JP4200413B2

JP4200413B2 - 薄膜半導体の製造装置

Info

Publication number: JP4200413B2
Application number: JP2001009262A
Authority: JP
Inventors: 吉田　　隆
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2021-01-17
Also published as: JP2002212744A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、フィルム基板に非晶質シリコンや微結晶シリコンゲルマニウム等の薄膜を形成して薄膜光電変換素子や薄膜トランジスタなどの薄膜半導体を形成するための製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、環境保護の立場から、クリーンなエネルギーの研究開発が進められている。中でも、太陽電池はその資源（太陽光）が無限であること、無公害であることから注目を集めている。
【０００３】
同一基板上に形成された複数の太陽電池素子が、直列接続されてなる太陽電池（光電変換装置）の代表例は、薄膜太陽電池である。
【０００４】
薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コストの安さ、大面積化が容易であることなどから、今後の太陽電池の主流となると考えられ、電力供給用以外に、建物の屋根や窓などにとりつけて利用される業務用，一般住宅用にも需要が広がってきている。
【０００５】
従来の薄膜太陽電池はガラス基板を用いているものが一般的であった。近年、軽量化、施工性、量産性においてプラスチックフィルムを用いたフレキシブルタイプの太陽電池の研究開発が進められ実用化されている。さらに、フレキシブルな金属材料に絶縁被覆したフィルム基板を用いたものも開発されている。このフレキシブル性を生かし、ロールツーロール方式やステッピングロール方式の製造方法により大量生産が可能となった。
【０００６】
上記薄膜太陽電池用の薄膜半導体としては、製造コストの観点から、特にシリコン系の非単結晶薄膜であるアモルファスシリコン(a-Si)が使用され、プラズマ放電によって薄膜形成がなされる。前記アモルファスシリコン(a-Si)やアモルファスシリコンゲルマニウム(a-SiGe)等の合金膜を、プラズマ放電によって形成した薄膜半導体デバイスは、単結晶シリコンデバイスと比較して、大面積に、低温で、安価に作成できることから、電力用の大面積薄膜太陽電池以外に、ディスプレイ用の薄膜トランジスタ(TFT)等への適用も期待されている。
【０００７】
上記プラズマ放電によって形成する薄膜は、例えば下記のような装置により形成される。図４は、a-Si 薄膜太陽電池をプラズマ放電によって形成する場合の成膜室の概略構造の一例を示し、特開平８−２５０４３１号公報に記載された構造の一例を示す。図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、成膜室の開放時および封止時の概略断面図を示す。
【０００８】
図４（ａ）に示すように、断続的に搬送されてくる可撓性基板１０の上下に函状の下部成膜部室壁体３４と上部成膜部室壁体３５とを対向配置し、成膜室の封止時には、下部成膜部室と上部成膜部室からなる独立した処理空間を構成するようになっている。この例においては、下部成膜部室は電源４０に接続された高周波電極３１を備え、上部成膜部室は、ヒータ３３を内蔵した接地電極３２を備える。
【０００９】
成膜時には、図４（ｂ）に示すように、上部成膜部室壁体３５が下降し、接地電極３２が基板１０を抑えて下部成膜部室壁体３４の開口側端面に取付けられたシール部材５０に接触させる。これにより、下部成膜部室壁体３４と基板１０とから、排気管３６に連通する気密に密閉された成膜空間６０を形成する。上記のような成膜室において、高周波電極３１へ高周波電圧を印加することにより、プラズマを成膜空間６０に発生させ、図示しない導入管から導入された原料ガスを分解して基板１０上に膜を形成することができる。
【００１０】
上記原料ガスとしては、半導体薄膜の種類によって異なるが、概ね、下記のようなガスの混合ガスが使用される。即ち、ＳｉＨ₄,ＧｅＨ₄,ＰＨ₄,ＰＨ₃,Ｂ₂Ｈ₆などで、これらのガスに水素が希釈ガスとして混合される。
【００１１】
上記図４に示した薄膜半導体製造装置は、電極が平板状のものであるが、スパッタリングやＣＶＤ蒸着装置として、電極を円筒状にしたものも知られている。
【００１２】
図５は、接地電極へのＣＶＤ生成付着物の除去・清掃の容易化を目的として、本願と同一出願人により提案された薄膜半導体の製造装置の構成の一例を示す（特願２０００−２５２７６９号参照）。
【００１３】
図５に示す装置は、ドライポンプ、メカニカラウブースタポンプ及び圧力制御弁などを備えたガス排気系８８を備える反応室としての真空槽８１の内部に、巻だしロール８２から送り出したフィルム基板８９を加熱ロール８４により支持されたサセプターロール８５に巻き付け、対向するRF電極（高周波電極）８７の支持部から、反応ガスを供給し、これをプラズマに分解して非晶質シリコン系膜又は微結晶膜をフィルム基板上に形成し、これを巻取りロール８３で巻き取るように構成されている。
【００１４】
加熱ロール８４の熱は、輻射、伝導、対流によってサセプターロール８５に伝達されるが、希釈ガスの水素は熱伝導率が高いので、加熱ロールの熱を有効に、サセプターロールへ伝えることが可能で、加熱ロールの均熱性が悪くてその表面温度分布が±15℃の場合でも、サセプターロールの表面温度分布は±10℃以内とすることが可能となり、均熱性の向上が図れる。
【００１５】
上記図５に示す装置によれば、サセプターロールへの付着物は、サセプターロールの回転によって、フィルム基板ないスペースを使用して比較的容易にクリーニングが可能である。しかしながら、加熱ロールとサセプターロールとを着脱可能とし、サセプターロールを加熱ロールから取り外すことが可能な構造とすれば、クリーニングが一層容易となる。上記着脱を可能とした構成についても、前記特願２０００−２５２７６９号に記載されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のような薄膜半導体を形成する従来の製造装置においては、下記のような問題があった。
【００１７】
図４および図５に示す従来の製造装置においては、反応室の放電空間以外の部分に、反応生成物が付着し、これが剥がれてフィルム基板に再付着し、薄膜欠陥を生ずる問題があった。
【００１８】
また、放電空間を形成する高周波電極ならびに接地電極もしくはサセプターロールにも、当然のことながら、反応生成物が付着するが、薄膜欠陥を防止するためには、適切な時期に、付着物の除去・清掃が必要である。しかしながら、従来装置においては、作業性が十分満足できる程度に容易ではなく、メンテナンス性の向上の要請がある。
【００１９】
さらに、特に、円筒状の電極の場合、接地電位（グランド電位）が安定せず、異常放電が発生する問題があった。
【００２０】
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、反応室の放電空間以外の部分への反応生成物の付着を防止し、また、高周波電極ならびに接地電極への反応生成付着物の除去・清掃を容易にしてメンテナンス性の向上を図り、さらに、グランド電位の安定化による異常放電の発生防止を図った薄膜半導体の製造装置を提供することにある。
【００２１】
【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、真空槽内部に、フィルム基板の巻だしロールと巻取りロールを含むフィルム基板の搬送手段と、フィルム基板の一部を巻きつけてフィルム基板の表面に薄膜半導体を形成するために設けた，加熱手段を有する接地電極としてのドラムロールと、このドラムロールと対向して切欠き同心円筒状に配設した高周波電極とを有し、前記真空槽内部へ薄膜半導体に応じた反応ガスを供給するガス供給手段と、前記真空槽内部の圧力を制御しながらガスを排気するガス排気手段とを備える薄膜半導体の製造装置において、
前記真空槽内部を、前記ドラムロールの一部と高周波電極とを含む薄膜半導体を形成するための反応室と、前記ドラムロールの他部とフィルム基板の搬送手段とを含む非反応室とに区分けし、前記反応室と非反応室との間であって前記ドラムロールと真空槽内壁との間に、前記反応ガスの流動を抑制するためのシール手段を設け、かつ、前記ガス供給手段とガス排気手段とは、前記反応室に連通して設け、さらに、前記非反応室には、加圧することにより反応ガスの非反応室への流入を防止するための補助ガス供給手段を設けてなるものとする（請求項１の発明）。
【００２２】
上記構成によれば、非反応室への反応ガスの流動が抑制され、反応生成物が非反応室に付着することがなくなり、非反応室付着物による薄膜欠陥の問題が解消できる。
【００２３】
また、前記請求項１の発明の実施態様として、下記の請求項２ないし７の発明が好適である。即ち、請求項１の発明において、前記ドラムロールは、フィルム基板を巻きつけるための円筒状のサセプターロールと加熱ロールとからなり、前記サセプターロールは、所定の間隙を保持するためのスペーサを介して加熱ロールに着脱可能に固定するものとする（請求項２の発明）。これにより、接地電極としてのサセプターロールのメンテナンスが容易となる。
【００２４】
さらに、前記請求項２の発明において、前記サセプターロールの接地電位を保持するために、サセプターロールと接地された加熱ロールとの間を電気的に接続するグランド保持手段を、前記サセプターロールと加熱ロールとの間に設けるものとすること（請求項３の発明）により、接地電位が安定し、異常放電の発生を抑止できる。
【００２５】
さらにまた、前記請求項３の発明において、前記グランド保持手段は、機械応力または熱応力吸収用の弾性部材を備えるものとすること（請求項４の発明）により、部材間の寸法誤差や熱膨張率の相違に基づく機械的応力が緩和でき、かつ接地電位の安定化が図れる。
【００２６】
また、接地電位をさらに安定化するためには、請求項５の発明のように、前記請求項１ないし４のいずれかに記載の発明において、前記高周波電極は、その反ドラムロール側に、高周波電極に沿って切欠き同心円筒状に配設したアースシールドを備えるものとするのが好ましい。
【００２７】
さらに、高周波電極のメンテナンスを容易にする観点から、下記請求項６の発明が好ましい。即ち、請求項１ないし５のいずれかに記載の製造装置において、前記非反応室は、ドラムロール室と巻だしロール室および巻取りロール室の３つの室に区分してなり、巻だしロール室とドラムロール室との間ならびに巻取りロール室とドラムロール室との間のフィルム基板貫通部に、フィルム基板を介して気密にシール可能なシールゲート手段を設け、さらに、前記真空槽の反応室側に配設する高周波電極は、前記シールゲート手段により前記各室間をフィルム基板を介して気密にシールした状態で、前記高周波電極を真空槽から着脱可能に配設してなるものとする。
【００２８】
上記構成により、高周波電極のメンテナンスの容易性以外に、高周波電極のメンテナンス時に、巻だしロール室および巻取りロール室を真空に保持できるので、フィルム基板の品質保持の上で好ましく、また、メンテナンス完了後の再スタート時の真空排気時間が軽減される。
【００２９】
また、請求項６の発明において、シールゲート手段は、図４に示したシール機構と同様の構成が好ましく、下記請求項７の発明が好適である。即ち、請求項６に記載の製造装置において、前記シールゲート手段は、前記フィルム基板貫通部に、フィルム基板を挟んで一方側に、シール材を有する座を設け、他方側に、フィルム基板をシール材に向けて押圧可能な部材を設けてなるものとする。
【００３０】
【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。
【００３１】
図１ないし図３は、本発明の薄膜半導体の製造装置の実施例の概略構成図である。図１は装置の全体構成を示し、図２はシール手段の詳細を示し、図３はドラムロールの詳細を示す。
【００３２】
図１に示す装置は、真空槽１内部に、フィルム基板８９の巻だしロール８２と巻取りロール８３と、補助ロール７やタッチロール８等を含むフィルム基板の搬送手段と、フィルム基板８９の一部を巻きつけてフィルム基板の表面に薄膜半導体を形成するために設けた，加熱手段を有する接地電極としてのドラムロール８０と、このドラムロール８０と対向して切欠き同心円筒状に配設した高周波電極（ＲＦ電極）７０とを有し、ＲＦ電極の支持部を兼ねた反応ガスを供給するガス供給手段１３と、ガス排気手段１６とを備える。
【００３３】
また、真空槽１内部は、前記ドラムロール８０の一部と高周波電極７０とを含む反応室１１と、前記ドラムロール８０の他部とフィルム基板の搬送手段とを含む非反応室１２とに区分けされ、反応室と非反応室との間には、詳細を図２に示すシール手段９が、ドラムロールと真空槽内壁との間に設けられ、前記反応ガスの流動を抑制するように構成される。
【００３４】
さらに、ガス供給手段１３とガス排気手段１６とは、反応室１１に連通して設けられ、非反応室には、加圧することにより反応ガスの非反応室への流入を防止するための補助ガス供給手段１７が設けられる。
【００３５】
上記構成において、巻だしロール８２から送り出したフィルム基板８９は、加熱されたドラムロール８０に巻き付け、対向するＲＦ電極（高周波電極）７０の支持部を兼ねたガス供給手段１３から、反応ガスを供給し、これをプラズマに分解して非晶質シリコン系膜又は微結晶膜をフィルム基板上に形成し、これを巻取りロール８３で巻き取るように構成されている。
【００３６】
また、図１において、７２はアースシールドであり、これにより、接地電位を安定化する。さらに、前記非反応室１２は、ドラムロール室１２ａと巻だしロール室１２ｂおよび巻取りロール室１２ｃの３つの室に区分してなり、巻だしロール室１２ｂとドラムロール室１２ａとの間ならびに巻取りロール室１２ｃとドラムロール室１２ａとの間のフィルム基板貫通部には、フィルム基板８９を介して気密にシール可能なシールゲート手段６を設けてある。さらにまた、高周波電極７０は、前記シールゲート手段６により前記各室間をフィルム基板を介して気密にシールした状態で、高周波電極７０を真空槽１から着脱できるように、反応室の底面部に、シール装置１８を介して、蓋板１９を締め付け固定する構造とし、蓋板１９およびアースシールド７０と共に、高周波電極７０が着脱可能に組立てられている。１４は、分解組立て用の昇降装置である。なお、シールゲート手段６の構造は、前述の請求項７の発明の記載とおりで、図１には、フィルム基板貫通部に、フィルム基板を挟んで一方側にシール材を有する座２５のみを図示している。
【００３７】
次に、図２により、反応室と非反応室との間に設けるシール手段９について、さらに詳しく説明する。図２（ａ）は図１と同方向からみた部分断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の上面図を示す。
【００３８】
シール手段９は、図２に示すように、ロール軸端シール２１とロール軸方向シール２２とからなる。ドラムロール８０と真空槽１内壁との間は、ドラムロール８０の軸方向の両端部と真空槽内壁との間、ならびに軸方向の左右両サイドと真空槽内壁との間に隙間があり、上記隙間に応じてそれぞれ、ロール軸端シール２１とロール軸方向シール２２とを配設する。
【００３９】
ロール軸端シール２１は、ドラムロール８０の回転を妨げないように、また、ロール軸方向シール２２は、基板フィルム８９を損傷しないようにする必要があり、そのために、シール材を真空槽内壁から、ソフトに弾性体で付勢するように構成する。基板フィルム８９を損傷しないように安全に搬送するためには、完全な気密は望めないが、前記補助ガス供給手段１７から、例えば水素ガスを導入して、非反応室側の圧力を、反応室側と同等以上とすることにより、反応ガスが、反応室側から非反応室側側へ漏れるのを防止することができる。
【００４０】
次に、図３により、ドラムロールの構造の実施例を示す。図３に示すドラムロールは、前記特願２０００−２５２７６９号に記載した構成と同様に、フィルム基板を巻きつけるための円筒状のサセプターロール８５と加熱ロール８４とからなり、サセプターロール８５は、所定の間隙を保持するためのピン状の保持スペーサ９１を介して加熱ロール８４に着脱可能に固定される。
【００４１】
また、前記サセプターロール８５の接地電位を保持するために、サセプターロール８５と接地される加熱ロール８４との間を電気的に接続するグランド保持手段９２を複数個、サセプターロール８５と加熱ロール８４との間に設ける。グランド保持手段９２の材質は、アルミニウムまたはステンレススティールである。
【００４２】
前記保持スペーサ９１は、加熱ロール８４を支点としてネジおよびバネなどにより間隙を調整するための図示しない微小調節機構を備える。保持スペーサ９１の個数は、ロールの直径や長さに依存する。
【００４３】
なお、保持スペーサは、加熱ロール８４の端部に備えることもできる。サセプターロール８５と加熱ロール８４の材質が異なり、加熱ロールが高温となって、熱歪の発生が問題となる場合には、端部保持スペーサは、バネや耐熱性のクッション材により、熱応力を吸収するように構成することができる。さらに、前記グランド保持手段９３も、機械応力または熱応力吸収用の弾性部材を備えるように構成することが望ましい。また、図３において、９３は、必要に応じて設けるサセプターロール温度検出用の温度センサで、基板の巻きつけの妨げにならない部位に設けることができる。
【００４４】
【発明の効果】
前述のように、この発明によれば、真空槽内部を、ドラムロールの一部と高周波電極とを含む薄膜半導体を形成するための反応室と、ドラムロールの他部とフィルム基板の搬送手段とを含む非反応室とに区分けし、反応室と非反応室との間であって前記ドラムロールと真空槽内壁との間に、反応ガスの流動を抑制するためのシール手段を設け、かつ、ガス供給手段とガス排気手段とを、反応室に連通して設け、さらに、非反応室には、加圧することにより反応ガスの非反応室への流入を防止するための補助ガス供給手段を設けてなるものとすることにより、
非反応室への反応ガスの流動が抑制され、反応生成物が非反応室に付着することがなくなり、非反応室付着物による薄膜欠陥の問題が解消できる。
【００４５】
また、高周波電極は、その反ドラムロール側に、高周波電極に沿って切欠き同心円筒状に配設したアースシールドを備えるものとすることにより、さらに、ドラムロールをサセプターロールと加熱ロールとから構成した場合には、グランド保持手段を、サセプターロールと加熱ロールとの間に設けるものとすることにより、接地電位の安定化により、放電発生の問題が解消できる。
【００４６】
さらにまた、非反応室を、ドラムロール室と巻だしロール室および巻取りロール室の３つの室に区分してなり、巻だしロール室とドラムロール室との間ならびに巻取りロール室とドラムロール室との間のフィルム基板貫通部に、フィルム基板を介して気密にシール可能なシールゲート手段を設け、さらに、真空槽の反応室側に配設する高周波電極は、シールゲート手段により前記各室間をフィルム基板を介して気密にシールした状態で、高周波電極を真空槽から着脱可能に配設してなるものとすることにより、高周波電極のメンテナンス性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の薄膜半導体の製造装置の実施例の概略構成全体図
【図２】図１に示す製造装置の反応室と非反応室との間のシール手段の構成図
【図３】図１に示す製造装置のドラムロールの構成図
【図４】従来の成膜室の概略構造の一例を示す図
【図５】図４とは異なる従来の成膜装置の一例を示す図
【符号の説明】
１：真空槽、６：シールゲート手段、９：シール手段、１１：反応室、１２：非反応室、１２ａ：ドラムロール室、１２ｂ：巻だしロール室、１２ｃ：巻取りロール室、１３：ガス供給手段、１６：ガス排気手段、１７：補助ガス供給手段、２５：座、７０：高周波電極、７２：アースシールド、８０：ドラムロール、８２：巻だしロール、８３：巻取りロール、８４：加熱ロール、８５：サセプターロール、８９：フィルム基板、９１：保持スペーサ、９２：グランド保持手段。

Claims

真空槽内部に、フィルム基板の巻だしロールと巻取りロールを含むフィルム基板の搬送手段と、フィルム基板の一部を巻きつけてフィルム基板の表面に薄膜半導体を形成するために設けた、加熱手段を有する接地電極としてのドラムロールと、このドラムロールと対向して切欠き同心円筒状に配設した高周波電極とを有し、前記真空槽内部へ薄膜半導体に応じた反応ガスを供給するガス供給手段と、前記真空槽内部の圧力を制御しながらガスを排気するガス排気手段とを備える薄膜半導体の製造装置において、
前記真空槽内部を、前記ドラムロールの一部と高周波電極とを含む薄膜半導体を形成するための反応室と、前記ドラムロールの他部とフィルム基板の搬送手段とを含む非反応室とに区分けし、
前記反応室と非反応室との間であって前記ドラムロールと真空槽内壁との間に、前記反応ガスの流動を抑制するためのシール手段を設け、かつ、前記ガス供給手段とガス排気手段とは、前記反応室に連通して設け、
さらに、前記非反応室には、加圧することにより反応ガスの非反応室への流入を防止するための補助ガス供給手段を設けてなることを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
請求項１に記載の製造装置において、前記ドラムロールは、フィルム基板を巻きつけるための円筒状のサセプターロールと加熱ロールとからなり、前記サセプターロールは、所定の間隙を保持するためのスペーサを介して加熱ロールに着脱可能に固定することを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
請求項２に記載の製造装置において、前記サセプターロールの接地電位を保持するために、サセプターロールと接地された加熱ロールとの間を電気的に接続するグランド保持手段を、前記サセプターロールと加熱ロールとの間に設けることを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
請求項３に記載の製造装置において、前記グランド保持手段は、機械応力または熱応力吸収用の弾性部材を備えることを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載の製造装置において、前記高周波電極は、その反ドラムロール側に、高周波電極に沿って切欠き同心円筒状に配設したアースシールドを備えることを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
請求項１ないし５のいずれかに記載の製造装置において、前記非反応室は、ドラムロール室と巻だしロール室および巻取りロール室の３つの室に区分してなり、巻だしロール室とドラムロール室との間ならびに巻取りロール室とドラムロール室との間のフィルム基板貫通部に、フィルム基板を介して気密にシール可能なシールゲート手段を設け、さらに、前記真空槽の反応室側に配設する高周波電極は、前記シールゲート手段により前記各室間をフィルム基板を介して気密にシールした状態で、前記高周波電極を真空槽から着脱可能に配設してなることを特徴とする薄膜半導体の製造装置。
請求項６に記載の製造装置において、前記シールゲート手段は、前記フィルム基板貫通部に、フィルム基板を挟んで一方側に、シール材を有する座を設け、他方側に、フィルム基板をシール材に向けて押圧可能な部材を設けてなるものとすることを特徴とする薄膜半導体の製造装置。