(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁界を作るための磁石が成膜領域を往復移動する磁石移動型マグネトロンスパッタ装置によって、金属酸化物をターゲットとして薄膜太陽電池の半導体層上に金属酸化物薄膜を成膜する方法であって、１つの金属酸化物薄膜の成膜について前記磁石の往復運動を２回以下とすることを特徴とする金属酸化物薄膜の成膜方法。
【請求項２】
前記１つの金属酸化物薄膜の成膜について前記磁石の往復運動が１回であることを特徴とする請求項１に記載の金属酸化物薄膜の成膜方法。
【請求項３】
前記１つの金属酸化物薄膜の成膜について前記磁石の往復運動が０．５回、すなわち片道運動であることを特徴とする請求項１に記載の金属酸化物薄膜の成膜方法。
【請求項４】
前記金属酸化物薄膜はＩＴＯ、ＳｎＯ2、およびＺｎＯのいずれかからなる透明導電膜であることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の金属酸化物薄膜の成膜方法。
【請求項５】
前記金属酸化物薄膜がＺｎＯからなる透明導電膜であることを特徴とする請求項４に記載の金属酸化物薄膜の成膜方法。
【請求項６】
前記金属酸化物薄膜は可視光に対して透光性であり、前記金属酸化物薄膜の下地である半導体層は、その少なくとも最外表面層が非晶質シリコン層または非晶質シリコン系合金層からなることを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の金属酸化物薄膜の成膜方法。
【請求項７】
前記金属酸化物薄膜は可視光に対して透光性であり、前記金属酸化物薄膜の下地である半導体層は、その少なくとも最外表面層が結晶質シリコン層または結晶質シリコン系合金層からなることを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の金属酸化物薄膜の成膜方法。
【請求項８】
前記磁石の移動速度が５０ｍｍ／秒以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれかの項に記載の金属酸化物薄膜の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマグネトロンスパッタ装置を用いる成膜方法に関し、特に、磁界を形成するための磁石が成膜領域を移動する方式の磁石移動型マグネトロンスパッタ装置を用いて薄膜太陽電池の半導体層上に金属酸化物薄膜を成膜する方法の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロンスパッタ装置を用いて金属酸化物薄膜を成膜する場合の典型的な一例としては、薄膜太陽電池の半導体光電変換層上に導電性の金属酸化物薄膜を成膜する場合がある。ところで、家屋の屋根やビルの屋上に設置される大電力用薄膜太陽電池においては、低コストで効率的により大きな電力を得るために、その大面積化が求められている。
【０００３】
大面積の薄膜を成膜する場合、磁石固定型のマグネトロンスパッタ装置よりも磁石移動型の装置が好ましく用いられる。なぜならば、磁石固定型のマグネトロンスパッタ装置において、固定された大面積の基板上に薄膜を成膜しようとすれば、広い成膜領域全体に多数の磁石を配列しなければならず、そのようなスパッタ装置が複雑かつコスト高になるからである。また、多数の磁石を用いても、広い成膜領域全体に均一な磁場を形成することが困難であり、ターゲットの不均一な消耗や堆積された膜の不均一性を生じやすい傾向にあるからである。他方、固定磁石に対して基板を相対的に移動させる方式の磁石固定型マグネトロンスパッタ装置もあるが、このような磁石固定型装置では大きな基板を移動させるために大きな真空室と真空ポンプを必要とし、スパッタ装置の設置面積としても大きな面積を必要とする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
磁界を形成するための磁石が成膜領域を往復移動する方式の磁石移動型マグネトロンスパッタ装置においては、固定された基板上に堆積される膜の均質化を図るために、従来から一般に、成膜領域全体に渡って磁石が多数回往復移動させられる。たとえば、特開平１０−１５８８３３の第５頁段落［００３４］においては、厚さ６０ｎｍのＩＴＯ（インジウム・錫酸化物）膜を成膜するために磁石を１１回往復運動させる例が述べられている。
【０００５】
しかし、磁石移動型マグネトロンスパッタ装置において磁石を多数回往復移動させることによって薄膜太陽電池の半導体光電変換層上にＩＴＯ、ＳｎＯ2、またはＺｎＯのような金属酸化物からなる透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層を堆積した場合、得られる薄膜太陽電池の特性は十分に満足し得るものではなく、特に出力特性として周知のフィルファクタ(曲線因子）が十分ではない傾向にある。
【０００６】
図２と図３において、半導体光電変換層上に堆積されたＴＣＯ層を含む薄膜太陽電池が模式的な断面図で例示されている。図２の薄膜太陽電池においては、透明ガラス基板１上に、第１電極層２としてのＳｎＯ2層、半導体光電変換層３、および第２の電極層４としてのＺｎＯ層が順に積層されている。半導体光電変換層３は、順に積層されたｐ型サブ層３ｐ、ｉ型サブ層３ｉ、およびｎ型サブ層３ｎを含んでいる。光電変換作用は比較的厚いｉ型サブ層３ｉが果たし、ｉ型サブ層３ｉに比べてはるかに薄いｐ型サブ層３ｐとｎ型サブ層３ｎは電界を生じるように作用する。なお、これらのサブ層は非晶質半導体または結晶質半導体のいずれで形成することも可能である。
【０００７】
図３の薄膜太陽電池においても、透明ガラス基板１上にＳｎＯ2の第１電極層２と半導体光電変換層３が順に積層されている。しかし、図３の薄膜太陽電池においては、特開昭５５−１０８７８０号公報にあるように半導体光電変換層３上に第２の電極層の光の反射率を上げて変換効率を向上させるためのＺｎＯ層４ａと第２電極層として働くＡｇ層５とが順に積層されている。Ａｇ層５は、高い光反射性と優れた導電性を有しているので、裏面電極層として好ましい。半導体層３とＡｇ層５との間のＺｎＯ層４ａは、図２におけるＺｎＯ電極層４に比べてはるかに小さな厚さを有し、Ａｇ層５の反射性を向上させるとともにＡｇ原子が半導体層３内へ拡散することを防止するように作用し得る。
【０００８】
このように、薄膜太陽電池においては、半導体光電変換層上にＴＣＯ層を堆積することが知られている。しかし、前述のように、磁石移動型マグネトロンスパッタ装置において、磁石を多数回往復移動させることによって半導体光電変換層上に堆積されたＴＣＯ層を含む薄膜太陽電池では、満足し得る出力特性を得ることが困難であり、特にフィルファクタが劣ったものになりやすい。特に図３に示す薄膜太陽電池ではこの傾向が大きい。
【０００９】
このような従来技術における課題に鑑み、本発明は、磁石移動型マグネトロンスパッタ装置を用いて、優れた膜質の金属酸化物薄膜を成膜する方法を提供することを目的としている。特に、半導体光電変換層上にマグネトロンスパッタ法で成膜された金属酸化物薄膜を含む大面積の薄膜太陽電池の出力特性を改善し得る成膜方法を提供することをも目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、磁界を作るための磁石が往復移動する磁石移動型マグネトロンスパッタ装置によって、金属酸化物をターゲットとして薄膜太陽電池の半導体層上に金属酸化物薄膜を成膜する方法において、１つの金属酸化物薄膜の成膜について磁石の往復運動を２回以下とすることを特徴としている。
【００１１】
すなわち、磁石の往復運動は１回でもよく、または０．５回の片道運動であってもよい。
【００１２】
金属酸化物薄膜としては、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、およびＺｎＯのいずれかからなる透明導電膜が成膜され得る。
【００１３】
また、金属酸化物薄膜が可視光に対して透光性である場合、その金属酸化物薄膜の下地層はたとえば薄膜太陽電池に含まれる半導体層であり得て、その少なくとも最外表面層は結晶質シリコン層、非晶質シリコン系合金層、結晶質シリコン層、または結晶質シリコン系合金層であってもよい。
【００１４】
さらに、本発明の金属酸化物薄膜のマグネトロンスパッタによる成膜方法においては、磁石の移動速度が５０ｍｍ／秒以下であることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明の実施の形態としての金属酸化物薄膜の成膜法法に用いられ得る磁石移動型マグネトロンスパッタ装置の一例が概略的な断面図で示されている。このスパッタ装置では、真空チャンバ１０は、気密シール部１０ａを境にして、上下に開けることが可能である。気密シール部１０ａが封止された真空チャンバ１０は、排気管１１を介して、真空ポンプ（図示せず）によって減圧される。
【００１６】
真空チャンバ１０内では、成膜処理されるべき基板１が基板ホルダ１２によって支持されている。そして、ＤＣ電源１３に接続されたターゲット１４が基板１に対面して配置されている。ターゲット１４の上側には、接地された複数のアノードバー１５が配列されている。他方、ターゲット１４の下側には、矢印で示されているように、往復移動可能な磁石１６が配置されている。なお、基板を加熱するための加熱手段があってもよいがなくてもよい。
【００１７】
このようなスパッタ装置において、ＤＣ電源１３からターゲット１４へのＤＣ電圧の印加によって、アノードバー１５とターゲット１４との間でたとえば希薄なＡｒガスによって生じるグロー放電によってプラズマを発生させ、磁石１６はそれが生じる磁界近傍でプラズマを閉じ込めて高密度にするように作用する。そして、磁界によって高密度にされたプラズマによってスパッタされたターゲットからのスパッタ粒子が基板１の表面に付着して、基板１に膜が堆積されることになる。このとき、磁石１６を移動させることによって膜の部分的堆積領域が移動し、大きな面積を有する基板１の全面に成膜することが可能となる。
【００１８】
図１に示されているような磁石移動型スパッタ装置において金属酸化物薄膜を成膜する場合、前述のように、従来では磁石１６を比較的速い速度で多数回往復移動させて成膜しているが、良質の金属酸化物薄膜を得ることが容易ではない。特に、半導体光電変換層上に従来法で成膜された金属酸化物薄膜を含む薄膜太陽電池において、満足し得る出力特性を得ることが困難である。
【００１９】
これに対して、本発明による成膜方法では、金属酸化物薄膜は磁石１６を比較的遅い速度で２回以下の回数で往復移動あるいは片道運動させて成膜される。すなわち、磁石の移動回数は１回の往復移動でもよく、０．５回の片道移動であってもよい。なお、磁石の移動速度は５０ｍｍ／秒以下が好ましく、より好ましくは３０ｍｍ／秒以下、さらに好ましくは２０ｍｍ／秒以下、特に好ましくは１０ｍｍ／秒以下である。このような本発明の成膜方法によって、良好な膜質の金属酸化物薄膜が得られる。特に、半導体光電変換層上に本発明の方法で成膜された金属酸化物薄膜を含む薄膜太陽電池において改善された出力特性を得ることができ、その中でもフィルファクタ（曲線因子）の改善が顕著である。
【００２０】
本発明による金属酸化物薄膜の成膜方法が何故に上述のような改善をもたらすのかの理由は、現時点では必ずしも明らかではない。しかし、１つの理由の可能性として、金属酸化物ターゲットの部分的領域でスパッタが開始されるごく初期において、その部分的ターゲット表面から飛び出す酸素原子と金属原子の割合が一定の定常状態にないことが考えられる。
【００２１】
すなわち、スパッタのごく初期においては、ターゲット表面に吸着されていた酸素原子も余分に放出されると考えられる。酸素原子の吸着はターゲットのスパッタの中止されている部分的領域において常に起こると考えられるので、磁石１６の往復移動を多数回繰返せば、各回ごとに各部分的スパッタ領域からスパッタ初期に余分の酸素原子が放出されることになる。このような理由から、従来の成膜方法では、最終的に得られる金属酸化物薄膜の膜質が不均一になってその膜質が低下すると考えられ、また、半導体光電変換層上に金属酸化物薄膜を形成するときの余分な酸素原子がその半導体層にダメージを与えるので、得られる薄膜太陽電池の出力特性が低下すると考えられる。
【００２２】
他方、本発明の成膜方法では磁石１６の往復回数が２回以下に限定されているので、ターゲットにおける各部分的スパッタ領域がスパッタの初期状態にさらされる回数が少なくなり、余分の酸素原子を放出する回数が少なくなると考えられる。その結果として、均質で良質の金属酸化物薄膜が得られるとともに、そのような金属酸化物薄膜が半導体光電変換層上に成膜される場合に半導体層に対するダメージも減少し、得られる薄膜太陽電池の出力特性も改善されるものと考えられる。
【００２３】
【実施例】
以下において、本発明の一実施例を比較例とともに説明する。この実施例においては、図１に示されているような磁石移動型マグネトロンスパッタ装置を利用して、図３に示されているような薄膜太陽電池として、周知慣用的な非晶質薄膜太陽電池が作製された。
【００２４】
まず、１主面上にＳｎＯ2の透明導電層２が形成されたガラス基板１が用意された。このようなＳｎＯ2層２を備えたガラス基板１は市場において入手可能である。なお、このガラス基板１は約４５ｃｍ×４５ｃｍの面積を有していた。ＳｎＯ2層２上には、周知のプラズマＣＶＤ法とレーザスクライブ法を利用して、慣用的な周知の集積化されるべき半導体光電変換層３が形成された。なお、集積化された薄膜太陽電池は、たとえば特開昭６１−２１０６８１において説明されている。
【００２５】
このようにしてＳｎＯ2層２と半導体光電変換層３が積層された２枚のガラス基板１が、図１に示されているような磁石移動型マグネトロンスパッタ装置の基板ホルダ１２上で、磁石の移動方向に沿って直列に配置された。本実施例においては、基板を加熱するための加熱手段は用いていない。基板をプラズマＣＶＤ装置からスパッタ装置に取りつけたあと、すぐにスパッタリングを行なった。しかし、基板温度が高い場合には、しばらくスパッタ装置内に放置して温度を低下させた後でスパッタリングをすることも可能である。このときの磁石１６の移動可能距離、すなわち成膜可能領域の長さは１２００ｍｍであった。
【００２６】
このような状況下において、磁石１６を０．５回の往復、すなわち片道だけを２分２４秒かけて移動させながら、半導体光電変換層３上に厚さ６０ｎｍのＺｎＯの透明導電層４ａが形成された。ＺｎＯ層４ａ上には慣用的なＡｇ層５が形成された。最後に、ＺｎＯ４ａとＡｇ層５を所定のパターンにレーザスクライブすることによって、集積型薄膜太陽電池が得られた。こうして得られた薄膜太陽電池において、測定された出力特性におけるフィルファクタは７０％以上であった。
【００２７】
他方、上述の実施例による薄膜太陽電池に類似して、比較例としての薄膜太陽電池も作製された。この比較例においては、磁石１６が２分２４秒の間に１２回往復移動させられる間に厚さ６０ｎｍのＺｎＯ層４ａが形成されたことのみにおいて、実施例と異なっていた。こうして得られた比較例による薄膜太陽電池において、測定された出力特性におけるフィルファクタは６０％以下であった。
【００２８】
以上の実施例と比較例から、本発明の成膜方法によるＺｎＯ層を含む薄膜太陽電池は、従来技術の成膜方法によるＺｎＯ層を含む薄膜太陽電池に比べて、出力特性が改善されていることが明らかである。これは、本発明の成膜方法によれば良質のＺｎＯ層が形成されるとともに、その下地となる半導体光電変換層に与えるダメージが少なくなるからであると考えられる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、磁石移動型マグネトロンスパッタ装置を用いて、優れた膜質の金属酸化物薄膜を成膜する方法を提供することができる。特に、半導体光電変換層上にそのようなマグネトロンスパッタ法で成膜された金属酸化物薄膜を含む太陽電池の出力特性を改善し得る成膜方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  磁石移動型マグネトロンスパッタ装置の一例を示す概略的な断面図である。
【図２】  薄膜太陽電池の一例を示す模式的な断面図である。
【図３】  薄膜太陽電池のもう一つの例を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１  ガラス基板、２  ＳｎＯ2層、３  半導体層、３ｐ  ｐ型サブ層、３ｉ  ｉ型サブ層、４，４ａ  ＺｎＯ層、５  Ａｇ層、１０  真空チャンバ、１１  排気管、１２  基板ホルダー、１３  ＤＣ電源、１４  ターゲット、１５  アノードバー、１６  磁石。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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