(57)【要約】【課題】基板全面に均一に薄膜を形成し、かつヒーター面および基板のスパッタを行わない面側への膜付着を防止することにより、生産性の向上を図った薄膜形成装置を提供する。【解決手段】真空容器内に搬送される基板２３の一側に、基板に対向して配設されたスパッタ用のターゲット材２５と、他側に配設された基板加熱用のヒーター２１とを備え、前記基板にスパッタ処理により所定の薄膜を形成する薄膜形成装置において、ヒーター面またはヒーターと対向する基板面側へのスパッタ粒子の回り込みを抑制する回り込み防止カバー２６を、前記基板側端部に、基板と所定の空隙をもって設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に搬送される基板の一側に、前記基板に対向して配設されたスパッタ用のターゲット材と、他側に配設された基板加熱用のヒーターとを備え、前記基板にスパッタ処理により所定の薄膜を形成する薄膜形成装置において、ヒーター面またはヒーターと対向する基板面側へのスパッタ粒子の回り込みを抑制する回り込み防止カバーを、前記基板側端部に、基板と所定の空隙をもって設けることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
請求項１に記載の薄膜形成装置において、前記回り込み防止カバーは、前記ヒーターを支持するヒータージャケットの側部から前記基板側端部に向けて配設した断面Ｌ字状部材とすることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の薄膜形成装置において、前記回り込み防止カバーは、前記基板との間の空隙部からのスパッタ粒子の侵入を防ぐ第２のカバーを備えることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項４】
請求項３に記載の薄膜形成装置において、前記第２のカバーは、前記回り込み防止カバーの基板側端部に、ヒーター側に凸に設けた断面傘型状のカバーとすることを特徴とする薄膜形成装置。
【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装置において、前記回り込み防止カバーは、その基板側端部に、回り込み防止カバー冷却用の水冷配管を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の薄膜形成装置において、前記所定の薄膜は、薄膜太陽電池における電極層の薄膜とすることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の薄膜形成装置において、基板の送り出し室および巻き取り室と、複数のスパッタ処理室とを備え、前記各室は連結された複数の真空容器からなることを特徴とする薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロール搬送方式の薄膜形成装置、特に、薄膜太陽電池の電極層の形成に好適なスパッタ処理による薄膜形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の電極層及び半導体層を有する薄膜半導体の代表例として、アモルファスシリコンを主原料とした半導体層を光電変換層とし、電極層がこの層を挟む構造を備えたアモルファス薄膜太陽電池が知られている。また、このような薄膜太陽電池の製造方式として、枚葉式より生産性の優れているロールツーロール方式が知られている。この方式は、ロールに巻かれた長尺の高分子材料、あるいは金属材料からなる可とう性の電気絶縁性基板を各成膜室に順次送りながら、電極などの各層を、連続的に移動する基板上に、成膜室毎に形成していく方式である。
【０００３】
図８は、前記スパッタ処理によるロールツーロール方式の薄膜形成装置の構成の一例を示す。図８に示す装置は、密閉容器により外部と分離され、排気ポンプ８により容器内部を真空排気される巻出し室１１の中に、巻出し用ロール１１ａに巻かれた高分子樹脂フィルム基板１０をセットし、複数個のガイドロール５を介して、フィルム基板１０の終端部を、巻取り室１２内の巻取り用ロール１２ａに巻き取るように構成されている。
【０００４】
基板１０は、繰り出しロール６とそれに接するプレスロール７との回転により搬送され、巻出し用および巻取り用のロール間を搬送する間に、基板１０は、基板内部の水分放出用予備加熱室１３とスパッタ処理室１４および１５の各処理室を経由して処理される。この間に、基板は、前記各処理室の密閉容器内に設置した各２個合計６個の鋳込みヒータ９および一つの赤外線ヒータ９ａにより加熱処理される。ヒータ９と高分子樹脂基板１０との間隔は、例えば１０ｍｍ以下とし、基板とヒータが接触しない程度に構成される。なお、１３ａは、水分放出用予備加熱室１３で放出された水分の排出を行ない、かつスパッタ処理室との圧力を緩和するための予備室をイメージ的に示し、この中に、前記赤外線ヒータ９ａが設けられている。
【０００５】
また、図８に示す装置において、基板１０は、真空容器内で、例えば、３５０℃に設定した鋳込みヒータ９により加熱される。雰囲気ガスとしてはＡｒガスを用い、真空容器内圧力は約２７Ｐａ（２００ｍＴｏｒｒ）となるように制御される。加熱処理中にフィルム基板には、両側のプレスロール７によって仕切られる領域で所定の加熱領域張力（ＦＰ−Ｐ）が加えられる。また、その外側に位置する巻出し用および巻取り用のロール（１１ａ，１２ａ）とプレスロール７との間で、所定の巻出し側および巻取り側張力（ＦＵＷ，ＦＷ）が加えられる。
【０００６】
次に前記スパッタ処理室の詳細構成について、図４に基づき以下に述べる。図４は、図８におけるスパッタ処理室１４および１５について、ヒーター，基板およびスパッタ用のターゲット等に着目した当該処理室の、基板の幅方向の模式的部分拡大断面図を示す。
【０００７】
図４において、２１はヒーター、２２はヒータージャケット、２３は帯状基板、２４はカソード電極、２５はターゲット材を示す。各部材やスパッタ処理の動作説明は省略するが、前記ヒータージャケット２２は、ヒーター２１を支持する以外に、断熱性のジャケットで覆うことにより、加熱効率の向上を図るようにしたものである。
【０００８】
ところで、前述のように、ロールツーロール方式により、例えば可とう性を有する高分子樹脂基板上に金属電極膜を形成する場合、形成される膜は、基板端部まで広範囲に均一な膜厚となることが望まれる。この観点から、前記図４に示すように、帯状基板３の幅に対してターゲット材５の幅が十分に大きくなるように、薄膜形成装置は設計されている。
【０００９】
図５は、前記図４の装置における薄膜形成状況の説明図を示す。図４のような構造によれば、図５中の矢印のようにスパッタ放電が広がるので、帯状基板２３の端部まで均一な薄膜を形成することが出来る。しかしながら、この場合、基板端部から回りこんだスパッタ粒子が、図４中一点鎖線で示すように、薄膜を形成する基板面の反対側面やヒーター２１の面に達し、回り込みに基づく中途半端な薄い膜を形成する。
【００１０】
基板の両面に薄膜を形成する場合、通常一方の面（表面）に薄膜形成した後、その反対面（裏面）側に薄膜形成するが、回り込みは、表面、裏面のどちらでも発生する。スパッタ粒子の回り込みが発生すると、基板上では幅方向端部で膜厚が不均一となる、薄膜のシート抵抗が増加する、外観的に色むらが出来る等々の不具合が生ずる。また、所定の薄膜を形成する前に、回り込みによる中途半端な膜付着があると、その後に形成される薄膜と基板或いは、薄膜同士の間で付着力が低下する。前者は、裏面の場合であり、後者は表面の場合である。
【００１１】
また、スパッタ粒子回り込みのヒーター面への影響としては、長期間の使用によるヒーター表面への膜堆積が上げられる。堆積した膜が厚くなると、ヒーター表面の熱容量が大きくなると共に、伝熱が悪くなる。その結果、基板を十分に加熱出来ない、スパッタを行った時期により基板加熱状態にバラツキができる等の不具合が生じる。これを防止するために、従来は、ヒーター表面に、厚さ５ｍｍ程度のアルミニウム製の板を着脱可能な形態で設置し、膜堆積の度合いに応じて交換していた。
【００１２】
しかしながら、前記方法の場合、例えばヒーター温度３５０℃に対し、アルミ板表面温度は３３０℃となり、ヒーター表面にアルミ板を設置することにより、基板加熱面の温度が低下して、加熱効率が悪くなる問題があった。
【００１３】
前記の不具合を防止する簡易的な方法として、ターゲット材と基板の大きさを相対的に変える方法が考えられる。例えば、図６に示すように、基板幅をターゲット材よりも大きくする場合と、図７に示すように、基板幅とターゲットの大きさを等しくする場合である。図６の場合、基板がスパッタ粒子を遮蔽するため、ヒーター面や基板裏面への回り込みによる膜付着は無くなる。また、図７の場合、基板裏面への回り込みをほとんど無くすことは可能となるが、ヒーター面への膜付着は改善されない。また、図６および７のいずれの場合も、薄膜が均一に形成される領域は、基板面の内側領域となり、基板端部領域は膜厚が不均一となる。膜厚付不均一部分が多いと、基板の総面積に対し、有効に使用できる面積が小さくなり、生産性低下やコストアップが問題となる。
【００１４】
ところで、上記のようなスパッタ装置ではないものの、半導体装置の製造方法やプラズマＣＶＤ装置等に関して、パーティクルやプラズマの回り込みを防止する、一見前記の対策に関わるような技術が、下記特許文献１や特許文献２に開示されている。
【００１５】
特許文献１は、「基板周辺部のＳｉＯ２膜が露出した部分へのＷ層の成長を防止し、Ｗ層の剥離等によるパーティクルの発生を防止すること」を目的として、下記構成、即ち、「内部を排気可能な反応容器と、前記反応容器内に反応ガスを導入するためのガス導入手段と、処理対象基板を載置するための載置台と、処理対象基板表面の周辺部を覆うように配置され、内径が処理対象基板の径よりも小さく、外周が処理対象基板の外周よりも大きいガス回り込み防止手段と、処理対象基板周辺部上の、前記ガス回り込み防止手段によって覆われた空間にガスを導入するための他のガス導入手段とを含む。」ことを特徴とする半導体装置の製造装置を開示している。
【００１６】
また、特許文献２は、「異常プラズマ反応を生起させず、プラズマ反応の制御性と薄膜の膜厚分布の均一性がよいプラズマＣＶＤ装置を提供する」ことを目的として、下記要旨のプラズマＣＶＤ装置を開示している。即ち、「一方の電極を兼ねる板状基板加熱体と基板支持体の一つに固定され、他に接触し、かつ基板加熱体と基板支持体の間の空間を包囲する接触体を備えるもので、これにより両者間のアース電位がなくなり、プラズマが回り込むことがないので上記の目的が達成される。」ことを要旨とする。
【００１７】
【特許文献１】
特開平７−２０１７７８号公報（第１−４頁、図１）
【特許文献２】
特開昭６３−２９９２６号公報（第２−３頁、第１図）
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特許文献１および２に開示された技術は、回り込み防止という共通のタームでは類似しているものの、前記のようなスパッタ装置に適用して、前記のスパッタ粒子の回り込みに関わる問題を解消することはできない。
【００１９】
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、基板全面に均一に薄膜を形成し、かつヒーター面および基板のスパッタを行わない面側への膜付着を防止することにより、生産性の向上を図った薄膜形成装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明は、真空容器内に搬送される基板の一側に、前記基板に対向して配設されたスパッタ用のターゲット材と、他側に配設された基板加熱用のヒーターとを備え、前記基板にスパッタ処理により所定の薄膜を形成する薄膜形成装置において、ヒーター面またはヒーターと対向する基板面側へのスパッタ粒子の回り込みを抑制する回り込み防止カバーを、前記基板側端部に、基板と所定の空隙をもって設けるものとする（請求項１の発明）。
【００２１】
上記構成によれば、回り込み防止カバーにより、スパッタ粒子の回り込みがかなり抑制される。なお、前記回り込み防止カバーと基板との空隙は、基板搬送時の基板の蛇行を考慮して、基板がカバーと接触しないような寸法にする必要があるが、スパッタ粒子の回り込み抑制効果を大とする観点から、空隙寸法は可能な限り小とすることが望ましい。
【００２２】
上記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２の発明が好ましい。即ち、前記請求項１に記載の薄膜形成装置において、前記回り込み防止カバーは、前記ヒーターを支持するヒータージャケットの側部から前記基板側端部に向けて配設した断面Ｌ字状部材とする（請求項２の発明）。
【００２３】
また、前記空隙からのスパッタ粒子の回り込みを防止する観点から、下記請求項３の発明が好ましい。即ち、前記請求項１または２に記載の薄膜形成装置において、前記回り込み防止カバーは、前記基板との間の空隙部からのスパッタ粒子の侵入を防ぐ第２のカバーを備えるものとする（請求項３の発明）。
【００２４】
さらに、前記請求項３に記載の薄膜形成装置において、前記第２のカバーは、前記回り込み防止カバーの基板側端部に、ヒーター側に凸に設けた断面傘型状のカバーとする（請求項４の発明）。この構成によれば、前記空隙から侵入したスパッタ粒子は、断面傘型状のカバーの窪みに捕獲される。従って、膜堆積に伴うメンテナンスインターバルをより延長できる。
【００２５】
さらにまた、請求項５の発明のように、前記請求項１ないし４のいずれか１項に記載の薄膜形成装置において、前記回り込み防止カバーは、その基板側端部に、回り込み防止カバー冷却用の水冷配管を備えるものとする。これにより、薄膜形成速度を向上した場合のスパッタ放電による増大する発生熱を冷却除去し、回り込み防止カバーの過昇温が防止できる。
【００２６】
また、前記発明の適用は、薄膜太陽電池の薄膜形成において効果的である。即ち、前記請求項１ないし５のいずれか１項に記載の薄膜形成装置において、前記所定の薄膜は、薄膜太陽電池における電極層の薄膜とする（請求項６の発明）。
【００２７】
さらに、前記発明の適用は、前記ロールツーロール方式において効果的である。即ち、前記請求項１ないし６のいずれか１項に記載の薄膜形成装置において、基板の送り出し室および巻き取り室と、複数のスパッタ処理室とを備え、前記各室は連結された複数の真空容器からなるものとする（請求項７の発明）。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
【００２９】
（実施例１）
図１は本発明の実施例の模式的概略構成図であって、従来構成の図４に対応する模式的概略構成図を示す。図１において、図４に示した部材と同一機能部材には、同一番号を付して詳細説明を省略する。
【００３０】
図１に示す装置は、スパッタ処理室におけるヒータージャケット２２の側面に、回り込み防止カバー２６を取り付けた点が図４の構成と異なる。回り込み防止カバー２６は、例えば、板厚２ｍｍのＳＵＳ板を、断面Ｌ字状に曲げ加工したものを使用した。取り付け位置は、回り込み防止カバー２６の底面が基板底面とほぼ同一平面となるようにした。また、基板２３の側端部と回り込み防止カバー２６との隙間が、２〜５ｍｍまたはそれ以下となるように配置した。
【００３１】
スパッタ粒子の回り込みによる不具合領域は、従来、基板幅方向端部から内方へ１００〜１２０ｍｍ程度の領域であったが、本実施例の適用により、１／３程度である２０〜３０ｍｍの領域となった。ヒーター面への膜付着の度合いも、従来より低減できるようになったが、この実施例の場合、微小隙間があるので、完全に解消できるわけではなく、従来ヒーター表面に設置しているアルミ板を取り外すまでに至らなかった。
【００３２】
（実施例２）
図２は、実施例１で改善が十分ではなかったヒーター面への回り込みの防止対策を実施した例である。具体的には、帯状基板２３の蛇行を考慮して設けた隙間部分を、回り込み防止カバー６に取り付けた第２のカバーである傘型の回り込み防止カバー７で、図示のように覆うことにより回り込みを防止した。このような構造により、帯状基板２３とＬ字型の回り込み防止カバー６との隙間から入り込んだスパッタ粒子は、傘型の窪みの部分に留まり、ヒーター表面への膜堆積がなくなる。
【００３３】
隙間部分を覆うカバーは、カバーと基板が接することが無く、隙間の直上がヒーター側に窪むような構成であれば、実施例の形状には限定されない。また、基板の蛇行を考慮すると、隙間部分のカバーと基板幅方向の側端部が、５〜１０ｍｍ程度重なるようにした方が良い。この方式を採用したことで、ヒーター面への膜堆積が防止されるので、従来ヒーター表面に設置していたアルミ板を取り外すことが可能となった。結果的に、基板加熱が効率よく行えるようになり、電力消費量を低減することも可能となった。
【００３４】
（実施例３）
実施例２により、従来の薄膜スパッタプロセスでのスパッタ粒子の回り込み問題は解消された。しかしながら、生産性向上のためには、プロセス自体の処理速度の向上が必要となる。帯状基板の搬送速度を大きくした場合、投入するスパッタ放電エネルギーをそれに見合う程度に大きくする必要がある。この場合、スパッタ放電により発生する熱量も大きくなるので、従来冷却機能を持たせていない回り込み防止カバー部分の温度上昇が顕著となった。
【００３５】
回り込み防止カバー２６が高温になると、熱伝導により、回り込み防止カバー２６を固定しているヒータージャケット部の温度が上がり、結果としてその周辺部位の温度が上昇する。周辺部位には、図示しない真空容器の真空保持のため使用しているＯリングが有り、これらが高温になることで、真空容器内の気密性が損なわれる可能性が生ずる。また、材質を選定することで、回り込み防止カバーが極端に波うつような変形は避けられるものの、線方向の膨張により、蛇行した基板端部と回り込み防止カバーが接触する可能性も生ずる。帯状基板２３と回り込み防止カバー２６が接触した場合、基板表面に部分的に傷がつくだけでなく、基板の搬送や巻取りに支障が出る恐れが生ずる。
【００３６】
上記のような新たに発生する問題に対し、回り込み防止カバー２６に冷却用の水冷配管を取り付けることで対応した。図３は、水冷配管を設けた実施例３の構成を示す。図３に示すように、水冷配管２８は、基板近傍の温度上昇が大きい部分にのみ設置した。また、傘型の回り込み防止カバー２７の部分では、水冷配管２８を、傘型カバーの外側部分にのみ設置し、帯状基板直上に位置する部分には設置しないようにした。その理由は、ヒーターによる基板加熱効果を極力損なわないようにするためである。
【００３７】
水冷配管２８内を流す冷却水の温度としては、スパッタを実施していない状態の温度で２０〜３０℃程度が望ましい。３０℃より高温の場合には、十分な冷却効果が望めない。逆に、水温が低すぎると、スパッタ処理前後に、真空容器内を大気に開放した際に、水冷配管に結露が生じることがある。結露した場合、新たに真空容器内を真空引きする際に時間がかかり、また、装置内部に水分が残留すると、形成した薄膜の品質に悪影響を与える問題が生ずる。
【００３８】
本実施例の適用により、生産性を向上するためにスパッタ放電エネルギーを大きくしたプロセスでも、安定して均一な薄膜を形成することが可能となった。
【００３９】
【発明の効果】
この発明によれば前述のように、真空容器内に搬送される基板の一側に、前記基板に対向して配設されたスパッタ用のターゲット材と、他側に配設された基板加熱用のヒーターとを備え、前記基板にスパッタ処理により所定の薄膜を形成する薄膜形成装置において、ヒーター面またはヒーターと対向する基板面側へのスパッタ粒子の回り込みを抑制する回り込み防止カバーを、前記基板側端部に、基板と所定の空隙をもって設けるものとしたことにより、
従来問題となっていた基板端部での膜の付着力低下や、ヒーター利用効率の低下を解消すると同時に、薄膜を基板端部まで均一に形成することが可能となった。また、基板の総面積に対し、有効に使用できる面積が大きくなり、生産性の向上やコストダウンを図ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜形成装置の実施例の模式的概略構成図
【図２】図１とは異なる実施例の模式的概略構成図
【図３】図１とはさらに異なる実施例の模式的概略構成図
【図４】従来のスパッタ処理室の模式的部分拡大断面図
【図５】図４の従来装置における薄膜形成状況の説明図
【図６】図４とは異なる装置構成における薄膜形成状況の説明図
【図７】図４とはさらに異なる装置構成における薄膜形成状況の説明図
【図８】従来のロールツーロールスパッタ装置の構成の一例を示す図
【符号の説明】
２１：ヒーター、２２：ヒータージャケット、２３：帯状基板、２４：カソード電極、２５：ターゲット材、２６：回り込み防止カバー、２７：傘型の回り込み防止カバー、２８：水冷配管。
【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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【図７】
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【図８】
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