專利名稱：多層膜形成方法及用于該方法的膜沉積裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多層膜形成方法，更具體地涉及包括具有不同厚度的多個(gè)層的薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件等的多層膜形成方法，并且涉及用于該方法的膜沉積裝置。2.相關(guān)技術(shù)作為薄膜光電轉(zhuǎn)換元件的制造方法，已知的方法有用非晶硅作為主要材料將包括光伏轉(zhuǎn)換層的多層膜形成在襯底上。雖然經(jīng)常將諸如玻璃襯底的片狀襯底用作襯底，但還有時(shí)使用由塑料膜或金屬薄板形成的細(xì)長的、帶狀的柔性襯底。作為膜沉積裝置的配置，有這樣一種配置用安裝在公共腔中的機(jī)械手夾住襯底 (片狀襯底)，運(yùn)送至置于其周邊的膜沉積腔，并進(jìn)行膜沉積；或者有這樣一種直列式配置 多個(gè)膜沉積腔或膜沉積區(qū)沿著襯底(片狀襯底或細(xì)長襯底)的傳送路徑安裝，且在傳送襯底的同時(shí)進(jìn)行膜沉積。盡管后面的直列式處理的自由度比前一類型的自由度低，但是該直列式處理是優(yōu)選的，因?yàn)闇p少了傳送所需的時(shí)間。作為直列式膜沉積裝置，存在步進(jìn)膜沉積類型和連續(xù)膜沉積類型兩種，在步進(jìn)膜沉積類型中以預(yù)定步距間歇地傳送襯底，且當(dāng)停止傳送時(shí)進(jìn)行膜沉積；而在連續(xù)膜沉積類型中在以預(yù)定速度連續(xù)傳送襯底的同時(shí)進(jìn)行膜沉積。在步進(jìn)膜沉積型膜沉積裝置中，通過將膜沉積腔制成打開/關(guān)閉型或在膜沉積腔之間安裝閘門閥等(例如，如JP-A-11-145060中所示)來抑制膜沉積區(qū)之間氣體的混合， 且因?yàn)橛锌赡芊謩e控制各膜沉積區(qū)中的膜沉積時(shí)間，該類型適合于包括具有不同膜質(zhì)量或厚度的多個(gè)層的多層膜形成。在日本專利No. 3，255，903中公開了在膜沉積腔之間安裝氣體閘。但是，存在的問題在于，安裝這些密封結(jié)構(gòu)不僅帶來成本上升，而且必須根據(jù)要形成的層的數(shù)量來設(shè)置膜沉積腔，且裝置尺寸增大。另一方面，在連續(xù)膜沉積型膜沉積裝置中，因?yàn)椴恍枰謩e設(shè)定傳送時(shí)間和膜沉積時(shí)間，當(dāng)沉積具有一致的膜質(zhì)量和厚度的層時(shí)，可獲得高生產(chǎn)率。但是，在包括具有不同膜質(zhì)量和厚度的多個(gè)層的多層膜形成的情況下，必需切換原料氣體且針對(duì)每一層進(jìn)行膜沉積，且為了抑制雜質(zhì)擴(kuò)散，必需在切換氣體時(shí)執(zhí)行與膜沉積步驟分離開的余氣排除步驟，如 JP-A-10-22518 和 JP-A-2000-183380 所述。此外，由于要形成的層的厚度取決于膜沉積時(shí)間，而膜沉積時(shí)間由傳送速度所確定，因此有必要根據(jù)各層的厚度(膜沉積時(shí)間)改變傳送速度。針對(duì)薄層以相對(duì)快的傳送速度進(jìn)行膜沉積、而針對(duì)厚層以相對(duì)慢的傳送速度進(jìn)行膜沉積是必要的。在該情況下，尤其在諸如薄膜光伏電池的包括具有不同膜質(zhì)量和厚度的多個(gè)層的多層膜形成的情況下，有必要采用寬泛變化范圍的傳送速度，且裝置成本上升。雖然存在使馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度可變從而使傳送速度可變的各種速度控制方法，但是在諸多情況下，速度控制的精確度取決于馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度。因此，當(dāng)傳送速度變化范圍增大時(shí)，傳送速度的控制精確度相應(yīng)降低，厚度波動(dòng)增大，且還存在產(chǎn)品特性劣化的風(fēng)險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已考慮了已知技術(shù)的上述各種問題，且目的在于提供多層膜形成方法及用于該方法的膜沉積裝置，其抑制包括具有不同厚度的多個(gè)層的多層膜中的厚度波動(dòng)，且可使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定并降低設(shè)備及制造成本。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，發(fā)明者在仔細(xì)考慮后獲得了以下發(fā)現(xiàn)并設(shè)計(jì)了本發(fā)明。通常， 包括具有不同膜質(zhì)量和厚度的多個(gè)層的多層膜由基本層和附加層來配置，基本層確定膜的功能而附加層(界面層等)根據(jù)需要添加在基本層之間，其中附加層通常比基本層薄，且一般情況下相鄰層之間的原料氣體的組分是類似的。雖然多層膜形成中的之前描述的問題是由這種膜質(zhì)量或厚度的變化所引起的，a 在附加層中，多層膜的本征功能即使在相鄰層之間發(fā)生氣體相互擴(kuò)散(假若其量極小)的情況下也不被破壞，以及b 歸因于膜沉積狀況均衡化的產(chǎn)品質(zhì)量改善足以超過歸因于這種微量相互擴(kuò)散的對(duì)于本征功能的影響。S卩，本發(fā)明的第一方面采用一種通過氣相化學(xué)反應(yīng)在襯底的至少一個(gè)表面上用組分不同的原料氣體形成三個(gè)或更多個(gè)層的多層膜形成方法，該方法包括準(zhǔn)備膜沉積裝置的步驟，該膜沉積裝置沿著襯底的傳送路徑至少具有第一和第二膜沉積部，且在傳送路徑的任一端處具有該襯底的供給/回收部；第一傳送及膜沉積步驟，在沿著傳送路徑以第一速度持續(xù)地傳送襯底的同時(shí)在傳送路徑上的不同膜沉積部中依次層疊不同層的工藝中，向第一和第二膜沉積部的每一個(gè)同時(shí)供給組分彼此相似的第一和第二原料氣體，以及形成包括第一和第二層的多個(gè)疊層，該第一和第二層的組分彼此相似；以及第二傳送及膜沉積步驟，在第一傳送及膜沉積步驟之前或之后沿著傳送路徑以第二速度持續(xù)地傳送襯底的同時(shí)，向第一和第二膜沉積部的每一個(gè)供給其組分與第一和第二原料氣體的組分不同的第三原料氣體，以及形成組分與所述第一和第二層的組分不同的第三層，其中第一和第二原料氣體的組分彼此基本相同。在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法中，如上所述地，通過在第一傳送及膜沉積步驟中同時(shí)形成原料氣體組分彼此相似的疊層(包括第一和第二層的多個(gè)層)，多個(gè)層包括通過層疊在襯底而依次形成的第一和第二層，而在單獨(dú)的第二傳送及沉積步驟中形成原料組分與第一及第二層的原料組分不同的第三層，有可能減小第一速度(第一傳送及膜沉積步驟的傳送速度)與第二速度(第二傳送及膜沉積步驟的傳送速度)之差，即減小傳送速度變化范圍，且與每一傳送及膜沉積步驟的膜沉積時(shí)間和傳送速度相等，且第一層、第二層、第三層均分別沉積的情形相比，有可能降低裝置成本。另外，通過減小傳送速度變化范圍，改進(jìn)傳送速度控制精確度，且有可能使諸如厚度或膜質(zhì)量的產(chǎn)品質(zhì)量項(xiàng)穩(wěn)定。此外，不發(fā)生膜沉積裝置的尺寸變得過大的情形，這不同于在間歇步驟中饋送襯底并在每個(gè)停止時(shí)間段相繼沉積多個(gè)層的情形，并且另外，與分別沉積各層的情形相比，有可能減小傳送及膜沉積步驟的數(shù)目，減小在傳送及膜沉積步驟之間的氣體切換步驟的頻度，以及減小傳送路徑端部中的襯底供給/回收部的操作頻率，且另一優(yōu)點(diǎn)為簡(jiǎn)化制造工藝。根據(jù)以上前提，根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法中第三層的厚度大于包括第一層和第二層的多個(gè)層的合計(jì)厚度是有利的?？紤]到通用性和制造成本，以相同規(guī)格配置安裝在第一和第二膜沉積部的每一個(gè)中進(jìn)行氣相化學(xué)反應(yīng)的成對(duì)電極是有利的，且在使用這種設(shè)備配置的情況下，通過使用第一和第二膜沉積部的每一個(gè)來沉積厚度大的第三層，有可能改善膜沉積處理效率(當(dāng)電極面積為兩倍大時(shí)，傳送速度可變?yōu)閮杀犊?，且膜沉積時(shí)間可減半)。根據(jù)相同前提，在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法中第三層的厚度是包括第一層和第二層的多個(gè)層的合計(jì)厚度的兩倍或更大是有利的，且形成第三層的第二傳送及膜沉積步驟可分多次來進(jìn)行。即使在厚度差異大時(shí)也不需要擴(kuò)展傳送速度變化范圍，且有可能實(shí)現(xiàn)具有穩(wěn)定質(zhì)量的膜沉積步驟。在該情況下，盡管傳送及膜沉積步驟的數(shù)目增加了第二傳送及膜沉積步驟分次進(jìn)行的次數(shù)，但是不需要傳送及膜沉積步驟之間的氣體切換步驟，且制造工藝不會(huì)變得麻煩。在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法中，假定這樣一種情形第一和第二原料氣體包括添加成分，該添加成分彼此成分相同但量不同，而第三原料氣體不包括該添加成分。替代地，假定這樣一種情形該第一和第二原料氣體的主氣體的濃度彼此不同，且只有距第三層較遠(yuǎn)的原料氣體包括添加成分，而第三原料氣體不包括該添加成分。根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法可尤其優(yōu)選在這樣一種情形下實(shí)現(xiàn)多層膜是具有p-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)的薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件，其中第一和第二層是P型半導(dǎo)體層和p/i 界面層或η型半導(dǎo)體層和n/i界面層，而第三層是i型半導(dǎo)體層。在具有p-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)的薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件中，形成發(fā)電層的i型半導(dǎo)體層的厚度大于另一 P型半導(dǎo)體層和η型半導(dǎo)體層的厚度，且大于P型半導(dǎo)體層、η型半導(dǎo)體層、與該 P型半導(dǎo)體層相鄰的P/i界面層以及與該η型半導(dǎo)體層相鄰的n/i界面層的合計(jì)厚度。另外，P/i界面層和n/i界面層的原料氣體組分與它們分別相鄰的ρ型半導(dǎo)體層和η型半導(dǎo)體層的原料氣體組分相近。因此，通過在一個(gè)傳送及膜沉積步驟中同時(shí)形成各自的層疊的 P型半導(dǎo)體層和P/i界面層、以及η型半導(dǎo)體層和n/i界面層，且在單獨(dú)的傳送及膜沉積步驟中使用第一和第二膜沉積部?jī)烧咝纬奢^厚的i型半導(dǎo)體層，由于當(dāng)沉積厚度較薄的P型半導(dǎo)體層、p/i界面層、η型半導(dǎo)體層、以及n/i界面層時(shí)傳送速度(第一速度)減半，而當(dāng)沉積較厚i型半導(dǎo)體層時(shí)傳送速度(第二速度)增大至兩倍的疊加效應(yīng)，因此即使在i型半導(dǎo)體層和各其它層的厚度差為8倍或更大的情況下，也有可能將速度變化范圍(第一速度與第二速度之差)減小至極小范圍。另外，根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法可尤其優(yōu)選在這樣一種情形下實(shí)現(xiàn)多層膜是具有P-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)的薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件，第一和第二層是ρ型半導(dǎo)體層和p/i 界面層或η型半導(dǎo)體層和n/i界面層，添加成分是對(duì)應(yīng)于各個(gè)類型的摻雜氣體，而第三層是 i型半導(dǎo)體層。雖然極小，但是在ρ型半導(dǎo)體層和與其相鄰的p/i界面層之間、以及η型半導(dǎo)體層和與其相鄰的n/i界面層之間，存在對(duì)應(yīng)于各ρ型和η型的摻雜氣體的濃度設(shè)定的容限范圍，且根據(jù)歸因于膜沉積狀況均衡化的控制精確度的改善、以及所伴隨的膜分布的均勻性取得的優(yōu)勢(shì)勝過濃度設(shè)定在這種容限范圍內(nèi)的波動(dòng)。在傳送路徑的任一端處的供給/回收部之間往返地傳送襯底的同時(shí)實(shí)現(xiàn)包括第一和第二傳送及膜沉積步驟的多個(gè)傳送及膜沉積步驟時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法尤其優(yōu)選。如上所述，由于各傳送及膜沉積步驟的膜沉積時(shí)間和傳送速度被均衡化，且傳送速度變化范圍小，因此根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法最適于在往返地傳送襯底的同時(shí)沉積膜。
在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法中，準(zhǔn)備膜沉積裝置的步驟優(yōu)選包括，準(zhǔn)備一膜沉積裝置，該膜沉積裝置具有經(jīng)由可讓襯底通過的狹縫相互連通的第一和第二膜沉積腔作為第一和第二膜沉積部，且第一和第二膜沉積腔的內(nèi)部各自平行地排列有至少一對(duì)膜沉積電極。根據(jù)該配置，由于即使將膜沉積部沿傳送路徑相鄰地放置時(shí)，膜沉積部之間的氣體擴(kuò)散也被抑制，且減小傳導(dǎo)，因此有可能實(shí)現(xiàn)良好的膜沉積步驟。此外，在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法中，準(zhǔn)備膜沉積裝置的步驟優(yōu)選包括，準(zhǔn)備一膜沉積裝置，在該膜沉積裝置中，在第一和第二膜沉積腔的至少一個(gè)腔內(nèi)部平行地排列有至少兩對(duì)膜沉積電極。在該配置中，與第一層和第二層分派至第一和第二膜沉積腔的情形不同，通過將膜沉積腔中的各成對(duì)電極分派給與第一層或第二層相鄰且具有相似組分的層(例如，各類型的第二界面層或各類型的第二半導(dǎo)體層)，有可能同時(shí)形成更多層，且另外，通過改變分派給第一層和第二層的成對(duì)電極的分布，也有可能對(duì)第一層和第二層具有不同厚度的情形作出響應(yīng)。當(dāng)準(zhǔn)備膜沉積裝置的步驟包括，準(zhǔn)備一膜沉積裝置，該膜沉積裝置具有在公共真空腔內(nèi)部平行地排列的至少兩對(duì)膜沉積電極作為第一和第二沉積部時(shí)，也可獲得以上所述種類的優(yōu)點(diǎn)。但是，與包括經(jīng)由狹縫彼此連通的多個(gè)膜沉積腔的情形相比，能夠用來同時(shí)進(jìn)行膜沉積的原料氣體組合的條件是嚴(yán)格的。即，即使在形成分離膜的兩個(gè)或多個(gè)膜沉積部相鄰的情況下，因?yàn)樵撆渲弥惺褂孟嗨茪怏w的膜沉積相鄰(如同根據(jù)本發(fā)明的第一方面的配置)，即使在沒有邊界的情況下膜沉積也是可能的，但是在經(jīng)由狹縫彼此連通的相鄰膜沉積腔的情況下各個(gè)層的膜質(zhì)量更佳。在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法中，尤其優(yōu)選的是，該襯底是帶狀襯底，準(zhǔn)備膜沉積裝置的步驟包括，準(zhǔn)備一膜沉積裝置，該膜沉積裝置將襯底的退繞/卷繞部作為供給/回收部，且每一個(gè)轉(zhuǎn)送及膜沉積步驟包括，從一個(gè)退繞/卷繞部中的輥退繞該襯底，以及將通過各個(gè)膜沉積部沉積了膜的襯底卷繞至另一退繞/卷繞部中的輥。然而，根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法還可按以下形式實(shí)現(xiàn)該襯底是片狀襯底，準(zhǔn)備膜沉積裝置的步驟包括，準(zhǔn)備一膜沉積裝置，該膜沉積裝置將襯底存儲(chǔ)設(shè)備作為供給/回收部，且每一個(gè)傳送及膜沉積步驟包括，饋送存貯在一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備中的襯底， 以及將通過各個(gè)膜沉積部沉積了膜的襯底存儲(chǔ)在另一存儲(chǔ)設(shè)備中。本發(fā)明還涉及用于實(shí)現(xiàn)多層膜形成方法的膜沉積裝置。即，根據(jù)本發(fā)明的第二方面的膜沉積裝置包括傳送設(shè)備，其可在正向和反向兩個(gè)方向上以預(yù)定傳送速度持續(xù)地傳送襯底；第一和第二供給/回收部，其置于襯底的傳送路徑的第一和第二端處，且可供給和回收襯底；第一和第二膜沉積部，其沿著襯底的傳送路徑放置，經(jīng)由可讓襯底通過的狹縫彼此連通；氣體供給單元，其用于分別向第一和第二膜沉積部供給原料氣體；以及真空排氣單元，其用于分別對(duì)第一和第二膜沉積部進(jìn)行排氣，其中該氣體供給單元包括在第一氣體供給模式和第二氣體供給模式之間進(jìn)行切換的一單元，通過第一氣體供給模式可同時(shí)向第一和第二膜沉積部供給組分彼此相似的第一和第二原料氣體，而通過第二氣體供給模式可向第一和第二沉積部供給組分與第一和第二原料氣體的組分不同的第三原料氣體，其中第一和第二原料氣體的組分彼此基本相同。在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的膜沉積裝置的優(yōu)選形式中，該氣體供給單元包括第一和第二氣體供給管道，其向第一和第二膜沉積部供給原料氣體；第一和第二支管群，其分別連接至第一和第二氣體供給管道；多個(gè)氣體供給源，其針對(duì)各氣體類型并聯(lián)連接至第一和第二支管群；流控制單元，其置于第一和第二支管群的各支管上；以及氣體供給閥，其可作為開關(guān)單元分別打開和關(guān)閉各支管。根據(jù)迄今為止描述的配置，可針對(duì)第一和第二原料氣體的共同種類的氣體使用公共氣體供給源，且此外，針對(duì)第一和第二原料氣體以及第三原料氣體的共同種類的氣體 (例如，主氣體)，或者僅僅是濃度不同的氣體使用公共氣體供給源，且通過向該氣體供給源添加對(duì)應(yīng)于另一種類氣體(例如，添加成分)的氣體供給源，有可能將氣體供給源的數(shù)目限制至必要的最小值，且有可能容易地改變氣體供給源。在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的膜沉積裝置中，襯底優(yōu)選是細(xì)長的、帶狀的柔性襯底， 第一和第二供給/回收部包括第一和第二軸心驅(qū)動(dòng)設(shè)備，用于從輥退繞襯底以及將襯底卷繞至輥，以及該傳送設(shè)備包括第一給料輥、第二給料輥、第一馬達(dá)以及第二馬達(dá)，第一給料輥置于第一膜沉積部和第一軸心驅(qū)動(dòng)設(shè)備之間，第二給料輥置于第二膜沉積部和第二軸心驅(qū)動(dòng)設(shè)備之間，第一馬達(dá)驅(qū)動(dòng)第一給料輥，而第二馬達(dá)驅(qū)動(dòng)所述第二給料輥，其中各個(gè)馬達(dá)可在正向和反向兩個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)速度是可變的。根據(jù)迄今為止所描述的配置，根據(jù)本發(fā)明的第一方面的多層膜形成方法可被實(shí)現(xiàn)為使用輥至輥技術(shù)的往復(fù)膜沉積工藝，且另外，有可能用與已知步進(jìn)膜沉積類型相比數(shù)量較少的膜沉積部來配置該多層膜沉積裝置，且有可能減小設(shè)備尺寸。在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的膜沉積裝置中，優(yōu)選在傳送設(shè)備中，第一和第二軸心驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及第一和第二給料輥各自的旋轉(zhuǎn)軸沿豎直方向取向，以使得在水平方向上傳送處于垂直位置的襯底時(shí)能夠進(jìn)行膜沉積。在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的膜沉積裝置中，已經(jīng)描述了有可能用與已知步進(jìn)膜沉積類型相比數(shù)量較少的膜沉積部來配置該膜沉積裝置并且有可能減小設(shè)備的尺寸，但是因?yàn)槟こ练e部的數(shù)量少，因此膜沉積區(qū)間的任一側(cè)處的給料輥(或引導(dǎo)輥)之間的傳送跨度減小，并且即使在水平方向上傳送處于垂直位置的襯底的設(shè)備配置中也可抑制歸因于襯底重量的襯底下垂或拉伸褶皺的發(fā)生，這與襯底表面不易被污染的特性一起對(duì)實(shí)現(xiàn)良好的膜沉積是有利的。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的多層膜形成方法和用于該方法的膜沉積裝置可均衡化諸如薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件的多層膜的形成處理，該多層膜包括厚度不同的多個(gè)層，且由于傳送速度變化范圍變窄，對(duì)于設(shè)備的負(fù)擔(dān)減輕，并且由傳送速度的控制精確度所造成的厚度波動(dòng)得到抑制，這對(duì)于使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定也是有利的。此外，有可能抑制裝置尺寸增大，且通過相對(duì)簡(jiǎn)單的裝置配置來實(shí)現(xiàn)低成本，以及，有可能保持裝置的通用性，且該裝置可用于形成各種多層膜。附圖簡(jiǎn)述

圖1是示出實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的多層膜形成方法的第一實(shí)施方式的膜沉積裝置的示意性平面截面圖；圖2是示出實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的多層膜形成方法的第二實(shí)施方式的膜沉積裝置的示意性平面截面圖；圖3是示出一對(duì)電極的主要部分放大圖4是示出第一實(shí)施方式的可用本發(fā)明方法形成的多層膜的分層結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖5是示出第二實(shí)施方式的可用本發(fā)明方法形成的多層膜的分層結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的膜沉積裝置的氣體供給系統(tǒng)和真空排氣系統(tǒng)的示圖。
具體實(shí)施例方式下面，參考附圖對(duì)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行描述。在說明書中，通過使用相同或?qū)?yīng)的附圖標(biāo)記或字符，可省略對(duì)各實(shí)施方式中的相同或?qū)?yīng)配置的描述。第一實(shí)施方式圖1示出第一實(shí)施方式的膜沉積裝置100，該裝置實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的多層膜形成方法。膜沉積裝置100包括一對(duì)第一和第二傳送腔(供給/回收部)101和102，其置于縱向上的任一端處；以及兩個(gè)膜沉積腔110和120(第一和第二膜沉積腔)，其直列地置于第一和第二傳送腔101和102之間；且該膜沉積裝置100配置成，當(dāng)從傳送腔101和102的一個(gè)向另一個(gè)通過各膜沉積腔110和120呈直線地傳送襯底10時(shí)，經(jīng)由分別平行地排列在膜沉積腔110和120中的平行板型成對(duì)電極111和112以及成對(duì)電極121和122處的氣相化學(xué)反應(yīng)，通過層疊在襯底10的表面上來形成薄膜層。第一實(shí)施方式的襯底10可形成由塑料膜等制成的帶狀、柔性襯底。用于將卷繞在輥上的柔性襯底10退繞的軸心驅(qū)動(dòng)設(shè)備(103和104)圍繞軸心103(104)之一的周邊而形成并將柔性襯底10卷繞至另一軸心104(103)，且同步地旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)以便在軸心103和104之間以預(yù)定傳送速度和傳送張力傳送柔性襯底10的給料輥105和106置于傳送腔101和102 中，且此外，雖然在圖中省略，但是設(shè)置了用于檢測(cè)襯底10張力的張力輥、在傳送路徑中引導(dǎo)柔性襯底10的引導(dǎo)輥等。除此之外，還可附加控制襯底10的寬度方向位置的端部位置控制輥、以及夾緊柔性襯底10的寬度方向端部的夾緊輥。在膜沉積裝置100中，可由可逆式馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)軸心103和104以及給料輥105和 106的每一個(gè)，以使得有可能在任一側(cè)的傳送腔(供給/回收部)101和102之間雙向地傳送襯底10，并實(shí)現(xiàn)往復(fù)膜沉積步驟。此時(shí)，通過用位于傳送方向的下游側(cè)的給料輥(106)的馬達(dá)作為主馬達(dá)進(jìn)行速度控制，用位于傳送方向的上游側(cè)的給料輥(105)的馬達(dá)作為從馬達(dá)以使襯底10的傳送張力保持恒定的方式進(jìn)行扭矩控制，并且以使退繞和卷繞張力保持恒定的方式進(jìn)行各軸心103和104的馬達(dá)的扭矩控制，有可能以預(yù)定傳送速度和傳送張力持續(xù)地傳送襯底10?？赏ㄟ^逆變器控制來實(shí)現(xiàn)給料輥105、106的馬達(dá)的可變速度操作中的速度控制和扭矩控制。但是，當(dāng)速度變化范圍小時(shí)，也可用閉環(huán)電壓控制來實(shí)現(xiàn)。另外，也可使用直流無刷式馬達(dá)。在以下描述中，為了方便的目的，將從第一傳送腔101至第二傳送腔102的方向作為正向。另外，在附圖所示的示例中，在縱向上以相同數(shù)量和相同方式對(duì)稱地放置膜沉積腔 110和120、成對(duì)電極111、112、121和122的每一個(gè)，但是也可在縱向上不對(duì)稱地放置所安裝成對(duì)電極的數(shù)量、電極區(qū)域等。但是，就各種膜沉積步驟的自由度和適用性而言，附圖中所示的這種對(duì)稱沉積示例是有利的。另外，盡管在膜沉積裝置100中軸心103和104、給料輥105和106、張力輥等的所有旋轉(zhuǎn)軸都沿豎直方向取向，以使當(dāng)在水平方向上傳送處于垂直位置的襯底10時(shí)能夠進(jìn)行進(jìn)行膜沉積，但是傳送位置和傳送方向不限于此。例如，有可能將裝置配置成在水平方向上或上下方向上傳送處于水平位置的襯底10。盡管，例如高耐熱聚酰亞胺膜(PI)作為柔性襯底10是優(yōu)選的，也有可能使用另一塑料膜，諸如聚醚酰亞胺(PEI)、聚醚腈(PEN)、聚醚砜(PES)、聚酰胺(PA)、聚酰胺酰亞胺 (PAI)、聚醚醚酮(PEEK)、或者對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)，且此外，還有可能使用諸如鋁或不銹鋼的金屬箔。盡管柔性襯底10的厚度沒有特別限制，就能夠減少材料成本而言，薄襯底是有利的。但是，由于處理成本取決于材料而增大，并且當(dāng)襯底太薄時(shí)可能發(fā)生歸因于應(yīng)力增大的變形且傳送變得困難，因此有必要選擇適合材料的厚度。盡管在以下描述的實(shí)施例中將寬度為500mm且厚度為50 μ m的聚酰亞胺膜用作柔性襯底10，就設(shè)備成本和制造成本而言，只要可取得膜均勻性，柔性襯底10的寬度盡可能寬就是合乎要求的。雖然每個(gè)膜沉積腔110和120以及每個(gè)傳送腔101和102彼此密封地結(jié)合來配置整體公共腔(公共真空腔)，可由分隔件將它們彼此分隔開，并且腔之間的傳導(dǎo)減少。盡管設(shè)置了穿透各分隔件的狹縫130來允許襯底10通過，且各腔經(jīng)由相關(guān)狹縫130彼此連通， 對(duì)各腔分別進(jìn)行排氣，且各腔的真空保持成大致相同，這表示腔之間的氣體循環(huán)被抑制。該狹縫130形成為在垂直于寬度為500mm的襯底10的方向上具有例如5mm的寬度，但是當(dāng)襯底10的傳送精度高時(shí)可制成更狹窄。但是，由于當(dāng)膜沉積腔具有不同壓力時(shí)，為了抑制氣體的相互擴(kuò)散需要使用高成本的密封墊，因此采取壓力相同的方式。分別置于膜沉積腔110和120內(nèi)部，各自配置電容性耦合的等離子體CVD裝置的成對(duì)電極111和112以及成對(duì)電極121和122配置有陰極(高頻電極)113和123以及陽極(接地電極)114和124，陰極113和123以及陽極114和124平行地置于襯底10的傳送路徑的任一側(cè)上。陰極113和123連接至置于公共腔外部的高頻電源118。在以下描述的實(shí)施例中，相對(duì)于寬度為500mm的襯底，各成對(duì)電極111、112、121和122由在傳送方向上為 300mm且在襯底寬度方向上為500mm的平行板電極來配置。圖3示出配置等離子體CVD裝置的成對(duì)電極111的優(yōu)選實(shí)施方式。在圖3中，陰極113具有由在其表面上具有多個(gè)氣體噴出孔的多孔板形成的噴淋頭電極結(jié)構(gòu)，且有可能通過從公共腔外部將氣體供應(yīng)至在該結(jié)構(gòu)后側(cè)界定的氣體腔117中，通過陰極13的氣體噴出孔將氣體引入至成對(duì)電極之間的放電膜沉積區(qū)115中。另外，將加熱器內(nèi)置在陽極114 中，且沿陽極114運(yùn)轉(zhuǎn)的襯底10和放電膜沉積區(qū)115可被加熱。通過在如上所述地配置的陰極113和陽極114之間施加高頻電壓，在放電膜沉積區(qū)115中形成等離子體，作為等離子體中的膜沉積前體的自由基在襯底10的表面上擴(kuò)散并沉積，且有可能形成薄膜。在具有這種噴淋頭電極結(jié)構(gòu)的成對(duì)電極111中，不僅獲得均勻氣體分布，而且引入至另一膜沉積區(qū)的氣體難以進(jìn)入該放電膜沉積區(qū)115，因?yàn)樵诔蓪?duì)電極之間的放電膜沉積區(qū)115中出現(xiàn)氣體流。因此，連續(xù)膜沉積可通過同時(shí)向安裝在同一膜沉積腔110中的另一成對(duì)電極112供應(yīng)氣體來實(shí)現(xiàn)，只要該氣體組分與成對(duì)電極111的氣體組分相近，且此外，有可能通過升高膜沉積時(shí)的氣體壓力，省略膜沉積腔110和120之間的分隔件(狹縫130)。圖6示出第一實(shí)施方式的膜沉積裝置100的氣體供給系統(tǒng)140和真空排氣系統(tǒng)170。針對(duì)置于膜沉積腔110和120內(nèi)部的成對(duì)電極111、112、121及122的放電膜沉積區(qū) 115、115、125及125的氣體供給系統(tǒng)140由形成自儲(chǔ)氣箱等的多個(gè)氣體供給源141、142、 143等來配置，儲(chǔ)氣箱存儲(chǔ)在膜沉積中使用的原料氣體，且具有第一和第二流控制部150和 160。流控制部150和160具有作為對(duì)應(yīng)于氣體供給源141、142、143等的質(zhì)量流控制器 155、156、165及166，以及質(zhì)量流控制器之前和之后的氣體供給閥153、154、157、158、163、 164、167及168的組合的一種配置，且流控制部150和160經(jīng)由開關(guān)閥151、152、161及162 連接至各成對(duì)電極111、112、121及122的氣體腔(117)。真空排氣系統(tǒng)170由經(jīng)由開關(guān)閥 171連接至各膜沉積腔110和120的真空泵173來配置，且針對(duì)每一成對(duì)電極111、112、121 及122放置。根據(jù)上述配置，通過選擇性地僅打開氣體供給源141、142或143的管道上的對(duì)應(yīng)于要引入到各成對(duì)電極111、112、121及122的種類氣體的氣體供給閥153、154、157、158、 163、164、167或168，有可能在控制該流的同時(shí)以預(yù)定混合比將期望原料氣體引入到各成對(duì)電極111、112、121及122中。接著，圖4示出襯底型薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件1 (薄膜光伏電池)的分層結(jié)構(gòu)作為可用使用第一實(shí)施方式的膜沉積裝置100的本發(fā)明方法形成的多層膜示例。該薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件1中金屬電極層17、η層16、n/i界面層15、i層14、p/i界面層13、ρ層12以及透明電極層11依次層疊在襯底10上，且圖4示出其示例為包括一個(gè)p-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)Ia的單個(gè)單元。在以上描述的這種薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件1中，p/i界面層13和n/i界面層15的組分更接近ρ層12和η層16的組分，而非更接近i層14的組分，ρ層12和η層16是與各界面層相鄰的摻雜層，而i層14是本征半導(dǎo)體層。在非晶硅(a-Si)半導(dǎo)體膜的情況下，添加硼(B)作為ρ型摻雜劑而添加磷(P)作為η型摻雜劑，且向作為主氣體的硅烷(SiH4)或作為稀釋氣體的氫氣添加包括硼或磷的諸如乙硼烷Φ2Η6)、磷化氧(PH3)的摻雜氣體，但是在它們的界面層處也使用以不同低濃度混合各種摻雜氣體的氣體。因此，即使存在氣體的一些量的相互擴(kuò)散(即使形成中間區(qū))，就功能而言幾乎沒有影響。此外，界面層(13和15)和摻雜層(12和16)各自的厚度極小，僅是i層(14)厚度的百分之幾，且即使在考慮膜沉積期間的沉積速度時(shí)，各層的膜沉積時(shí)間也比i層(14) 的短。因此，通過向膜沉積裝置100的兩個(gè)膜沉積腔110和120同時(shí)供給組分不同的氣體， 且通過在每一個(gè)傳送及膜沉積步驟中同時(shí)并連續(xù)地沉積各界面層(13和1 以及與其相鄰的摻雜層(12和16)，有可能使膜沉積步驟中的傳送速度變?yōu)榉謩e沉積時(shí)的一半，且有可能保持與i層(14)的傳送及膜沉積步驟中的傳送速度之差(即傳送速度變化范圍)小。例如，表1示出配置圖4所示襯底型薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件1的p-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)Ia的各層的厚度(nm)、沉積速度(nm/秒)、膜沉積時(shí)間(秒)、以及傳送速度(mm/秒)，其中其它層的膜沉積時(shí)間是120(秒)，相對(duì)于i層所耗時(shí)間800(秒)而言僅僅是i層所耗時(shí)間的 15%。表 權(quán)利要求
1.一種通過氣相化學(xué)反應(yīng)在襯底的至少一個(gè)表面上用組分不同的原料氣體形成三個(gè)或更多個(gè)層的多層膜形成方法，所述方法包括準(zhǔn)備膜沉積裝置的步驟，所述膜沉積裝置沿著所述襯底的傳送路徑至少具有第一和第二膜沉積部，且在所述傳送路徑的任一端處具有所述襯底的供給/回收部；第一傳送及膜沉積步驟，其中，在沿著所述傳送路徑以第一速度持續(xù)地傳送所述襯底的同時(shí)，向所述第一和第二膜沉積部的每一個(gè)同時(shí)供給組分彼此相似的第一和第二原料氣體，以及形成包括第一和第二層的多個(gè)疊層，所述第一和第二層的組分彼此相似；以及第二傳送及膜沉積步驟，其中，在所述第一傳送及膜沉積步驟之前或之后沿著所述傳送路徑以第二速度持續(xù)地傳送所述襯底的同時(shí)，向所述第一和第二膜沉積部供給其組分與所述第一和第二原料氣體的組分不同的第三原料氣體，以及形成組分與所述第一和第二層的組分不同的第三層，其中所述第一和第二原料氣體的組分彼此基本相同。
2.如權(quán)利要求1所述的多層膜形成方法，其特征在于，所述第三層的厚度大于包括所述第一和第二層的所述多個(gè)層的合計(jì)厚度。
3.如權(quán)利要求1所述的多層膜形成方法，其特征在于，所述第三層的厚度是包括所述第一和第二層的所述多個(gè)層的合計(jì)厚度的兩倍或更厚， 且形成所述第三層的所述第二傳送及膜沉積步驟分多次來進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求1所述的多層膜形成方法，其特征在于，所述第一和第二原料氣體包括添加成分，所述添加成分彼此成分相同但量不同，而所述第三原料氣體不包括所述添加成分。
5.如權(quán)利要求1所述的多層膜形成方法，其特征在于，所述第一和第二原料氣體的主氣體的濃度彼此不同，且只有距所述第三層較遠(yuǎn)的原料氣體包括添加成分，而所述第三原料氣體不包括所述添加成分。
6.如權(quán)利要求1所述的多層膜形成方法，其特征在于，所述多層膜是具有p-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)的薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件，所述第一和第二層是P型半導(dǎo)體層和p/i界面層或η型半導(dǎo)體層和n/i界面層，而所述第三層是i型半導(dǎo)體層。
7.如權(quán)利要求4所述的多層膜形成方法，其特征在于，所述多層膜是具有P-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)的薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件，所述第一和第二層是P型半導(dǎo)體層和P/i界面層或η型半導(dǎo)體層和n/i界面層，所述添加成分是對(duì)應(yīng)于各類型的摻雜氣體，而所述第三層是i型半導(dǎo)體層。
8.如權(quán)利要求1所述的多層膜形成方法，其特征在于，包括在所述傳送路徑的任一端處的所述供給/回收部之間往返地傳送所述襯底的同時(shí)，進(jìn)行包括所述第一和第二傳送及膜沉積步驟的多個(gè)傳送及膜沉積步驟。
9.如權(quán)利要求1所述的多層膜形成方法，其特征在于，準(zhǔn)備所述膜沉積裝置的步驟包括，準(zhǔn)備一膜沉積裝置，所述膜沉積裝置具有經(jīng)由可讓所述襯底通過的狹縫相互連通的第一和第二膜沉積腔作為所述第一和第二膜沉積部，且所述第一和第二膜沉積腔的內(nèi)部各自平行地排列有至少一對(duì)膜沉積電極。
10.如權(quán)利要求9所述的多層膜形成方法，其特征在于，準(zhǔn)備所述膜沉積裝置的步驟包括，準(zhǔn)備一膜沉積裝置，在所述膜沉積裝置的所述第一和第二膜沉積腔的至少一個(gè)膜沉積腔內(nèi)部平行地排列有至少兩對(duì)膜沉積電極。
11.如權(quán)利要求1所述的多層膜形成方法，其特征在于，準(zhǔn)備所述膜沉積裝置的步驟包括，準(zhǔn)備一膜沉積裝置，所述膜沉積裝置具有在公共真空腔內(nèi)部排列的至少兩對(duì)膜沉積電極作為所述第一和第二沉積部。
12.如權(quán)利要求8所述的多層膜形成方法，其特征在于，所述襯底是帶狀襯底，準(zhǔn)備所述膜沉積裝置的步驟包括，準(zhǔn)備一膜沉積裝置，所述膜沉積裝置具有所述襯底的退繞/卷繞部作為所述供給/回收部，且每一個(gè)所述轉(zhuǎn)送及膜沉積步驟包括，從一個(gè)退繞/卷繞部中的輥退繞所述襯底，以及將通過各個(gè)所述膜沉積部沉積了膜的襯底卷繞至在另一退繞/卷繞部中的輥。
13.如權(quán)利要求8所述的多層膜形成方法，其特征在于，所述襯底是片狀襯底，準(zhǔn)備所述膜沉積裝置的步驟包括，準(zhǔn)備一膜沉積裝置，所述膜沉積裝置具有襯底存儲(chǔ)設(shè)備作為所述供給/回收部，且每一個(gè)所述傳送及膜沉積步驟包括， 從一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備饋送所述襯底，以及將通過各個(gè)所述膜沉積部沉積了膜的襯底存儲(chǔ)于另一存儲(chǔ)設(shè)備中。
14.一種用于執(zhí)行多層膜形成方法的膜沉積裝置，所述多層膜形成方法通過氣相化學(xué)反應(yīng)在襯底的至少一個(gè)表面上用組分不同的原料氣體形成三個(gè)或更多個(gè)層，所述裝置包括傳送設(shè)備，其可在正向和反向兩個(gè)方向上以預(yù)定傳送速度持續(xù)地傳送所述襯底； 第一和第二供給/回收部，其置于所述襯底的傳送路徑的第一和第二端處，其可供給和回收所述襯底；第一和第二膜沉積部，其沿著所述襯底的傳送路徑放置，經(jīng)由可讓所述襯底通過的狹縫彼此連通；氣體供給單元，其用于分別向所述第一和第二膜沉積部供給原料氣體；以及真空排氣單元，其用于分別對(duì)所述第一和第二膜沉積部進(jìn)行排氣，其中所述氣體供給單元包括在第一氣體供給模式和第二氣體供給模式之間進(jìn)行切換的一單元，通過所述第一氣體供給模式同時(shí)向所述第一和第二膜沉積部供給組分彼此相似的第一和第二原料氣體，以及通過所述第二氣體供給模式向所述第一和第二沉積部供給組分與所述第一和第二原料氣體的組分不同的第三原料氣體，其中所述第一和第二原料氣體的組分彼此基本相同。
15.如權(quán)利要求14所述的膜沉積裝置，其特征在于， 所述氣體供給單元包括第一和第二氣體供給管道，其向所述第一和第二膜沉積部供給原料氣體； 第一和第二支管群，其分別連接至所述第一和第二氣體供給管道； 多個(gè)氣體供給源，其針對(duì)各氣體類型并聯(lián)連接至所述第一和第二支管群； 流控制單元，其置于所述第一和第二支管群的各支管上；以及氣體供給閥，其可作為開關(guān)單元分別打開和關(guān)閉各支管。
16.如權(quán)利要求15所述的膜沉積裝置，其特征在于， 所述襯底是細(xì)長的、帶狀的柔性襯底，所述第一和第二供給/回收部包括第一和第二軸心驅(qū)動(dòng)設(shè)備，用于從輥退繞所述襯底以及將所述襯底卷繞至輥，以及所述傳送設(shè)備包括第一給料輥、第二給料輥、第一馬達(dá)以及第二馬達(dá)，所述第一給料輥置于所述第一膜沉積部和所述第一軸心驅(qū)動(dòng)設(shè)備之間，所述第二給料輥置于所述第二膜沉積部和所述第二軸心驅(qū)動(dòng)設(shè)備之間，所述第一馬達(dá)驅(qū)動(dòng)所述第一給料輥，而所述第二馬達(dá)驅(qū)動(dòng)所述第二給料輥，其中所述各個(gè)馬達(dá)可在正向和反向兩個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，且所述旋轉(zhuǎn)速度是可變的。
17.如權(quán)利要求16所述的膜沉積裝置，其特征在于，在所述傳送設(shè)備中，所述第一和第二軸心驅(qū)動(dòng)設(shè)備各自的旋轉(zhuǎn)軸沿豎直方向取向，使得在水平方向上傳送處于垂直位置的所述襯底時(shí)能夠進(jìn)行膜沉積。
18.如權(quán)利要求5所述的多層膜形成方法，其特征在于，所述多層膜是具有p-i-n結(jié)結(jié)構(gòu)的薄膜光伏轉(zhuǎn)換元件，所述第一和第二層是P型半導(dǎo)體層和p/i界面層或η型半導(dǎo)體層和n/i界面層，所述添加成分是對(duì)應(yīng)于各個(gè)類型的摻雜氣體，而所述第三層是i型半導(dǎo)體層。
全文摘要
本發(fā)明提供多層膜形成方法及膜沉積裝置，其抑制多層膜中的厚度波動(dòng)，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，且可降低與裝置和制造有關(guān)的成本。采用一種通過氣相化學(xué)反應(yīng)在襯底的至少一個(gè)表面上用組分不同的原料氣體形成三個(gè)或更多個(gè)層的多層膜形成方法，該方法包括準(zhǔn)備膜沉積裝置的步驟；第一傳送及膜沉積步驟，在沿著傳送路徑以第一速度持續(xù)地傳送襯底的同時(shí)，向各膜沉積部同時(shí)供給第一和第二原料氣體，以及形成包括第一和第二層的多個(gè)疊層，以及第二傳送及膜沉積步驟，在第一傳送及膜沉積步驟之前或之后沿著傳送路徑以第二速度持續(xù)地傳送襯底的同時(shí)，向各膜沉積部供給第三原料氣體，以及形成第三層，其中第一和第二原料氣體的組分彼此基本相同。
文檔編號(hào)H01L21/205GK102376550SQ20111028028
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者和田雄人 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社