JP5543159B2 - リニア蒸着源とその使用方法、成膜装置並びに成膜方法 - Google Patents
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Description
シリコン系材料としては、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン及びアモルファスシリコンなどが知られている。
一方、非シリコン系材料としては、例えば、GaAs、CIS(CuInSe2)、CIGS(Cu(In,Ga)Se2)及び有機系材料などが知られている。
CIGS膜は、光吸収率及び発電効率が高く、従来の光吸収膜より薄膜化することが可能であり、また、組成によって光吸収波長領域を制御できるという利点があり、将来的に量産化が期待されている。
CIGS膜としては、Cu(In,Ga)Se2の組成は太陽電池の発電効率に大きく影響することが知られている。
また、1つの真空チャンバー内でCu、In、Ga及びSeの四元素を別々の蒸着源からそれぞれ真空蒸着させる四元素同時蒸着法も知られている。
特にCIGS膜の形成においては、Cuの蒸着源を1400℃程度に高温とする必要があり、蒸着源であるルツボのノズル近傍にCuが固化してしまい、ノズルの開口を変動させてしまうのでCIGS膜の組成を変動させる要因となっていた。
また、蒸着対象である基板をスリット状開口部に対向するように保持して第1の方向と直交する第2の方向に搬送する基板保持搬送部が設けられている。
上記の構成により、蒸着源からの真空蒸着材料を第2の方向に搬送される基板上に連続蒸着する。
さらに好適には、前記蒸着源としてCu、In、Ga及びSeの各蒸着源を有し、Cu(In,Ga)Se2膜を蒸着する。
次に、タンク部を第1の温度に、ノズル部を第1の温度より高い第2の温度に加熱して真空蒸着材料を気化させ、第1開口部から噴き出させる。
次に、成膜チャンバーの内部を所定の圧力に減圧し、次に、タンク部を第1の温度に、ノズル部を前記第1の温度より高い第2の温度に加熱して真空蒸着材料を気化させ、第1開口部から噴き出させる。
次に、蒸着対象である基板をスリット状開口部に対向するように保持して第1の方向と直交する第2の方向に搬送する。
上記のようにして、蒸着源からの真空蒸着材料を第2の方向に搬送される基板上に連続蒸着する。
さらに好適には、前記蒸着源としてCu、In、Ga及びSeの各蒸着源を設けて、Cu(In,Ga)Se2膜を蒸着する。
[真空蒸着装置の構成]
本実施形態は、太陽電池パネルを構成するCIGS膜などの多元素膜を真空蒸着するための成膜装置に用いられるリニア蒸着源とその使用方法、並びにそれを用いた成膜装置である真空蒸着装置及び成膜方法であり、CIGS膜などの多元素膜である光吸収膜の製造装置に適用できる。
例えば、成膜チャンバー10に、排気管11及び真空ポンプ12が接続されており、内部が所定の圧力に減圧可能となっている。真空蒸着による成膜時における成膜チャンバー10内の背圧は、例えば10−3〜10−4Pa程度である。
図3(a)は図2中のX−X’における模式断面図である。
リニア蒸着源13は、例えば、内部に真空蒸着材料が収容されるタンク部30と、タンク部30上に配置され、第1の方向に延伸して所定の幅で開口するスリット状の第1開口部Aを有するノズル部(31,32)を有する。
本実施形態においては、例えば、ノズル部は中間ノズル31とトップノズル32から構成されている。中間ノズル31はタンク部30の開口を一旦狭めた後に再び開口幅を広げ、トップノズルが中間ノズルの開口幅を再び狭めるような構成となっている。
通電により自身が発熱する材料からなるタンク部30、中間ノズル31及びトップノズル32は、熱輻射によらず真空蒸着材料を加熱して溶融できるので、タンク部30、中間ノズル31及びトップノズル32を通電させる電力により真空蒸着材料の気化を制御でき、成膜処理を安定化させることができる。
特に、Cuは気化させるために1400℃以上に加熱する必要があるが、ノズル近傍で冷却されてノズルに固化しやすい。本実施形態では、タンク部とノズル部に温度勾配によりノズル部での冷却を抑制し、安定した真空蒸着を実現できる。
内部タンク33あるいは被覆膜は、例えば、焼結BN(焼結された窒化ホウ素)、PBN(CVD(Chemical Vapor Deposition)法による熱分解で形成された窒化ホウ素)、Mo、CIPカーボンなどで構成される。
上記の内部タンク33あるいは被覆膜の材料は、コスト、寿命、内部タンクの大きさ、加工性、真空蒸着材料との反応性及び相性の各特性から適宜選択される。
上記の内部タンク33あるいは被覆膜の材料の各特性を表1にまとめて示す。表1中、◎は特に好ましく、○は好ましく、×は好ましくなく、△は○と×の間の評価である。
ノズル部(トップノズル32)が断熱部34から露出していることで、真空蒸着材料の蒸気のノズル部近傍での冷却を抑制してノズル部から噴き出すことができる。
図4(a)は、タンク部30、中間ノズル31及びトップノズル32を、それぞれ電気抵抗素子とした場合の等価回路図である。
例えば、中間ノズル31とトップノズル32を並列に接続することができる。
例えば、タンク部30の底部と側部の各部分の断面積比を変更することで、図4(b)あるいは図4(c)に示す回路構成とすることができ、タンク部30全体の抵抗値を調節することができる。
タンク部を第1の温度に、ノズル部を第2の温度に保持するように、タンク部及びノズル部の断面積と第2開口部Bの面積の比率及びタンク部とノズル部に通電される電流の大きさが設定される。
例えば、タンク部及びノズル部の断面積:第2開口部Bの面積が、3:1〜4:1となるように設定される。
例えば、幅Wは200mm、高さHは200mm、長さLは1mである。
基板14は、例えばポリマーなどからなる可撓性基板であり、ロール状に保持可能である。この場合、基板保持搬送部は、巻き出しロール15a、巻き取りロール15b、第1搬送ロール15c,第2搬送ロール15dにより実現できる。
あるいは、保持搬送部が連続搬送可能に設けられていれば、青板ガラスなどのガラス基板なども適用可能である。
例えばリニア蒸着源としてCu、In、Ga及びSeの各リニア蒸着源を有し、Cu(In,Ga)Se2膜を蒸着することができる。
光源16は、第1の窓10aから第1開口部Aと基板14の間の空間に所定の波長域の連続光を入射するように設けられている。連続光は、原子吸光スペクトル測定のために用いられる。
連続光の光源16としては、例えばキセノンランプを用いることができる。キセノンランプは、例えば185nm〜2000nmの波長領域の連続光を出射できる。
分光部17は、第2の窓10bから第1開口部Aと基板14の間の空間を通過した連続光LTを受光して2次元的に分光して、2次元画像信号SSを得る。
分光部17は、石英などの窓部材20及びレンズ21、プリズム22、回折格子23及び固体撮像素子24などを有する。プリズム22は、連続光を受光して1次元的に分光する。回折格子23は、プリズム22によって1次元的に分光された光を2次元的に分光する。即ち、分光部17は、いわゆるエシェル分光器に相当する。エシェル分光器は、例えば2pmまで分解能があり、原子吸光を精密に測定することができる。
固体撮像装置としては、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサあるいはCMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon transistor)イメージセンサなどを用いることができる。
上記の構成の分光部17により、第2の窓10bから第1開口部Aと基板14の間の空間を通過した連続光LTを受光して2次元的に分光して、2次元画像信号SSを得ることができる。
図6(a)は、リニア蒸着源を加熱しないときのスペクトルであり、即ち、光源16の光をそのまま分光したスペクトルの模式図である。図6(b)はリニア蒸着源を加熱して蒸着処理を行っているときのスペクトルの模式図である。リニア蒸着源から蒸発して噴き出された原子による原子吸光がスペクトル上にディップ状のピークとなって出現する。図6(b)においては、4元素に対応して4本の原子吸光のピーク(A1,A2,A3,A4)がある場合を示している。
これによって、真空蒸着によって成膜される多元素膜の組成比が得られる。
連続光源を用いているので、吸収のない点PCBは適宜選択することができる。
本実施形態においては、連続光の光源と2次元的に分光して面で受光するCCDなどの固体撮像素子を有するエシェル分光器を組み合わせることで、多元素の原子吸光係数を波長スキャンすることなく同時に測定することができる。
例えば、成膜しようとする組成からずれてしまっている場合に、リニア蒸着源の加熱温度を調節することで、目的とする組成に修正して成膜することができる。
次に、本実施形態に係るリニア蒸着源の使用方法及び成膜方法について、図1〜3を参照して説明する。
本実施形態に係るリニア蒸着源の使用方法及び成膜方法は、例えば、上述の本実施形態に係る真空蒸着装置を用いて行う。
まず、例えば、光透過性の第1の窓10aと第2の窓10bを有し、内部が所定の圧力に減圧される成膜チャンバー10内に設けられたリニア蒸着源(13a〜13d)に真空蒸着材料を収容する。
次に、例えば、第2の窓10bから第1開口部Aと基板14の間の空間を通過した連続光LTを分光部17により受光して2次元的に分光して、2次元画像信号を得る。
次に、例えば、2次元画像信号を信号処理部で画像処理して原子吸光スペクトルを得る。
例えば、リニア蒸着源としてCu、In、Ga及びSeの各リニア蒸着源を設けて、Cu(In,Ga)Se2膜を蒸着することができる。
本実施形態は、CIGS膜を有する太陽電池パネルである。CIGS膜は、第1実施形態の真空蒸着装置及び方法により形成される。
図7は、本実施形態に係る太陽電池パネルの模式断面図である。
例えば、ポリマーなどからなる可撓性基板あるいは青板ガラスなどのガラス基板からなる基板1上に、例えば0.5〜2.0μm程度の膜厚のMoからなる裏面電極2が形成されている。
表面電極6の一部を除く上面に、MgF2などからなる反射防止膜7が形成されている。
また、裏面電極2の光吸収膜3より上層の膜が積層されている領域を除く上層に、Alなどからなる裏面取り出し電極9が形成されている。
上記のようにして、太陽電池パネルが構成されている。
上記の第1実施形態に従って、基板上にCuの1元素を真空蒸着で成膜した。実施例としては、ノズル部の温度がタンク部より10〜100℃高くなるように設定した。
一方、比較例として、ノズル部の温度がタンク部より低くなるように設定した。
図8(a)及び(b)は、横軸が成膜の時間(S)を示す。縦軸は、実線a及び点線bはそれぞれタンク部及びノズル部の温度を示し、実線cについては成膜速度を示す。
比較例を示す図8(a)では、タンク部及びノズル部の温度を高めても成膜温度が音程しないスプラッシュ現象が多発してしまった。安定な真空蒸着を行うことは困難であった。
一方、実施例を示す図8(b)では、タンク部及びノズル部の温度を高めると高めた温度に応じた成膜速度が得られた。最高成膜速度として180nm/Sまで安定な真空蒸着が可能であり、スプラッシュ現象はほとんど発生しなかった。
例えば、ノズル構成は上記以外の構成とすることができる。例えば、実施形態においては中間ノズルとトップノズルを組み合わせた構成としているが、3以上の部材を組み合わせてなるノズル、あるいは単一の部材からなるノズルでもよい。
また、多元素膜の形成方法に限定されず、1元素を真空蒸着する際にも可能である。
また、基板は可撓性基板だけでなく、ガラス基板などにも対応できる。
また、太陽電池パネルの光吸収膜だけでなく、種々の組成膜、特に多元素膜の製造に適用できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
2…裏面電極
3…光吸収膜
4…第1バッファ膜
5…第2バッファ膜
6…表面電極
7…反射防止膜
8…表面取り出し電極
9…裏面取り出し電極
10…成膜チャンバー
10a…第1の窓
10b…第2の窓
11…排気管
12…真空ポンプ
13,13a〜13d…リニア蒸着源
14…基板
15a…巻き出しロール
15b…巻き取りロール
15c,15d…ロール
16…光源
17…分光部
18…信号処理部
20…窓部材
21…レンズ
22…プリズム
23…回折格子
24…固体撮像素子
24a…受光面
30…タンク部
31…中間ノズル
32…トップノズル
33…内部タンク
34…断熱部
35…接続部
A…第1開口部
B…第2開口部
CS…制御信号
LT…連続光
PCB…吸収のない点
SS…2次元画像信号
Claims (24)
- 内部に真空蒸着材料が収容されるタンク部と、
前記タンク部上に配置され、第1の方向に延伸して所定の幅で開口するスリット状の第1開口部を有するノズル部と、
少なくとも前記第1開口部を露出させる第2開口部を有して前記タンク部及び前記ノズル部の外壁を覆うように設けられた断熱部と
を有し、
前記タンク部と前記ノズル部は通電により自身が発熱し、
前記タンク部と前記ノズル部の通電により、前記タンク部が第1の温度へ、前記ノズル部が前記第1の温度より高い第2の温度へ加熱されたときに気化する前記真空蒸着材料を前記第1開口部から噴き出す
リニア蒸着源。 - 前記タンク部を前記第1の温度に、前記ノズル部を前記第2の温度に保持するように、前記タンク部及び前記ノズル部の断面積と前記第2開口部の面積の比率及び前記タンク部と前記ノズル部に通電される電流の大きさが設定される
請求項1に記載のリニア蒸着源。 - 前記第1開口部の部分の前記ノズル部が前記断熱部の外壁表面と同一の面まで突出して形成されている
請求項1または2に記載のリニア蒸着源。 - 前記タンク部と前記ノズル部が冷間静水圧プレスにより形成されたカーボンから構成されている
請求項1〜3のいずれかに記載のリニア蒸着源。 - 前記タンク部の内部に内部タンクが設けられ、または、前記タンク部の内壁を被覆する被覆膜が形成されている
請求項1〜4のいずれかに記載のリニア蒸着源。 - 内部が所定の圧力に減圧される成膜チャンバーと、
前記成膜チャンバー内に設けられた、内部に真空蒸着材料が収容されるタンク部と、前記タンク部上に配置され、第1の方向に延伸して所定の幅で開口するスリット状の第1開口部を有するノズル部と、少なくとも前記第1開口部を露出させる第2開口部を有して前記タンク部及び前記ノズル部の外壁を覆うように設けられた断熱部とを有し、前記タンク部と前記ノズル部は通電により自身が発熱し、前記タンク部と前記ノズル部の通電により、前記タンク部が第1の温度へ、前記ノズル部が前記第1の温度より高い第2の温度へ加熱されたときに気化する前記真空蒸着材料を第1開口部から噴き出すリニア蒸着源と、
蒸着対象である基板を前記第1開口部に対向するように保持して前記第1の方向と直交する第2の方向に搬送する基板保持搬送部と
を有し、
前記蒸着源からの真空蒸着材料を前記第2の方向に搬送される前記基板上に連続蒸着する
成膜装置。 - 前記タンク部を前記第1の温度に、前記ノズル部を前記第2の温度に保持するように、前記タンク部及び前記ノズル部の断面積と前記第2開口部の面積の比率及び前記タンク部と前記ノズル部に通電される電流の大きさが設定される
請求項6に記載の成膜装置。 - 前記第1開口部の部分の前記ノズル部が前記断熱部の外壁表面と同一の面まで突出して形成されている
請求項6または7に記載の成膜装置。 - 前記タンク部と前記ノズル部が冷間静水圧プレスにより形成されたカーボンから構成されている
請求項6〜8のいずれかに記載の成膜装置。 - 前記タンク部の内部に内部タンクが設けられ、または、前記タンク部の内壁を被覆する被覆膜が形成されている
請求項6〜9のいずれかに記載の成膜装置。 - 前記蒸着源を複数個有し、多元素膜を真空蒸着する
請求項6〜10のいずれかに記載の成膜装置。 - 前記蒸着源としてCu、In、Ga及びSeの各蒸着源を有し、Cu(In,Ga)Se2膜を蒸着する
請求項11に記載の成膜装置。 - タンク部と、前記タンク部上に配置され、第1の方向に延伸して所定の幅で開口するスリット状の第1開口部を有するノズル部を有し、少なくとも前記第1開口部を露出させる第2開口部を有して前記タンク部と前記ノズル部の外壁を覆うように断熱部が設けられ、前記タンク部と前記ノズル部は通電により自身が発熱する、リニア蒸着源の前記タンク部に、所定の温度へ加熱されたときに気化して前記開口部から噴き出す真空蒸着材料を収容する工程と、
前記タンク部と前記ノズル部の通電により、前記タンク部を第1の温度に、前記ノズル部を前記第1の温度より高い第2の温度に加熱して前記真空蒸着材料を気化させ、前記第1開口部から噴き出させる工程と
を有するリニア蒸着源の使用方法。 - 前記タンク部と前記ノズル部を加熱する工程において前記タンク部の前記第1の温度と前記ノズル部の前記第2の温度を保持するように、前記タンク部及び前記ノズル部の断面積と前記第2開口部の面積の比率を設定したタンク部とノズル部を用い、かつ、前記タンク部と前記ノズル部に通電する電流の大きさを設定する
請求項13に記載のリニア蒸着源の使用方法。 - 前記ノズル部として、前記第1開口部の部分の前記ノズル部が前記断熱部の外壁表面と同一の面まで突出して形成されたノズル部を用いる
請求項13または14に記載のリニア蒸着源の使用方法。 - 前記タンク部と前記ノズル部として、冷間静水圧プレスにより形成されたカーボンから構成されている
請求項13〜15のいずれかに記載のリニア蒸着源の使用方法。 - 前記タンク部として、内部に内部タンクが設けられたタンク部、または、前記タンク部の内壁を被覆する被覆膜が形成されているタンク部を用いる
請求項13〜16のいずれかに記載のリニア蒸着源の使用方法。 - 内部が所定の圧力に減圧される成膜チャンバー内に設けられた、タンク部と、前記タンク部上に配置され、第1の方向に延伸して所定の幅で開口するスリット状の第1開口部を有するノズル部を有し、少なくとも前記第1開口部を露出させる第2開口部を有して前記タンク部と前記ノズル部の外壁を覆うように断熱部が設けられ、前記タンク部と前記ノズル部は通電により自身が発熱する、リニア蒸着源の前記タンク部に、所定の温度へ加熱されたときに気化して前記開口部から噴き出す真空蒸着材料を収容する工程と、
前記成膜チャンバーの内部を所定の圧力に減圧する工程と、
前記タンク部と前記ノズル部の通電により、前記タンク部を第1の温度に、前記ノズル部を前記第1の温度より高い第2の温度に加熱して前記真空蒸着材料を気化させ、前記第1開口部から噴き出させる工程と、
蒸着対象である基板を前記第1開口部に対向するように保持して前記第1の方向と直交する第2の方向に搬送する工程と
を有し、
前記蒸着源からの真空蒸着材料を前記第2の方向に搬送される前記基板上に連続蒸着する
成膜方法。 - 前記タンク部と前記ノズル部を加熱する工程において前記タンク部の前記第1の温度と前記ノズル部の前記第2の温度を保持するように、前記タンク部及び前記ノズル部の断面積と前記第2開口部の面積の比率を設定したタンク部とノズル部を用い、かつ、前記タンク部と前記ノズル部に通電する電流の大きさを設定する
請求項18に記載の成膜方法。 - 前記ノズル部として、前記第1開口部の部分の前記ノズル部が前記断熱部の外壁表面と同一の面まで突出して形成されたノズル部を用いる
請求項18または19に記載の成膜方法。 - 前記タンク部と前記ノズル部として、冷間静水圧プレスにより形成されたカーボンから構成されている
請求項18〜20のいずれかに記載の成膜方法。 - 前記タンク部として、内部に内部タンクが設けられたタンク部、または、前記タンク部の内壁を被覆する被覆膜が形成されているタンク部を用いる
請求項18〜21のいずれかに記載の成膜方法。 - 前記蒸着源を複数個設けて、多元素膜を真空蒸着する
請求項18〜22のいずれかに記載の成膜方法。 - 前記蒸着源としてCu、In、Ga及びSeの各蒸着源を設けて、Cu(In,Ga)Se2膜を蒸着する
請求項23に記載の成膜方法。
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