JP5646405B2

JP5646405B2 - 成膜装置

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Publication number: JP5646405B2
Application number: JP2011153861A
Authority: JP
Inventors: 圭一野中; 賓範
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2031-07-12
Also published as: JP2013019028A

Description

本発明は、成膜装置に関するものである。

従来、例えば、真空チャンバ内で基板の処理などを行う成膜装置は、チャンバ内に設置された成膜材料を基板上に蒸着させることで成膜を行っている。近年、ＣＩＧＳ（銅インジウムガリウムジセレン化合物）系太陽電池用発電層の成膜において、セレンの真空蒸着法が適用されている（例えば、特許文献１参照）。

特表２００７−５２７１２１号公報

例えば、従来技術に係る蒸着法では、蒸着源（成膜材料）が、基板の成膜面以外に多量に付着すると、チャンバの圧力監視用の真空計も成膜されてしまい、真空計として機能が損なわれるという問題が生じていた。従来、真空計の誤動作が生じた場合には、運転を停止して真空計フィラメントを交換することで、真空計の機能を回復させていた。成膜材料の付着により真空計が機能しなくなるという不具合を解消することが求められている。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、真空計への成膜材料の付着を抑制し、真空計の機能の低下を回避することが可能な成膜装置を提供することを目的とする。

本発明による成膜装置は、被成膜物に成膜材料を成膜する成膜装置であって、被成膜物が通過する真空環境を形成する真空容器と、真空容器内の真空度を測定する真空計と、当該真空計へ成膜材料の付着を抑制する付着抑制手段と、を備え、付着抑制手段は、冷媒を流通する冷却管を備えることを特徴としている。

このような成膜装置によれば、真空容器内の真空度を測定する真空計への成膜材料の付着を抑制する付着抑制手段を備える構成であるため、真空計への成膜材料の付着を抑制し、真空計の機能の低下を緩和することができる。

ここで、真空容器と真空計とを連通する連絡通路内に付着抑制手段が配置されていることが好ましい。このように付着抑制手段が、真空容器と真空計とを連通する連絡通路内に配置されていると、連絡通路内で成膜材料を付着させて、真空計へ到達する成膜材料を減らすことができる。そのため、真空計への成膜材料の付着を一層抑制することができる。

また、連絡通路は、真空容器に対して着脱自在であることが好適である。このように付着抑制手段が配置される連絡通路が、真空容器に対して着脱自在であると、連絡通路を取外して内部の清掃することが可能であるため、清掃作業を確実に実行することができると共に清掃作業の効率的に行うことができる。

また、付着抑制手段は、冷媒を流通する冷却管を備え、この冷却管内に冷媒を流通させることで、成膜材料を冷却して、冷却管に堆積させて捕集することができる。例えば、真空計の近傍にヒーターを設置して真空計への成膜材料の付着を防止する方法も考えられるが、ヒーターの熱によって真空計に不具合が生じるおそれがあるため、冷却管を用いて成膜材料を堆積させることが好ましい。なお、冷媒として冷却水を用いることが好適である。例えば、成膜装置が設置された工場内の工業用水を用いることで、既設の成膜装置に対して大きな改良を施すことなく、堆積材料の付着を回避することができる。

上記作用を奏する具体的な構成として、真空容器と真空計とを連通する連絡通路を形成する筒体と、筒体の側壁から突出し、真空計を取り付け可能な複数のノズルと、冷却管を筒体内に導入するための導入部と、を更に備える構成が挙げられる。このように、真空計を取り付けためのノズルが複数設置されていると、真空計の取替え作業の迅速化を図ることができるため、真空計の取替えのための運転停止時間を短縮することが可能となる。また、冷却管を筒体内に導入するための導入部を備えているため、冷却管の取替え作業の迅速化を図り、取替え作業のための運転停止時間を短縮することが可能となる。このように運転停止時間の短縮化を図ることで、生産量の増大を図ることができる。

本発明によれば、真空計への成膜材料の付着を抑制し、真空計の機能の低下を緩和することが可能な成膜装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る成膜装置を示す概略側面図である。本発明の実施形態に係る成膜装置の真空計、及び真空計コールドトラップを示す断面図である。

本発明に係る成膜装置について図面を参照して説明する。なお、「上」、「下」等の方向を示す語は、図面に示される状態に基づいており、便宜的なものである。

（成膜装置）
図１は、本発明の実施形態に係る成膜装置を示す概略側面図である。図１に示す成膜装置１００は、被成膜物である基板（例えばガラス基板）に対して成膜等の処理を施すためのものである。成膜装置１００は、セレンの真空蒸着法（セレン化法）を用いて、基板上に薄膜層を形成可能な装置である。

成膜装置１００は、例えばＣＩＧＳ系の太陽電池の製造に適用可能なものである。ＣＩＧＳ系の太陽電池は、ガラス基板上に、裏面電極層、ＣＩＧＳ層（発電層）、バッファ層、透明電極層が順に積層されて構成されている。ガラス基板は、ナトリウム（Ｎａ）を含むソーダガラスを用いることができる。ＣＩＧＳ層は、銅（Ｃｕ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、セレン（Ｓｅ）を含む半導体からなる発電層である。

成膜装置１００は、複数の真空チャンバ（真空容器）１２１〜１２５を備えている。真空チャンバのサイズは、長さ２ｍ程度、幅２ｍ程度、高さ３００ｍｍ程度とされている。本実施形態の成膜装置１００では、例えば１８個の真空チャンバを備える構成とされ、連続する複数の真空チャンバ１２１〜１２５の全長は２０ｍ程度である。なお、図１では、複数の真空チャンバのうちの一部を図示し、その他の真空チャンバの図示を省略している。

各真空チャンバ１２１〜１２５には、内部を適切な圧力とするための真空ポンプ（不図示）が接続されている。また、各真空チャンバ１２１〜１２５には、チャンバ内の圧力を監視するための真空計１（図２参照）が複数（例えば２個）設置されている。

成膜装置１００では、複数の真空チャンバ１２１〜１２５として、ロードロックチャンバ１２１、バッファチャンバ１２２、成膜チャンバ（成膜室）１２３、バッファチャンバ１２４、ロードロックチャンバ１２５を備えている。これらの真空チャンバ１２１〜１２５は、この順に並んで配置されている。真空チャンバ１２１〜１２５の基板搬送方向の両端部には基板の出入口が設けられ、この出入口には開閉ゲート１３１〜１３６が設けられている。なお、開閉ゲートは、隣接する真空チャンバ間の全てに設置されていない構成でもよい。例えば、複数の真空チャンバのうち、最初の真空チャンバの入口側と、最後の真空チャンバの出口側とにのみ設置されている構成でもよい。真空環境と大気圧環境との縁切り箇所に開閉ゲートが設けられている構成でもよい。

また、成膜装置１００には、基板を搬送するための搬送装置（不図示）が設けられている。搬送装置は例えば公知のローラーとこのローラーを回転させる駆動機構とから構成されている。そして、基板は、搬送装置によって搬送され、チャンバ内を順次通過する。

ロードロックチャンバ１２１は、入口側に設けられた開閉ゲート１３１を開放することで、大気開放され、処理される基板が導入されるチャンバである。本実施形態の成膜装置１００は、１個のロードロックチャンバ１２１を備えている。ロードロックチャンバ１２１の出口側は、開閉ゲート１３２を介して、バッファチャンバ１２２の入口側に接続されている。成膜装置１００の運転中において、開閉ゲート１３２は開放状態とされ、隣接する真空チャンバ同士は連通された状態となる。

バッファチャンバ１２２は、ロードロックチャンバ１２１を通過した基板が導入される中間チャンバである。本実施形態の成膜装置１００は、５個のバッファチャンバ１２２を備えている。バッファチャンバ１２２の出口側は、開閉ゲート１３３を介して、成膜チャンバ１２３の入口側に接続されている。成膜装置１００の運転中において、開閉ゲート１３３は開放状態とされ、隣接する真空チャンバ同士は連通された状態となる。また、バッファチャンバ１２２には、基板を加熱するためのヒータ（不図示）が設けられている。このヒーターは、基板の上下両面を加熱すべく、上下方向の両側に各々設置されている。バッファチャンバ１２２では、基板温度が例えば４００℃程度になるように加熱される。

成膜チャンバ１２３は、バッファチャンバ２２を通過した基板が導入され、基板に薄膜層を成膜する処理チャンバである。本実施形態の成膜装置１００は、６個の成膜チャンバ１２３を備えている。成膜チャンバ１２３の出口側は、開閉ゲート１３４を介して、バッファチャンバ１２４の入口側に接続されている。成膜装置１００の運転中において、開閉ゲート１３４は開放状態とされ、隣接する真空チャンバ同士は連通された状態となる。成膜チャンバ１２３内には、薄膜層を成膜するための成膜材料（図示せず）が設置されている。また、成膜チャンバ１２３には、基板を加熱するためのヒータ（不図示）が設けられている。このヒーターは、基板の上下両面を加熱すべく、上下方向の両側に各々設置されている。成膜チャンバ１２３では、基板温度が例えば６００℃以上（７００℃〜８００℃程度）に維持されている。

バッファチャンバ１２４は、成膜チャンバ１２３と連通され、成膜チャンバ１２３によって成膜された基板が導入される中間チャンバである。本実施形態の成膜装置１００は、５個のバッファチャンバ１２４を備えている。バッファチャンバ１２４の出口側は、開閉ゲート１３５を介して、ロードロックチャンバ１２５の入口側に接続されている。成膜装置１００の運転中において、開閉ゲート１３５は開放状態とされ、隣接する真空チャンバ同士は連通された状態となる。また、バッファチャンバ１２４には、基板を冷却するための冷却板（不図示）が設けられている。この冷却板は、基板の上下両面を冷却すべく、上下方向の両側に各々設置されている。バッファチャンバ１２４では、基板温度が例えば４００℃程度になるように冷却される。

ロードロックチャンバ１２５は、バッファチャンバ１２４を通過した基板が導入されるチャンバである。本実施形態の成膜装置１００は、１個のロードロックチャンバ１２５を備えている。ロードロックチャンバ１２５の出口側には、開閉ゲート３６が設けられ、開閉ゲート３６を開放することで、ロードロックチャンバ１２５が大気開放される。

セレン化法による成膜を実行する場合には、例えば１０枚程度のトレイを連続的に流しながら、トレイ上の基板に成膜処理を連続的に施す。このように、成膜処理を連続的に実行することで、成膜材料が基板以外に付着することを抑制している。これにより、ターゲット（成膜材料）の損失も少なくすることができる。従って、真空チャンバ間のゲートは、成膜装置１００の運転中において、常に開けたままの状態となっている。そのため、ゲートが開放状態であることによって、成膜チャンバ１２３のほか、成膜チャンバ１２３に隣接する真空チャンバを始めとして複数の真空チャンバの全域において、成膜材料が付着する。

（真空計、付着抑制手段）
真空計１は、上述した通り、各真空チャンバ１２１〜１２５に対して２個ずつ設けられている。真空計１としては、例えば、電離真空計、ダイアフラム真空計、ピラニ真空計などを用いることができる。ここで、成膜装置１００では、真空計１への成膜材料の付着を抑制する付着抑制手段１０を備えている。付着抑制手段１０は、真空チャンバ１２１〜１２５に接続された連通管１１と、連通管１１内に導入された冷却管２０とを備えている。

連通管１１は、真空チャンバ１２１〜１２５内と真空計１とを連絡する連絡通路である。連通管１１は、筒体１１ａを有する構成とされている。連通管１１としては、例えば、ステンレス配管を用いることができる。連通管１１のサイズとしては、外径６０．５ｍｍ、肉厚３．０ｔ、長さ２３０ｍｍ程度の配管を用いることができる。また、連通管１１の両端部には、フランジ１２，１３が設けられている。そして、一方のフランジ１２が、真空チャンバ１２１〜１２５の壁体にボルト固定されている。すなわち、連通管１１の一方の開口部１１ｂが、真空チャンバ１２１〜１２５に接続されている。連通管１１は、例えば、真空チャンバ１２１〜１２５の底板（壁体）に固定され、上下方向に延在している。

連通管１１には、外方に張り出す取付ポート１５Ａ〜１５Ｃが設けられている。取付ポート１５Ａ〜１５Ｃは、例えばフランジ付の小径ノズルである。取付ポート１５Ａ〜１５Ｃとしては、例えば、ステンレス配管を用いることができる。取付ポート１５Ａ〜１５Ｃのサイズとしては、外径２７．２ｍｍ程度の配管を用いることができる。また、取付ポート１５Ａ〜１５Ｃは、真空チャンバ１２１〜１２５の外壁面から距離が例えば１７０ｍｍ程度の位置に設けられている。取付ポート１５Ａ〜１５Ｃは、連通管１１の周方向において、例えば９０度ずつずれた位置に設けられている。

複数の取付ポート１５Ａ〜１５Ｃのうち、一つの取付ポート１５Ａに真空計１が接続され、残りの取付ポート１５Ｂ，Ｃは、閉止板１６が挿入されて閉止状態となっている。

連通管１１の他方のフランジ１３には、他方の開口部１１ｃを閉止するための閉止フランジ１４がボルト固定されている。閉止フランジ１４には、冷却管２０を挿通させる貫通孔１４ａが設けられている。開口部１１ｃは、冷却管２０を連通管（筒体）１１内に導入するための導入部に相当する。

冷却管２０は、冷却水（冷媒）を流通させる配管である。冷却管２０としては、例えば外径６．３５ｍｍ程度のステンレスチューブを用いることができる。冷却管２０は、例えば、Ｕ字形を成すように湾曲成形されている。冷却管２０は、上下方向に延在し上部の湾曲部で折り返されている。すなわち、一方の端部から注入されて、上方へ流れ、湾曲部で折り返され、下方へ流れて、連通管１１の外部に導出される。

冷却管２０の図示上下方向の長さは、例えば１５１ｍｍ程度とされている。冷却管２０は、取出ポート１５Ａ〜１５Ｃの開口部に対面する位置で、上下方向に延在している。本実施形態では、冷却管２０は、取付ポート１５Ａ〜１５Ｃの開口部の位置よりも上方まで配置されている。冷却管２０は、連通管１１内において、真空計１の取付位置と、真空チャンバ１２１〜１２５との間に配置されている。

冷却管３０に導入される冷媒としては、例えば２０℃程度の水を用いることができる。連通管１１内の温度は、運転中において、１００℃以下であり、例えば７０℃〜８０℃程度である。冷却管３０の外表面は、内部流体である冷却水によって冷却され、連通管１１内に存在する成膜物質を冷却して付着させる。成膜物質は、冷却管２０の外表面に堆積したり、閉止フランジ１４上に堆積する。

なお、冷却管２０の形状は、Ｕ字状に湾曲成形されているもの限定されず、らせん状に加工されているものでもよい。また、例えば、フィン付チューブを冷却管２０として使用してもよい。なお、冷却管２０がＵ字状に形成されていると、製作が容易であり、内部流体の圧力損失を抑えることができ、エネルギ消費を抑制することができる。

このような本実施形態の成膜装置１００によれば、真空チャンバ１２１〜１２５内の真空度を測定する真空計１への成膜材料の付着を抑制する付着抑制手段１０を備えているため、真空計１への成膜材料の付着を抑制し、真空計１の機能の低下を緩和することができる。ここで、真空チャンバ１２１〜１２５と真空計１とを連通する連通管１１内に冷却管２０が配置されているため、連通管１１内で成膜材料を堆積させて、真空計１へ到達する成膜材料を減らすことができる。その結果、成膜物質が真空計１に付着することで発生する不具合を、予防することができる。また、真空計１の誤動作を防止して、安定的に真空度を測定することが可能である。さらに、真空計１のフィラメント交換の頻度を減少させることができるため、ランニングコスト、メンテナンスコストを削減することが可能となる。また、運転停止期間の短縮を図ることが可能であるため、運転時間を増やし、生産量の拡大を図ることが可能である。

また、連通管１１は、フランジ１２を有し、真空チャンバ１２１〜１２５に対して着脱自在であるため、連通管１１を真空チャンバ１２１〜１２５から取外して連通管１１内の清掃を行うことできる。これにより、清掃作業を確実に実行することができると共に清掃作業の効率的に行うことができる。

また、付着抑制手段１０は、冷却水を流通する冷却管２０を備えているため、冷却管２０内に冷却水を流通させて、連通管１１内に進入した成膜材料を冷却し、堆積、捕集することができる。例えば、真空計１の近傍にヒーターを設置して真空計１への成膜材料の付着を防止する方法も考えられるが、ヒーターの熱によって真空計１に不具合が生じるおそれがあるため、冷却管２０を用いて成膜材料を堆積させることが好ましい。なお、冷媒として冷却水を用いることが好適である。例えば、成膜装置が設置された工場内の工業用水を用いることで、既設の成膜装置に対して大きな改良を施すことなく、堆積材料の付着を回避することができる。水冷管を用いる場合には、新たな電源を設置する必要はなく、成膜処理などの運転プロセスに悪影響を及ぼすおそれがない。

また、付着抑制手段１０は、真空計１を取り付けための取付ポート１５Ａ〜１５Ｃが複数設置されているため、真空計１の取替え作業の迅速化を図ることができる。例えば、未使用の真空計１を取付ポート１５Ｃに取り付けておき、閉止板１６を挿入した状態で、未使用の真空計１の汚れを防止しておく、そして、使用中の真空計１をメンテナンスする場合には、取付ポート１５Ｃに挿入されていた閉止板１６を取外して取付ポート１５Ｃに設置されていた真空計１の使用を開始することができる。また、３方向に取付ポート１５Ａ〜１５Ｃが設けられているため、一方向に、真空計１の設置スペースがない場合でも他の方向に真空計１を設置することができる。

また、冷却管２０は、閉止フランジ１４に固定されて、連通管１１のフランジ１３に着脱自在に固定されているため、冷却管２０を容易に取外すことができ、メンテナンス作業の簡素化を図ることができる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、連通管１１内に、冷却管２０が配置されている構成であるが、連通管１１に冷却管２０が配置されていない構成でもよい。例えば、連通管１１の外面から冷却することで、連通管１１の内壁面に成膜材料を付着させる構成でもよい。

また、上記実施形態では、連通管１１が真空チャンバ１２１〜１２５に対して着脱自在な構成とされているが、連通管１１を真空チャンバ１２１〜１２５の側壁と一体的に形成してもよい。連通管１１を溶接等により真空チャンバ１２１〜１２５に接合してもよい。

また、付着抑制手段１０は、冷却管２０を備えていない構成でもよい。例えば、伝熱部材を連通管１１内に設置することで、成膜物質を伝熱部材に付着、堆積させる構成でもよい。

また、連通管１１に設けられる取付ポート１５Ａ〜１５Ｃの数量は、複数に限定されず、一つでもよい。

また、成膜装置１００は、セレン化法に限定されず、その他の成膜法を用いるものでもよい。成膜材料は、セレンに限定されず、その他の成膜材料でもよい。また、成膜装置１００は、基板以外の被成膜物に成膜材料を成膜するものでもよい。

また、上記実施形態では、全ての真空チャンバー１２１〜１２５に対して、付着抑制手段１０が設置されているが、例えば、成膜チャンバ１２３に対してのみに付着抑制手段１０を設置してもよい。または、成膜チャンバ１２３と成膜チャンバ１２３に隣接するバッファチャンバ１２２，１２４とに、付着抑制手段１０を設置してもよい。

１…真空計、１０…付着抑制手段、１１…連通管（連絡通路）、１１ａ…筒体、１１ｂ…開口部、１１ｃ…開口部（導入部）、１２，１３…フランジ、１４…閉止フランジ、１５Ａ〜１５Ｃ…取付ポート（ノズル）、１６…閉止板、２０…冷却管、１００…成膜装置、１２１…ロードロックチャンバ（真空容器）、１２２…バッファチャンバ（真空容器）、１２３…成膜チャンバ（成膜室、真空容器）、１２４…バッファチャンバ（真空容器）、１２５…ロードロックチャンバ（真空容器）、１３１〜１３６…開閉ゲート。

Claims

被成膜物に成膜材料を成膜する成膜装置であって、
前記被成膜物が通過する真空環境を形成する真空容器と、
前記真空容器内の真空度を測定する真空計と、
前記真空計への前記成膜材料の付着を抑制する付着抑制手段と、を備え、
前記付着抑制手段は、冷媒を流通する冷却管を備えることを特徴とする成膜装置。
前記真空容器と真空計とを連通する連絡通路を形成する筒体と、
前記筒体の側壁から突出し、前記真空計を取り付け可能な複数のノズルと、
前記冷却管を前記筒体内に導入するための導入部と、を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記真空容器と真空計とを連通する連絡通路内に前記付着抑制手段が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
前記連絡通路は、前記真空容器に対して着脱自在であることを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。