(57)【要約】【課題】  製膜速度を増加させてもＳｉＨ２／ＳｉＨ比が高くならず、膜質の悪化を防いで高い生産性を得ることができる真空処理方法及び真空処理装置を提供すること。【解決手段】  減圧環境とされる製膜室６内に設置された基板８を均熱板（加熱手段）５によって加熱した状態にし、前記基板８に対向して配置された放電電極３に対して給電することにより基板８へ製膜を施す真空処理方法において、基板８と放電電極３の温度差を３０℃以下とした状態で製膜する。さらに、基板８と放電電極３間を７．５ｍｍ以下として製膜を行なってもよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧環境とされる製膜室内に設置された基板を加熱手段によって加熱した状態にし、前記製膜室内に原料ガスを供給し、前記基板に対向して配置された放電電極に対して給電することにより前記基板へ製膜を施す真空処理方法において、
前記基板と放電電極の温度差を３０℃以下とした状態で製膜する、真空処理方法。
【請求項２】
前記基板と前記放電電極との間を４．５ｍｍ以上で７．５ｍｍ以下として製膜を行なう、請求項１に記載の真空処理方法。
【請求項３】
前記製膜室内の製膜圧力を１５０Ｐａ以上５００Ｐａ以下として製膜を行なう、請求項２に記載の真空処理方法。
【請求項４】
減圧環境とされる製膜室を形成するチャンバと、該チャンバ内に設置された基板を加熱する加熱手段と、前記製膜室内に原料ガスを供給する供給手段と、前記基板に対して対向するように配置された放電電極とを備え、前記放電電極の温度を調節する熱媒流路を備え、該放電電極に対して給電することにより前記基板へ製膜が施される真空処理装置において、
前記基板と前記放電電極の温度差と製膜圧力を調整する機構を備えた、真空処理装置。
【請求項５】
前記放電電極の内部に前記熱媒流路が設けられている、請求項４に記載の真空処理装置。
【請求項６】
前記放電電極と前記基板との距離が４．５ｍｍ以上で７．５ｍｍ以下となるように前記放電電極が配置される、請求項５に記載の真空処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空処理方法及び真空処理装置に関し、特に、プラズマを用いて基板に処理を行なう真空処理方法及び真空処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマを用いて半導体をガス化し、加熱した基板にその半導体の薄膜を形成する真空処理装置としてプラズマＣＶＤ装置が知られている。ガラス基板に製膜されたシリコン系薄膜においてｐ層、ｉ層、ｎ層を積層製膜してｉ層に照射された光を電力に変換する太陽電池が知られている。
【特許文献１】特開平６−２８３４３５号公報
【特許文献２】特開平７−２３０９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年太陽電池の製造コスト低減が望まれている。そのためには、上記真空処理装置による発電層としているｉ層の製膜速度を増加させる必要がある。しかしながら、製膜速度が増加すると、アモルファスシリコン膜のＳｉ結合の状態を表すＳｉＨ２／ＳｉＨ比が高くなる。ＳｉＨ２／ＳｉＨ比は膜質の指標として用いられており、ＳｉＨ２／ＳｉＨ比が高くなるとＳｉ-Ｓｉどおしの結合が少なくなり欠陥が増えるので、膜質が低下する。
【０００４】
製膜速度を上げた際のＳｉＨ２／ＳｉＨ比増大を抑えるには、基板温度を上げればよいことが知られている。これによりＳｉＨ２／ＳｉＨ比が低減して膜質品質が向上する。しかしながら、アモルファスシリコン太陽電池のｉ層の製膜にあたり、製膜温度（基板温度）が高くなるほど、基板へ出入りする熱量が増加するために基板温度が安定するのに時間を要したり、温度変動をすることにより太陽電池性能が低下するという問題が発生する。また、基板温度を上げるとｉ層のバンドギャップが適正値からずれたり、下層のｐ層のドーパントであるボロンが拡散するなどのために開放電圧が低下し、電池性能が低下するという問題がある。
従って、膜質向上と製膜速度向上は相反する状況にあり、この膜質向上と製膜速度向上の両立を達成することが望まれている。
【０００５】
本発明は、製膜速度を増加させてもＳｉＨ２／ＳｉＨ比が高くならず、膜質の悪化を防いで高い生産性を得ることができる真空処理方法及び真空処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の真空処理方法は、減圧環境とされる製膜室内に設置された基板を加熱手段によって加熱した状態にし、前記製膜室内に原料ガスを供給し、前記基板に対向して配置された放電電極に対して給電することにより前記基板へ製膜を施す真空処理方法において、前記基板と放電電極の温度差を３０℃以下とした状態で製膜することを特徴とする。
【０００７】
本発明の真空処理方法により、前記基板と前記放電電極との温度差が少ないために、前期基板へ出入りする熱量が少なくなり、光電変換装置（例えば太陽電池）の製造プロセスにおける基板温度の変動が少なくなり、製膜条件を選定するに当たってのプロセスウインドウを広く、しかも確実な範囲で選定することができる。このため製膜条件の制限が緩和されて性能の安定性が向上する。より好ましくは、前記基板と放電電極の温度差を２０℃程度へ低減するとロバスト性をより向上させることができる。
【０００８】
上記本発明の真空処理方法において、前記基板と前記放電電極との間を４．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下として製膜を行なうことが好ましい。
【０００９】
これにより、前記基板と前記放電電極との間の熱伝達率が向上するので、基板と放電電極との温度差が広がらず、高速製膜時に基板温度が２００℃以下の比較的低温でも、光劣化と相関のあるＳｉＨ２／ＳｉＨ比を低く抑えることが可能となり、製膜品質が向上する。
【００１０】
本発明の真空処理装置は、減圧環境とされる製膜室を形成するチャンバと、該チャンバ内に設置された基板を加熱する加熱手段と、前記基板に対して対向するように配置された放電電極とを備え、該放電電極に対して給電することにより前記基板へ製膜が施される真空処理装置において、前記放電電極の温度を調節する熱媒流路を備え、製膜圧力を１５０Ｐａ以上５００Ｐａ以下としたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の真空処理装置によれば、放電電極における製膜時のプラズマ発生により放電電極の温度が上昇しやすい雰囲気において、放電電極温度を調節することが可能となり、基板と放電電極の温度差を製膜に適した状態で、製膜圧力をプラズマが安定する条件を選定することができる。例えば、基板と放電電極の温度差を３０℃以下とした状態で製膜制御する制御装置を設け、該制御装置により真空処理制御を行なうことにより、前記基板と前記放電電極との間を４．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下の条件では、製膜圧力を１５０Ｐａ以上５００Ｐａ以下として、光電変換装置の製造プロセスにとって温度の変動による影響が少なくプラズマが安定した状態となり、製膜条件の制限が緩和されて性能の安定性が向上する。また、製膜圧力を高めに設定することで製膜速度が向上するので、更に好ましい。
【００１２】
上記本発明の真空処理装置において、前記放電電極の内部に前記熱媒流路が設けられていてもよい。
【００１３】
前記放電電極は、製膜される基板面に略平行に延在し、互いに略平行な複数の電極であって、各放電電極の前記基板面と対向する面には、放電電極の延在方向に沿って溝が形成されていてもよい。すなわち、各放電電極の延在方向に垂直な断面の形状としては、基板面と平行な基端部と、基端部の両端からそれぞれ基板に向かって配設された側部とからなる、基板面側に開放したコ字状とし、前記基端部内部には、原料ガス流路を設けて、コ字状の基端部に設けた多くの小孔から略均一に吹出した原料ガスが基板へ到達するまでの距離を長くして、原料ガスの均一なガス供給をすることができる。前記熱媒流路は、各放電電極の前記両側部の内部に設けることができる。すなわち、放電電極が熱媒流路を保持するホルダとなり、放電電極と熱媒との熱伝導率が高くなるので、放電電極の温度制御に優れる。また、断面コ字状の放電電極端部の開放部分に、原料ガスの流量分布を均一にするために、基板側の原料吹出し部分に多孔板を設けてもよい。
【００１４】
上記本発明の真空処理装置において、前記放電電極と前記基板との距離が４．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下となるように前記放電電極が配置することが好ましい。
【００１５】
これにより、基板と放電電極の間の熱伝達率が向上して温度差が広がらず、製膜速度を上げても比較的低い基板温度でも劣化率が抑制され、製膜品質が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、比較的低温でも膜質が安定するため、製膜速度を増加させつつ光電変換装置の膜の光劣化率を低減させることができ、高い生産性を得ることができる。さらに製膜温度を必要以上に高くしないので、開放電圧向上による光電変換装置性能の向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、高速製膜を行うことが可能な薄膜製造装置（真空処理装置）の一実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る薄膜製造装置に使用される放電電極を示した図であり、図２は、同薄膜製造装置の構成を示す概略図であり、薄膜製造装置１の側面から見た図である。図３は同薄膜製造装置の構成の一部を示す部分斜視図である。
図２に示したように、薄膜製造装置１は、製膜室（チャンバ）６、対向電極２、均熱板５、均熱板保持機構１１、放電電極３、防着板４、支持部７、高周波給電伝送路１２、整合器１３、高真空排気部３１、低真空排気部３５、台３７、及び、装置全体を制御する制御装置１００を具備する。なお、本図において、ガス供給に関する構成は省略している。薄膜製造装置１は、例えば単層アモルファスシリコン太陽電池等の太陽電池を製造する装置である。
【００１８】
製膜室６は、真空容器であり、その内部で基板８にアモルファスシリコンｉ層など製膜する。製膜室６は、台３７上でｚ方向（鉛直方向）に対してθ＝７°〜１２°傾けて保持されている。このため、対向電極２の基板８の製膜処理面が、ｚ方向に対して７°〜１２°上に向く。基板８を垂直から僅かに傾けることは、装置の設置スペースの増加を抑えながら基板８の自重を利用して少ない手間で基板８を保持し、更に基板８と対向電極２の密着性を向上して基板８の温度分布と電位分布を均一化することが出来て好ましい。
【００１９】
対向電極２は、基板８を保持可能な保持手段（図示されず）を有する非磁性材料の導電性の板である。セルフクリーニングを行う場合は耐フッ素ラジカル性からニッケル合金やアルミやアルミ合金の使用が望ましい。対向電極２は、放電電極３に対向する電極（例示：接地側）となる。対向電極２は、一方の面を均熱板５の表面に密接し、製膜時に他方の面を基板８の表面と密接する。均熱板（加熱手段）５は、内部に温度制御された熱媒体を循環したり、または温度制御されたヒーターを組み込むことで、自身の温度を制御して、全体が概ね均一な温度を有し、接触している対向電極２の温度を均一化する機能を有する。
【００２０】
熱媒体は、非導電性媒体であり、水素やヘリウムなどの高熱伝導性ガス、フッ素系不活性液体、不活性オイル、及び純水等が使用でき、中でも１５０℃〜２５０℃の範囲でも圧力が上がらずに制御が容易であることから、フッ素系不活性液体（例えば商品名：ガルデン、Ｆ０５など）の使用が好適である。
均熱板保持機構１１は、均熱板５及び対向電極２を製膜室６の側面（図２の右側）に対して略平行となるように保持する。製膜時は、均熱板５、対向電極２及び基板８を、放電電極３へ近づける。それにより、基板８と放電電極３との距離ｄを後述のように約７．５ｍｍ以下とする。
【００２１】
放電電極３は、各棒状の縦電極を略平行に組み合わせて構成され、更に複数の電極単位に分割構成しても良い。放電電極３を分割構成する場合は、好ましくは給電点の数に合わせて分割形成する。高周波給電伝送路１２ａ、１２ｂを接続する給電点５３、５４とから、それぞれ高周波電力を供給して、放電電極３と対向電極２との間に原料ガスのプラズマを発生させ基板８に膜を製膜する。防着板４は、接地され、プラズマの広がる範囲を抑えて、膜が製膜される範囲を制限する。支持部７は、放電電極３を防着板４と製膜室６の側面（図２の左側）に対して略平行となるように絶縁的に保持する。
【００２２】
整合器１３（１３ａ、１３ｂ）は、出力側のインピーダンスを整合し、図示されない高周波電源から高周波給電伝送路１４（１４ａ、１４ｂ）を介して高周波給電伝送路１２を介して高周波電力を放電電極３へ送電する。
【００２３】
図３は、同薄膜製造装置１の構成の一部を示す部分斜視図である。図中に矢印でＸＹＺ方向を示す。放電電極３は、本実施の形態では、例えば、８個の放電電極３ａ〜３ｈを備える。
放電電極３ａ〜３ｈの各々は、給電点５３と給電点５４の近傍に接続された原料ガス配管１６ａと１６ｂから原料ガスを供給され、この原料ガスを、図中の矢印に示す方向（対向電極側）へ略均一に放出する。
ただし、放電電極３ａ〜３ｈへの電力供給を、８個を超えるまたは８個未満の整合器１３ａ、１３ｂ及び高周波給電伝送路１４ａ、１４ｂとの組みで行うことも可能である。また各々個別の高周波電源部６０から電力を供給しても良い。これらの場合、その組の数に対応するように、放電電極３ａ〜３ｈを加減した組み分けが好ましい。
【００２４】
図１に放電電極３の拡大図を示した。複数の放電電極３は、製膜される基板８面に略平行（すなわち、紙面奥行き方向）に延在し、互いに略平行に配置されている。各放電電極３の前記基板８面と対向する面には、放電電極の延在方向に沿って溝が形成されている。すなわち、各放電電極８の延在方向に垂直な断面の形状は、基板面と平行な基端部と、基端部の両端からそれぞれ基板８に向かって配設された側部２２ａ、２２ｂとからなる、基板８面側に開放したコ字状となっている。前記基端部の内部には、上記原料ガスが流動するガス流路２１ａが配設され、両側部２２ａ，２２ｂの内部には、それぞれ前記熱媒流路２３が設けられている。熱媒流路２３には、不図示の熱媒供給手段により熱媒体が供給され、制御装置１００によって流量が制御されることで温度管理が行なわれる。熱媒体は上述の均熱板５におけるものと同種のものを使用可能である。
【００２５】
放電電極３の両側部２２ａ，２２ｂの基板面側の端部と基板８との距離は、３ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは４．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下となるように配置する。従来においては放電電極と基板との距離が約２０〜４０ｍｍ程度であったが、本実施形態においては放電電極３の両側部２２ａ，２２ｂの基板面側の端部と基板８との距離（ギャップ）ｄが狭い狭ギャップ状態となる。
【００２６】
このように構成された薄膜製造装置を用いた製膜製造方法（真空処理方法）について説明する。
減圧環境とされる製膜室６内に設置された基板８を均熱板５によって加熱した状態とし、高周波給電伝送路１２ａ、１２ｂを接続する給電点５３、５４とから、それぞれ高周波電力を供給して、放電電極３と対向電極２との間に原料ガスのプラズマを発生させ基板８に膜を製膜する。
【００２７】
この際に、熱媒流路２３を流動する熱媒流量を制御装置１００によって制御し、放電電極３の温度と基板の温度との差が３０℃以下、好ましくは２０℃程度となるように調整する。また、このときの製膜室６の圧力は１５０Ｐａ以上５００Ｐａ以下とすることが好ましい。
【００２８】
従来の薄膜製造装置においては熱媒による温度制御は行なわれておらず、図４に示したように膜の劣化率と温度依存性が強かった。このため製膜速度を増加させるために基板８の温度を上げると、温度変動が大きくなり、得られる膜質の安定性が悪化していた。
本実施形態のように、基板８と放電電極３との温度差を３０℃以下とすると、図６に示したように基板温度依存性が表れにくい。その結果、プロセスウインドウが広くなり製膜条件を適正化する条件選定が容易になり膜質が向上する。すなわち、従来技術においては基板８の温度を高く維持するようにすると基板８に出入りする熱量が多いために温度変動により膜質が低下したが、本実施形態ではロバスト性が向上し、生産装置としての安定性が向上する。また、基板８と放電電極３との温度差が約２０℃であれば、ロバスト性がより向上する。
膜質が向上する一つの要因としては、放電電極温度を制御していることにより基板と放電電極の温度差が小さくなり、ナノクラスターの熱泳動の挙動が変わり、膜中への取り込み量が減少したことが考えられる。したがって、基板８と放電電極３とが略同一温度に近づき温度差が少ない状態において、膜質の向上が達成される。
【００２９】
放電電極３と基板８との距離は、４．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下であることにより、基板８と放電電極３との熱伝達率が向上して温度差が広がらず、高速製膜時でも基板温度が２００℃以下の比較的低温でも、図５に示したように、光劣化と相関のあるＳｉＨ２／ＳｉＨ比を低く抑え、光劣化を抑制することが可能となる。これは、ギャップを狭くすることにより基板８表面付近のガス置換率を向上して、放電領域でのクラスター量が低下し膜中へ取り込まれるためであると考えられる。図７のように製膜速度の向上とともにＳｉＨ２／ＳｉＨ比が高くなるという従来の傾向が緩和されて、ギャップ距離が短くなるほどＳｉＨ２／ＳｉＨ比が低減し、４．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲、特に７．５ｍｍ以下で良好な結果を得られることがわかる。また３ｍｍ以下では基板や放電電極のわずかな変形が製膜膜特性へ影響するので実用的でない。したがって、性能を下げずに高速製膜が可能となる。また、製膜圧力を１５０Ｐａ以上５００Ｐａ以下と高圧にするため、製膜速度が高くなるとともに基板８へのイオン衝撃を抑制することができ、これによっても高速製膜時の光劣化を抑制することができる。狭ギャップ状態での製膜のため、製膜圧力は１５０Ｐａより小さいとプラズマ分布が悪化し、５００Ｐａより高いとプラズマが局在化しやすくなるので好ましくない。
【００３０】
またアモルファスシリコン太陽電池ｉ層を主として基板温度を低くすることができるため、ｉ層のバンドギャップを適正に保持することが出来るので、開放電圧を向上させることができ、製造された太陽電池の性能を向上させることができる。
【００３１】
以上のように、本実施形態の薄膜製造装置及び薄膜製造方法によれば、基板温度が略２００℃の比較的低温でも膜質が安定するため、製膜速度を増加させることができ、さらに太陽電池の光劣化率を低減させることができる。さらにｉ層を高温製膜としないことで開放電圧向上による太陽電池性能の向上が可能となる。
【００３２】
なお、上記実施形態においては、太陽電池として、単層アモルファスシリコン太陽電池を用いたものについて説明したが、本発明は、この例に限定されるものではない。例えば、太陽電池として微結晶シリコン太陽電池や、アモルファスシリコン太陽電池と微結晶シリコン太陽電池とを各１〜複数層に積層させた多接合型太陽電池のような他の種類の薄膜太陽電池にも同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態に係る薄膜製造装置に使用される放電電極を示した拡大図である。
【図２】本発明に係る薄膜製造装置の構成を示す概略図であり、薄膜製造装置の側面から見た図である。
【図３】同薄膜製造装置の構成の一部を示す部分斜視図である。
【図４】膜の劣化率と温度依存性とを示した図である。
【図５】基板と放電電極との温度差を３０℃以下とし、基板温度２００℃以下の低温製膜において膜質が確保でき、膜の劣化率が温度依存性を有さないことを示した図である。
【図６】基板と放電電極との温度差とＳｉＨ２／ＳｉＨ比との関係を示した図である。
【図７】種々の条件におけるギャップ距離とＳｉＨ２／ＳｉＨ比との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  薄膜製造装置
２  対向電極
３  放電電極
３ａ  放電電極
５  均熱板（加熱手段）
８  基板
２２ａ，２２ｂ  側部
２３  熱媒流路
１００  制御装置
【図１】
2008210826.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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