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
技術領域：
本發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層的薄膜光伏轉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.相關技術作為薄膜光電轉換元件的制造方法，已知的方法有用非晶硅作為主要材料將包括光伏轉換層的多層膜形成在襯底上。雖然經常將諸如玻璃襯底的片狀襯底用作襯底，但還有時使用由塑料膜或金屬薄板形成的細長的、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械手夾住襯底 (片狀襯底)，運送至置于其周邊的膜沉積腔，并進行膜沉積；或者有這樣一種直列式配置 多個膜沉積腔或膜沉積區沿著襯底(片狀襯底或細長襯底)的傳送路徑安裝，且在傳送襯底的同時進行膜沉積。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選的，因為減少了傳送所需的時間。作為直列式膜沉積裝置，存在步進膜沉積類型和連續膜沉積類型兩種，在步進膜沉積類型中以預定步距間歇地傳送襯底，且當停止傳送時進行膜沉積；而在連續膜沉積類型中在以預定速度連續傳送襯底的同時進行膜沉積。在步進膜沉積型膜沉積裝置中，通過將膜沉積腔制成打開/關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)來抑制膜沉積區之間氣體的混合， 且因為有可能分別控制各膜沉積區中的膜沉積時間，該類型適合于包括具有不同膜質量或厚度的多個層的多層膜形成。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，安裝這些密封結構不僅帶來成本上升，而且必須根據要形成的層的數量來設置膜沉積腔，且裝置尺寸增大。另一方面，在連續膜沉積型膜沉積裝置中，因為不需要分別設定傳送時間和膜沉積時間，當沉積具有一致的膜質量和厚度的層時，可獲得高生產率。但是，在包括具有不同膜質量和厚度的多個層的多層膜形成的情況下，必需切換原料氣體且針對每一層進行膜沉積，且為了抑制雜質擴散，必需在切換氣體時執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間，而膜沉積時間由傳送速度所確定，因此有必要根據各層的厚度(膜沉積時間)改變傳送速度。針對薄層以相對快的傳送速度進行膜沉積、而針對厚層以相對慢的傳送速度進行膜沉積是必要的。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量和厚度的多個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。雖然存在使馬達旋轉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旋轉速度。因此，當傳送速度變化范圍增大時，傳送速度的控制精確度相應降低，厚度波動增大，且還存在產品特性劣化的風險。
發明內容
本發明已考慮了已知技術的上述各種問題，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層的多層膜中的厚度波動，且可使產品質量穩定并降低設備及制造成本。為了實現上述目的，發明者在仔細考慮后獲得了以下發現并設計了本發明。通常， 包括具有不同膜質量和厚度的多個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生氣體相互擴散(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品質量改善足以超過歸因于這種微量相互擴散的對于本征功能的影響。S卩，本發明的第一方面采用一種通過氣相化學反應在襯底的至少一個表面上用組分不同的原料氣體形成三個或更多個層的多層膜形成方法，該方法包括準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地傳送襯底的同時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同時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地傳送襯底的同時，向第一和第二膜沉積部的每一個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。在根據本發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層)，多個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，改進傳送速度控制精確度，且有可能使諸如厚度或膜質量的產品質量項穩定。此外，不發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停止時間段相繼沉積多個層的情形，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，且另一優點為簡化制造工藝。根據以上前提，根據本發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層的合計厚度是有利的。考慮到通用性和制造成本，以相同規格配置安裝在第一和第二膜沉積部的每一個中進行氣相化學反應的成對電極是有利的，且在使用這種設備配置的情況下，通過使用第一和第二膜沉積部的每一個來沉積厚度大的第三層，有可能改善膜沉積處理效率(當電極面積為兩倍大時，傳送速度可變為兩倍快，且膜沉積時間可減半)。根據相同前提，在根據本發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層的合計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行。即使在厚度差異大時也不需要擴展傳送速度變化范圍，且有可能實現具有穩定質量的膜沉積步驟。在該情況下，盡管傳送及膜沉積步驟的數目增加了第二傳送及膜沉積步驟分次進行的次數，但是不需要傳送及膜沉積步驟之間的氣體切換步驟，且制造工藝不會變得麻煩。在根據本發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。根據本發明的第一方面的多層膜形成方法可尤其優選在這樣一種情形下實現多層膜是具有p-i-n結結構的薄膜光伏轉換元件，其中第一和第二層是P型半導體層和p/i 界面層或η型半導體層和n/i界面層，而第三層是i型半導體層。在具有p-i-n結結構的薄膜光伏轉換元件中，形成發電層的i型半導體層的厚度大于另一 P型半導體層和η型半導體層的厚度，且大于P型半導體層、η型半導體層、與該 P型半導體層相鄰的P/i界面層以及與該η型半導體層相鄰的n/i界面層的合計厚度。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型半導體層和η型半導體層的原料氣體組分相近。因此，通過在一個傳送及膜沉積步驟中同時形成各自的層疊的 P型半導體層和P/i界面層、以及η型半導體層和n/i界面層，且在單獨的傳送及膜沉積步驟中使用第一和第二膜沉積部兩者形成較厚的i型半導體層，由于當沉積厚度較薄的P型半導體層、p/i界面層、η型半導體層、以及n/i界面層時傳送速度(第一速度)減半，而當沉積較厚i型半導體層時傳送速度(第二速度)增大至兩倍的疊加效應，因此即使在i型半導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，根據本發明的第一方面的多層膜形成方法可尤其優選在這樣一種情形下實現多層膜是具有P-i-n結結構的薄膜光伏轉換元件，第一和第二層是ρ型半導體層和p/i 界面層或η型半導體層和n/i界面層，添加成分是對應于各個類型的摻雜氣體，而第三層是 i型半導體層。雖然極小，但是在ρ型半導體層和與其相鄰的p/i界面層之間、以及η型半導體層和與其相鄰的n/i界面層之間，存在對應于各ρ型和η型的摻雜氣體的濃度設定的容限范圍，且根據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勢勝過濃度設定在這種容限范圍內的波動。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實現包括第一和第二傳送及膜沉積步驟的多個傳送及膜沉積步驟時，根據本發明的第一方面的多層膜形成方法尤其優選。如上所述，由于各傳送及膜沉積步驟的膜沉積時間和傳送速度被均衡化，且傳送速度變化范圍小，因此根據本發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沉積膜。
在根據本發明的第一方面的多層膜形成方法中，準備膜沉積裝置的步驟優選包括，準備一膜沉積裝置，該膜沉積裝置具有經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部各自平行地排列有至少一對膜沉積電極。根據該配置，由于即使將膜沉積部沿傳送路徑相鄰地放置時，膜沉積部之間的氣體擴散也被抑制，且減小傳導，因此有可能實現良好的膜沉積步驟。此外，在根據本發明的第一方面的多層膜形成方法中，準備膜沉積裝置的步驟優選包括，準備一膜沉積裝置，在該膜沉積裝置中，在第一和第二膜沉積腔的至少一個腔內部平行地排列有至少兩對膜沉積電極。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體層)，有可能同時形成更多層，且另外，通過改變分派給第一層和第二層的成對電極的分布，也有可能對第一層和第二層具有不同厚度的情形作出響應。當準備膜沉積裝置的步驟包括，準備一膜沉積裝置，該膜沉積裝置具有在公共真空腔內部平行地排列的至少兩對膜沉積電極作為第一和第二沉積部時，也可獲得以上所述種類的優點。但是，與包括經由狹縫彼此連通的多個膜沉積腔的情形相比，能夠用來同時進行膜沉積的原料氣體組合的條件是嚴格的。即，即使在形成分離膜的兩個或多個膜沉積部相鄰的情況下，因為該配置中使用相似氣體的膜沉積相鄰(如同根據本發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，但是在經由狹縫彼此連通的相鄰膜沉積腔的情況下各個層的膜質量更佳。在根據本發明的第一方面的多層膜形成方法中，尤其優選的是，該襯底是帶狀襯底，準備膜沉積裝置的步驟包括，準備一膜沉積裝置，該膜沉積裝置將襯底的退繞/卷繞部作為供給/回收部，且每一個轉送及膜沉積步驟包括，從一個退繞/卷繞部中的輥退繞該襯底，以及將通過各個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，根據本發明的第一方面的多層膜形成方法還可按以下形式實現該襯底是片狀襯底，準備膜沉積裝置的步驟包括，準備一膜沉積裝置，該膜沉積裝置將襯底存儲設備作為供給/回收部，且每一個傳送及膜沉積步驟包括，饋送存貯在一個存儲設備中的襯底， 以及將通過各個膜沉積部沉積了膜的襯底存儲在另一存儲設備中。本發明還涉及用于實現多層膜形成方法的膜沉積裝置。即，根據本發明的第二方面的膜沉積裝置包括傳送設備，其可在正向和反向兩個方向上以預定傳送速度持續地傳送襯底；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，其用于分別對第一和第二膜沉積部進行排氣，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行切換的一單元，通過第一氣體供給模式可同時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。在根據本發明的第二方面的膜沉積裝置的優選形式中，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；多個氣體供給源，其針對各氣體類型并聯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，其可作為開關單元分別打開和關閉各支管。根據迄今為止描述的配置，可針對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應于另一種類氣體(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。在根據本發明的第二方面的膜沉積裝置中，襯底優選是細長的、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動設備，用于從輥退繞襯底以及將襯底卷繞至輥，以及該傳送設備包括第一給料輥、第二給料輥、第一馬達以及第二馬達，第一給料輥置于第一膜沉積部和第一軸心驅動設備之間，第二給料輥置于第二膜沉積部和第二軸心驅動設備之間，第一馬達驅動第一給料輥，而第二馬達驅動所述第二給料輥，其中各個馬達可在正向和反向兩個方向上旋轉，且旋轉速度是可變的。根據迄今為止所描述的配置，根據本發明的第一方面的多層膜形成方法可被實現為使用輥至輥技術的往復膜沉積工藝，且另外，有可能用與已知步進膜沉積類型相比數量較少的膜沉積部來配置該多層膜沉積裝置，且有可能減小設備尺寸。在根據本發明的第二方面的膜沉積裝置中，優選在傳送設備中，第一和第二軸心驅動設備以及第一和第二給料輥各自的旋轉軸沿豎直方向取向，以使得在水平方向上傳送處于垂直位置的襯底時能夠進行膜沉積。在根據本發明的第二方面的膜沉積裝置中，已經描述了有可能用與已知步進膜沉積類型相比數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備的尺寸，但是因為膜沉積部的數量少，因此膜沉積區間的任一側處的給料輥(或引導輥)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生，這與襯底表面不易被污染的特性一起對實現良好的膜沉積是有利的。如上所述，根據本發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層，且由于傳送速度變化范圍變窄，對于設備的負擔減輕，并且由傳送速度的控制精確度所造成的厚度波動得到抑制，這對于使產品質量穩定也是有利的。此外，有可能抑制裝置尺寸增大，且通過相對簡單的裝置配置來實現低成本，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。附圖簡述
圖1是示出實現根據本發明的多層膜形成方法的第一實施方式的膜沉積裝置的示意性平面截面圖；圖2是示出實現根據本發明的多層膜形成方法的第二實施方式的膜沉積裝置的示意性平面截面圖；圖3是示出一對電極的主要部分放大圖4是示出第一實施方式的可用本發明方法形成的多層膜的分層結構的示意性截面圖；圖5是示出第二實施方式的可用本發明方法形成的多層膜的分層結構的示意性截面圖；圖6是示出根據本發明的第一實施方式的膜沉積裝置的氣體供給系統和真空排氣系統的示圖。
具體實施例方式下面，參考附圖對本發明的各個實施方式進行描述。在說明書中，通過使用相同或對應的附圖標記或字符，可省略對各實施方式中的相同或對應配置的描述。第一實施方式圖1示出第一實施方式的膜沉積裝置100，該裝置實現根據本發明的多層膜形成方法。膜沉積裝置100包括一對第一和第二傳送腔(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，當從傳送腔101和102的一個向另一個通過各膜沉積腔110和120呈直線地傳送襯底10時，經由分別平行地排列在膜沉積腔110和120中的平行板型成對電極111和112以及成對電極121和122處的氣相化學反應，通過層疊在襯底10的表面上來形成薄膜層。第一實施方式的襯底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退繞的軸心驅動設備(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)，且同步地旋轉驅動以便在軸心103和104之間以預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，但是設置了用于檢測襯底10張力的張力輥、在傳送路徑中引導柔性襯底10的引導輥等。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，可由可逆式馬達來驅動軸心103和104以及給料輥105和 106的每一個，以使得有可能在任一側的傳送腔(供給/回收部)101和102之間雙向地傳送襯底10，并實現往復膜沉積步驟。此時，通過用位于傳送方向的下游側的給料輥(106)的馬達作為主馬達進行速度控制，用位于傳送方向的上游側的給料輥(105)的馬達作為從馬達以使襯底10的傳送張力保持恒定的方式進行扭矩控制，并且以使退繞和卷繞張力保持恒定的方式進行各軸心103和104的馬達的扭矩控制，有可能以預定傳送速度和傳送張力持續地傳送襯底10。可通過逆變器控制來實現給料輥105、106的馬達的可變速度操作中的速度控制和扭矩控制。但是，當速度變化范圍小時，也可用閉環電壓控制來實現。另外，也可使用直流無刷式馬達。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，在縱向上以相同數量和相同方式對稱地放置膜沉積腔 110和120、成對電極111、112、121和122的每一個，但是也可在縱向上不對稱地放置所安裝成對電極的數量、電極區域等。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軸都沿豎直方向取向，以使當在水平方向上傳送處于垂直位置的襯底10時能夠進行進行膜沉積，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，并且當襯底太薄時可能發生歸因于應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。雖然每個膜沉積腔110和120以及每個傳送腔101和102彼此密封地結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，并且腔之間的傳導減少。盡管設置了穿透各分隔件的狹縫130來允許襯底10通過，且各腔經由相關狹縫130彼此連通， 對各腔分別進行排氣，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，但是當襯底10的傳送精度高時可制成更狹窄。但是，由于當膜沉積腔具有不同壓力時，為了抑制氣體的相互擴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內部，各自配置電容性耦合的等離子體CVD裝置的成對電極111和112以及成對電極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。在以下描述的實施例中，相對于寬度為500mm的襯底，各成對電極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裝置的成對電極111的優選實施方式。在圖3中，陰極113具有由在其表面上具有多個氣體噴出孔的多孔板形成的噴淋頭電極結構，且有可能通過從公共腔外部將氣體供應至在該結構后側界定的氣體腔117中，通過陰極13的氣體噴出孔將氣體引入至成對電極之間的放電膜沉積區115中。另外，將加熱器內置在陽極114 中，且沿陽極114運轉的襯底10和放電膜沉積區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的表面上擴散并沉積，且有可能形成薄膜。在具有這種噴淋頭電極結構的成對電極111中，不僅獲得均勻氣體分布，而且引入至另一膜沉積區的氣體難以進入該放電膜沉積區115，因為在成對電極之間的放電膜沉積區115中出現氣體流。因此，連續膜沉積可通過同時向安裝在同一膜沉積腔110中的另一成對電極112供應氣體來實現，只要該氣體組分與成對電極111的氣體組分相近，且此外，有可能通過升高膜沉積時的氣體壓力，省略膜沉積腔110和120之間的分隔件(狹縫130)。圖6示出第一實施方式的膜沉積裝置100的氣體供給系統140和真空排氣系統170。針對置于膜沉積腔110和120內部的成對電極111、112、121及122的放電膜沉積區 115、115、125及125的氣體供給系統140由形成自儲氣箱等的多個氣體供給源141、142、 143等來配置，儲氣箱存儲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具有作為對應于氣體供給源141、142、143等的質量流控制器 155、156、165及166，以及質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經由開關閥151、152、161及162 連接至各成對電極111、112、121及122的氣體腔(117)。真空排氣系統170由經由開關閥 171連接至各膜沉積腔110和120的真空泵173來配置，且針對每一成對電極111、112、121 及122放置。根據上述配置，通過選擇性地僅打開氣體供給源141、142或143的管道上的對應于要引入到各成對電極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以預定混合比將期望原料氣體引入到各成對電極111、112、121及122中。接著，圖4示出襯底型薄膜光伏轉換元件1 (薄膜光伏電池)的分層結構作為可用使用第一實施方式的膜沉積裝置100的本發明方法形成的多層膜示例。該薄膜光伏轉換元件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p-i-n結結構Ia的單個單元。在以上描述的這種薄膜光伏轉換元件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是本征半導體層。在非晶硅(a-Si)半導體膜的情況下，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散(即使形成中間區)，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，各層的膜沉積時間也比i層(14) 的短。因此，通過向膜沉積裝置100的兩個膜沉積腔110和120同時供給組分不同的氣體， 且通過在每一個傳送及膜沉積步驟中同時并連續地沉積各界面層(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為分別沉積時的一半，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換元件1的p-i-n結結構Ia的各層的厚度(nm)、沉積速度(nm/秒)、膜沉積時間(秒)、以及傳送速度(mm/秒)，其中其它層的膜沉積時間是120(秒)，相對于i層所耗時間800(秒)而言僅僅是i層所耗時間的 15%。表 權利要求
1.一種通過氣相化學反應在襯底的至少一個表面上用組分不同的原料氣體形成三個或更多個層的多層膜形成方法，所述方法包括準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地傳送所述襯底的同時，向所述第一和第二膜沉積部的每一個同時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地傳送所述襯底的同時，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層的合計厚度。
3.如權利要求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層的合計厚度的兩倍或更厚， 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行。
4.如權利要求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結結構的薄膜光伏轉換元件，所述第一和第二層是P型半導體層和p/i界面層或η型半導體層和n/i界面層，而所述第三層是i型半導體層。
7.如權利要求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結結構的薄膜光伏轉換元件，所述第一和第二層是P型半導體層和P/i界面層或η型半導體層和n/i界面層，所述添加成分是對應于各類型的摻雜氣體，而所述第三層是i型半導體層。
8.如權利要求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，進行包括所述第一和第二傳送及膜沉積步驟的多個傳送及膜沉積步驟。
9.如權利要求1所述的多層膜形成方法，其特征在于，準備所述膜沉積裝置的步驟包括，準備一膜沉積裝置，所述膜沉積裝置具有經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部各自平行地排列有至少一對膜沉積電極。
10.如權利要求9所述的多層膜形成方法，其特征在于，準備所述膜沉積裝置的步驟包括，準備一膜沉積裝置，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膜沉積腔內部平行地排列有至少兩對膜沉積電極。
11.如權利要求1所述的多層膜形成方法，其特征在于，準備所述膜沉積裝置的步驟包括，準備一膜沉積裝置，所述膜沉積裝置具有在公共真空腔內部排列的至少兩對膜沉積電極作為所述第一和第二沉積部。
12.如權利要求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，準備所述膜沉積裝置的步驟包括，準備一膜沉積裝置，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，且每一個所述轉送及膜沉積步驟包括，從一個退繞/卷繞部中的輥退繞所述襯底，以及將通過各個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，準備所述膜沉積裝置的步驟包括，準備一膜沉積裝置，所述膜沉積裝置具有襯底存儲設備作為所述供給/回收部，且每一個所述傳送及膜沉積步驟包括， 從一個存儲設備饋送所述襯底，以及將通過各個所述膜沉積部沉積了膜的襯底存儲于另一存儲設備中。
14.一種用于執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反應在襯底的至少一個表面上用組分不同的原料氣體形成三個或更多個層，所述裝置包括傳送設備，其可在正向和反向兩個方向上以預定傳送速度持續地傳送所述襯底； 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，其用于分別對所述第一和第二膜沉積部進行排氣，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行切換的一單元，通過所述第一氣體供給模式同時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； 多個氣體供給源，其針對各氣體類型并聯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，其可作為開關單元分別打開和關閉各支管。
16.如權利要求15所述的膜沉積裝置，其特征在于， 所述襯底是細長的、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動設備，用于從輥退繞所述襯底以及將所述襯底卷繞至輥，以及所述傳送設備包括第一給料輥、第二給料輥、第一馬達以及第二馬達，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動設備之間，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動設備之間，所述第一馬達驅動所述第一給料輥，而所述第二馬達驅動所述第二給料輥，其中所述各個馬達可在正向和反向兩個方向上旋轉，且所述旋轉速度是可變的。
17.如權利要求16所述的膜沉積裝置，其特征在于，在所述傳送設備中，所述第一和第二軸心驅動設備各自的旋轉軸沿豎直方向取向，使得在水平方向上傳送處于垂直位置的所述襯底時能夠進行膜沉積。
18.如權利要求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結結構的薄膜光伏轉換元件，所述第一和第二層是P型半導體層和p/i界面層或η型半導體層和n/i界面層，所述添加成分是對應于各個類型的摻雜氣體，而所述第三層是i型半導體層。
全文摘要
本發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，使產品質量穩定，且可降低與裝置和制造有關的成本。采用一種通過氣相化學反應在襯底的至少一個表面上用組分不同的原料氣體形成三個或更多個層的多層膜形成方法，該方法包括準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地傳送襯底的同時，向各膜沉積部同時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地傳送襯底的同時，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H01L21/205GK102376550SQ20111028028
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月19日 優先權日2010年8月19日
發明者和田雄人 申請人:富士電機株式會社