JP4074672B2 - スパッタリング方法 - Google Patents

Description

【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とう性基板上に電極層を形成する場合等に行うスパッタリング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
厚さ数十ないし数百μｍ程度の高分子材料フィルムやステンレス鋼箔を可とう性基板として用い、光電変換層を非晶質シリンコ薄膜で形成する薄膜太陽電池は、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、テクスチャ化、すなわち、電極層表面に高さ０．０５〜０．５μｍ程度の凹凸を設け光を太陽電池内部で散乱させることが考えられている。このテクスチャ化の方法として特願平７−１１１１４１号明細書に記載のようにＡｇを約３００〜４００℃で高温形成して凝集させる方法や特願平７−１８５３１５号明細書に記載のようにＡｌを約２５０〜３５０℃で高温形成して凝集させその上に２００℃程度でＡｇを形成する方法があげられる。いずれの場合も、テクスチャ化には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、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℃以上で急激な熱収縮が生じることから、テクスチャ化電極形成時には３００℃程度の温度領域で±１０℃程度の非常に精密な基板温度制御が要求される。
【０００３】
図２および図３は、フィルム基板上に金属電極層を形成するために用いたロール方式スパッタリング装置を示す。図２に示す装置は、送り室１、スパッタ室２、巻き取り室３の三つの部分により構成されている。送り室にはフィルムの巻き出しのための送りロール４、巻き取り室には巻き取りロール５がそれぞれ設置され、さらに搬送ガイドロール６が双方の部屋に設置されている。スパッタ室２には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リングが行われ、送りロール４から巻き取りロール５へ搬送されるフィルム基板１０上に成膜される。図３に示す装置は、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１１の表面に接しながら搬送される。そしてキャンロール１１に対向するカソード７およびアノード８の間の電圧印加によりスパッタが行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スパッタ時にはスパッタされた粒子やイオンの基板への衝突やプラズマ自身からの輻射によって基板が加熱される。フィルム基板は熱容量が極めて小さいために、図２の装置を用いた場合、瞬時に１００〜２００℃程度基板１０の温度が上昇する。さらに、スパッタ室２の内部がスパッタ時にしだいに加熱され、その二次的な輻射によって基板温度が上昇する。通常、バッキングプレート７２には冷却機構が設けられているが、放電電源出力を一定に制御して長さ数百メートルのフィルムに数時間で成膜する場合、上記の二次的な輻射の効果で、成膜終了時は成膜開始時に比べて基板温度が５０〜１００℃程度上昇する。このため、前述の±１０℃程度の精密な温度制御を行うことは困難であった。
【０００５】
図３の装置を用いた場合は、フィルム１０が熱容量の大きなキャンロール１１に接触しているため、温度上昇が抑えられ、キャンロール１１自体の温度を調整することによって精密な温度制御が可能になる。しかしながら、装置が大型になり装置コストもアップする。さらにターゲット７１交換等のメンテナンスが困難、基板温度が一つのロール１１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があった。
【０００６】
本発明の目的は、上述の問題を解決し、基板温度を精密に制御して表面がテクスチャ化された金属電極層の成膜を可能にするスパッタリング方法を提供することにある。
【０００７】
【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、本発明は、搬送される可とう性基板が直線状に張られた箇所の近傍で放電を発生させ、基板表面上にタ−ゲット材からなり表面がテクスチャ化された電極層を形成するロールツーロール方式のスパッタリング方法において、電極層形成時の基板温度を測定し、測定した温度に基づいて前記基板温度が一定となるように放電電源出力を制御するとともに、スパッタ室壁面および放電電極を水冷するものとする。これにより、電極層形成開始後基板温度が変化しても、その変化に追随して基板温度を狭い範囲に抑えることができ、しかも放電電力の変化に基づいて基板表面上の膜厚が時間とともに変化することが防止される。基板を温度調整可能のロール間を通過させることによって、少ない時間遅れで基板温度を所定の値にすることができ、同一基板上に成膜温度の異なる多層膜を連続して形成することも可能である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施には、従来のロールツーロール方式のスパッタリング装置に、温度測定手段として赤外線温度計、あるいは熱容量の十分小さいシート状熱電対を設置し、測定温度を放電電源出力あるいは温度調節ロールにフィートバックする機能をもたせればよい。同一可とう性基板上に連続して多層膜を積層する場合、異なる温度制御方法を組み合わせてもよい。また、本発明による温度制御方式の成膜と通常電力制御方式の成膜とを組み合わせることもできる。
【０００９】
【実施例】
以下、図２と共通の部分に同一の符号を付した図を引用して本発明の実施例のスパッタリング方法について述べる。
図１に示したスパッタリング装置は，本発明の一実施例のスパッタリング方法に用いるもので、図２のスパッタリング装置とほとんど同一であるが、スパッタ室２に非接触式の赤外線温度計１２が設置され、図示しない放電電源の制御装置に接続されている。本装置を用いて厚さ５０μｍのポリイミドフィルム上に平均膜厚約１５ｎｍのテクスチャ化Ａｇ電極層を形成する場合について説明する。フィルム基板１０をセットした装置内部はクライオポンプあるいはターボ分子ポンプ等により１０⁵ 〜１０⁷ Ｔｏｒｒに真空排気されている。ヒータ９は予め２５０〜３００℃に加熱されている。次にＡｒ等の不活性ガスを導入し、その後、圧力コントローラによって室内は１０³ 〜１０² Ｔｏｒｒに圧力制御される。フィルム基板１０を０．５〜２ｍ／分の搬送速度で送りながらカソード７に直流あるいは高周波の電圧を印加してＡｇ成膜が開始される。成膜時のフィルム基板１０の温度は赤外線温度計１２により常時モニタリングされており、測定された温度を放電電源にフィードバックすることで温度一定に制御される。なお本装置は、モード切り替えによって、通常の定電力制御や定電流制御による成膜を行うことも可能である。図４にフィードバックを行った定温度制御および通常の定電力制御の場合の成膜時間と基板温度の関係を線４１および４２に示す。双方の場合とも、放電開始初期に放電からの輻射によって温度が急激に上昇している。その後の温度変化をみると、線４２の定電力制御の場合、緩やかに温度が上昇し続けている。これは、放電によってスパッタ室壁面およびアノードがゆっくり加熱され、その二次的な輻射によってフィルムが加熱されたものと考えられる。この方法で成膜したものはテクスチャ形状が時間とともに変化しており、成膜終了直前の部分ではフィルムに著しい熱収縮がみられた。一方、温度制御を行った場合、テクスチャ形状は時間によって変化しておらず、フィルムの熱収縮もみられなかった。 本実施例では、放電電力が時間とともに変化するため、膜厚も時間とともに変化するという問題がある。この現象を極力少なくするに、スパッタ室２の壁面およびアノード８に水冷を行った。図５に水冷を行った場合および行わなかった場合の成膜時間とＡｇ膜厚の関係を線５１および線５２に示す。この結果から、水冷によってスパッタ室内部の温度上昇が抑えられ、膜厚の安定性が向上することがわかった。
【００１０】
図６に本発明の他の実施例のスパッタリング方法を示す。この装置は、二つのスパッタ室２１、２２を有する。基板１０は、スパッタ室２２の上流で二つの温度調節ロール１３の間を通され、ここで、冷却および加熱を行うことができる。この温度調節ロール１３の温度の調節は、例えば水や油，空気などの流体媒体により行われる。本装置によれば、スパッタ室２１および２２で、成膜温度の異なる多層膜を連続形成することが可能である。以下、本装置でＡｌ／Ａｇ膜を形成する場合を例にとり説明する。前述の温度制御によりスパッタ室２１で平均膜厚１００ｎｍの表面がテクスチャ化されたＡｌ膜を形成する。その際の成膜温度は３００℃である。その後、温度調節ロール１３で瞬時に冷却されスパッタ室２２に搬送される。ここで、成膜温度２００℃で膜厚１００ｎｍのＡｇ膜が形成され、その後、巻き取りロール５に巻き取られる。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のスパッタリング装置に基板表面温度の測定機能を測定温度のフィードバック機能を備える比較的小型の装置で、可とう性基板上に、ロールツーロール方式で極めて温度制御性の良好なスパッタ成膜が可能になる。この方法を太陽電池用の電極形成に用いることで非常に良好な形状のテクスチャ電極を安定して形成できる。これによって低コストかつ高性能の非晶質シリコン太陽電池を安定して生産することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のスパッタリング方法に用いる装置の縦断面図
【図２】従来のロール方式スパッタリング装置の一例の縦断面図
【図３】従来のロール方式スパッタリング装置の別の例の縦断面図
【図４】本発明による定温度制御と従来の定電力制御の場合の基板温度の時間変化線図
【図５】スパッタ室の壁面およびアノードを水冷した場合と水冷しなかった場合のＡｇ膜厚の時間変化線図
【図６】本発明の別の実施例のスパッタリング方法に用いる装置の縦断面図
【符号の説明】
１ 送り室
２、２１、２２ スパッタ室
３ 巻き取り室
４ 送りロール
５ 巻き取りロール
７ カソード
８ アノード
９ ヒータ
１０ フィルム基板
１２ 赤外線温度計
１３ 温度調節ロール

Claims (2)

1. 搬送される可とう性基板が直線状に張られた箇所の近傍で放電を発生させ、基板表面上にターゲット材からなり表面がテクスチャ化された電極層を形成するロールツーロール方式のスパッタリング方法において、電極層形成時の基板温度を測定し、測定した温度に基づいて前記基板の温度が一定となるように放電電源出力を制御するとともに、スパッタ室壁面および放電電極を水冷するようにしたことを特徴とするスパッタリング方法。
2. 前記可とう性基板は、二つのスパッタ室間に設けられた温度調整可能なロール間を通され、冷却および加熱を行うようにしたことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。

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