JP6239954B2 - 成膜方法、絶縁基板の製造方法、及びモジュール - Google Patents

Description

本発明は、成膜方法、絶縁基板の製造方法、及びモジュールに関するものである。

半導体デバイスや薄膜コンデンサなどの電子モジュールの中に使われている絶縁基板では、ガラスよりも強度を確保するため、特許文献１や特許文献２のように金属板の表面に絶縁材料を被膜しているものが用いられている。しかし、その金属板の表面に微細なダストが付着していると成膜した後からダストが取れてピンホールが生じてしまい、絶縁効果がなくなるという問題がある。

その対策として、例えば、特許文献３には、絶縁基板上に、下部電極と半導体層と上部電極とからなる半導体素子と、該半導体素子を覆って絶縁する層間絶縁膜と、該層間絶縁膜を介して配される配線と、これらを覆う絶縁保護膜とを備えて構成される読み取り装置の製造方法が開示されている。この製造方法では、絶縁保護膜の成膜を２度に分けて行っており、第１層を成膜し、その後、第１層の表面に第２層が成膜される。この絶縁基板では、第１層が成膜された後、第２層が成膜される前に、ピンホールの原因となったダストを除去する洗浄工程が実行される。その後に第１層の上から第２層を成膜し、第１層に生じたピンホールを埋没させている。これにより、第１層の表面のダストを核にして形成されるピンホールの発生が回避されている。前記洗浄工程には、エアーガン等により噴出気流を絶縁基板に当てたり、純水やフロンその他の液体中で絶縁基板を超音波洗浄したり、正あるいは負の静電気を帯電させたガスやイオン等を用いたり、更に吸引によって絶縁基板に付着している塵等を除去するものが含まれる。

しかしながら、前記洗浄工程は、気体や液体やイオン等の何らかの媒体を必要とするものであり、噴出気流を基板に向けて送風すること、液体中で絶縁基板を超音波洗浄すること、正あるいは負の静電気を帯電させたガスやイオン等を用いるために生成すること、および基板から全てのダストを吸引すること等の設備が必要であり、工程も複雑になる。

特開平７−２１１７１１号公報 実開昭６１−６２０２５号公報 特開平５−６９９１号公報

本発明は、製造工程を簡素化しつつ、品質の安定化を実現することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明の成膜方法は、
基板に薄膜を形成する方法において、
前記基板を第１温度まで加熱した後、前記基板に前記薄膜の第１層を厚さ１００ｎｍ〜１μｍで成膜し、前記第１温度の加熱により前記基板上のガス化可能な不純物をガス化して前記第１層から追い出して前記第１層に第１のピンホールを形成し、
前記第１層が成膜された前記基板を洗浄することなく前記第１温度より低い第２温度まで冷却して、前記基板の線膨張係数と前記第１層の線膨張係数の違い及び内部応力により前記基板上に付着したダストを外側に押し出して前記第１層に第２のピンホールを形成し、
前記第１層の表面に前記薄膜の第２層を成膜して前記第１のピンホールと前記第２のピンホールを埋めるようにした。

この方法によれば、基板を第１温度まで加熱し、基板に薄膜の第１層を成膜することにより、不純物の液体を蒸発させて除去した状態で薄膜の第１層を基板に成膜できる。その後、第１層が成膜された基板を第２温度まで冷却することにより、基板の線膨張係数と薄膜の第１層の線膨張係数との違い、及び内部応力により、基板上に付着した固体のダストを外側に押し出すことができる。その後、第１層からダストを除去した状態で第１層の表面に第２層を成膜できる。これにより、第１層の不純物の液体及び固体のダストの除去により形成された窪みを第２層で埋めることができる。つまり、基板の周囲の温度を調整するだけの簡易な操作でピンホールが形成されていない基板を製造できる。したがって、製造工程を簡素化しつつ、品質の安定化を実現できる。

また、前記課題を解決するための他の手段として、本発明の絶縁基板の製造方法は、
導電材料からなる基板に絶縁薄膜を形成する絶縁基板の製造方法において、
前記基板を第１温度まで加熱した後、前記基板に前記絶縁薄膜の第１層を厚さ１００ｎｍ〜１μｍで成膜し、前記第１温度の加熱により前記基板上のガス化可能な不純物をガス化して前記第１層から追い出して前記第１層に第１のピンホールを形成し、
前記第１層が成膜された前記基板を洗浄することなく前記第１温度より低い第２温度まで冷却して、前記基板の線膨張係数と前記第１層の線膨張係数の違い及び内部応力により前記基板上に付着したダストを外側に押し出して前記第１層に第２のピンホールを形成し、
前記第１層の表面に前記絶縁薄膜の第２層を成膜して前記第１のピンホールと前記第２のピンホールを埋めるようにした。

この方法によれば、基板を第１温度まで加熱し、基板に絶縁薄膜の第１層を成膜することにより、不純物の液体を蒸発させて除去した状態で絶縁薄膜の第１層を基板に成膜できる。その後、第１層が成膜された基板を第２温度まで冷却することにより、基板の線膨張係数と絶縁薄膜の第１層の線膨張係数との違い、及び内部応力により、基板上に付着した固体のダストを外側に押し出すことができる。その後、第１層からダストを除去した状態で第１層の表面に第２層を成膜できる。これにより、第１層の不純物の液体及び固体のダストの除去により形成された窪みを第２層で埋めることができる。つまり、基板の周囲の温度を調整するだけの簡易な操作でピンホールが形成されていない絶縁基板を製造できる。したがって、製造工程を簡素化しつつ、品質の安定化を実現できる。

前記基板は金属であることが好ましい。この方法によれば、ガラス基板と比較して強度を向上させた絶縁基板を製造できる。また、平面に加えて、平面以外の面を有する絶縁基板も形成できる。

前記第１温度は２００〜３００℃であり、前記第２温度は常温であることが好ましい。この方法によれば、基板の周囲の温度を第１温度または第２温度に調整するだけの簡易な操作で、基板の線膨張係数と絶縁薄膜の第１層の線膨張係数との違い、及び内部応力により、第１層中の不純物の液体や基板上に付着した固体のダストを確実に外側に押し出すことができる。したがって、製造工程を簡素化しつつ、品質の安定化を実現できる。

前記第１層の厚さは、１００ｎｍ〜１μｍであり、第１層により不純物の液体やダスト全体が覆われて第１層の内部に不純物の液体やダストが閉じ込められることを回避できるので、基板上に付着した不純物の液体やダストを確実に外側に押し出すことができる。したがって、基板上のダストを確実に除去した後に、第２層を成膜することで、ピンホールの無い絶縁薄膜に仕上げることができ、製品の不良が減る。

また、本発明を利用して作られた絶縁基板を用いて製造される電子モジュールについては、導電材料からなる基板を第１温度まで加熱して前記基板に厚さ１００ｎｍ〜１μｍで成膜された第１層と、前記第１層が成膜された基板を前記第１温度より低い第２温度まで冷却して前記第１層の表面に成膜された第２層とからなる絶縁薄膜が形成された絶縁基板と、前記絶縁基板の前記絶縁薄膜の表面に設けられた接合部と前記絶縁薄膜の上層に設けられた電極部との間に異種材質の層を有する複数のセルとを備え、前記セルの電極部によって異なるセルの接合部に他方が接続することにより電気的に接続して前記複数のセルを直列に配置した。

この構成によれば、セルを電気的に直列に接続して複数配置でき、短絡を生じることなく前記複数のセルの数に対応した性能を確保できる。

前記モジュールは発電モジュールであることが好ましい。

本発明によれば、基板を第１温度まで加熱し、基板に絶縁薄膜の第１層を成膜することにより、不純物の液体を蒸発させて除去した状態で絶縁薄膜の第１層を基板に成膜できる。その後、第１層が成膜された基板を第２温度まで冷却することにより、基板の線膨張係数と絶縁薄膜の第１層の線膨張係数との違い、及び内部応力により、基板上に付着した固体のダストを外側に押し出すことができる。その後、第１層からダストを除去した状態で第１層の表面に第２層を成膜できる。これにより、第１層の不純物の液体及び固体のダストの除去により形成された窪みを第２層で埋めることができる。つまり、従来のように、気体や液体やイオンのような媒体を使用したり発生させたりする装置の必要が全くなく、基板の周囲の温度を調整するだけの簡易な操作でピンホールが形成されていない絶縁基板を製造できる。したがって、製造工程を簡素化しつつ、品質の安定化を実現できる。また、基板の加熱機構は、通常の成膜装置には通常具備されていることが多いので、新たに特別な装置を取り付ける必要もない。

（ａ）から（ｆ）は本発明の絶縁基板製造時の各状態を示す図。 本発明の絶縁基板の製造方法が適用された発電モジュールの断面の模式図を示す。 ピンホールが発生した場合の、従来の絶縁基板の製造方法が適用された発電モジュールの断面の模式図を示す。

以下、本発明の実施の形態の一例を図面に従って説明する。なお、以下の説明の「絶縁基板」とは、金属基板に絶縁薄膜を形成したものを示す。

図３は、従来の絶縁基板の製造方法が適用された発電モジュール（以下、モジュールとする。）１を示す。モジュール１は、絶縁基板１０の上に設けられた複数のセル１５を備えている。

絶縁基板１０は、基板１１と絶縁薄膜１２とを備えている。基板１１は、金属からなっている。本実施形態における基板１１は、ＳＵＳ４３０である。絶縁薄膜１２は、１層のＳｉＯ_２からなっている。

複数のセル１５は、互いに間隔をあけて配置されている。セル１５は、絶縁基板１０の絶縁薄膜１２側に接合部１６を備えている。接合部１６は、モリブデン薄膜からなっている。接合部１６の上には、ＣＩＧＳ層１７、バッファ層１８、透明電極層１９がこの順で積層されている。モジュール１では、複数のセル１５が電気的に直列に配置されるように、１つのセル１５と別のセル１５とが透明電極層１９により接続されている。従来方法で絶縁薄膜７μｍの膜厚では、絶縁薄膜１２にピンホール２４が形成され、絶縁薄膜１２の上に接合部１６として堆積される導電材料のモリブデンがピンホールを埋めることにより、ピンホール内のモリブデンを通じて、図中の点線矢印のように離れて配置された２つのセル１５の接合部１６、１６間が導通していた。

次に、本発明の絶縁基板の製造方法が適用されたモジュールを図２に示す。絶縁薄膜１２は、第１層１３および第２層１４の２回に分けて成膜される。第１層１３は、基板１１の表面に成膜され、第２層１４は第１層１３の表面全体に成膜されている。第１層１３は、成膜中に付着する可能性のあるダストのうち、最も大きいものの径の半分程度の１００ｎｍ〜１μｍの厚さに成膜される。本実施形態では、５００ｎｍである。絶縁膜１２は、３μｍ〜３０μｍの厚さに成膜される。本実施形態では、７μｍである。

本発明の絶縁基板１０の製造方法について図１で説明する。これは、下から成膜しているものを示すので、図２とは上下が逆になる。図１（ａ）は基板１１にダスト２２や、水分、油分のようなガス化可能な不純物２３が付着している状態を示す。この状態の基板１１を２００℃（水分や油分の蒸発温度より高い第１温度）に加熱し、図１（ｂ）に示すように、基板１１の表面に第１層１３を成膜する。その際、図１（ｃ）に示すように、前記加熱によって、第１層１３に含まれるガス化可能な不純物２３はガス化して第１層１３から追い出される。その後、第１層１３にピンホール２４が形成される。第１層１３は、ダスト２２が位置する領域以外の領域に成膜される。

次に、第１層１３が成膜された基板１１を常温（第２温度）まで冷却する。これにより、図１（ｄ）及び（ｅ）に示すように、基板１１の線膨張係数と絶縁薄膜１２の第１層１３の線膨張係数との違い、及び内部応力により、基板１１上に付着したダスト２２は外側に押し出される。その後、第１層１３にピンホール２５が形成される。次に、図１（ｆ）に示すように、第１層１３の表面全体に第２層１４を成膜する。このようにして、基板１１では、ダスト２２やガス化可能な不純物２３を除去して発生させたピンホール２４，２５が第２層１４により埋められ、基板１１の表面にピンホールの無い絶縁薄膜１２が成膜される。つまり、基板１１の周囲の温度を調整するだけの簡易な操作で絶縁基板１０を製造できる。

本発明によれば、ピンホール２４，２５が第２層１４で埋められるので、接合部１６、１６間の導通が回避され、製造工程を簡素化しつつ、品質の安定化を実現できる。特に、セル１５を電気的に直列に接続して複数配置でき、短絡を生じることなく複数のセル１５の数に対応した性能を確保できる。

また、基板１１が金属材料からなっているので、ガラス基板と比較して強度を向上させた絶縁基板１０を製造できる。また、平面に加えて、平面以外の面を有する絶縁基板１０も形成できる。

基板１１の周囲の温度を第１温度または第２温度に調整するだけの簡易な操作で、基板１１の線膨張係数と絶縁薄膜１２の第１層１３の線膨張係数との違い、及び内部応力により、第１層１３中のガス化可能な不純物２３の液体や基板１１上に付着した固体のダスト２２を確実に外側に押し出すことができる。

第１層１３の厚さを１００ｎｍ〜１μｍに成膜するので、第１層１３によりガス化可能な不純物２３の液体やダスト２２全体が覆われて第１層１３の内部にガス化可能な不純物２３の液体やダスト２２が閉じ込められることを回避できるので、基板１１上に付着したガス化可能な不純物２３の液体やダスト２２を確実に外側に押し出すことができる。本発明は、どの成膜方向に対しても適用が可能であるが、基板１１の成膜する面を下向き、もしくは縦、あるいは斜め下向きにして成膜するのが好ましい。そのようにすると、外側に押し出されたダスト２２が重力で落下するため、より確実に基板１１からダスト２２を除去できる。また、そのような向きで成膜すれば、基板１１の線膨張係数と絶縁薄膜１２の第１層１３の線膨張係数との違いによってピンホール２５の径がダスト２２の径より広がる方向に作用した場合でも、ダスト２２がピンホール２５から剥離して落下することにより除去できる（「押し出し」とは反対の作用）。

（実施例）
（実験１）
表１に示すように、基板としてＳＵＳ４３０を使用し、絶縁薄膜としてＳｉＯ_２を使用して、イオンプレーティング法を用いて、２種類の絶縁基板を作製した。そのうちの１つは、本発明の絶縁基板１０の製造方法を用いて作製したものであり、もう１つは従来の製造方法により作製したものである。すなわち、一方はピンホール対策が施されており、他方はピンホール対策が施されていない。そして、作製した絶縁基板の絶縁性能を評価するため、ＳＵＳ４３０基板の上に１５ｍｍ×１５ｍｍサイズのモリブデン薄膜からなる９つの電極をスパッタにより成膜し、両者の絶縁性能を評価した。その結果を表２に示す。

表２に示すように、比較例の絶縁基板では、ＳｉＯ_２薄膜は９つの電極中１つのみ絶縁が達成されているが、実施例の絶縁基板では、ＳｉＯ_２薄膜は９つの電極中全ての電極で絶縁が達成されていることが確認できた。これにより、実施例において、本願発明の効果を奏することが確認できた。

（実験２）
基板１１としてＳＵＳ４３０を使用し、絶縁薄膜１２としてＳｉＯ_２を使用して、イオンプレーティング法を用いて、本発明の絶縁基板１０の製造方法により絶縁基板１０を作製した。そして、作製した絶縁基板１０を用いて製造した発電モジュール１の性能を評価するため、後述する比較例１及び２の発電モジュールとの比較を行った。

（サンプルの作製）
第１段階として、基板１１を２００℃に加熱し、絶縁薄膜１２の第１層１３を５００ｎｍの厚さで基板１１の表面に成膜した。
第２段階として、常温まで冷却した。
第３段階として、基板１１を２００℃に再度加熱し、第１層１３の表面に第２層１４を成膜した。第１層１３と第２層１４とを合わせた絶縁薄膜１２の厚さが７μｍとなるように成膜した。作製した絶縁基板１０を用いて発電モジュール１を作製した。

（比較例１のサンプルの作製）
基板としてガラスを使用し、絶縁薄膜としてＳｉＯ_２を使用して、イオンプレーティング法を用いて、従来の製造方法により絶縁基板を作製した。作製した絶縁基板を用いて発電モジュールを作製した。

（比較例２のサンプルの作製）
基板としてＳＵＳ４３０を使用し、絶縁薄膜としてＳｉＯ_２を使用して、イオンプレーティング法を用いて、従来の製造方法により絶縁基板を作製した（作製した絶縁基板はピンホール対策が施されていない。）。作製した絶縁基板を用いて発電モジュールを作製した。

各サンプルの基板とセルのモリブデン薄膜との間の抵抗値を測定した。測定結果を表４に示す。

表４に示すように、比較例１の発電モジュールでは、基板とセルのモリブデン薄膜との間の抵抗値は、測定装置の測定範囲をはるかに上回る値となり、測定不能（無限大）であった。比較例２の発電モジュールでは、基板とセルのモリブデン薄膜との間の抵抗値は、１２０Ωであった。実施例の発電モジュール１では、基板１１とセル１５のモリブデン薄膜１６との間の抵抗値は、１０ＭΩであった。以上の結果より、基板として導電材料でないガラスを使用した比較例１の発電モジュールでは、抵抗値が極めて大きくなっていることが分かる。そして、実施例のピンホール対策が施された発電モジュール１では、抵抗値は、ピンホール対策が施されていない比較例２の発電モジュールにおける抵抗値よりもはるかに大きな値となっており、本願発明の効果を奏することが確認できた。なお、いずれの発電モジュールにおいても、光の電力変換効率は、実用に耐え得る範囲内であり、実施例の発電モジュールについて特に問題は生じない。

なお、本発明の絶縁基板１０の製造方法は、前記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、基板１１は、ＳＵＳ４３０以外であってもよい。また、第１層１３と第２層１４とは異なる材料であってもよい。また、モジュール１のセル１５の数は、６つ以外であってもよい。

前記実施形態では、イオンプレーティング法を挙げたが、真空成膜一般（スパッタリング・真空蒸着・ＣＶＤ・ＰＶＤ等）に適用可能である。また、適用する基板として、ピンホールを嫌う絶縁薄膜やバリア膜を成膜する場合が特に有効である。基板が金属薄板やプラスチックフィルムである場合、Roll to Rollプロセス内で、第１段階の加熱ロールで薄く成膜（第１層）し、第２段階の冷却ロールで冷却し、第３段階の加熱ロールで目的とする膜厚まで膜（第２層）を成膜するような工程にも適用できる。

１ 発電モジュール
１０ 絶縁基板
１１ 基板
１２ 絶縁薄膜
１３ 第１層
１４ 第２層
１５ セル
１６ 接合部（モリブデン薄膜）
１７ ＣＩＧＳ層
１８ バッファ層
１９ 透明電極層
２２ ダスト
２３ 不純物
２４ ピンホール
２５ ピンホール

Claims (6)

1. 基板に薄膜を形成する方法において、
   前記基板を第１温度まで加熱した後、前記基板に前記薄膜の第１層を厚さ１００ｎｍ〜１μｍで成膜し、前記第１温度の加熱により前記基板上のガス化可能な不純物をガス化して前記第１層から追い出して前記第１層に第１のピンホールを形成し、
   前記第１層が成膜された前記基板を洗浄することなく前記第１温度より低い第２温度まで冷却して、前記基板の線膨張係数と前記第１層の線膨張係数の違い及び内部応力により前記基板上に付着したダストを外側に押し出して前記第１層に第２のピンホールを形成し、
   前記第１層の表面に前記薄膜の第２層を成膜して前記第１のピンホールと前記第２のピンホールを埋めることを特徴とする成膜方法。
2. 導電材料からなる基板に絶縁薄膜を形成する絶縁基板の製造方法において、
   前記基板を第１温度まで加熱した後、前記基板に前記絶縁薄膜の第１層を厚さ１００ｎｍ〜１μｍで成膜し、前記第１温度の加熱により前記基板上のガス化可能な不純物をガス化して前記第１層から追い出して前記第１層に第１のピンホールを形成し、
   前記第１層が成膜された前記基板を洗浄することなく前記第１温度より低い第２温度まで冷却して、前記基板の線膨張係数と前記第１層の線膨張係数の違い及び内部応力により前記基板上に付着したダストを外側に押し出して前記第１層に第２のピンホールを形成し、
   前記第１層の表面に前記絶縁薄膜の第２層を成膜して前記第１のピンホールと前記第２のピンホールを埋めることを特徴とする絶縁基板の製造方法。
3. 前記基板は金属であることを特徴とする請求項２に記載の絶縁基板の製造方法。
4. 前記第１温度は２００〜３００℃であり、前記第２温度は常温であることを特徴とする
   請求項２または３に記載の絶縁基板の製造方法。
5. 導電材料からなる基板を第１温度まで加熱して前記基板に厚さ１００ｎｍ〜１μｍで成膜された第１層と、前記第１層が成膜された基板を洗浄することなく前記第１温度より低い第２温度まで冷却して前記第１層の表面に成膜された第２層とからなる絶縁薄膜が形成された絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記絶縁薄膜の表面に設けられた接合部と前記絶縁薄膜の上層に設けられた電極部との間に異種材質の層を有する複数のセルと
   を備え、
   前記セルの電極部によって異なるセルの接合部に他方が接続することにより電気的に接続して前記複数のセルを直列に配置したことを特徴とするモジュール。
6. 前記モジュールは発電モジュールであることを特徴とする請求項５に記載のモジュール。

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