01内でガス堆積をプロセスするため、信号給電要素201、絶縁シールド層202、カソード板203、カソード板シールドカバー204、基板206、絶縁ストリップ207、アノード板208、接地金属ガイド溝209、下部背面ドア板211、上部背面ドア板212、ガスキャビティ214、前面ドアパネル215、側部フレーム216、ホイールまたはローラ218、ガスパイプライン220および下部ベース板221等からなる。真空チャンバ01は、ガスアクセスシステムの給入口101、電源給電システム口102、真空チャンバドア103、トラック104および真空システムの給入口105を含有する。
本発明の堆積ボックスは、表面接触給電モードにより、先に提案した本発明の目標を達成する。それは、結晶化シリコン薄膜のVHF−PECVD堆積における多点給電手法の多くの問題、例えば、反応チャンバの電極構造が複雑であり、電極が容易に変形し、接触面積が小さく、給電点間の経路および距離が完全に対称であり、全面的にシールドされることが要求されること等を克服した。本発明の表面給電堆積ボックス設計は、これらの問題を解決し、均一な電界を持つ大面積チャンバ放電を得ることができる。それは、特にアノード板の二重作用表面の高効率な利用を達成することができる。一方、より多くの枚数のガラスを処理または堆積するためのCVD堆積ボックスシステムについては、有効なVHF表面給電モードを適用し、工業生産稼働プロセスが達成され、シリコン系薄膜太陽電池の大量生産における要望を満たすことができる。
本発明の寄与は、高堆積速度において超短波(VHF)電源で駆動される薄膜堆積の均一性および整合性の問題について、実質的な解決策を提供することを包含する。堆積ボックス02は、真空チャンバ01内に配設され、堆積ボックス02は、電極板、信号給電要素、チャンバおよびカソード板シールドカバー204を含む。平行電極板は、カソード板203およびアノード板208を包含する。カソード板の給電ポート203−1は、円形状である。信号給電要素201は、階段形状であり、胴部セクションと半円端部201−1とを含み、シールドカバー204を持つカソード板203の中間でくぼんだ円給電ポート203−1に接続される。要素の胴部は、容易な設置のために平坦であり、給電信号の損失が少ない。要素の他の端部201−3は、RF/VHF電源のマイナスポートおよび電源適合装置(図示せず)に接続され、階段形状である。要素の端部は、半円形状であり、表面接触モードで電極板に接続され、接地設定を持つ堆積ボックス内で電極板要素の構成要素となり、すべてが絶縁シールド(図示せず)を有する。
発明の詳細な説明
実施態様1
電極板が垂直に配設される。カソード板が円給電ポートを有し、給電要素が平坦な胴部および半円給電インターフェースを有する。
本実施態様の原理を図1〜6に例示する。堆積ボックス02では、二つのカソード板203が一つのアノード板208を囲む。PECVD堆積システムは、気相堆積チャンバ、ガスシステム、電源システム、真空システム、加熱システム、制御システムなどからなる。ガスシステムは、主に、気相堆積のための異なるガスおよびガスラインを提供する。電源システムは、主に、膜堆積のためのプラズマを放電する短波または超短波電源を提供する。真空システムは、主に、真空ポンプ機および真空パイプラインを提供する。加熱システムは、主に、気相堆積チャンバに熱を供給する。制御システムは、主に、堆積プロセスのパラメータを制御する。気相堆積チャンバは、ガスによる基板206への薄膜堆積を実現するための装置である。
気相堆積チャンバは、主に、真空チャンバ01と、スクロールホイール218および接地設定を持つ堆積ボックス02とを含む。真空チャンバ01を使用して真空が達成される。堆積ボックス02を使用してプラズマを放電し、P−I−N薄膜層を基板206に堆積する。堆積ボックス02は、カソード板203、カソードシールド204、絶縁ストリップ207、アノード板208、信号給電要素201、シールド層202、下部板221、ガスチャンバ214、接地金属溝209、前面ドア板215、上部背面ドア板212、下部背面ドア板211、側部フレーム216およびホイール218を包含する。側部フレーム216は、溶接ステンレス鋼スリップで作られた四角形状フレームであり、長方形フックイヤ部216−4を有する。側部フレーム216は、上部側でガスチャンバ214と、下部側で下部板221と接続し、一体ボディを形成する。ガスチャンバ214および下部板221の逆側に位置する金属溝209は、アノード板208、カソード板203およびカソードシールド204を固定することができる。アノード板208は、金属溝209に直接挿入されて接触し、カソードシールド204を金属溝209に接触させる。絶縁スリップ207は、カソード203とカソードシールド204との間で固定され、これらの二つの部分を分離させる。
アノード板208およびカソードシールド204は、金属溝209に接触し、接地を確保するために下部板221に接続される。円給電ポート203−1は、板の表面からくぼんだ、カソード板の中間または中心領域に位置する。信号給電要素201の胴部およびヘッド部は、Z形状を形成する。さらに、信号給電要素201は、カソード板の中間のくぼんだ円ポートを高周波/超短波信号電源に接続するため、半円端部203−1を有する。カソードシールド204の中間のスルーホール204−1は、給電ポート203−1に対応して設けられ、カソードシールド204に触れることなく、カソード板203から信号給電要素201を出す。信号給電要素201のもう一つの端部は、ホール201−3を通って電源ポート205に接続される。給電要素の胴部は、カソードシールド204との接触を避けるため、高温耐性セラミック絶縁層202で覆われる。信号給電要素は、良好な導電性を持つ銅から作られる。前面ドア板215は、基板206を堆積ボックス02に配設した後、フックイヤ部216−1上のフック215−2を側部フレーム216に掛け、下部側をZ形状ソケットに挿入することにより、堆積ボックス02に比較的閉鎖した空間を形成することができる。トラック104を通して堆積ボックス02を真空チャンバ01内に押し込むことができる。したがって、堆積ボックス02上のガスパイプライン220の上部口は、真空チャンバのパイプに挿入することにより、真空チャンバ01のガスシステムの入口101に接続する。真空チャンバの所望の真空状態は、真空チャンバ01の可動真空ドア103を閉じた後に達成することができる。次いでガスを真空チャンバに加え、薄膜気相堆積を進める。
実施態様2
電極板が垂直に配設される。カソード板が円給電ポートを有する。給電要素が平坦な胴部および半円給電インターフェースを有する。カソード板がシールドから絶縁され、スルーホールがカソード板のシールドに設けられる。
図7の堆積ボックスは、実施態様1のものと同じであり、8個のガラス基板206を同時に加工することができる。二つのカソード板203が一つのアノード板208を囲み、二つのアノード板208および4個のカソード板203で4対の電極を形成することができる。このような構成では、8個の基板を同時に薄膜でコーティングすることができる。詳細なプロセスを以下に例示する。
a) 600nmの透明導電性薄膜を持つ8個のガラス基板(1640mm×707mm×3mm)を堆積ボックス02内の基板位置に配設する。基板の膜側を外側に向ける一方、基板のガラス側を電極板の方に向ける。
b) 真空チャンバの作動ドア103を開き、堆積ボックス02をトラック104に沿って真空チャンバ01内に押し込む。次いで真空チャンバ01の作動ドア103を閉じる。
c) 真空が5.0×10−4Paに達したときに、チャンバにアルゴンを充填する。40.68MHz超短波電源を入れ、400Wプラズマ放電でチャンバを2分間清掃する。次いで電源を切る。
d) そのうえで、〜5.0×10−4Paの高真空までシステムをポンプダウンし、次いでシステムをアルゴンで2回洗浄する。
e) ガス混合物(シランおよび水素)を5slpmの流速でチャンバに加える。チャンバの圧力が60Paに達したときに、40.68MHz超短波電源を入れる。400W電源でプラズマ放電を発生させ、微結晶真性シリコン薄膜を40分間堆積する。
f) 電源を切り、高真空までシステムをポンプダウンする。
g) チャンバに窒素ガスを大気圧まで充填し、チャンバの作動ドア103を開く。堆積ボックス02をチャンバから押し出し、次いでTCOガラスを室温で冷却する。
この給電構成により、40.68MHz超短波電源で駆動される均一な電界を達成することができ、微結晶シリコン薄膜を1640mm×707mm(長さ×幅)TCOガラス上に〜5%の均一性および調節可能な微結晶化度で堆積することができる。
実施態様3
電極板が垂直に配設される。カソード板が円給電ポートを有する。給電要素が平坦な胴部および半円給電インターフェースを有する。カソード板がシールドから絶縁され、スルーホールがカソード板のシールドに設けられる。
図8の堆積ボックスは、実施態様1のものと同じであり、24個のガラス基板206を同時に加工することができる。二つのカソード板203が一つのアノード板208を囲み、6個のアノード板208および12個のカソード板203で12対の電極を形成することができる。このような構成では、24個の基板を同時に薄膜でコーティングすることができる。詳細なプロセスを以下に例示する。
a) 600nmの透明導電性膜を持つ24個のガラス基板206(1640mm×707mm×3mm)を堆積ボックス02の基板位置に配設する。基板の膜側を外側に向ける一方、基板のガラス側を電極板の方に向ける。
b) 真空チャンバの作動ドア103を開き、堆積ボックス02をトラック104に沿って真空チャンバ01内に押し込む。次いで真空チャンバ01の作動ドア103を閉じる。
c) 真空が5.0×10−4Paに達したときに、チャンバにアルゴンを充填する。40.68MHz超短波電源を入れ、400Wプラズマ放電でチャンバを2分間清掃する。次いで電源を切る
d) そのうえで、〜5.0×10−4Paの高真空までシステムをポンプダウンし、次いでシステムをアルゴンで2回洗浄する。
e) ガス混合物(シランおよび水素)を5slpmの流速でチャンバに加える。チャンバの圧力が60Paに達したときに、40.68MHz超短波電源を入れる。400Wでプラズマを発生させ、微結晶真性シリコン薄膜を40分間堆積する。
f) 電源を切り、高真空までポンプダウンする。
g) チャンバに窒素ガスを大気圧まで充填し、チャンバの作動ドア103を開く。堆積ボックス02をチャンバから押し出し、次いでTCOガラスを室温で冷却する。
この給電構成により、40.68MHz超短波電源で駆動される均一な電界を達成することができ、1640mm×707mm(長さ×幅)TCOガラス上に微結晶シリコン薄膜を〜4.8%の均一性で堆積することができる。
先の説明は、本発明の実施態様を添付図によって詳細に例示している。しかし、本発明は、先の実施態様、特に、給電要素の形状に関して限定されない。当業者は、本発明の原理を逸することなく、本発明の異なる変更を行うことができる。

Claims (12)

  1. シリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックスであって、
    電極板要素、
    信号給電要素、および
    チャンバ
    を含み、
    電極板要素が、カソード板およびカソード板のシールドカバーを包含し、チャンバがローラを持つ可動チャンバであり、電極板からなる設置された電極アレイを含有し、
    給電ポートが、電極板要素の裏側の中心における、電極板要素の裏側の表面からくぼんだ円または半円領域に位置し、
    表面接触により給電ポートに接続された信号給電要素が、超短波(VHF)電源信号のマイナス電極に接続され、
    信号給電要素の一つの端部の表面が、円または半円であり、
    カソード板のシールドカバーが、スルーホールを有し、
    カソード板が、シールドカバーから絶縁され、
    電極アレイが少なくとも1セットのカソード板および一つのアノード板を包含する、
    堆積ボックス。
  2. 二つの対称位置にあるカソード板の作動放電動作領域の方に個別に向くように、二つの表面を持つ一つのアノード板を配設することにより、1セットのカソード板および一つのアノード板が配置される、請求項1記載のシリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックス。
  3. 信号給電要素が、銅給電コア、絶縁層およびシールド層を包含する、請求項1記載のシリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックス。
  4. カソード板が片面放電し、カソード板のシールドカバーがセラミック絶縁層およびシールド層を包含し、シールドカバーがカソード板の背面および側部表面全体を覆う、請求項1記載のシリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックス。
  5. 電極が、シールドカバーを持つ複数のカソード板および複数の接地されたアノード板を包含し、特定の放電空間を持つ電極アレイを形成する、請求項1〜4のいずれか一項記載のシリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックス。
  6. HF電源信号を給電するため、シールドカバーが、カソード板の背面側の中心位置および周囲側部のシールドを包含する、請求項5記載のシリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックス。
  7. 信号給電要素が、胴部およびヘッド部を包含し、Z形状を有し、胴部がセラミック絶縁層を有し、金属給電コアがVHF給電ラインの導体である、請求項5記載のシリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックス。
  8. 信号給電要素の一つの端部が、VHF電源信号のマイナス出力ポートおよび電源適合装置に接続される、請求項1記載のシリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックス。
  9. シリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックスの信号給電方法であって、
    チャンバ内に信号給電モードのための電極板要素、給電要素を含み、
    電極アレイが、ローラを持つ可動チャンバに設置され、
    電極アレイが、少なくとも1セットのカソード板および一つのアノード板を包含し、
    給電ポートが、電極板要素の裏側の中心における、電極板要素の裏側の表面からくぼんだ円または半円領域に位置し、
    信号給電要素の一つの端部が、円または半円形状であり、電極板要素の給電ポートに表面接触してVHF電源信号を給電し、
    カソードシールドカバーおよびアノード板が接地される、
    信号給電方法。
  10. 電極が複数の給電要素および電極板要素を包含し、
    HF電源信号が、表面給電方法により電極板の給電ポートに給電され、特定の放電空間を持つ電極アレイを形成する、請求項9記載のシリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックスの信号給電方法。
  11. 「Z形状」給電要素の胴部がセラミック絶縁層を有する一方、金属給電コアがVHF信号給電ラインの導体である、請求項9記載のシリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックスの信号給電方法。
  12. 信号給電要素の一つの端部が、VHF電源信号のマイナス出力ポートおよび電源適合装置に接続される、請求項11記載のシリコン系薄膜太陽電池のための堆積ボックスの信号給電方法。
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