JP6076070B2

JP6076070B2 - 基板ホルダ及び太陽電池用基板の製造方法

Info

Publication number: JP6076070B2
Application number: JP2012277452A
Authority: JP
Inventors: 牧田　秀行; 秀行牧田; 稔宮本; 達也寺村; 豊柳原
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: JP2014118631A

Description

本発明は、ＣＶＤ作業等を行うチャンバ内においてガラス基板やセラミックス板、プラスチック基板、樹脂基板等の種々の基板を支持する基板ホルダに関し、特に、複数の太陽電池用基板を各々縦方向に支持するホルダ及び太陽電池の製造方法に関するものである。

結晶シリコン基板を用いた結晶シリコン太陽電池は、光電変換率が高く、既に太陽光発電システムとして広く一般に実用化されている。中でも半導体接合特性を改善することによって光電変換効率の向上を可能としたものは、ＨＩＴ（Heterojunctionwith Intrinsic Thin-Layer）型の太陽電池と呼ばれている。ＨＩＴ型の太陽電池では、非晶質系半導体層が結晶系半導体基板上に、例えば真空処理装置のＰＥＣＶＤ装置等によって製膜される。

このような真空処理装置における製膜方式としては横型と縦型がある。横型真空処理装置としては、特許文献１に示されているような、上部電極に対向して基板を水平に置くデポダウン方式と、下部電極に対向して基板を水平に置くデポアップ方式がある。デポダウン方式では製膜用半導体ガスの流れが鉛直下向きであり、デポアップでは鉛直上向きである。また、縦型真空処理装置には、垂直に直立させた電極に対向して基板を直立に置く方式があり、この縦型真空処理装置では製膜用半導体ガスの流れは水平方向となる。しかしながら、上記横型真空処理装置の場合には、基板ホルダを横置きにするため、横方向の装置面積が大きくなるということがある。また、製膜時及び搬送時のパーティクルが基板に堆積するという課題も発生する。

一方、縦型真空処理装置では基板ホルダを立てて配置するため、装置面積は狭く設計できるが、基板を落下しないよう支持する構造が必要になるため、特許文献２に示されているような、爪やホルダで挟み込む構成、又は多数のピンで支持する構成などが必要である。そのため、基板の外周部分等には未製膜箇所が発生することになるが、特に、ＨＩＴ型基板では縁研磨によってカットされる外周の幅が１ｍｍ程度と少ないため、未製膜箇所が発生すると、その面積の大小で基板の発電性能に差が生じてしまう。

さらに、特許文献２に記載のように基板をホルダと背板とで挟み込む構成にした場合には、基板がホルダよりも電極に対して奥まった形になり、中央部と端部との間にプラズマ性能による相違が生じ、性能が低下してしまう虞がある。また、特許文献３には、基板を斜めに傾けてピン３本にて支持する技術が記載されているものの、当該技術は基板ホルダに用いられるものではない。

特開２００４−１７２２４１号公報特開２０１１−１２４３４８公報特許第３３４６８２３号

ここで、特許文献１に記載された発明は、横型の真空処理装置用の基板ホルダにおいて、基板ホルダ上に先細りテーパ状の支持部材を設けているが、基板を水平に設置することが前提であるため、前記基板ホルダを縦型に採用しようとしても、位置決めピンによって基板を支持することが出来ず、基板が落下してしまう。

また、特許文献２に記載の縦型ホルダを使用して縦型ＣＶＤ装置によりＨＩＴ型ＰＶを製造する場合、基板の端部領域に未製膜箇所が発生するため、性能の低下を引き起こす虞がある。また、基板ウェハは割れやすいため、基板を抑える部材に振動を緩衝する機構が必要になる。一方で、既存のガラス基板用のＣＶＤ装置を用いてＨＩＴ型ＰＶ製造を生産する要望もあるが、既存のガラス基板用のＣＶＤ装置を転用可能しつつ、結晶系半導体基板を直立させる基板搬送ホルダは知られていない。

また、特許文献３には、基板を斜めに傾けてピン３本にて支持する技術が記載されているものの、当該技術は基板ホルダに用いられるものではなく、また、複数の基板を並べたものに対しては用いられるものでもない。そこで本発明では、従来の縦型装置を用いつつ、製膜面積を十分に確保できる基板ホルダを提供することを目的とする。

本願発明は、略四角形の複数の基板を各々縦方向に支持する基板ホルダにおいて、上記基板ホルダには１枚の基板当たり２本以上の支持ピンが設けられており、上記支持ピンは上記基板を上記基板ホルダと平行に且つ底辺を傾けて支持した際に上記基板の隣接する２辺を下側から支持するように離間して設けられている基板ホルダである。この構成により、上記基板は、上記基板の重心と上記基板の底辺を基板ホルダの底辺に対して傾けた際に一番下方となる角に隣接する２辺で、基板の重心からの垂線を挟む箇所（辺）に配置した上記支持ピンにて支持されるため、基板が落下しなくなる。また、上記基板は自重と上記支持ピン２本にて支持されるため、基板支持のために犠牲となる未製膜部分を大幅に削減することが出来る。

また、上記基板ホルダには上記支持ピンが設けられている辺とは別の辺に、位置決めピンが上記1枚の基板当たり少なくとも1本設けられていることが好ましい。この構成により、上記基板支持ピン２本と上記位置決めピンにて少なくとも３方向の位置が制限され、上記ホルダから基板を取り付け取外しする時に上記基板各々の位置ずれを防止することが出来る。

さらに、上記支持ピンが前記基板ホルダから離れる広がるテーパ形状であると、上記基板各々を非接触で取外す装置にて基板面部より取り外す時に、テーパ形状のピン部を上記基板がスライドするように取外しが可能であるため、好ましい。さらに、上記基板ホルダを立てた時、上記支持ピンが上記基板ホルダ側に細くテーパになっている為、上記基板は各々の自重により上記二本支持ピンに挟みこまれ安定的に支持することが可能である。

本願発明は、従来の縦型ＣＶＤ装置を用いつつ、ウェハ基板の縦型多数枚支持を実現し、且つ基板支持部における未製膜箇所を大幅に削減し、変換効率の優れたウェハを提供することができる。

基板ホルダと支持ピンと位置決めピンの位置関係の一例を示す概略図である。基板支持部分の拡大図である。

［基板ホルダの構成］
以下に本願発明の基板ホルダの好ましい実施形態について、図１、２を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、当業者の技術常識内で種々変更が可能である。

基板ホルダは略四角形の板状部材３に複数の支持ピン９が設けられているものであり、この支持ピン９は、基板５を基板ホルダに載せた状態で立設させ、基板５の底辺を基板ホルダの底辺に対して傾斜させた際に下側の辺から支持できるように、基板一枚あたり２個セットで設けられている。支持ピンは２個セットで基板５を両ピンの間に挟んで支持できるように隔離して、下側の辺とその辺に隣接する側辺に位置する部分に設けられている。支持ピンは２個あれば基板を支持できるため、例えば３個以上設けられていても発明は成立するが、支持ピンが２個の場合、未製膜部分を減少させたり、部品数を減らしたりすることができるメリットから最も好ましい。

板状部材３には、支持ピン９の他に複数の位置決めピン１１も設けられている。位置決めピン１１は基板５を基板ホルダに対して底辺が傾斜するように配置した際、基板５が傾きすぎるのを抑制するために設けられるものであり、支持ピン９が設けられている辺とは別の辺に設けられている。位置決めピン１１の個数は１個以上あれば基板の傾きを抑制する効果を奏するが、２個あればさらに傾きの抑制効果が大きくなるため好ましい。なお、位置決めピン１１も支持ピン９と同様、３個以上設けても良いが、支持ピンと同様の理由により、ピン数は少ない方が良い。

基板５は基板ホルダに対して基板５の底辺が斜めになるように支持されているが、その角度は、０度より大きく４５度以下であればよく、５度以上３０度以下であれば好ましく、１０度以上２０度以下の角度で配置するのが最も好ましい。これは、傾斜がきついほど基板を支持する効果が増大する一方、基板５を配置する際の占有面積の悪化が生じることを考慮したものである。傾斜角度が１０〜２０度であると、配置効率がよく、より多数の基板を配置できるという点において好ましい。

図１の基板ホルダは２５枚の基板５を支持する構成であり、１枚の基板あたり２本の支持ピン９と２本の位置決めピン１１を用いるようにしており、支持ピン９と位置決めピン１１はそれぞれ５０本設けられている。これらのピンは互いに接しないように、且つ、基板５を支持した際に支持している基板以外の基板が接触しない位置に配置されており、それにより、基板５を基板ホルダに支持した際も、基板同士が接することが防がれている。

基板ホルダは、チャンバ内での処理に耐えうる材料を選択する必要があるが、例えば、太陽電池用途の場合には、その加熱の温度として３００度の熱に耐えうる必要がある。加熱に耐えられない場合は、ホルダ（板状部材３）に反りが生じてしまい、製膜工程の際に電極との距離が不均一になり、品質の悪化に繋がるからである。そのため、本願発明は、基板５を支持できる程度の強度を有するものであれば構わないが、基板５に処理を施すことを考慮し、基板ホルダの材料としては、黒鉛（グラファイト）やＳＵＳ等が好ましく、同様の理由により、支持ピン９の材料としては、ＳＵＳやＰＥＥＫ等が耐熱耐薬品性の点で好ましい。

支持ピン９の形状は、基板を支持できる形状であれば種々に変更可能であるが、ピンの先端が円筒形状のような場合は、基板を脱着する際の引っかかりがないため好ましい。また、支持ピン９の形状が基板ホルダから離れる方向に広がるテーパ形状であると、基板を基板ホルダに支持する際に基板は基板ホルダから外れて落ちてしまうことを防止できるため好ましい。図１に示される支持ピンの形状は、円筒形であるが、例えば、四角柱などの形状でも構わない。なお、位置決めピン１１についても、支持ピン９と同様の観点で形状や材料を選択することが可能である。

ところで、支持ピン９や位置決めピン１１は、基板に対する繰り返しの製膜により埋没してしまうことがある。通常は基板ホルダ自体を苛性ソーダ液により洗浄することによって概ね取り除くことが可能だが、異常が発生した際など、ピンを容易に交換できるようにしておきたい。その為、支持ピン９及び／又は位置決めピン１１は板状部材１にタップネジを切り、ねじ込みにより固定する構造とすることが好ましい。また、緩み防止の為、基板ホルダを貫通し裏面に飛び出たネジ部にナットを締めつけることが好ましい。

また、支持ピン９は、基板ホルダを立設した際に、基板５を底辺から保持することを主目的としているため、基板５を下側から支える形状であれば、支持ピン９の様なテーパ形状に限らずＬ型形状を採用するなど、自由に設計することができる。なお、支持ピン及び／又は位置決めピンの固定は板状部材へのねじ込みに限らず、ナットにて裏面より締め付ける形状でもよく、ピン末端部に溝や開口を設け止め輪や割りピン等により固定する構造でもよい。

［太陽電池基板用の支持ホルダ］
次に、太陽電池基板を基板ホルダに支持する際の実施形態について説明する。ここでの板状部材３は、約縦横１ｍの略四角形のからなる部材であり、支持ピン、位置決めピン１１は長さ３ｍｍの円筒形状である。また、基板５の大きさは、縦横に約１６０ｍｍである。支持ピンの材料としては、太陽電池基板に対する成膜時の対薬品性能を考慮し、ＳＵＳかＰＥＥＫ（耐熱耐薬品樹脂）材を用いるようにした。支持ピン９及び位置決めピン１１は、プラズマＣＶＤ装置にて製膜を行う際に異常放電の起因にならないよう、突出長さを５ｍｍ以内に抑えるのが良い。上記の構成の基板ホルダに太陽電池基板を支持し、基板に所定の処理を施した。

［基板の脱着］
基板５の基板ホルダに対する取り付け、脱着は、手動で行なってもよいが、ロボットアームを用いてもよい。例えば、基板５を非接触で保持することが可能なベルヌーイハンドを使用する場合、基板表面の処理された面に直接触れることがないため、好ましい。ベルヌーイハンドを用いて基板５を保持、取付け、脱着を行なう場合、基板５が支持ピン９や位置決めピン１１にひっかかってしまわないように両ピンの構造や傾きを調整する必要がある。具体的には、ピンを基板ホルダから離れる方向に広がるようにテーパ形状とする場合には、その広がりの角度を９０度以下にするのが好ましい。また、ピンを傾けて板状部材１に配置する場合は、水平に対して０度より大きく３０度以下の範囲にするのが好ましい。

基板ホルダに基板５を支持し、真空装置にて製膜工程を行うと、基板ホルダと基板５の接触面の空気が押し出されて真空になり、接触抵抗を非常に高くさせることになる。従って、搬送時に基板ががたつくことが防止される。一方、基板５を基板ホルダから取り外す作業が困難になる場合がある。例えば、ベルヌーイハンドにより取外しを行う際には、基板を吸着するのに３秒程度かかってしまう。また、例えば、吸着ピンセット等で取り外そうとすると、基板自体が基板ホルダに密着している為、撓むように湾曲してしまう。基板自体は０．２ｍｍ程度と薄く尚且つ弾性が低い為、容易に破損してしまうと共に品質の低下を招いてしまう。

このような場合のために、基板ホルダには図２に示されているように、板状部材３の基板５を支持する部位、好ましくは基板の中央部分に開口１３を設けるようにしてもよい。基板５の取り外しを行う際には基板の支持部に少なくとも１つ以上設けられている開口１３から、基板ホルダの裏側より微弱な、例えば計装空気を圧送する。これにより基板と基板ホルダの間に発生している真空状態を破壊することができる。取外しの際、基板ホルダは横置きのため、開口より圧送された計装空気により基板５自体を浮上させる。この効果により基板取外し工程が容易に行える。

また、取外し時の真空破壊機構は、基板ホルダ自体に格子状の溝を形成したり、研磨加工を施したりする構成でもよい。そのような構成とすることで、基板５と基板ホルダの接触面積を減らすことができると共に、接触抵抗を低くすることができるので、基板５の取外しを容易に行なうことができる。

真空破壊機構として、他にも、基板取外しの際に、例えばピン形状の治具にて基板裏面より押し上げる機構でもよい。これは基板ホルダ自体に設置してもよいし、基板ホルダを平置きした際に、例えば圧縮空気により動作させてもよい。ピン形状の治具はスプリング式になり、通常は基板ホルダの裏側に作用しているが、平置きすると同時に基板ホルダ裏面より治具を押し上げるような構造でもよい。また、基板ホルダ自体に開口を設けその開口へ例えばピン形状の治具を押し入れるような機構にて基板を押し上げてもよい。

３：板状部材
５：基板
９：支持ピン
１１：位置決めピン
１３：開口

Claims

略四角形の複数の基板を各々縦方向に支持する基板ホルダにおいて、
前記基板ホルダには１枚の基板当たり２本以上の支持ピンが設けられており、
前記支持ピンの突出長さは前記基板の厚みよりも長く、前記支持ピンは前記基板の底辺を前記基板ホルダの底辺に対して斜めに支持した際に前記基板の隣接する２辺を下側から支持するように離間して設けられていることを特徴とする基板ホルダ。
前記支持ピンは前記基板ホルダから離れる方向に広がるテーパ形状である請求項１に記載の基板ホルダ。
前記支持ピンの突出長さは５ｍｍ以内である請求項１又は２に記載の基板ホルダ。
前記支持ピンが２本である請求項１〜３のいずれかに記載の基板ホルダ。
に記載の基板ホルダ。
前記基板ホルダには前記支持ピンが設けられている辺とは別の辺に、位置決めピンが前記１枚の基板当たり少なくとも１本設けられている請求項１〜４のいずれかに記載の基板ホルダ。
前記基板ホルダには真空破壊機構が設けられている請求項１〜５のいずれかに記載の基板ホルダ。
前記基板ホルダの中央部分に開口が設けられている請求項６に記載の基板ホルダ。
前記支持ピンは前記基板の底辺を前記基板ホルダの底辺に対して１０〜２０度傾けて支持できるように設けられている請求項１〜７のいずれかに記載の基板ホルダ。
請求項１〜８のいずれかに記載の基板ホルダを用いた太陽電池用基板の製造方法であって、
前記太陽電池用基板を前記基板ホルダに脱着する際にロボットアーム又はベルヌーイハンドを用いることを特徴とする太陽電池用基板の製造方法。
基板ホルダを用いた太陽電池用基板の製造方法であって、
前記基板ホルダは、略四角形の複数の基板を各々縦方向に支持されており、
前記基板ホルダには１枚の上記基板を支持する２本以上の支持ピンが設けられており、
前記基板ホルダに前記太陽電池用基板を脱着する際にロボットアーム又はベルヌーイハンドが用いられることを特徴とする太陽電池用基板の製造方法。
前記支持ピンは前記基板の底辺を前記基板ホルダの底辺に対して斜めに支持した際に前記基板の隣接する２辺を下側から支持するように離間して設けられている請求項１０に記載の太陽電池用基板の製造方法。
前記支持ピンが２本である請求項１０又は１１に記載の太陽電池用基板の製造方法。
前記基板ホルダには前記支持ピンが設けられている辺とは別の辺に、位置決めピンが前記１枚の基板当たり少なくとも１本設けられている請求項１０〜１２のいずれかに記載の太陽電池用基板の製造方法。
前記支持ピンは前記基板ホルダから離れる方向に広がるテーパ形状である請求項１０〜１３のいずれかに記載の太陽電池用基板の製造方法。
前記基板ホルダには真空破壊機構が設けられている請求項１０〜１４のいずれかに記載の太陽電池用基板の製造方法。
前記基板ホルダの中央部分に開口が設けられている請求項１５に記載の太陽電池用基板の製造方法。
前記支持ピンは前記基板の底辺を前記基板ホルダの底辺に対して１０〜２０度傾けて支持できるように設けられている請求項１０〜１６のいずれかに記載の太陽電池用基板の製造方法。