(57)【要約】  本発明は、光電池を製造するべく基板上に薄いレイヤを堆積させる装置を有しており、この場合に、隣接する反応チャンバの相互汚染を防止すると共に、それぞれの反応チャンバ内の圧力レベルを制御しつつ、同時に、機械的な障害物を伴うことなしに、１つの反応チャンバから次のチャンバへの基板の連続した搬送を実現する低圧の隔離ゾーンにより、個別の反応チャンバが互いに分離されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光起電装置の製造装置において、
（ａ）少なくとも１つの反応チャンバと連通状態にある１つ又は複数の真空隔離ゾーンを提供する少なくとも１つの差動排気手段を有しており、及び
（ｂ）前記反応チャンバは、前記反応チャンバへの高純度ガスの流入を制御するメカニズムを含んでいる、装置。
【請求項２】
前記隔離ゾーンの圧力は、前記反応チャンバを下回っている請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記反応チャンバは、２〜１０Ｅ−３ｔｏｒｒの圧力において実施される堆積を提供しており、前記排気手段は、１Ｅ−４ｔｏｒｒにおいて動作する請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記ガスは、前記隔離手段を介して前記反応チャンバから除去される請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記ガスは、前記隔離手段を介して前記反応チャンバから除去され、収集設備に導かれる請求項４記載の装置。
【請求項６】
１つの前記反応チャンバと１つの前記隔離ゾーンの間の接合部に、基板が通過可能な開口部が提供されている請求項４記載の装置。
【請求項７】
前記開口部は、前記反応チャンバから前記隔離ゾーンへのガスの流れを極小化するべく、前記基板と類似した厚さを有している請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記開口部は、反復的に開閉可能である（ｍａｙ  ｂｅ  ｃｙｃｌｅｄ  ｓｈｕｔ）請求項６記載の装置。
【請求項９】
前記反応チャンバは、前記反応チャンバの温度及び圧力を読み取る監視装置を含んでいる請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記監視メカニズムは、前記高純度ガスの流入速度を制御可能である請求項９記載の装置。
【請求項１１】
光起電装置の製造に使用される複数の独立した堆積及び反応チャンバにおける圧力制御方法において、
（ａ）前記ＣＧＳ反応チャンバへのガスの流入を制御する段階と、
（ｂ）前記反応チャンバの供給口及び排出口における開口部を通じて基板を供給する段階と、
（ｃ）前記反応チャンバの前記供給口及び排出口に隣接しており且つこれらと連通状態にある低圧の隔離ゾーンを確立する段階と、
（ｄ）前記反応チャンバから前記隔離ゾーンに流出する前記高純度ガスを除去し、前記隔離ゾーンの圧力を１Ｅ−４ｔｏｒｒに維持する段階と、
を有する方法。
【請求項１２】
前記基板は、前記反応チャンバを通じて連続供給可能な連続レイヤである請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記基板は、パレットに付着しており、１つ又は複数の前記パレットが前記反応チャンバに配置される請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記開口部は、前記パレットの挿入の後に閉鎖可能である請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記反応チャンバから流出する前記ガスは、前記隔離ゾーンを介して除去される請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
前記ガスは、収集設備に搬送される請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記隔離ゾーンは、１つの前記隔離ゾーンの前記排出口と隣接する前記隔離ゾーンの前記供給口との間の接合部である請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電池の製造に関するものであり、更に詳しくは、１つの反応チャンバから別のチャンバに光起電被加工物を途切れることなしに搬送する圧力制御及び隔離システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光（ＰｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃ：ＰＶ）電池、モジュール、及び電力システムは、世界の拡大する電力需要に応えて、クリーンであり、信頼性が高く、且つ、再生可能なエネルギーを提供するものである。残念ながら、発展途上世界において大きな市場を切り開くほどには、製品コストの低減が十分に行われておらず、発展途上世界は、その電力需要に起因し、石炭や石油などの汚染を伴う再生不可能な供給源の使用を余儀なくされている。人口の拡大と一人当たりのエネルギー消費量の上昇に伴い、いまや、世界は、エネルギーの需要と供給が不可逆的に相違する調和不能な将来に向かって進んでいる。
【０００３】
ＰＶ電池は、再生不可能なエネルギー源の代替肢を提供するものである。但し、実験室においては、相対的に効率的なＰＶ電池を製造可能であるが、このプロセスを、商業化に不可欠な一貫性のある反復性及び効率によって商業規模に拡大することは、困難であることが判明している。ＰＶ電池を市場において代替エネルギー源に効率的に置換できないでいる理由は、この効率的な薄膜製造プロセスの欠如にある。
【０００４】
現時点においては、これらの電池は、多段階バッチプロセスを使用して製造されており、このプロセスにおいては、それぞれの被加工物が反応段階間において搬送されており、このような搬送は、大きくて扱いにくく、且つ、チャンバ内における反応の反復を必要としている。代表的なプロセスは、それぞれが電池内の様々なレイヤの形成のために特別に設計された一連の別個のバッチ処理チャンバから構成されている。このプロセスに伴う１つの欠点は、真空から空気に、そして、又、真空にと、基板が複数回にわたって搬送されるという点にある。代替システムにおいては、それぞれのチャンバごとにロールツーロールの連続したプロセスと結合された一連の別個のバッチ処理チャンバを使用している。このプロセスに伴う主要な欠点は、システムの不連続性と、真空を中断しなければならないという点にある。
【０００５】
ＰＶ電池の製造装置の特徴の１つとして、真空の損失を伴うことなしに、被加工物（即ち、基板）が１つの反応チャンバから別の反応チャンバに移動可能でなければならない。又、装置は、２つの反応チャンバ間における基板の移動を実現しつつ、１つの反応チャンバ内の反応物質による別の反応チャンバの汚染を許容してはならない。ＰＶ電池内において、ｐ型吸収体の化学組成は、ｎ型接合の化学組成に極めて類似しており、２つの反応チャンバ間における低レベルの相互汚染の場合にも、電池の性能に非常に大きな影響を付与可能であるため、この懸念は些細なものではない。従って、２つの反応チャンバ間における相互汚染を防止する能力を有する製造装置が必要とされている。
【０００６】
ＰＶ製造装置の別の特徴の１つは、所与の反応チャンバ内において温度及び圧力を厳密に制御する必要性にある。多くの場合に、所与のレイヤの形成は、その反応チャンバ内における温度と圧力によって左右されることになる。従って、反応チャンバ内の圧力を調節可能なシステムが必要とされている。
【０００７】
１９９５年１１月２８日付けでＣｏｌｅｍａｎに発行された米国特許第５，４７０，７８４号は、堆積コンパートメントよりも低い圧力を有する一連の「ポート」によって分割されたいくつかの堆積チャンバによってＰＶ電池用の半導体材料を基板にコーティングする装置を開示している。しかしながら、この特許においては、反応チャンバ内の圧力を制御するべく差動排気構成と協働する高純度ガスの使用法について考慮してはいない。又、この発明は、反応チャンバから隔離ゾーンへのガスの流れを制限する開口部の構造についても開示していない。更には、Ｃｏｌｅｍａｎは、連続製造プロセスについても開示してはいない。
【０００８】
Ｈａｒｄｙに付与された米国特許第５，３４３、０１２号は、基板（この上部に薄膜構造が製造される）の温度を制御する方法について開示している。しかしながら、この発明は、１つの堆積チャンバから第２の堆積チャンバへの基板の搬送について開示してはいない。
【０００９】
ｖａｎ  Ｍａｓｔに付与された米国特許第６，５５４，９５０号は、真空アプリケーション内において基板から表面汚染物質を除去する方法及び装置について開示している。しかしながら、この発明は、反応チャンバ内の圧力を制御するための差動排気の使用法について開示してはおらず、更には、１つの反応チャンバから第２の反応チャンバに基板を搬送するための差動排気の使用法についても開示してはいない。
【００１０】
２００１年８月７日付けでＭａｓｈｂｕｒｎに発行された米国特許第６，２７０，８６１号は、堆積チャンバ内において薄膜を形成する装置について開示しており、この場合には、差動排気を使用して２つの別個の雰囲気の相互作用を防止している。しかしながら、この発明においては、２つの反応チャンバ間に存在する真空バリアの概念を考慮してはいない（反応チャンバのそれぞれの圧力は、バリアよりも高くなっている）。
【００１１】
Ｂａｒｔｏｌｏｍｅｉに付与された米国特許第５，８４９，１６２号は、更に効率的なスパッタリングプロセスの装置及びプロセスについて開示している。この装置は、差動排気と複数のステーションを利用してはいるが（これのステーション内において、基板の上部にレイヤを堆積可能である）、この発明は、それぞれが独立した温度及び圧力を有する反応チャンバを形成するのに必要な隔離ゾーンを使用してはいない。
【００１２】
Ｓｃｏｂｅｙに付与された米国特許第４，８５１，０９５号は、複数の反応ステーションを通じた連続基板用の堆積装置について開示している。しかしながら、この発明においては、それぞれの反応チャンバごとの異なる圧力及び温度の必要性について考慮してはおらず、それらの間の真空隔離ゾーンについても考慮してはいない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の１つの目的は、それぞれ（の反応チャンバ）が、それぞれの反応チャンバ内において必要な堆積及び／又は反応条件を実質的に維持しつつ、光電池の製造用の薄い化学的レイヤを堆積させる一連の反応チャンバを基板が通過することができる圧力隔離装置を提供することにある。
【００１４】
本発明の更なる目的は、搬送の際に大きな温度及び圧力の変化が基板に加わることなしに、１つの反応チャンバから次の後続のチャンバ（又は、外部の雰囲気）への基板の搬送を実現することにある。
【００１５】
本発明の第３の目的は、２つの反応チャンバ間における相互汚染を許容することなしに、反応チャンバから次の後続の反応チャンバに基板を搬送することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、少なくとも１つの反応チャンバと連通状態にある真空隔離ゾーンを提供する少なくとも１つの差動排気メカニズムを有すると共に、反応チャンバへの高純度ガスの流入を制御するメカニズムを反応チャンバが含んでいる光（ＰＶ）電池の製造装置である。一実施例においては、隔離ゾーンは、２つの連続した反応チャンバの間に配置されているが、これは、本発明の必須条件ではない。接続された反応チャンバ内への高純度ガスの流入を制御し、これにより、その反応チャンバ内の近真空を維持する装置が差動排気メカニズムと協働しているが、隔離ゾーン内の圧力は反応チャンバよりも常に低くなっている。本装置には、プロセスを中断することなしにチャンバ間における基板の伝達を実現しつつ、同時に、反応チャンバから隔離ゾーン内へのガスの流れを最小化するのに十分な大きさを有する隔離ゾーン／反応チャンバインターフェイスに位置した開口部が関連付けられている。これらの開口部のサイズは、これらを通じて前進するパレットと略同一になっているが、パレットの配置と潜在的な熱膨張に伴う不正確性を考慮し、わずかに大きなサイズになっている。
【００１７】
本発明は、複数の独立した堆積及び反応チャンバ内における圧力制御の方法を更に有しており、この方法は、反応チャンバ内へのガスの流入を制御する段階と、反応チャンバの供給口及び排出口に位置した開口部を通じて基板を供給する段階と、反応チャンバに隣接しており且つこれと連通した低圧の隔離ゾーンを確立する段階と、並びに反応チャンバから流出するガスを除去することによって隣接する反応チャンバ内への相互汚染を防止する段階と、を有している。
【００１８】
この装置の利点は、相互汚染を防止するべく反応チャンバを隔離している点にあり、同時に、この結果、中断されることなしに基板を１つのチャンバから別のチャンバに伝達可能である。一実施例においては、１つ又はいくつかのパレットは、基板に対する悪影響を最小化しつつ、１つの反応チャンバから出た後に、一時的に隔離ゾーン内に留まり、次いで、少し後の時点において、次の後続の反応チャンバに進入可能である。別の実施例においては、すべての反応チャンバが異なるパレットに対して同時に作用できるように、パレットを列車のような形式に編成可能である。又、本発明によれば、それぞれが圧力制御された隔離ゾーンによって分離されている一連の反応チャンバを通じて連続的に移動する連続した（又は、ロールツーロールの）基板設計も可能である。多くの参考文献が連続基板の概念について開示しているが、本発明によれば、光起電製造プロセスを真に連続的なものにすることが可能である。
【００１９】
一実施例の動作においては、１つ又は一連の差動ポンプが隔離ゾーンに装着されている。反応チャンバ内に不活性ガスを追加することによってそのチャンバに反応に必要な完全な真空を上回るなんらかの圧力を付与しつつ、このポンプを連続的に稼動又はオン／オフを繰り返させることにより、真空を維持可能である。一実施例においては、圧力及び温度をセンサのアレイによって監視すると共に、自発的に反応チャンバの環境特性を制御可能なコンピュータなどの制御装置によって分析可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の前述の並びにその他の特徴及び利点と、それらを実現するための方式については、添付の図面との関連において、本発明のいくつかの実施例に関する以下の説明を参照することにより、明らかとなり、且つ、その理解を深めることができよう。
【００２１】
いくつかの図において対応している参照符号は、対応している部分を示している。本明細書に記述されている例は、本発明のいくつかの実施例を例示するものであり、いかなる面においても本発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。
【００２２】
本発明の一実施例が図１に示されており、これは、少なくとも１つの反応チャンバ１０２に装着された密閉型の隔離ゾーン１００を有しているが、大部分のケースにおいて、この密閉された隔離ゾーン１００は、２つの反応チャンバ１０２の間に装着されている。隔離ゾーン１００の物理的形状は、立方体や長方形などの任意の形状であってよく、パレット、被加工物、又はその他の基板搬送装置１０４のサイズによって決定されることになろう。明らかに、隔離ゾーン１００の形状は、真空中における性能の最適化によって導出可能なものであり、従って、その領域内における１０−７ｔｏｒｒの真空の生成をサポートするには、図２に示されている円筒形や球状の形状が必要となろう。又、密閉された隔離ゾーン１００のサイズは、その光起電製造プロセスの反応要件によっても決定されることになろう。隔離ゾーン１００の長さに影響を及ぼし得るファクタは、例えば、隣接する反応チャンバの内部圧力、反応チャンバ１０２内における被加工物１０４の滞在時間、及び反応チャンバ間の相互汚染に対する作業プロセスの感応性などの問題点であろう。
【００２３】
隔離ゾーンの少なくとも一端には、反応チャンバ１０２が位置しており、この反応チャンバは、基板上に化学薬品又は合金を堆積させる装置１０６を含んでいる。一般的な堆積方法は、気化、スパッタリング、及び当業者には既知のその他の技法を含んでいる。恐らくは、堆積方法とは関係なしに、反応チャンバ内の圧力は、非常に低いものになると考えられる（通常は、１０−６〜１０−３ｔｏｒｒの範囲である）。隣接する反応チャンバ１０２間における相互汚染を防止する隔離ゾーン１００を維持するべく、隔離ゾーン１００には、ポンプ１０８が伴っており、このポンプの吸引側１１０は、接続装置１１２によって隔離ゾーンの壁１１１に装着されているか、或いは、隔離ゾーンの壁１１１に永久的に装着されており、この結果、隔離ゾーンの圧力は、隣接する反応チャンバ１０２の圧力を継続的に下回るようになっている（約１０−７ｔｏｒｒ）。別の実施例においては、図３に示されているように、ポンプ１０８は、隔離ゾーン１００の内部に設置可能であり、ポンプ排出口１１４が、内部から隔離ゾーンの壁１１１に接続されている。又、十分な真空を実現するのに、直列に接続された複数のポンプ１０８が必要となることも考えられる。尚、本発明においては、単一の差動ポンプを複数の隔離ゾーンに使用するという方式を除外してはいないが、この方式によれば、恐らくは、それぞれの反応チャンバ／隔離ゾーンインターフェイス１１６に異なるΔＰが生成されることになり、これは、望ましいものではないであろう。
【００２４】
基板１０４を隔離ゾーン１００を通じて反応チャンバ１０２から次の反応チャンバ１０３内に伝達できるように、反応チャンバ／隔離ゾーンインターフェイス１１５、１１６における隔離ゾーン１００の供給口１１７及び排出口１１８の両方には、開口部が配置されている。当業者であれば、この開口部１１７、１１８の存在により、これらが単独で残されている場合には、差動ポンプ１０８が隔離ゾーン１００並びに反応チャンバ１０２、１０３の両方を等しく低真空に排出することになることを容易に観察するであろう。２つの反応チャンバ間の相互汚染を防止するべく、反応チャンバ１０２、１０３内の圧力が隔離ゾーン１００の圧力を上回っていることが重要であることから、ポンプ１０８の真空効果に対抗するべく、反応チャンバ１０２、１０３を外部圧力源によって「加圧」しなければならない。一実施例においては、これは、アルゴン、窒素、又は酸素などの高純度ガス１２５、１２６をガス供給口１３４、１３５を介して反応チャンバ１０２、１０３内に導入することによって実現されている。
【００２５】
これらの供給口１３４、１３５は、真空ポンプの吸引側を隔離ゾーンの壁に接続している装置１１２に類似した接続装置１２１、１２２を介して反応チャンバに装着可能である。図１には、それぞれのガス供給口１３４、１３５に装着された高純度ガス貯蔵タンク１２３、１２４が示されている。この実施例は、光起電における最適な結果をもたらすために、２つの異なる反応チャンバ内において実行されるプロセスが、１つの反応チャンバ１２５内の高純度ガスが別の反応チャンバ内の高純度ガス１２６とは異なっていることを必要とするという可能性を反映したものである。但し、本発明は、すべての反応チャンバに単一の高純度ガスのタンクを使用するという方式を除外するものではない。又、圧力制御のために、その他のガスを使用することも可能であるが、これは、反応チャンバ内のプロセス、基板汚染の可能性、及びプロセスに必要な圧力及び温度などのファクタによって左右されることになろう。図１ａを参照すれば、高純度ガスに供給不足の可能性が存在したり、或いは、そのガスの放出が環境汚染を引き起こす可能性がある場合には、収集タンク１５０をポンプ１１４の排出口に装着することにより、後から使用するべく（又は、適切に処理するべく）高純度ガスを収集可能である。
【００２６】
反応チャンバ１０２、１０３内の圧力を隔離ゾーン１００を上回るものに維持するべく、開口部１１７、１１８は、隔離ゾーン／反応チャンバ境界１１５、１１６における差圧に起因した反応チャンバ１０２、１０３内の高純度ガス１２５、１２６の隔離ゾーン１００への損失を制限可能でなければならない。従って、この開口部のサイズ及び構成を制限することにより、この損失を制限しなければならない。図１は、大規模な堆積装置の中の１つのセグメントのみを表していることから、開口部１１９も、それぞれの反応チャンバの供給口及び排出口に装着されている。好ましくは、開口部は、基板１０４自体よりもごくわずかに大きくなっている。
【００２７】
このような実施例においては、反応チャンバから隔離ゾーンへのガスの外向きの流れを基板自体が継続的に抑制することになるため、この開口部の動作は、「ロールツーロール」プロセスにおいて最も効率的なものとなろう。別の実施例においては、特に、個別の「パレット」基板の場合に、ガスの損失とこれに後続する減圧を完全に防止するべく、開口部１１７、１１８は、パレット１０４が反応チャンバに進入又はこれから離脱する際にのみ、開かれている。
【００２８】
この実施例においては、破線１３２によって示されているように、温度及び圧力センサ１２７、１２８が、反応チャンバ内に配置されると共に、電気的な通信状態にあり、制御装置１３０（これは、コンピュータであってよい）が、反応チャンバの温度及び圧力を継続的に監視している。制御装置１３０は、これらの値を、こちらも破線１３６によって示されているように制御装置１３０との電気的な通信状態にあるセンサ１２９によって計測される隔離ゾーン１００の温度及び圧力と比較している。制御装置１３０は、反応チャンバ／隔離ゾーンインターフェイスにおける適切なΔＰを維持するべく、高純度ガス供給口１３４、１３５と高純度ガス貯蔵タンク１２３、１２４の間に配置されているソレノイド又はスロットルバルブ１３１、１３３を電気的に制御することにより、反応チャンバ内への高純度ガス１２５、１２６の流速を制御可能である。別の実施例においては、高純度ガスの流速の代わりに、真空ポンプ１０８の制御、或いは、ポンプと高純度ガスの流速制御のなんらかの組み合わせにより、ΔＰを制御可能である。
【００２９】
前述のように、隔離ゾーンは、２つの反応チャンバの間にのみ存在することを要するものではない。別の実施例においては、隔離ゾーンは、図４に示されているように、反応チャンバと外部の雰囲気の間における汚染を防止するべく、１つの反応チャンバとのみ連通状態にあってよい。この実施例においては、隔離ゾーン１００は、終点として機能しており、この場合には、基板１０４は、完成品であるか、或いは、更なる処理のために別の装置に搬送しなければならない。図４に示されているように、基板１０４を除去するべく、アクセスポイント４０１が提供されている。このような隔離チャンバは、恐らくは真空又は近真空のレベルにある反応チャンバ内に空気中の不純物が到達することを防止するのに理想的なものであろう。但し、この隔離ゾーンにおけるΔＰは、反応チャンバ／隔離ゾーンインターフェイスにおけるΔＰよりも格段に大きなものである。
【００３０】
通常の状態において、且つ、当業者に既知の堆積方法を使用した場合には、雰囲気と隔離ゾーンの間のΔＰは、隔離ゾーンと反応チャンバの間のΔＰと比べて、１０００倍も大きなものとなろう。この大きなΔＰに起因し、隔離ゾーンと外部雰囲気の間における単純なアクセスポイント４０１では、不十分であろう。即ち、このアクセスポイントは、その他の開口部のように継続的に開放したものであってはならない。
【００３１】
以上、特定の実施例を参照し、本発明について説明したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなしに様々な変更を実施可能であり、且つ、等価物によってその要素を置換可能であることを理解するであろう。又、本発明の範囲を逸脱することなしに、多くの変更を実施することにより、特定の状況又は材料を本発明の開示内容に適合することも可能である。
【００３２】
従って、本発明は、本発明を実施するべく考案された最良の形態として開示されている特定の実施例に限定されるものではなく、本発明は、添付の請求項の範囲及び精神に属するすべての実施例を包含することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】２つの反応チャンバ間における単一の隔離ゾーンの概略図である。
【図１ａ】関連する収集設備を有する真空ポンプ装置の図である。
【図２】隔離ゾーンの可能な形状を示す１つの潜在的な実施例の透視図である。
【図３】隔離ゾーンの内部に設置された真空ポンプ装置を有する単一の隔離ゾーンの概略図である。
【図４】単一の反応チャンバと完成済みの基板用の除去エリアに接続された単一の隔離ゾーンの概略図である。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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