(57)【要約】【課題】フィルム基板およびその上に形成された膜に皺等のダメージを発生させることのない薄膜形成装置を提供する。【解決手段】回転駆動する送りロール４  から巻き取りロール５  に渡って連続して搬送される可撓性基板１０が、送り側ターンロールを介し鉛直上方に方向転換され、送り側ターンロール１８の上方に設置されたセンターロール１９を介して鉛直下方に向けて方向転換され、次いで巻き取り側ターンロール３０を介し巻き取り側に方向転換されるように搬送され、可撓性基板がセンターロールと送り側ターンローおよび巻き取り側ターンロール間で鉛直面内に保持されている時に、可撓性基板を内部に収める成膜室内で所定の薄膜形成が行われる薄膜形成装置において、前記送りロール４および巻き取りロール５が、前記可撓性基板に与える張力を制御しているようにする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動する送りロールから巻き取りロールに渡って連続して搬送される可撓性基板が、送り側ターンロールを介し鉛直上方に方向転換され、送り側ターンロールの上方に設置されたセンターロールを介して鉛直下方に向けて方向転換され、次いで巻き取り側ターンロールを介し巻き取りロール側に方向転換されるように搬送され、可撓性基板がセンターロールと送り側ターンロールおよび巻き取り側ターンロール間で鉛直面内に保持されている時に、可撓性基板を内部に収める成膜室内で所定の薄膜形成が行われる薄膜形成装置において、前記送りロールおよび巻き取りロールが、前記可撓性基板に与える張力を制御していることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記送りロールおよび巻き取りロールの張力の制御は、前記巻き取りロールの直前に設置された張力検出器の検出張力と所定張力との差を巻き取りモータトルク制御装置および送りモータトルク制御装置がそれぞれ演算し、巻き取りモータおよび送りモータを制御することによってなされることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記センターロールに加熱機構もしくは冷却機構が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記センターロールは搬送速度に同期して自動回転することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
前記各成膜室の外壁には、閉時には大気と成膜室内部を遮断し、開時には大気と成膜室内部とが同一となる開閉扉が取り付けられており、開閉扉には放電電極が取り付けられ、鉛直面内で対向する前記可撓性基板の間に加熱ヒータが設置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の薄膜形成装置。
【請求項６】
巻き取りロールから送りロールへ可撓性基板が逆転搬送できることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜太陽電池製造などのために、可撓性基板上に光電変換層や電極層等を形成する薄膜形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可撓性基板として、例えば厚さ１０μｍから１００μｍの高分子材料フィルムを用い、非結晶シリコン薄膜などから形成された光電変換層を用いた薄膜太陽電池は、高い量産性が得られることから、低コスト太陽電池として期待されている。この種の太陽電池は通常、高い変換効率を得るために反射率の高いＡｇやＡｌの層が電極層として基板上に形成される。
さらなる高効率化技術として、テクスチャー化、すなわち電極層表面に高さ０．０５〜０．５μｍ程度の凸凹を形成し、光を太陽電池内部で散乱させることが考案されている。このテクスチャー化の方法としては、Ａｇを約３００〜４００℃の基板上に凝集させる方法や、Ａｌを約２５０〜３５０℃の基板凝集させた凸凹層上にさらに２００℃程度でＡｇ反射膜を形成する方法が挙げられる。いずれの場合もテクスチャー化には３００℃程度に最適値があり、温度が低すぎても高すぎても太陽電池の特性を低下させることにつながる。特に、可撓性基板としてポリイミドのような耐熱性プラスチックフィルムを、用いた場合、約３００℃の臨界温度以上で急激な熱収縮が発生することから、テクスチャー化電極形成時には臨界温度付近でこれを超えない温度領域に±１０℃程度に保持する必要があり、非常に精密な基板温度制御が要求される。
【０００３】
可撓性基板上に電極を形成する装置には次に示すように、フィルム基板を複数の成膜室を一直線的に通すものや、キャンロール上で成膜するものがある。
図３は従来の水平搬送の薄膜形成装置であり、（ａ）は搬送方向に沿っての縦断面図、（ｂ）は搬送方向に垂直な断面図である。送り室１、第一成膜室２１、第二成膜室２２、第三成膜室２３および巻き取り室３から構成されている。送り室１にはフィルム巻き出しのための送りロール４、巻き取り室３には巻き取りロール５がそれぞれ水平に設置され、さらにガイドロール６が双方の部屋に水平に設置されている。各成膜室２１、２２、２３には、マグネトロンスパッタリングのために、フィルム加熱用のヒータ９、カソード７および環状のアノード８が設置されている。カソード７はターゲット材料７１、バッキングプレート７２および電気的には接触していないマグネット７３により構成され、直流あるいは高周波の電圧を印加することによりマグネトロンスパッタが行われ、それぞれモータ１１で駆動される送りロール４から巻き取りロール５へ基板面を水平にして搬送し、フィルム基板１０上に成膜される。
【０００４】
図４は従来の他の水平搬送の薄膜形成装置の搬送方向に沿っての縦断面図である。この薄膜形成装置は、図３に示した薄膜形成装置における回転駆動される送りロール４と巻き取りロール５との間に基板の搬送速度に同期して回転駆動され、基板に接触する搬送ロール１４、補助ロール１５を備えた装置である。
図５はキャンロール方式の薄膜形成装置の搬送方向に沿っての縦断面図である。送りロール４から巻き取りロール５へフィルム基板１０がキャンロール１２の表面に接しながら搬送される。そして、キャンロール１２に対向する３組のカソード７およびアノード８のそれぞれの間に電圧印加してスパッタが行われる。
【０００５】
また、可撓性基板を鉛直方向に搬送し、薄膜形成装置の床占有面積を低減することも知られている。ここでは、送り側ターンロールを介し鉛直上方に方向転換され、送り側ターンロールの上方に設置されたセンターロールを介して鉛直下方に向けて方向転換され、次いで巻き取り側ターンロールを介し巻き取り側に方向転換されるように搬送され、可撓性基板がセンターロールと送り側ターンロールおよび巻き取り側ターンロール間で鉛直面内に保持されている時に、可撓性基板を内部に収める成膜室内で所定の薄膜形成が行われる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−３８３７８号公報（第３図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図６は一定温度２５０℃に保持したフィルム温度の搬送時に加える張力とフィルム幅の変化の関係を示すグラフである。フィルムの材質はポリイミドであり、フィルム幅の値は５０８ｍｍ、厚さ５０μｍである。搬送するフィルム基板上に２００℃以上でＡｇやＡｌを形成した場合、張力が１９．６Ｎに達すると、フィルムの幅方向の収縮率が０．２に達する。張力、収縮量およびダメ−ジと変換効率との関係を表１に示す。フィルム基板の搬送方向にウエーブ状の皺が生ずるというダメージが発生し、変換効率低下の原因となることがわかる。
【０００８】
【表１】
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また、張力１６．５Ｎ以下でＡｇやＡｌをフィルム基板上に形成する場合も図３に示すように複数の成膜室２１、２２、２３を通して搬送するための搬送ガイドロール６が送り室１および巻き取り室３に設置されているだけであれば、フィルム基板１０の自重により、鎖線で示すように基板が弧を描いた状態になる。このことによりフィルム基板１０が成膜室の開口部分に擦れたり、フィルム基板幅方向において膜が不均一になることが起きる。また、図４に示すように各成膜室間に基板搬送速度に同期して回転駆動され、基板に接触する搬送ロール１４、補助ロール１５を備えた場合においても、フィルム基板１０を保持するロールが多くなることにより、搬送ロール１４、補助ロール１５の機構部の回転抵抗により低張力化が難しくなる。また、搬送系の制御が複雑なため、装置のコストアップにも繋がる。
【０００９】
また、図３、図４に示した薄膜形成装置では、フィルム基板の幅が広くなった場合には装置の設置面積が広くなる問題点もある。
また、成膜室では成膜を進めていくと表面に生成物が堆積し、定期的な洗浄あるいは部品交換等のメンテナンス作業を必要とする。このようなメンテナンス作業のためにはカソード７部分を装置外へ引き出す機構と、ヒータ９とともに装置上部を開放する機構が必要となり、装置価格は上昇する。
一方、図５に示した薄膜形成装置を用いる場合、フィルム基板１０が熱容量の大きなキャンロール１２に接触しているため、フィルム基板１０の温度分布が良く、フィルム基板にダメージが発生しにくい。しかしながら、装置が大型になり装置コストがアップする。その上、ターゲット７の交換や、キャンロール１２に付着したＡｇ、Ａｌ膜の剥離等のメンテナンスが困難であり、また、基板温度が一つのキャンロール１２で限定されるため、異なる成膜温度で多層膜を形成することができない等の問題点がある。
【００１０】
従来の技術において説明した、成膜室を鉛直方向に配列し、可撓性基板を鉛直方向に搬送する薄膜形成装置は設置面積の問題を解決している。しかしながら、可撓性基板にかかる張力による伸びや、各成膜室
のメンテナンス上の問題に対しては配慮されていない。
本発明の目的は、上述の問題を解決し、フィルム基板およびその上に形成された膜に皺等のダメージを発生させることのない、また成膜室
のメンテナンスを容易に行うことができる薄膜形成装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、回転駆動する送りロールから巻き取りロールに渡って連続して搬送される可撓性基板が、送り側ターンロールを介し鉛直上方に方向転換され、送り側ターンロールの上方に設置されたセンターロールを介して鉛直下方に向けて方向転換され、次いで巻き取り側ターンロールを介し巻き取りロール側に方向転換されるように搬送され、可撓性基板がセンターロールと送り側ターンロールおよび巻き取り側ターンロール間で鉛直面内に保持されている時に、可撓性基板を内部に収める成膜室内で所定の薄膜形成が行われる薄膜形成装置において、前記送りロールおよび巻き取りロールが、前記可撓性基板に与える張力を制御しているようにする。
【００１２】
前記送りロールおよび巻き取りロールの張力の制御は、前記巻き取りロールの直前に設置された張力検出器の検出張力と所定張力との差を巻き取りモータトルク制御装置および送りモータトルク制御装置がそれぞれ演算し、巻き取りモータおよび送りモータを制御することによってなされると良い。
前記センターロールは搬送速度に同期して自動回転すると良い。
上記のいずれかの場合において、前記センターロールに加熱機構もしくは冷却機構が備えられていると良い。
上記のいずれかの場合において、前記各成膜室の外壁には、閉時には大気と成膜室内部を遮断し、開時には大気と成膜室内部とが同一となる開閉扉が取り付けられており、開閉扉には放電電極が取り付けられ、鉛直面内で対向する前記可撓性基板の間に加熱ヒータが設置されていると良い。
【００１３】
上記のいずれかの場合において、前記巻き取りロールから送りロールへ前記可撓性基板が逆転搬送できると良い。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、回転駆動する送りロールから巻き取りロールに渡って連続した可撓性基板を搬送される可撓性基板が、送り側ターンロールを介し鉛直上方に方向転換され、送り側ターンロールの上方に設置されたセンターロールを介して鉛直下方に向けて方向転換され、次いで巻き取り側ターンロールを介し巻き取り側に方向転換されるように搬送され、可撓性基板がセンターロールと送り側ターンローおよび巻き取り側ターンロール間で鉛直面内に保持されている時に、可撓性基板を内部に収める成膜室内で所定の薄膜形成が行われる薄膜形成装置において、センターロール、送り側ターンロールおよび巻き取り側ターンロールの１以上のロールが、前記可撓性基板に与える張力を、皺が生じないように低く制御できるようにしたため、皺に起因する変換効率の低下は発生しなくなった。
【００１５】
また、センターロールに加熱機構もしくは冷却機構を持たせたので、加熱の場合は、センターロールに加熱されたフィルム基板が接触することで急冷却されるのを防ぎ、保温して次の放電電極に送り込む。冷却の場合は、放電電極の熱によりフィルム基板が３００℃以上の臨界温度にならないように冷却して熱収縮により皺が発生するのを防止する。また、センターロールに加熱機構、冷却機構を設けるとロールの回転抵抗が増大するが、搬送速度と同期して駆動する駆動機構を備えているため、低張力搬送を維持することができる。
複数の放電電極を成膜室の開閉扉に備え、鉛直面内で対向する可撓性基板の間に加熱ヒータを設置したことにより、ヒンジを介して真空容器に固定された開閉扉を手動で回転させて、重量物であるカソード部分を外部へ取り出すことが可能となり、大掛かりなメンテナンス機構が不要になり、更なる装置コストの低減と、メンテナンス作業効率も向上する。
【００１６】
巻き取りロールから送りロールへ可撓性基板が逆転搬送できるようにしたため、次のような利点が得られた。大気中に放置された可撓性基板上には水分が吸着しており、これを除去するため、容器内が真空状態で予め加熱ヒータを昇温し、送りロールから巻き取りロールへ可撓性基板を搬送して水分の除去処理を行い、その後、巻き取りロールから逆転して成膜しながら送りロールに巻き取ることで、膜の欠陥の原因となる水分除去と成膜が連続して効率よくできる。
可撓性基板としては、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェキレンサルファド、バラ系アラミド、ポリエーテルケントあるいはフッ素樹脂などの高分子プラスチックフィルムを用いる。成膜法としては、スパッタリング、真空蒸着、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤなどを実施することができる。
【００１７】
送りロールから巻き取りロールまでの距離を長くすることができるので、複数の成膜室を連結することも容易であり、異なる種類の成膜法により多層膜を形成することも可能である。成膜室内を真空にするには、クライオポンプあるいはターボ分子ポンプなどを用いる。ターンロールの温度制御はロール内に空気、水あるいは油を通して冷却あるいは加熱することにより行う。基板の加熱手段としては、抵抗加熱あるいはランプ加熱を用いる。抵抗加熱の場合、シース型ヒータをアルミニウム中に鋳込んだアルミニウム鋳込ヒータを用いることができる。
以下、図に基づいて本発明の実施例について説明する。
実施例１
図１は本発明に係る薄膜形成装置の縦断面図である。
【００１８】
基材搬送室３１、および第一成膜室２１、第二成膜室２２、第三成膜室２３、およびターン室３２、および第四成膜室２４、第五成膜室２５、第六成膜室２６から構成されている。
基材搬送室３１にはフィルム基板１０の巻き出しのための送りロール４、巻き取りのための巻き取りロール５が設置され、それぞれ送りモータ３８、巻き取りモータ３４で駆動される。また、基材搬送室３１には送りロール４側に繰り出しモータ３３で駆動する送り側ターンロール１８と保持ロール１７、巻き取りロール５側には巻き取り側ターンロール３０が設置されている。
【００１９】
さらにターン室３２には冷却機構および加熱機構を備えたセンターロール１９が設置されている。
フィルム基板１０は送りロール４から、送り側ターンロール１８および保持ロール１７を介して鉛直上方に搬送され、センターロール１９を介して鉛直下方に方向を１８０°転換し、巻き取り側ターンロール３０を介して巻き取りロール５に搬送される。センターロール１９は送り側ターンロール１８を駆動する繰り出しモータ３８の回転速度に同期する回転速度をもつ従回転駆動モータ１３により駆動されて回転するので、９．８〜１６．５Ｎの範囲が好ましく低張力で搬送してもフィルム基板１０とセンターロール１９との間にスリップは生じない。張力は低いほうが好ましいが、搬送ロールのメカニカルロスにより９．８Ｎが限度である。１６．５Ｎは表１および図６より判るようにダメージや効率の限界である。
【００２０】
搬送時のフィルム基板１０の張力制御は次のように行う。巻き取りモータトルク制御装置４４、送りモータトルク制御装置４８に所定の張力設定値を予め入力しておく。支点軸４０にアーム４１を介して回転保持された巻き取り側ターンロール３０にフィルム基板１０を抱かせて、巻き取り側ターンロール３０に加わる荷重を、例えば、板ばね（張力検出器３９に向いている矢印）の撓みを高精度の差動トランスで検出するような張力検出器３９で張力を測定する。張力検出器３９は測定した張力を巻き取りモータトルク制御装置４４、送りモータトルク制御装置４８にフィードバックする。巻き取りモータトルク制御装置４４、送りモータトルク制御装置４８は張力設定値と比較演算して、フィルム基板１０の巻き径が変化しても一定したトルク差となる様、また送りロール４から巻き取りロール５へフィルム基板１０を搬送する場合には巻き取りロール側の発生トルクが大きくなる様に巻き取りモータ３４及び送りモータ３８の出力トルクを制御する。
【００２１】
また、搬送速度の制御は送り側ターンロール１８を駆動する繰り出しモータ３３の回転速度を制御し、送り側ターンロール１８と弾力性および耐熱性のある、例えばバイトンゴム製の、保持ロール１７とでフィルム基板１０を挟んで保持し、巻き取りロール５へ送り出す。このようなフィルム基板搬送機構を各成膜室の直下に配置し、搬送パスを極力少なくすることでメカニカルロスを低減でき、低張力での搬送が可能となる。
一方、フィルム基板１０の加熱のために、カソード７およびアノード８とフィルム基板１０を挟んで対向するヒータ９を各成膜室２１、２２、２３、２４、２５、２６に設置し、アルミ鋳込みヒータに埋め込まれた熱電対によりフィードバックし、温度コントロールをする。
【００２２】
その他に、各成膜室２１、２２、２３、２４、２５、２６でマグネトロンスパッタリングを行うためにカソード７、リング状のアノード８が設置されている。カソード７は、ターゲット材７１、バッキングプレート７２と電気的には接触していないマグネット７３により構成される。また、ターン室３２にはポンプ１６が接続されている。
本装置の送りロール４にフィルム基板１０をセットし、ポンプ１６により装置内部を１０−２〜１０−５Ｐａに排気し、アルミニウム鋳込みヒータをあらかじめ２５０から３５０℃に加熱した。次に、不活性ガスとしてＡｒガスを導入し、装置内部の圧力を圧力コントローラにより１０３  〜１０−１Ｐａに制御する。そしてフィルム基板１０を８×１０−３〜６×１０−２ｍ／ｓの速度で搬送し、各ヒータ９とセンターロール１９による冷却あるいは加熱と併せて基板温度を制御しながらカソード７に直流電圧を印加してＡｇを成膜したところ、フィルム基板１０にも電極膜にもダメージは生じなかった。複数の成膜室は例えばＺｎＯ膜上のＡＬ膜、Ａｇ膜の積層、あるいはＡｇ膜のみの複数回に分けての成膜に利用することができる。
【００２３】
図２は本発明に係る薄膜形成装置の水平断面図である。カソード７およびアノード８は成膜室の真空容器とＯリング３５で真空封じをした開閉扉３６に設置し、開閉扉３６は回転ヒンジ３７を介して成膜室の壁面に固定されている。開閉扉３６を鉛直方向の軸の回転ヒンジ３７により、一点鎖線で示したよう上下動のない開閉が可能としてある。そのため、バッキングプレート７２上のターゲット材７１や、アノード８の防着板交換等のメンテナンスをする際に、重量物であるカソード７、アノード８全体を比較的容易な操作力で引き出すことができ、メンテナンス作業が容易になった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、回転駆動する送りロールから巻き取りロールに渡って連続して搬送される可撓性基板が、送り側ターンロールを介し鉛直上方に方向転換され、送り側ターンロールの上方に設置されたセンターロールを介して鉛直下方に向けて方向転換され、次いで巻き取り側ターンロールを介し巻き取りロール側に方向転換されるように搬送され、可撓性基板がセンターロールと送り側ターンロールおよび巻き取り側ターンロール間で鉛直面内に保持されている時に、可撓性基板を内部に収める成膜室内で所定の薄膜形成が行われる薄膜形成装置において、前記送りロールおよび巻き取りロールが、前記可撓性基板に与える張力を制御しているようにするようにしたため、可撓性基板に過度の張力が懸からず、可撓性基板に皺などのダメージが発生しないようになる。
【００２５】
また、センターロールに加熱機構もしくは冷却機構を持たせたので、加熱の場合は、フィルム基板が接触することで急冷却されるのを防ぎ、冷却の場合は、放電電極の熱によりフィルム基板が３００℃以上の臨界温度にならないように冷却して熱収縮により皺が発生するのを防止する。
複数の放電電極を成膜室の開閉扉に備え、鉛直面内で対向する可撓性基板の間に加熱ヒータを設置したことにより、ヒンジを介して真空容器に固定された開閉扉を手動で回転させて、重量物であるカソード部分を外部へ取り出すことが可能となり、大掛かりなメンテナンス機構が不要になり、更なる装置コストの低減と、メンテナンス作業効率も向上する。
【００２６】
このような薄膜形成装置を用いて、フィルム基板を用いた薄膜太陽電池を効率よく生産できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜形成装置の縦断面図である。
【図２】本発明に係る薄膜形成装置の水平断面図である。
【図３】従来の水平搬送の薄膜形成装置であり、（ａ）は搬送方向に沿っての縦断面図、（ｂ）は搬送方向に垂直な断面図である。
【図４】従来の他の水平搬送の薄膜形成装置の搬送方向に沿っての縦断面図である。
【図５】キャンロール方式の薄膜形成装置の搬送方向に沿っての縦断面図である。
【図６】一定温度２５０℃に保持したフィルム温度の搬送時に加える張力とフィルム幅の変化の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    送り室
２１    第一成膜室
２２    第二成膜室
２３    第三成膜室
２４    第四成膜室
２５    第五成膜室
２６    第六成膜室
３３    巻き取り室
４    送りロール
５    巻き取りロール
６    ガイドロール
７    カソード
７１    ターゲット材料
７２    バッキングプレート
７３    マグネット
８    アノード
９    ヒータ
１０    フィルム基板
１１    主回転駆動モータ
１２    キャンロール
１３    従回転駆動モータ
１４    搬送ガイドロール
１５    補助ロール
１６    ポンプ
１７    保持ロール
１８    送り側ターンロール
１９    センターロール
３０    巻き取り側ターンロール
３１    基材搬送室
３２    ターン室
３３    繰り出しモータ
３４    巻き取りモータ
３５    Ｏリング
３６    開閉扉
３７    回転ヒンジ
３８    送りモータ
３９    張力検出器
４０    支点軸
４１    アーム
４４    巻き取りモータトルク制御装置
４８    巻き取りモータトルク制御装置
【図１】
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【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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