(57)【要約】【課題】基板の加熱温度の均一化および加熱時間の短縮化を図り、もって透明電極の抵抗率の低減と膜質の向上並びに生産性の向上を図った透明電極薄膜の形成方法と装置を提供する。【解決手段】スパッタまたは蒸着による透明電極薄膜形成装置において、真空容器ａ２内に、基板ａ１に対面して、スパッタターゲットまたは蒸着源等の粒子の発生源ａ３を有し、かつ基板を挟んでその製膜面側および非製膜面側の両側に基板の加熱手段としてのヒーター（ｈ２およびｈ１）を備えるものとし、基板の製膜面側および非製膜面側の両側から基板を所定温度に加熱して製膜する。【選択図】        図１
2004247685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜半導体デバイスの基板上に、減圧下において、スパッタ法または蒸着法により透明電極薄膜を形成する方法において、前記基板の製膜面側および非製膜面側の両側から基板を所定温度に加熱して製膜することを特徴とする透明電極薄膜形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜形成方法において、前記基板の所定温度は、１５０〜２００℃とすることを特徴とする透明電極薄膜形成方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の薄膜形成方法において、前記薄膜形成時の圧力は、２Ｐａ以下とすることを特徴とする透明電極薄膜形成方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の薄膜形成方法において、前記基板は、樹脂フィルム基板やステンレススティールフィルム基板等の可とう性基板とすることを特徴とする透明電極薄膜形成方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の薄膜形成方法において、前記透明電極薄膜は、薄膜太陽電池用の透明電極薄膜とすることを特徴とする透明電極薄膜形成方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の透明電極薄膜形成方法を実施するためのスパッタまたは蒸着による薄膜形成装置であって、真空容器内に、基板に対面して、スパッタターゲットまたは蒸着源を有し、かつ基板を挟んでその製膜面側および非製膜面側の両側に基板の加熱手段を備えることを特徴とする透明電極薄膜形成装置。
【請求項７】
請求項６に記載の透明電極薄膜形成装置において、前記製膜面側の加熱手段は、基板の製膜面に対向して複数個の開口を有する棒状，網目状もしくは平板状のヒーターとすることを特徴とする透明電極薄膜形成装置。
【請求項８】
請求項７に記載のスパッタによる透明電極薄膜形成装置において、前記製膜面側の加熱手段としてのヒーターの外殻部材は金属とし、前記ヒーターはアノード電極を兼ねる構成とすることを特徴とする透明電極薄膜形成装置。
【請求項９】
請求項８に記載のスパッタによる透明電極薄膜形成装置において、前記アノード電極を兼ねる構成のヒーターは、基板の製膜面と平行に可動させる可動装置を備えることを特徴とする透明電極薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、透明電極薄膜形成方法および装置、特に、フィルム基板にアモルファスシリコン，多結晶シリコン，微結晶シリコン等の薄膜太陽電池や薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の薄膜半導体デバイスを形成する場合に、その基板上に、減圧下において、スパッタ法または蒸着法により透明電極薄膜を形成する透明電極薄膜形成方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、透明導電膜の作製方法には物理的作製法としてスパツタ法や蒸着法等があり、化学的作製法としてはスプレー法やディツプ法、ＣＶＤ法等が挙げられ、各研究機関等で種々の用途に適した膜を、種々の手法で透明電極の作製が試みられている。蒸着法としては、通常の真空蒸着（電子ビーム加熱、抵抗加熱）、イオンプレーティングなどがある。
【０００３】
上記各種方法において、真空装置内で、４０Ｐａ以下（スパッタ法または蒸着法等では２Ｐａ以下）の減圧下で透明電極を作製するような場合、装置内の熱伝導の悪さから目的の温度までの上昇、また装置内温度分布が均一になるまでに時間を要する。ここでは、そのような中で薄膜太陽電池に透明導電膜を形成する従来例について述べる（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００４】
アモルファスシリコン（ａ‐Ｓｉ）や微結晶シリコンからなる薄膜非単結晶シリコンを用いた太陽電池は、薄膜、低温プロセス、大面積化が容易という特徴を持ち、低コスト太陽電池の本命として開発が進められている。この種の太陽電池はガラスやＰＥＴ等の透光性基板あるいはステンレスホイルやポリイミド等の非透光性基板を用い、光入射側から透明電極、非単結晶光電変換層、金属電極を順次積層した構造となっている。
【０００５】
具体的なプロセス手順の一例としては、基板上に金属電極を形成した後、プラズマＣＶＤ装置により非単結晶からなる薄膜のｐｉｎ型光電変換素子を堆積した後、透明電極としてＩＴＯをマグネトロンスパッタ法により製膜する。なお、マグネトロンスパッタ法としては、ＤＣマグネトロンスパッタ法またはＲＦマグネトロンスパッタ法があり、いずれでもよい。また、透明電極としては、ＩＴＯだけでなく、ＳｎＯ２やＺｎＯ等、光電変換素子が吸収を生じる波長領域の波長を比較的透過し、かつ比較的低抵抗という特徴を有する薄膜であれば適用できる。
【０００６】
ＩＴＯを製膜するスパッタ装置は、真空装置内に主に基板を加熱するヒーターと、ヒーターと対向して平行に設置してあるＩＴＯターゲットから成る。ターゲットと基板間の距離は、３〜１０ｃｍ程度が一般的である。この製造装置内に、既に第一電極、ｐｉｎ型光電変換層を製膜した基板を、非製膜面側をヒーターに接触させた状態で設置し、真空引きを行った後、放電ガスとしてＡｒ＋Ｏ２ガス（Ｏ２濃度１〜５％）を導入し、装置内圧力を１〜２０Ｐａ程度に保持する。この時、ビーター温度は１００〜２００℃とする。
【０００７】
ヒーターによる基板の加熱は、生産性を考慮して１〜５分程度の比較的短時間の加熱とする。この時、基板にプラスチック基板やステンレス基板等の可とう性基板を適用した場合、基板の皺や反り等で実際の基板温度に分布が出る。例えば、ヒーター温度が２００℃の場合、基板温度はおよそ１２０℃土２０℃程度の分布が出る。これは、大面積基板になる程その影響が大きくなる。
【０００８】
その後、ターゲット〜基板間に直流、もしくは高周波電力を印加し、放電させることによってスパッタを行う。スパッタの際、マグネツトは固定式を採用しても製膜は行えるが、ターゲット寿命の長期化、また面内膜厚均一性の向上のためにマグネットを可動式にする方が好ましい。また、ＤＣ放電の場合、放電の持続性を向上させるために、基板とターゲットの間にアノード電極一個、もしくは複数個を挿入しても良い。アノード電極を固定すると、固定されたアノード電極とターゲット間で放電が集中してしまい、ターゲットの短寿命化をもたらす。また、ステッピングロール装置等の基板を固定した製膜を行う際、薄膜の不均一性が問題となる。上記のような方法を用いて得られるＩＴＯ膜は、アモルファスもしくは結晶率の比較的低い微結晶状態であり、透明電極としての重要な機能の一つである抵抗率は結晶化したＩＴＯ膜に劣る。
【０００９】
前記薄膜の不均一性の問題を解決するために、例えば、前記特許文献１に開示される発明のように、アノード電極を可動させる可動部を設ける。アノード電極は、ターゲットから１〜２ｃｍの距離に設置する。
【００１０】
また、ＩＴＯは光電変換層の直上に製膜することから、特許文献２に開示されたようなステッピングロール装置のように、光電変換層の製膜を行う装置と同真空装置内でスパッタを行うことが好ましい。光電変換層を製膜するプラズマＣＶＤ装置と、ＩＴＯを製膜するスパッタ装置が異なる装置の場合には、光電変換層を製膜後、一度エアーブレイクする必要があり、その際にパーティクルが薄膜表面に付着し、リークの原因となる他、生産性の低下に繋がる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−２６８３６９号公報（第３−５頁、図１，２）
【特許文献２】
特開平６−２９１３４９号公報（第４−６頁、図１，図５−１７）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、生産性を考慮して、基板および製膜装置内の所要部分等の加熱時間が十分に取れない場合、基板等の温度を十分に上昇させることができなくなり、透明電極の膜質の劣化等が生ずる。
【００１３】
また、ｎｉｐ型光電変換層上にＩＴＯ薄膜を形成する際、基板加熱用ヒーターのみで基板の加熱を行う場合であって、特に、基板がフィルム基板やステンレス基板等の場合、フィルムの皺や反り等でヒーターによる加熱が均一に行われず、その結果膜質等の均一性が損なわれて分布が生じ、抵抗率が増大して太陽電池の特性が低下する問題がある。
【００１４】
さらに、ヒーターによる加熱時間を長くすると、生産性を低下させてしまう。また、ヒーターの温度を上げすぎると、光電変換素子部分の温度が高くなり、例えばｎｉｐ型光電変換層中のｐ層にドーピングされたボロンがｉ層中に拡散してしまい、光電変換素子の性能が大きく低下してしまう問題がある。
【００１５】
上記のような加熱に関わる問題は、特に、スパッタリングや蒸着のように製膜時の圧力が２Ｐａ以下と低い場合に、ガスの熱伝導によって均熱性を保つことが困難なために、より大きな問題となる。
【００１６】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、本発明の課題は、基板の加熱温度の均一化および加熱時間の短縮化を図り、もって透明電極の抵抗率の低減と膜質の向上並びに生産性の向上を図った透明電極薄膜の形成方法と装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明においては、薄膜半導体デバイスの基板上に、減圧下において、スパッタ法または蒸着法により透明電極薄膜を形成する方法において、前記基板の製膜面側および非製膜面側の両側から基板を所定温度に加熱して製膜する（請求項１の発明）。これにより、基板の加熱温度の均一化および加熱時間の短縮化を図ることができる。
【００１８】
また、前記発明の実施態様としては、下記請求項２ないし５の発明が好ましい。即ち、請求項１に記載の薄膜形成方法において、前記基板の所定温度は、１５０〜２００℃とする。基板の温度は、サブストレート型太陽電池の場合、下地のデバイスの熱劣化を防ぐために２００〜２５０℃以下に設定する必要がある。また、基板にプラスチックフィルムを用いる場合には、サブストレート型、スーパーストレート型に関係なく耐熱温度の関係で３００℃以下とする必要があり、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ），ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ），ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）等のフィルムを用いる場合には、１５０〜２００℃とする必要がある。この発明は、基板温度の上限が２００℃程度に設定されるような微細な制御が必要な場合に、特に有効である。
【００１９】
また、請求項１または２に記載の薄膜形成方法において、前記薄膜形成時の圧力は、２Ｐａ以下とする（請求項３の発明）。この発明は、前述のように、ガスの熱伝導によって均熱性を保つことが困難な２Ｐａ以下の場合に有効である。
【００２０】
さらに、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の薄膜形成方法において、前記基板は、樹脂フィルム基板やステンレススティールフィルム基板等の可とう性基板とする（請求項４の発明）。さらにまた、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の薄膜形成方法において、前記透明電極薄膜は、薄膜太陽電池用の透明電極薄膜とする（請求項５の発明）。
【００２１】
また、上記発明の方法を実施するための装置としては、下記請求項６の発明が好ましい。即ち、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の透明電極薄膜形成方法を実施するためのスパッタまたは蒸着による薄膜形成装置であって、真空容器内に、基板に対面して、スパッタターゲットまたは蒸着源を有し、かつ基板を挟んでその製膜面側および非製膜面側の両側に基板の加熱手段を備えるものとする。
【００２２】
前記請求項６の発明の実施態様としては、下記請求項７ないし９の発明が好ましい。即ち、請求項６に記載の透明電極薄膜形成装置において、前記製膜面側の加熱手段は、基板の製膜面に対向して複数個の開口を有する棒状，網目状もしくは平板状のヒーターとする（請求項７の発明）。複数個の開口は、スパッタターゲットまたは蒸着源と基板との間を閉塞しないようにするための開口である。
【００２３】
また、請求項７に記載のスパッタによる透明電極薄膜形成装置において、前記製膜面側の加熱手段としてのヒーターの外殻部材は金属とし、前記ヒーターはアノード電極を兼ねる構成とする（請求項８の発明）。これにより、ヒーターにアノード電極としての機能を付与できる。
【００２４】
さらに、請求項８に記載のスパッタによる透明電極薄膜形成装置において、前記アノード電極を兼ねる構成のヒーターは、基板の製膜面と平行に可動させる可動装置を備えるものとする（請求項９の発明）。面内膜厚均一性の向上のために、ヒーターを可動式にする方が好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。
【００２６】
図１は、本発明の実施の形態に関わる基本的な透明電極薄膜形成装置の模式的概略構成図を示す。図１に示すように、真空容器ａ２内に基板ａ１を挟んで非製膜面側のヒーターｈ１と製膜面側ヒーターｈ２を一個、または複数個配置する。また、スパッタターゲツトや蒸発源等の透明電極を形成する粒子の発生源ａ３を、製膜面側ヒーターｈ２の反基板側に設け、粒子の基板ａ１への流れを塞がないように、製膜面側ヒーターｈ２の形状は、例えば、複数個の開口を有する棒状、網目状、平板状、あるいはリング状にする。また、スパッタ法を用いて製膜を行う場合には、製膜面側ヒーターｈ２の外部材質を金属として、アノード電極を兼用する。また、製膜面側ヒーターｈ２には、基板ａ１と平行方向に可動させる図示しない駆動装置を取り付ける。
【００２７】
図２は、本発明に関わる装置のうち、スパッタ法を用いて透明電極膜を形成する装置の実施の形態の模式的概略構成図を示す。図中、真空容器ａ２内にヒーターｈ１、スパッタターゲツトａ３１、マグネットａ４が設置してあり、ヒーターｈ１上に基板ａ１が設置してある。スパッタターゲツトａ３１には、ＤＣ電源が接続され、スパッタターゲツトとしてはＩＴＯを用い、基板ａ１には可とう性基板のポリイミド基板を適用した。
【００２８】
また、基板ａ１とスパッタターゲツトａ３１との間には、リング状の棒状ヒーターｈ２１が取り付けてある。リング状の棒状ヒーターｈ２１は、マグネットａ４の外周の寸法とほぼ同寸法のヒーターとした。図２の実施例では、棒状ヒーターｈ２１を一つ設けた例を示すが、例えば、図３に示すように、ヒーターを複数個上下２段に配置し、加熱効果を高めることも出来る。
【００２９】
棒状ヒーターｈ２１は外部材質が金属であるヒーターを用い、電位的に接地電位となるような電気的接続を施した。この場合、棒状ヒーターｈ２１には、アノード電極としての役割も付与するが、棒状ヒーターｈ２１の材質は、絶縁物でも加熱機能を有していれば良い。また、基板１ａとスパッタターゲツトａ３１との距離は、５ｃｍで、スパッタターゲツトａ３１と棒状ヒーターｈ２１との距離は１ｃｍとした。棒状ヒーターｈ２１は、加熱効果を向上させるために基板ａ１側に近づけても良い。この場合、棒状ヒーターｈ２１のアノード電極としての効果は小さくなる。
【００３０】
マグネットａ４および棒状ヒーターｈ２１は、ターゲットの利用効率向上と薄膜の面内均一性向上のため、基板と平行に稼動する可動式を用いた。棒状ヒーターｈ２１およびマグネットａ４は、製膜室外の図示しないモーターによって駆動される駆動軸によって往復運動する移動台に固定されている。また、棒状ヒーターｈ２１は、移動台を介して外部ヒーター電源まで接続されており、電源を調整することにより温度を制御できる。
【００３１】
図１に示す製膜面側ヒーターｈ２は、図２に示した棒状の他に、平板状や網目状等でも良いが、透明電極を形成する粒子を発生させる機能を有する粒子の発生源ａ３と基板ａ１との間を塞がないように、開口を有する必要がある。図４に、網目状ヒーターｈ３を用いた場合の一例を示す。図４では、網目状ヒーターｈ３を、基板ａ１〜網目状ヒーターｈ３間距離より基板ａ１〜粒子の発生源ａ３間距離が小さくなるように設置したが、加熱効果を向上させるために網目状ヒーターｈ３を基板ａ１に近づけても良い。この場合、網目状ヒーターｈ３のアノード電極としての効果は小さくなる。
【００３２】
【実施例】
次に、図２の実施の形態のスパッタ装置により製膜した場合の実施例について、以下に述べる。図２におけるヒーターｈ１と棒状ヒーターｈ２１とは、それぞれ独立に温度制御機構を有しており、それぞれ独立に温度を設定できる。このような設備を有する透明電極スパッタ室を、前記特許文献２に開示されたような、光電変換層を形成するプラズマＣＶＤ室と連結させたステッピングロール方式の装置であって、各層の製膜を行い、かつ真空を保ったまま製膜面を搬送できる装置を用いて製膜を行った。
【００３３】
実施例に用いた装置は、４０ｃｍ×８０ｃｍの比較的大面積の光電変換素子を一度で作製できる機能を有する。このような装置を用いて、サブストレート型光電変換素子を作製した。ポリイミド基板上に既に金属電極の製膜を終了した基板をステッピングロール方式の装置に入れ、真空引き後、搬送を行いながら光電変換層の各層をプラズマＣＶＤ法を用いて製膜を行った後、透明電極スパッタ室まで搬送した。透明電極を製膜する直前までで、基板１ａ上には既に金属電極、ｐｉｎ型光電変換層が製膜してある。光電変換層としては、ａ‐Ｓｉシングルセルとａ‐ＳｉＧｅシングルセルとを直列に接続したａ‐Ｓｉ／ａ‐ＳｉＧｅタンデムセルを作製した。
【００３４】
透明電極の製膜条件としては、ヒーターｈ１を２００℃、棒状ヒーターｈ２１を非加熱および３００℃の２通りの条件で製膜を行った。事前に、棒状ヒーターｈ２１の各温度条件において熱電対を用いた基板温度の測定を行ったところ、非加熱の場合、４０ｃｍ×８０ｃｍの面内において１２０℃±２０℃程度の温度分布が存在していたのに対し、３００℃（基板と平行に棒状ヒーターｈ２１を可動させた状態）では、１７０℃土５℃となり、基板温度の高温化と温度の均一性向上が図られていることが分かった。
【００３５】
スパッタ室まで搬送後、スパッタ室内を外部と隔離して真空引きを行った後、ＡｒとＯ２の混合ガスをスパッタ室内に入れ、２Ｐａに保持した。この作業中からマグネットａ４、棒状ヒーターｈ２１を基板ａ１と平行方向に可動させ始めた。Ｏ２の流量は、各条件でＩＴＯの膜中酸素濃度が約１．２％程度になるような流量を用いた。その後、圧力安定と基板加熱のため、約１分その状態を保持した後、ＤＣ電源からＤＣを５００Ｗ印加した。事前に調べてある製膜レートから、透明電極の膜厚が約８０ｎｍ程度になるようにスパッタ時間を調節した。
【００３６】
製膜終了後、完成した光電変換素子を真空容器から取り出し、モジュール化工程を経て太陽電池の作製を終了した。今回は、製膜条件の全く同じセルを各２サンプル以上作製し、そのうち１サンプルはモジュール化工程を行わず、透明電極のシート抵抗評価用サンプルとした。
【００３７】
各条件で作製した太陽電池の特性を調べるため、モジュール化した太陽電池を用いて白色光下（１００ｍＷ／ｃｍ２）でのＩＶ特性を測定した。測定の際、面積を正確にするため、既知の面積を有するマスクを太陽電池上に覆った状態で測定した。また、測定したデータは温度補正で２５℃相当の値に補正した。測定した結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
2004247685.tif 000003
表１には、開放電圧，短絡電流密度，曲線因子，変換効率および直列抵抗の測定値に関し、棒状ヒーターｈ２１の非加熱および加熱温度３００℃について、それぞれ示す。表１の結果から明らかなように、棒状ヒーターｈ２１の温度を３００℃に設定した場合、太陽電池の直列抵抗成分が低減し、太陽電池の特性が向上していることが分かる。
【００３９】
また、シート抵抗について、モジュール化工程を行わなかったセルに関し、四端子法を用いて測定を行った。各条件で作製した太陽電池の透明電極のシート抵抗の測定結果を表２に示す。
【００４０】
【表２】
2004247685.tif 000004
表２の結果から明らかなように、棒状ヒーターｈ２１の温度を３００℃に設定した場合、太陽電池の透明電極シート抵抗は、非加熱に設定した太陽電池のシート抵抗に比べ低下していることが分かる。
【００４１】
【発明の効果】
前述のように、この発明によれば、スパッタまたは蒸着による透明電極薄膜形成装置において、真空容器内に、基板に対面して、スパッタターゲットまたは蒸着源を有し、かつ基板を挟んでその製膜面側および非製膜面側の両側に基板の加熱手段を備えるものとし、基板の製膜面側および非製膜面側の両側から基板を所定温度に加熱して製膜することとしたので、
基板の加熱温度の均一化および加熱時間の短縮化を図り、もって透明電極の抵抗率の低減と膜質の向上並びに生産性の向上を図ることができる。特に、薄膜太陽電池に適用した場合、太陽電池の直列抵抗成分が低減し、太陽電池の特性が向上する効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の基本的な透明電極薄膜形成装置の実施の形態の模式的概略構成図
【図２】図１の装置をスパッタ装置に適用した場合の実施の形態の模式的概略構成図
【図３】図２とは異なるスパッタ装置の実施の形態の模式的概略構成図
【図４】図１とは異なる透明電極薄膜形成装置の実施の形態の模式的概略構成図
【符号の説明】
ａ１：基板、ａ２：真空容器、ａ３：粒子の発生源、ａ４：マグネット、ａ３１：スパッタターゲット、ｈ１：非製膜面側ヒーター、ｈ２：製膜面側ヒーター、ｈ３：網目状ヒーター、ｈ２１：棒状ヒーター。
【図１】
2004247685.tif 000005
【図２】
2004247685.tif 000006
【図３】
2004247685.tif 000007
【図４】
2004247685.tif 000008