Die Erfindung bezieht sich aufein Verfahren zum Auf
dampfen von Halbleiterschichten auf eine Unterlage unter
Vakuum durch dosierte Zuführung eines Ausgangsstoffes zu erhitzten Verdampfern sowie auf eine Einrichtung zur
Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 6.
Die vorgeschlagene Erfindung eignet sich insbesondere zur
Erzeugung von homogenen Halbleiterschichten grosser Länge und grosser Fläche auf einer biegsamen Unterlage.
Auf die elektrischen Parameter bezogen, kann die Erfindung auch zur Erzeugung von homogenen, zu einer Rolle wickelbaren Schichten grosser Fläche dienen, welche zur Herstellung von fotoempfindlichen Informationsträgern in der Elektrofotografie und zu fotothermoplastischen Aufzeichnungen geeignet sind. In diesem Zusammenhang lassen sich Strahlungswandler, magnetische Widerstände, Hall Dünnschichtgeber und Tensogeber herstellen.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren können Halbleiterschichten vorgegebener Zusammensetzung aus fraktionierenden Materialien erhalten werden.
Ferner ist das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von aktiven Schichtelementen mit Übergängen von Schicht zu Schicht geeignet, welche sowohl gleichartige wie auch andersartige Stoffe aufweisen können. Die Breite der verbotenen Zone kann dabei sowohl einen steilen als auch einen stetigen Übergang aufweisen.
Nach dem erfindungsgemäss vorgeschlagenen Verfahren lassen sich Schichten erhalten, die sowohl die Zusammensetzung des Ausgangsmaterials wiederholen, als auch sich durch Vorhandensein vorgegebener Fraktionen auszeichnen.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren ist ferner die Herstellung von aktiven Elementen aus Materialien möglich, die eine kontinuierliche Reihe von festen Lösungen mit einem vorgegebenen Profil der Breitenänderung der verbotenen Zone über die Schichtdicke bilden.
Das nach der Erfindung vorgeschlagene Verfahren bietet die Möglichkeit, Elemente der nichtlinearen Optik, beispielsweise Lichtleiter herzustellen.
Bekannt ist ein Verfahren zur Vakuumbedampfung von H albleiterschichten, bei dem ein Ausgangs-Halbleiterstoff unmittelbar in einen kalten Verdampfer eingebracht wird, der aufdie Bedampfungstemperatur erhitzt wird. Bei der Bedampfung eines sich über dem Verdampfer bewegenden biegsamen Bandes erhält man eine nach ihren elektrophysikalischen Eigenschaften inhomogene Schicht. Das bekannte Verfahren zur Vakuumbedampfung von Halbleiterschichten gestattet es nicht, homogene Schichten aus Materialien herzustellen, die während der Verdampfung fraktionieren. Bei der Bedampfung von langen Bändern sind die Anfangsabschnitte mit leichten Fraktionen und die Endabschnitte mit schweren Fraktionen angereichert.
Die Inhomogenität der elektrophysikalischen Parameter ruft eine erhebliche Streuung der Empfindlichkeit längs der Schicht hervor. Ausserdem wird die Länge der hergestellten Halbleiterschicht durch den Inhalt des Verdampfers beschränkt, der eine um so grössere Leistung verbraucht, je grösser das Volumen des eingebrachten Stoffes ist. Das bekannte Verfahren gewährleistet nicht die Konstanz der Verdampfungsgeschwindigkeit in der Zeit, weil sich je nach der Verringerung der Ausgangsstoffmasse die Wärmekapazität des Verdampfers verändert, was zur Erhöhung seiner Temperatur und folglich zur Vergrösserung der Verdampfungsgeschwindigkeit führt.
Bekannt ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichten von Mehrkomponentenverbindungen, beispielsweise A'Xl-Blv, durch thermische Verdampfung im Vakuum bei der Schmelztemperatur. Nach Abschluss der Bedampfung wird homogenisierende Behandlung der Schichten durch Glühen durchgeführt. Der Bedampfungs prozess erfolgt etappenweise in dosierter Menge des in den
Verdampfer eingebrachten Materials. Die Homogenität der nach diesem Verfahren erhaltenen Halbleiterschichten steht in direkter Abhängigkeit von der Glühtemperatur und -zeit.
Durch aufeinanderfolgendes Auftragen der einen Halb leiterschicht auf die andere erzeugt man Heterostrukturen.
Das thermische Glühen führt in diesem Fall zur teilweisen
Diffusion des einen Materials in das andere oder aus dem
Material in die Unterlage, wodurch Zonen des p- und des n-Typs erzeugt werden, die als gleichrichtende Übergänge auftreten. Der Diffusionsgrad, der von der Glühtemperatur und -zeit abhängt, bestimmt die Zonenvariabilität der Heterostruktur.
Nach den zwei letzteren Verfahren ist die Herstellung von Halbleiterschichten nur auf begrenzten Oberflächen möglich.
Das thermische Glühen, das sowohl zur Schaffung der Homogenität in den Halbleiterschichten als auch zur Regelung des lnhomogenitätsgradienten angewendet wird, muss bei hohen Temperaturen durchgeführt werden, wodurch die Möglichkeit der Schichtenherstellung auf biegsamen Unterlagen ausgeschlossen ist. Das thermische Glühen und der durch dieses bestimmte Diffusionsprozess stellen einen schwer regelbaren Vorgang dar.
Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Vakuumbedampfung von Halbleiterschichten aufeiner Unterlage (siehe Technologie von Dünnfilmen , Nachschlagebuch unter der Redaktion von L. Maissel, R. Gleng. Verlag Sovetskoe radio 1977, S. 125-133) durch dosierte Zuführung eines Ausgangs- stoffes zu einem erhitzten Verdampfer. Der Ausgangsstoff wird in einen Bunker eingebracht und über eine Dosiereinrichtung, die eine in den Verdampfer in der Zeiteinheit gelangende Teilmenge des Stoffes zumisst, dem Verdampfer zugeführt. Die Temperatur des Verdampfers wird derart eingestellt, dass ein möglichst schneller Verdampfungsprozess sämtlicher Fraktionen des Ausgangsstoffes nach der Methode der Explosion gewährleistet ist.
Wegen der geringen Portionen und der vollständigen schnellen Verdampfung aller Fraktionen wird die Inhomogenität in dem Film lediglich innerhalb der einatomaren Schichten beobachtet. Diese Inhomogenitäten verringern sich infolge ständiger Stoffzuführung zum Verdampfer und praktisch gleichzeitiger Verdampfung sämtlicher Fraktionen, die im Ausgangsstoff enthalten sind. Die Zuführungsgeschwindigkeit des Ausgangsstoffes bestimmt man ausgehend von der Verdampfungsgeschwindigkeit auf solche Weise, dass im Verdampfer keine Anhäufung des Stoffes stattfindet. Das genannte Verfahren gestattet es, auf der Unterlage Halbleiterschichten herzustellen, die nach der Zusammensetzung dem Ausgangsstoff am nächsten kommen.
Jedoch kann bei der Herstellung von Halbleiterschichten auf langen und breiten Bändern die zeitliche Konstanz der Verdampfungsfläche unmöglich gewährleistet werden, was zur Inhomogenität der Schichtdicke über die Länge und Breite der Unterlage führt.
Beim Bedampfen der Schichten nach diesem Verfahren ist eine Abscheidung einzelner Fraktionen unmöglich, weil sie sich im Verdampfervolumen vermischen, was durch die kontinuierliche Stoffzuführung zum Verdampfer bedingt ist. Bei der Herstellung von Schichten mit Extremeigenschaften ist es erforderlich, aus der Zusammensetzung des Kondensats bestimmte im Ausgangsstoff enthaltene Fraktionen abzuscheiden. Die hohen Temperaturen des Verdampfers und die Explosivverdampfung haben den Auswurf des eingebrachten Stoffes aus dem Verdampfer zur Folge, was zu grossen Stoffverlusten und zur Verunreinigung der Halbleiterschicht durch Imprägnation von Ausgangsstoffteilchen führt.
Es ist eine Einrichtung zur Vakuumbedampfung von Halbleiterschichten aufeiner Unterlage grosser Länge bekannt, bei der der Ausgangs-Halbleiterstoff vor dem Bedampfen unmittelbar in einen kalten Verdampfer eingebracht wird.
Bedampft wird eine biegsame Unterlage, die über dem Verdampfer mit Hilfe eines Bandtransportmechanismus bewegt wird. Die erhaltenen Schichten sind durch die Inhomogenität der Eigenschaften gekennzeichnet, welche durch Fraktionieren des Ausgangsstoffes während der Verdampferarbeit bedingt ist.
Bekannt ist auch eine Einrichtung zum Bedampfen von Überzügen auf flachen Unterlagen im Vakuum. Die Einrichtung enthält in einer Vakuumkammer angeordnet: einen Unterlagenhalter und einen Verdampfer, der sich während der Verdampfung des Stoffes dreht und Molekularströme von verschiedenen Abschnitten der Arbeitsfläche des Verdampfers durchmischt, wodurch auf begrenzten Unterlagen Schichten mit homogenen Charakteristiken erhalten werden können. Über die Dicke der hergestellten Schicht wird Inho Homogenität der Eigenschaften wegen der Fraktionierung des Stoffes beobachtet.
Eine andere bekannte Einrichtung enthält Bunker, die mit einer Mehrkomponentenverbindung, beispielsweise mit A"'-BV, beschickt sind, aus denen eine periodische Zuführung des Ausgangsstoffes in einen Verdampfer nach Aufdampfen einer vorhergehenden Stoffdosis erfolgt. Die Homogenität der erhaltenen Schichten wird durch nachfolgendes Glühen gewährleistet.
Es ist eine Einrichtung zur Vakuumbedampfung bei Hochfrequenzerwärmung bekannt. Die Ausgangsstoffe werden in Reihenfolge in kalte Verdampfer eingebracht, die in Querrichtung verschoben und gehoben werden können, was es erlaubt, die Stoffe zur Erwärmungszone im Zentrum einer Hochfrequenzspule aufeinanderfolgend zuzuführen.
Bekannt ist eine Einrichtung zur Vakuumbedampfung von Schichten auf langen Unterlagen. Die Einrichtung enthält
Mittel zum Bewegen der Unterlage durch die Bedampfungszone, in der die Dämpfe des Verdampfungsgutes zur Oberfläche der Unterlage geleitet werden. Zwischen der Oberfläche der Unterlage und der Quelle der Dämpfe ist eine perforierte Schablone untergebracht. Die Bewegung der Schablone und der Unterlage durch die Sedimentierzone erfolgt mit unterschiedlicher relativer Geschwindigkeit.
Bekannt ist eine Einrichtung zum Einbringen des zu verdampfenden Stoffes für eine Anlage zum Auftragen von Metallüberzügen im Vakuum. In einer Vakuumkammer sind ein Verdampfer, ein rotierender Verschluss mit Schirm und eine Beschickungsvorrichtung untergebracht, wobei die letztere in Form von zwei Zylindern ausgeführt ist, von denen der äussere Eintragöffnungen aufweist. Der Verdampfer und die Eintragöffnungen sind durch ein Speiserohr verbunden.
Während der Verdampfung verringert sich die Menge des zu verdampfenden Stoffes im Innern des Verdampfers und die
Verdampfungsintensität geht beträchtlich zurück. In diesem
Fall wird unter gleichzeitigem Drehen des Verschlusses und
Schliessen des Verdampfers das Speiserohr gegenüber der
Eintragöffnung des äusseren Zylinders der Beschickungsvor richtung eingestellt, wonach sich der innere Zylinder der
Beschickungsvorrichtung um einen Schritt dreht und das
Metall über die Eintragöffnung in das Speiserohr gelangt, aus diesem dann in den Verdampfer eintritt und ihn ausfüllt
Zum Einbringen einer grossen Portion dreht sich der innere
Zylinder der Beschickungsvorrichtung mehrmals.
Bekannt ist eine Anlage zum Auftragen eines Metallüber zuges auf ein sich bewegendes Band durch Bedampfung (siehe FR-PS Nr. 2 052 433). Das Band wird mittels Rollen durch eine Vakuumkammer bewegt, in der das Band über
Verdampfer läuft, die den Ausgangsstoff enthalten. Die Ver dampfer werden durch einen Förderer in derselben Richtung wie das Band verschoben. Mit Hilfe von Heizelementen wird der in den Verdampfern enthaltene Stoff zum Auftragen au[' die untere Fläche des Bandes verdampft. Die Anlage ist zum Aufbringen eines Metallüberzugs in dicker Schicht auf breite Bänder aus synthetischem Material anwendbar. Zum Aufdampfen von Halbleiterstoffen fehlt in dieser Anlage die Verbindung zwischen der Verdampfungszeit der Ausgangsstofffraktionen und dem Augenblick des Einbringens einer Dosis in den Verdampfer.
Die Bewegung der Verdampfer über den Heizelementen gestattet es nicht, die zeitliche Konstanz der Temperaturen zu erreichen, was zur unterschiedlichen Verdampfungszeit identischer Fraktionen führt und die Verdampfungsperiode der ganzen Dosis beeinflusst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufdampfen von Halbleiterschichten und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, um eine zeitlich homogene und steuerbare Verteilung der Molekularströme sämtlicher im Ausgangsstoff enthaltenen Fraktionen in der Kondensationszone zu gewährleisten und es zu ermöglichen, auf biegsamen langen und breiten Unterlagen homogene Halbleiterschichten, Schichten mit Extremcharakteristiken sowie Film-Heterostrukturen auf ihrer Basis zu erhalten.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche I und 6 angegebenen Merkmale gelöst.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von homogenen Halbleiterüberzügen auf einer biegsamen, grossflächigen Unterlage und kann zur Erzeugung von Schichten Anwendung finden, die nach der Zusammensetzung sowohl dem Ausgangsmaterial nahekommen als auch sich von dem Ausgangsmaterial in einer vorgegebenen Richtung unterscheiden. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, verschiedenartige Strukturen mit einer sich steil wie auch stetig ändernden Trenngrenze zu schaffen.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Einrichtung zum Aufdampfen von Halbleiterschichten auf eine Unterlage unter Vakuum; Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Einrichtung, jedoch mit Schirmen an Haltern, die mit einem Dosierer verbunden sind;
Fig. 3 mit einer Rückstellvorrichtung versehene Schirme;
Fig. 4 Sektor mit einstellbarem Zentralwinkel:
Fig. 5 in der Höhe verstellbaren vertikalen Schirm, der zwischen zwei benachbarten Verdampfern angeordnet ist;
Fig. 6 Einrichtung zur Vakuumbedampfung von Halbleiterschichten mit am Bandtransportmechanismus angebrachten Verdampfern;
Fig. 7 Einrichtung zur Vakuumbedampfung von Halb leiterschichten mit einer Vorrichtung zum Vorschmelzen des
Ausgangsstoffes.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht in folgendem:
Die Halbleiterschichten werden durch Aufdampfen auf einer Unterlage unter Vakuum durch dosierte Zuführung eines Ausgangsstoffes zu erhitzten Verdampfern hergestellt.
Die Zuführung des Stoffes erfolgt periodisch, indem jeder der n-Verdampfer in Reihenfolge während einer Zeit beschickt wird, die um das 10- bis 1 Sfache geringer als das Intervall zwischen den Beschickungen zweier benachbarten Ver dampfer ist. Die Stoffdosis wird ausgehend von der Notwen digkeit einer gleichmässigen Bedeckung der gesamten wirk samen Oberfläche des Verdampfers und ausreichend zur voll ständigen Verdampfung dieser Dosis während der Zeit T bis zur nächstfolgenden Beschickung gewählt. Das Aufdampfen des Stoffes wird gleichzeitig aus allen beschickten Verdamp fern mit Überdeckung der Molekularströme in der Kondensationszone durchgeführt.
Zur Vergrösserung der Aufdampfgeschwindigkeit und zur gleichmässigen Verdampfung verschiedener Fraktionen erfolgt die Bedampfung aus den sich kontinuierlich bewegenden Verdampfern, die einer zusätzlichen Erhitzung in der Bedampfungszone mit anschliessender Abkühlung auf die Beschickungstem peratu r unterzogen werden.
Zweckm iissigerweise wird der Ausgangsstoff zur rationelleren und vollständigeren Ausnutzung desselben vorgeschmolzen und dann in flüssigem Zustand durch Benetzung eines sich bewegenden Bandes unterbrochener Oberfläche dosiert, das durch die Schmelze in die Bedampfungszone kontinuierlich durchgezogen wird, wo es einer zusätzlichen Erhitzung zur Verdampfung des Ausgangsstofl'es unterworfen wird.
Durch Durchziehen des Bandes unterbrochener Oberfläche, beispielsweise eines Netzes, durch die Schmelze des zu verdampfenden Stoffes erfolgt die Dosierung des Materials aurdem Band, das zugleich als Verdampfer in der Bedamp Iiingszone dient. Die Grösse der Dosis wird durch Durchzugsgeschwindigkeit des Bandes und die Viskosität des eingeschmolzenen Materials geregelt, welche durch Temperatur änderung vorgegeben wird.
In der Bedampfungszone dient ein jeder elementarer Abschnitt der Bandoberfläche als selbständiger Verdampfer, wobei ihre Anzahl derart gross ist, dass sie es gestattet, alle Fraktionen des aufdem Band befindlichen Materials gleichzeitig zu verdampfen. Das Nachfüllen der Schmelze geschieht durch regelbare Zuführung des Ausgangsmaterials aus dem Bunker durch den Eintrittsspalt, wobei das sich bewegende Band als Zuführungsmittel verwendet wird.
Zur Herstellung von Schichten fraktionierender Materialien mit vorgegebenen Parametern werden während einer jeden Verdampfungsperiode die erforderlichen Fraktionen selektiv aurgedampft, wobei der Molekularstrom für die Zeit der Verdampfung von überflüssigen Fraktionen unterbrochen wird.
Zur Verbesserung der Qualität und zur Steuerung der Parameter von aufzudampfenden Halbleiterstrukturen wird eine gleichzeitige Verdampfung sämtlicher Materialien, die die Heterostruktur bilden, aus verschiedenen Verdampfern auf eine sich kontinuierlich bewegenden Unterlage vorgenommen, die in Reihenfolge in die Verdampfungszone einer der Komponenten der Heterostruktur, dann in die Zone der regelbaren Überdeckung der Molekularströme der benachbarten Verdampfer und danach in die Verdampfungszone eines anderen Materials eingeführt wird.
Nachstehend wird die vorgeschlagene Erfindung durch konkrete Beispiele ihrer Ausführung erläutert, die die Möglichkeit der Realisierung des erfindungsgemässen Verfahrens bestätigen.
Beispiel 1
Als Ausgangsstoff wird As2Se3 mit der bekannten Anzahl von Hauptfraktionen, die gleich 3 ist, genommen. Der Stoff wird in zerkleinertem und kalibriertem Zustand eingebracht: Teilchen mit einer Grösse von 0,25-0,5 mm. Entsprechend der Anzahl der Fraktionen werden sechs Verdampfer verwendet Eine Stoffdosis, die in jeden Verdampfer eingebracht wird, beträgt 0,2-0,3 cm2, was für die gleichmässige Bedekkung der wirksamen Oberfläche des Verdampfers in einer gleichmässigen Schicht mit einer Dicke ausreicht, die mindestens der mittlerenCrösse eines Teilchens des Ausgangsstoffes gleich ist. Die Temperatur der Verdampfer wird entsprechend der maximalen Geschwindigkeit der gleichmässigen (ohne Sieden und Explosionen) Verdampfung des Stoffes, d.h.
370-400"C, gewählt. Die Beschickungsperiode wird gleich der Verdampfungszeit einer vorgegebenen Stoffdosis, d.h.
60 sec, eingestellt.
Nach Erzeugung von Vakuum und Erreichung eines vorgegebenen Temperaturzustandes der Verdampfer beginnt man das Einbringen des Ausgangsstoffes, und nach einer Periode, die der Beschickung aller sechs Verdampfer entspricht, d.h.
nach 60 sec, setzt die Verschiebung der Unterlage ein.
Zu diesem Zeitpunkt gelangt in den ersten Verdampfer eine neue Stoffdosis, und er beginnt die leichteste Fraktion zu verdampfen, während der ihm in Ablaufrichtung der Beschickung folgende Verdampfer die Verdampfung der schwersten Fraktion des Ausgangsstoffes beendet. Somit verdampft jeder von den sechs Verdampfern in verschiedenen Etappen seine eigene Fraktion. Der grosse Abstand von den Verdampfern bis zur Unterlage ( 15 cm) und die beträchtliche Kondensationszone (22 cm) gewährleisten eine vielfache Überdeckung der Molekularströme von allen Verdampfern.
Infolgedessen befinden sich in der ganzen Kondensationszone drei Fraktionen des Ausgangsstoffes, indem sie eine um so grössere Übereinstimmung der Kondensatzusammensetzung mit dem Ausgangsstoff gewährleisten, je mehr Verdampfer am Bedampfungsprozess teilnehmen und je langsamer sich die Unterlage durch die Kondensationszone bewegt.
Beispiel 2
Es wird die Vakuumbedampfung von Schichten As2Se3 durchgeführt. Das zerkleinerte Ausgangsmaterial wird portionsweise in Reihenfolge in jeden der kontinuierlich bewegten Verdampfer eingebracht, die auf eine Temperatur von 300-400"C erhitzt sind. Die beschickten Verdampfer werden einer zusätzlichen Erhitzung in der Verdampfungszone unterworfen, wo sie mit Hilfe eines der bekannten Verfahren, beispielsweise durch Elektronenbeschuss, auf eine Temperatur von 700-800 C erhitzt werden, bei der die Bedampfung der sich bewegenden Unterlage erfolgt. Als Bewegungsgeschwindigkeit der Verdampfer wird eine solche eingestellt, dass die Ausgangsportion beim Durchlauf durch die ausgedehnte Verdampfungszone, in welcher sich gleichzeitig sechs (n = 6) Verdampfer befinden, restlos verdampfen würde.
Nach Verlassen der Verdampfungszone passieren die Verdampfer die Zone der Abkühlung auf eine Temperatur von 300-400"C, die dem Temperaturzustand bei der Beschickung entspricht.
Die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ermöglicht es, die Aufdampfgeschwindigkeit um das 7fache zu erhöhen. Durch Untersuchung der elektrophysikalischen Eigenschaften der Schichten wurde nachgewiesen, dass in der kondensierten ausgedehnten Schicht eine Homogenität der Parameter mit einer Streuung von 5-10% erzielt wurde.
Beispiel 3
Es wird die Vakuumbedampfung von Schichten As2Se3 durchgeführt. Das Ausgangsmaterial wird bis zur Erzielung von Teilchen kleiner als 1 mm gemahlen und in den Bunker eingebracht. Es wird das Band in Bewegung gesetzt, das den Ausgangsstoff durch den Eintrittsspalt in die Schmelzkammer unter gleichzeitigem Einschalten von Heizelementen zum Einschmelzen des Materials zuführt. Die Temperatur der Schmelze wird gleich 270-290"C aufrechterhalten, was bei der Bewegungsgeschwindigkeit des Bandes von 0,2 mm/sec dessen Benetzung mit einer Materialschicht bis 2 mm Dicke gewährleistet.
In der Bedampfungszone wird das Material auf dem Band einer zusätzlichen Erhitzung auf eine Temperatur von 630-650"C unterworfen. Das mit dem Material benetzte Band bedeckt sich mit diesem auf den beiden Seiten, und dementsprechend findet die Verdampfung sowohl auf der Innen- wie auch auf der Aussenseite statt, aber die intensive Erhitzung des Materials auf der Innenseite des Bandes leitet den Molekularstrom durch die Bohrungen im Band gleichfalls nach der Seite der Unterlage. Dies gestattet, Schichten von 2 um Dicke bei der Bewegungsgeschwindigkeit der Unterlage von 20 mm/sec zu erhalten.
Beispiel 4
Man erhält Schichten von Arsensulfid durch thermische Verdampfung im Vakuum auf eine metallisierte Unterlage zur Herstellung von fotothermoplastischen Informationsträgern.
Zuvor wird die Zusammensetzung der Dampfphase bestimmt und festgestellt, dass die Fraktionen der maximalen Empfindlichkeit nach 18-25 sec seit dem Verdampfungsbeginn der vorgegebenen Portion zu verdampfen anfangen. Um daher die empfindlichste Schicht zu erhalten, ist es notwendig, aus dem vollen Arbeitszyklus des Verdampfers einen zeitlichen Abschnitt abzusondern, der der Verdampfung der empfindlichsten Fraktionen entspricht.
Das Zeitintervall der Arbeit des Verdampfers im offenen Zustand, wenn der zu verdampfende Stoff auf der Unterlage kondensiert, wird ausgehend von der Forderung der Gewährleistung eines minimalen Wertes der Fotoempfindlichkeit gewählt. Wenn also für die Fotoempfindlichkeit der Schicht eines thermoplastischen Trägers eine Multiplizitätsgrösse von mindestens 7 gewährleistet werden muss, so bestimmt man nach der Kurve der zeitlichen Multiplizitätsverteilung des Kondensats die entsprechenden Werte der Zeit des Beginns und der Beendigung der Verdampferarbeit im offenen Zustand, d.h., wenn der zu verdampfende Stoff auf der Unterlage kondensiert.
Nach der vorläufigen Bestimmung der Verdampfungszeit der Fraktionen des aufzudampfenden Materials führt man die thermische Verdampfung im Vakuum auf die sich bewegende Unterlage gleichzeitig aus mehreren Verdampfern durch, denen das Verdampfungsgut diskret zugeführt wird.
Die Bedampfung erfolgt bei derTemperatur von 410 C.
Während einer jeden Verdampfungsperiode wird der Molekularstrom unterbrochen, indem auf seinem Wege ein Schirm angeordnet wird, der die Kondensation derjenigen Fraktionen verhindert, die den erforderlichen Empfindlichkeitswert der Schicht nicht gewährleisten.
Aufdiese Weise erhält man Schichten von Halbleitermaterialien grosser Länge, die homogene und reproduzierbare Parameter mit vorgegebenen Eigenschaften besitzen, die in Abhängigkeit von den Bedürfnissen ihrer Anwendung für bestimmte Zwecke gesteuert werden.
Das vorliegende Verfahren gestattet es, die natürliche Fraktionierung von aufzudampfenden Materialien für die Steuerung der Eigenschaften der erhaltenen Schichten durch selektives Aufdampfen von Materialfraktionen zu benutzen, die die vorgegebenen Eigenschaften gewährleisten.
Beispiel 5
Man erhält Halbleiter-Heterostrukturen, die durch Materialien As2S3 und AsSe.' gebildet sind. Die Ausgangsstoffe werden in verschiedene Verdampfer eingebracht, die auf die Temperatur von 390 bzw. 370"C erhitzt sind, welche eine bestimmte Verdampfungsgeschwindigkeit bedingen. Der zu verdampfende Stoff wird auf der sich bewegenden Unterlage kondensiert. Der Abstand zwischen der Verdampfergruppe für As2S3 und der Verdampfergruppe für As2Se3 wird gleich 5 cm und zwischen den Verdampfern und der Unterlage gleich 2 cm eingestellt.
Bei der gewählten Anordnungsgeometrie und der Bewegungsgeschwindigkeit der Unterlage von 3 mm/sec werden aufder Unterlage die beiden Halbleiter kondensiert, und die Dicke des zonenvariablen Bereiches der Struktur beträgt 1,57 um.
Durch Änderung des Abstandes zwischen den Verdampfergruppen lassen sich die Überdeckungszone der Molekularströme und dementsprechend der zonenvariable Bereich regeln. Wenn also der Abstand zwischen den Verdampfern vergrössert wird, so verringert sich dadurch die Zone der gemischten Molekularströme, und auf der sich bewegenden Unterlage wird eine Schicht mit einem kleineren zonenvariablen Bereich kondensieren. Für Verdampfer, die in einem Abstand von 6 cm und 4 cm von der Unterlage angeordnet sind, hat der zonenvariable Bereich diejeweiligen Werte 0,7 um und 2,5 um.
Mit der Vergrösserung des zonenvariablen Bereiches wird der Übergang von einem Stoff zum anderen langsamer und stetiger, während er mit der Verkleinerung des zonenvariablen Bereiches abrupter wird.
Die Grösse des zonenvariablen Bereiches kann auch durch gegenseitige Anordnung der Verdampfer und der Unterlage geregelt werden. Durch Senken oder Heben einer der Verdampfergruppen oder der beiden Gruppen können die Gebiete der Kondensation aus diesen Verdampfern erweitert oder eingeengt werden, und dementsprechend kann auch der Bereich der Überdeckung der Molekularströme und folglich die Dicke des zonenvariablen Bereiches in der hergestellten Schicht verändert werden.
Beispiel 6
Man erhält die zonenvariable Struktur AszS-AszSe3 durch thermische Verdampfung im Vakuum aus zwei Gruppen von Verdampfern, die in einem fixierten Abstand voneinander und von der Unterlage angeordnet sind, die sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit bewegt. Die Temperatur der Verdampfer wird in Höhe von 370" bzw. 390"C eingestellt, wodurch die gleiche Kondensationsgeschwindigkeit, die 0,2 um/sec beträgt, gewährleistet wird.
Durch Erhöhung der Temperatur der zweiten Gruppe der Verdampfer wird eine Vergrösserung der Geschwindigkeit der Verdampfung des Stoffes aus ihnen erreicht, und dadurch wird die Zusammensetzung der Dampfphase im Bereich der gemischten Molekularströme verändert, die die Herstellung von Strukturen mit verschiedenen zonenvariablen Bereichen bestimmt.
Bei der Geschwindigkeit der Kondensation von As2Se3 gleich 0,3 um/sec beträgt die Dicke des zonenvariablen Bereiches 1,96 um, bei 0,4 um/sec,-2,4 um, bei 0,8 um/sek,- 3,2 um.
Somit führt die Erhöhung der Kondensationsgeschwindigkeit zur Erweiterung des zonenvariablen Bereiches.
Beispiel 7
Man erhält die zonenvariable Struktur As2s-As2Se3 durch thermische Verdampfung im Vakuum aus zwei Gruppen von Verdampfern bei gleichbleibender Verdampfungsgeschwindigkeit, konstanter Temperatur der Verdampfer und vorgegebener Geometrie der Anordnung der Verdampfer untereinander und zur Unterlage.
Bei den Temperaturen der Verdampfer von 370" und 390"C wird die Kondensationsgeschwindigkeit von 0,2 Fm/sec für Verdampfer gewährleistet, die voneinander in einem Abstand gleich 5 cm und von der Unterlage in einem Abstand gleich 2 cm angeordnet sind. Bei diesen Parametern erhält man einen zonenvariablen Bereich in der Schicht gleich 1,57 um.
Die Veränderung der Bewegungsgeschwindigkeit der
Unterlage wird die Dicke der hergestellten Schichten sowie die Dicke des zonenvariablen Bereiches umgekehrt proportional beeinflussen.
Bei der zweifachen Verminderung der Bewegungsgeschwindigkeit der Unterlage werden in jedem Kondensationsgebiet doppelt so dicke Schichten erhalten, und der zonenvariable Bereich wird ebenfalls doppelt so dick. Bei der Erhöhung der Geschwindigkeit der Unterlage nimmt die Dicke der Schichten ab. Für eine Bewegungsgeschwindigkeit der Unterlage von 6 mm/sec befindet sich das fünfzigprozentige Verhältnis der Komponenten des Heteroübergangs im zonenvariablen Bereich im Abstand von 0,93 um von der Unterlage über die Schichtdicke, für die Geschwindigkeit von 3 um aber im Abstand von 1,87 zum.
Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet es, Heterostrukturen auf ausgedehnten Flächen zu erhalten. Der Prozess der Herstellung des Endproduktes ist kontinuierlich. Es ist die Möglichkeit zur Regelung der Parameter der erhaltenen Strukturen unmittelbar bei deren Herstellung geschaffen. Dadurch, dass der Diffusionsvorgang und die damit verbundene Notwendigkeit der Schaffung von bestimmten Temperaturverhältnissen ausgeschlossen sind, kennzeichnen sich die erhaltenen Strukturen durch bessere Qualität, gleichmässige Verteilung von Parametern, zeitliche Stabilität der Eigenschaften.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhält man zonenvariable Strukturen mit verschiedenen Dicken des zonenvariablen Bereiches unter gleichzeitiger Regelung seiner Lage über die Dicke der gesamten Struktur.
Nach diesem Verfahren können auch abrupte Heteroübergänge durch Anwendung des gleichzeitigen Aufdampfens von die Struktur bildenden Materialien erhalten werden.
Die Einrichtung zur Vakuumbedampfung von Halbleiterschichten enthält einen Bunker 1 (Fig. 1), in den ein vorzerkleinerter und vorkalibrierter Stoff eingebracht wird. Im unteren Teil des Bunkers 1 sind Öffnungen 2 ausgeführt, deren Zahl der Anzahl von Verdampfern 3 entspricht, über denen mit Hilfe eines Bandtransportmechanismus 4 eine Unterlage durchgezogen wird, die als Band 5 gestaltet ist.
Durch die Öffnungen 2 wird der Ausgangsstoff zu Vertiefungen 6 zugeführt, die an der Oberfläche der rotierenden Welle 7 eines Dosierers angebracht sind und mit den Verdampfern 3 über Leitrinnen 8 in Verbindung gesetzt werden.
Die Zahl der Vertiefungen 6 an der Welle 7 des Dosierers fällt mit der Anzahl der Verdampfer 3 zusammen. Die Vertiefungen 6 sind in bezug aufeinander um einen Winkel gleich l ' versetzt, worin n die Anzahl der Verdampfer 3 bedeutet.
Der Molekularstrom aus den Verdampfern 3 zur Unterlage ist durch eine Wärmeabschirmung 9 mit einer Heizspirale 10 an deren Aussenseite begrenzt.
Die Abmessungen der Vertiefungen 6 sind so gewählt, dass der die Vertiefungen 6 ausfüllende Ausgangsstoff beim Schütten durch die sich bewegenden Rinnen 8 auf der Oberfläche der Verteiler 3 gleichmässig verteilt wird. Der Begrenzer 11 des Bunkers I ebnet die Oberfläche des Stoffes in der Vertiefung 6 ein.
Zur Absonderung aus dem Molekularstrom von vorgegebenen Fraktionen sind auf dem Wege des Molekularstromes aus den Verdampfern 3 zur Unterlage Überdeckungsschirme 12 (Fig. 2) angebracht, die mit Hilfe der Welle eines Antriebs
13 in Bewegung versetzt werden, die sich in einer Ebene unter den Verdampfern 3 befindet. Die Drehbewegung wird zur Welle 7 des Dosierers und zur Welle des Antriebs 13 von einem Elektromotor, der ausserhalb der Vakuumkammer angebracht ist, mittels Hauptwelle 14 und Zahnrädern 15 übertragen.
Das Antriebswerk der Schirme 12 ist in Fig. 3 dargestellt.
Es enthält die Welle des Antriebs 13, die mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie die Welle 7 des Dosierers (Fig. 2) rotiert. Aufdie Welle des Antriebs 13 (Fig. 3) sind Flachscheiben 16 aufgesetzt, deren Zahl der Anzahl der Verdampfer 3 (Fig. 2) entspricht und an denen Sektoren 17 mit einem Halbmesser befestigt sind, der grösser als der Halbmesser der Scheibe 16 ist.
Der Zentralwinkel der Öffnung des Sektors 17 ist durch die Beziehung bestimmt: cm= 360 (t2-t,),
Ti worin bedeuten: Ti - Periode der Ausgangsstoffzuführung zu den Verdampfern 3 (Fig. 2), ti - Zeit des Beginns der Verdampfung von erforderlichen Fraktionen, t2 - Zeit der Beendigung der Verdampfung von erforderlichen Fraktionen.
Die Überdeckungsschirme 12 (Fig. 3) sind an Haltern 18 befestigt, die als zylindrische Stäbe drehbar um ihre Achsen ausgeführt sind. An den Haltern 18 sind in der Berührungsebene mit den vorstehenden Sektoren 17 Fähnchen 19 zur Drehung der Schirme 12 angebracht. Auf der anderen Seite der Halter 18 sind Begrenzer 20 angebracht, die den stationären Zustand der Halter 18 mit den Schirmen 12 vorgeben.
Die Halter 18 sind mit einer Rückführvorrichtung versehen, die in Gestalt einer Feder 21 ausgeführt ist, deren eines Ende befestigt und deren zweites Ende mit an den Haltern 18 angeordneten Stäben 22 verbunden ist.
Der Sektor 17 mit dem regelbaren Zentralwinkel a (Fig. 4) ist an der Flachscheibe 16 befestigt, in der ringförmige Schlitze 23,24 vorgesehen sind. An der Scheibe 16 sind mittels Einspannschrauben 25 zwei Stützzipfel 26 befestigt, mit deren Hilfe der Zentralwinkel cm der Öffnungen des Sektors 17 vorgegeben wird. Zwischen den Stützzipfeln 26 sind Zipfel 27 angeordnet, die Rasten 28 aufweisen. In der zusammengebauten Konstruktion ragen die Rasten 28 in die ringförmigen Schlitze 23 und 24 der Flachscheibe 16 und verhindern die Bewegung der Zipfel 26,27.
Die Zipfel 26, 27 sind so angeordnet, dass der Rand des einen auf den Rand des anderen aufläuft, wodurch ein Fächer entsteht. An den Rändern wird der Fächer an die Scheibe 16 durch die Stützzipfel 26 angedrückt, was die erforderliche Steifigkeit der Konstruktion gewährleistet.
Der Bandtransportmechanismus 4 (Fig. 5) zieht die als Band 5 ausgebildete Unterlage mittels Führungsrollen 29 dadurch, die mit einem Rahmen 30 verbunden sind, in dem ein Fenster 31 vorhanden ist, welches das Kondensationsgebiet über die Breite und Länge des Bandes 5 für die Stoffe begrenzt, die aus zwei Gruppen der Verdampfer 3 verdampft werden. Am Rahmen 30 ist ein Schutzschirm 32 angebracht.
In das Gebiet 33 der Kondensation der gemischten Molekularströme ist ein vertikaler Schirm 34 eingeführt, der mit einer Vorrichtung 35 zu seiner Höhenverstellung verbunden ist.
Zur gleichmässigen Verdampfung verschiedener Fraktionen werden die Verdampfer 3 (Fig. 6) an einem zusätzlichen Bandtransportmechanismus 36 angebracht, der mit der Welle 7 des Dosierers mit Hilfe eines Synchronisators 37 verbunden ist. Zwischen der Bedampfungszone und der Beschickungszone sind in der Bewegungsrichtung der Verdampfer 3 Vorrichtungen 38 zur Abkühlung der Verdampfer 3 auf die Beschickungstemperatur angeordnet. Zwischen dem Band 5 und den Verdampfern 3 ist ein feststehender Schirm 39 mit Fenstern 40 untergebracht. In der Bedampfungszone werden die Verdampfer 3 einer zusätzlichen Erhitzung mit Hilfe eines Erhitzers 41 unterzogen.
Zur rationelleren und vollständigeren Ausnutzung des Ausgangsstoffes sind in einer Vakuumkammer 42 (Fig. 7) der Einrichtung ein Aufgabebunker 1 und eine Vorrichtung 43 zum Vorschmelzen des Ausgangsstoffes untergebracht, die eine Kammer 44 mit in ihr angeordneten Erhitzern 45, einen Deckel 46 und eine Führung 47 enthält, die als halbzylindrische Oberfläche ausgebildet ist, die eine Reihe von Durchgangsbohrungen 48 aufweist. Im Deckel 46 ist ein Eintrittsspalt 49 und ein Austrittsspalt 50 vorhanden, die tangential zur zylindrischen Oberfläche der Führung 47 angebracht sind.
Durch die Spalte 49 und 50 läuft die Führungen 47 umschlingend ein Band 51 unterbrochener Oberfläche, beispielsweise ein Netz, dessen Bewegung ein Antriebsmechanismus 52 vorgibt, welcher aus einer Antriebstrommel 53, einer Spanntrommel 54, einer Umlenktrommel 55 und einem ausserhalb der Vakuumkammer 42 installierten Elektromotor 42 mit Getriebe (in Fig. nicht abgebildet) besteht. Die Antriebstrommel 53 gewährleistet die vertikale Bewegung des Bandes 51 aus dem Eintrittsspalt 50. In der Richtung seiner Bewegung läuft das Band 51 in der unmittelbaren Nähe eines mit einem Schirm 56 versehenen Erhitzers 57, der das aus der Schmelzkammer 44 austretende Material auf die Unterlage verdampft, die als Band 5 ausgebildet ist, dessen Bewegung durch den Bandtransportmechanismus in derselben Richtung wie das Band 51 vorgegeben wird.
Im unteren Teil des Aufgabebunkers list ein Fenster mit einem beweglichen Schieber 58 zur geregelten Materialzufuhr zur Schmelzkammer 44 über den Kanal 59 vorhanden.
Der Antriebsmechanismus 52 ist gegen Erwärmung durch einen Schutzschild 60 mit Wasserkühler 61 geschützt.
Die Einrichtung arbeitet auf die folgende Weise:
Ein zerkleinerter Halbleiterstoff wird in den Bunker 1 (Fig. 1) eingebracht, das Band 5 wird in den Band.ransport- mechanismus 4 eingeführt. Man erzeugt Vakuum, erhitzt die Verdampfer 3 auf die Verdampfungstemperatur des Stoffes, gibt die Bewegungsgeschwindigkeit des Bandes 5 vor und schaltet den Dosierer ein. Bei der Drehung der Welle 7 des Dosierers läuft die Vertiefung 6 unter der Öffnung 2 im Bunker 1 durch und der Ausgangsstoff füllt dieselbe aus. Bei der weiteren Drehung der Welle 7 des Dosierers ebnet der Begrenzer 11 des Bunkers 1 die Oberfläche des Stoffes in der Vertiefung 6 ein, welcher dann durch die Leitrinne 8 über die Oberfläche des jeweiligen Verdampfers 3 verstreut wird.
Als Drehgeschwindigkeit der Welle 7 des Dosierers und Ver dampfangsgeschwindigkeit des Stoffes werden solche gewählt, dass zum Zeitpunkt des Eingangs einer neuen Stoffdosis in den Verdampfer 3 im letzteren praktisch der ganze Stoff verdampft ist. Hierbei nehmen an der gleichzeitigen Verdampfung die Verdampfer 3 teil, deren Anzahl durch die Zahl der Fraktionen im Ausgangsstoff teilbar ist. Durch Aufeinanderfolge und Kreisläufigkeit der Arbeit des Systems Dosierer-Verdampfer 3 wird die Verkleinerung der Verdampfungsfläche des Stoffes in einem der Verdampfer durch Zugabe des Stoffes in einen anderen Verdampfer 3 ausgeglichen, so dass die gesamte Verdampfungsfläche konstant bleibt. Infolgedessen wird in der Kondensationszone eine zeitlich konstante Diche der.
Molekularströme sämtlicher Fraktionen gewährleistet, während die Überdeckung der Molekularströme und die Bewegung des Bandes 5 die notwendigen Bedingungen zur Herstellung von nach ihren elektrophysikalischen Parametern homogenen Schichten schafft.
Um Schichten mit Extremaleigenschaften zu erhalten, werden auf dem Wege des Molekularstromes aus den Verdampfern 3 (Fig. 2) zu dem Band 5 die Überdeckungsschirme 17 angebracht. Nach Erreichen eines erforderlichen Unterdrucks in der Vakuumkammer und nach Erhitzung der Verdampfer 3 auf die geforderte Temperatur werden der Bandtransportmechanismus 4 und der Elektromotor eingeschaltet, mit dem die Hauptwelle 14 verbunden ist. Die Drehung der Hauptwelle 14 wird mit Hilfe der Zahnräder 15 zur Welle 7 des Dosierers und zur Welle des Antriebs 13 übertragen. Bei der Drehung der Welle 7 des Dosierers laufen die Vertiefungen 6 unter den Öffnungen 2 im Bunker 1 durch und werden mit dem Stoff ausgefüllt.
Die weitere Drehung der Welle 7 des Dosierers führt dazu, dass der Stoff in die Rinne 8 gelangt, durch welche er dann in die Verdampfer 3 geleitet wird. Die Periode des Eintritts des Stoffes in jeden einzelnen Verdampfer 3 wird durch die Drehungsperiode der Welle 7 des Dosierers vorgegeben und so eingestellt, dass zum Zeitpunkt des Eingangs einer Stoffportion die vorhergehende vollständig verdampft ist. Im Augenblick des Eintritts der Stoffportion in den Verdampfern 3 befindet sich der Überdeckungsschirm 12 in der Ausgangsstellung und unterbricht den Molekularstrom auf dem Wege aus dem Verdampfer 3 zum Band 5.
Nach Verlauf einer Zeit tl, die dem Beginn der Verdampfung von erforderlichen Fraktionen entspricht, nimmt die Welle des Antriebs 13 (Fig. 3) eine solche Stellung ein, dass der Rand des vorstehenden Sektors 17 das Fähnchen 19 zur Drehung des Schirmes 12 berührt und dieses zusammen mit dem Halter 18 und dem Schirm 12 um die Achse dreht. Hierbei nimmt der Überdeckungsschirm 12 eine zur Zeichnungsebene senkrechte Stellung ein und gewährleistet den Dämpfen des zu verdampfenden Stoffes einen freien Zutritt zur Unterlage. Nach Verlauf einer Zeit t2 seitdem Augenblick des Eingangs der Stoffportion kommt das Ende des vorstehenden Sektors 17 gegenüber dem Ende des Fähnchens 19 zur Drehung des Schirmes 12 zu stehen, und der Schirm 12 nimmt unter Einwirkung der Rückführfeder 21 die Ausgangsstellung ein und überdeckt den Molekularstrom.
Somit wird ein freier Zutritt des Molekularstromes zur Unterlage von dem Zeitmoment tl bis zum Zeitmoment t2 nach Gelangen der Stoffportion in den Verdampfer 3 gesichert; in den übrigen Zeitmomenten befinden sich die Schirme 12 in der Ausgangsstellung und unterbrechen den Molekularstrom. Die überflüssigen Fraktionen kondensieren an den Überdeckungsschirmen 12 und gelangen nicht auf die Unterlage.
Der Zentralwinkel a (Fig. 4), der den vorstehenden Sektor 17 bestimmt, wird ausgehend von den folgenden Erwägungen eingestellt.
Unter konstanten technologischen Bedingungen bleibt die Zeit der vollständigen Verdampfung gleicher Einwaagen des Stoffes konstant und gleich T. Die Periode T2 der Drehung der Welle 7 des Dosierers (Fig. 1), die mit der Periode Ti der Stoffzuführung zu den Verdampfern 3 zusammenfällt, wird aufsolche Weise eingestellt, dass die Beziehung T2 > T erfüllt wird. Der Zeitmoment tl des Verdampfungsbeginns und der Zeitmoment t2 der Beendigung der Verdampfung von Fraktionen mit den geforderten Werten des Parameters, beispielsweise der Fotoempfindlichkeit, bleiben für die gewählte Stoffdosis und die vorgegebene Verdampfungstemperatur von Dosis zu Dosis konstant. Es sei, eine Stoffdosis gelangt in einen einzelnen Verdampfer 3 im Zeitmoment t = 0.
Der Überdeckungsschirm 12 (Fig. 2) muss sich in der Ausgangsstellung befinden und den Zutritt der Dämpfe des zu verdampfenden Stoffes zur Unterlage überdecken. Im Zeitmoment t = tl (Zeit des Beginns der Verdampfung von erforderlichen Fraktionen) soll sich der Schirm 12 drehen und einen ungehinderten Zutritt der Dämpfe des Stoffes zur Unterlage freigeben. In dieser Lage soll sich der Schirm 12 bis zum Zeitmoment t = t2 (Zeit der Beendigung der Verdampfung von erforderlichen Fraktionen) befinden.
Der Überdeckungsschirm 12 dreht sich, wenn der vorste hende Sektor 17(Fig. 1)mitdem Fähnchen 19 zur Drehung des Schirmes 12 in Berührung kommt, sobald das Ende des Sektors 17 gegenüber dem Fähnchen 19 zu stehen kommt; der Halter 18 mit dem Schirm 12 erhält die Möglichkeit, sich in die Ausgangsstellung zu drehen und den Zutritt der Dämpfe zur Unterlage zu unterbinden. Die Zeit des Verweilens des Schirmes 12 im offenen Zustand wird durch Berührungszeit des vorstehenden Sektors 17 mit dem Drehungsfähnchen 19 bestimmt und soll t2-tl gleich sein.
In der Zeiteinheit dreht sich die Welle des Antriebs 13 zusammen mit dem Sektor 17 um einen Winkel 36ll . Daraus wird der Zentralwinkel a (Fig. 4), der den Sektor bestimmt, gemäss der folgenden Beziehung errechnet:
360 (t2-ti),
Ti worin bedeuten: Ts - Periode der Stoffauführung zu den Verdampfern; ti - Zeit des Beginns der Verdampfung von erforderlichen Fraktionen; t2 - Zeit der Beendigung der Verdampfung von erforderlichen Fraktionen.
Der Sektor 17 wird auf der Welle des Antriebs 13 solcherweise angeordnet, dass im Augenblick der Stoffzuführung zu dem betreffenden Verdampfer 3 (Fig. 2) der Zentralwinkel (Fig. 4) zwischen dem Anfang des Sektors 17 (Fig. 3) und dem Fähnchen 19 zur Drehung des Schirmes 12 der folgenden Grösse gleich ist:
360 > Ti worin bedeuten:
3 - Zentralwinkel zwischen dem Anfang des Sektors und dem
Fähnchen zur Drehung des Schirmes; T - Periode der Stoffzuführung zu den Verdampfern; tl - Zeit des Beginns der Verdampfung von erforderlichen Fraktionen.
Es bietet sich die Möglichkeit, nur die Fraktionen des zu verdampfenden Stoffes aufzutragen, die die geforderten
Eigenschaften besitzen. Die Wahl verschiedener Zeitintervalle des Verdampfungsprozesses und des Auftragungsbeginns, die durch die Werte derjeweiligen Grössen a und ss vorgegeben werden, gestattet es, Halbleiterschichten grosser
Länge mit verschiedenen Werten des gewählten Parameters beim Verdampfen ein und desselben Stoffes zu erhalten.
Hierbei ergeben sich homogene Schichten, die eine geringe Streuung der Eigenschaften über die Schichtlänge aufweisen.
Um die Halbleiter- Heterostrukturen zu erhalten, werden die entsprechenden Stoffe in verschiedene Gruppen der Verdampfer 3 (Fig. 5) eingebracht, zwischen denen der vertikale Schirm 34 angeordnet wird, der mit der Vorrichtung 35 zu seiner Höhenverstellung verbunden ist. Bei dem vollständig gehobenen vertikalen Schirm 34 wird mit der fortschreitenden Bewegung des Bandes 5 auf dieses zuerst der Stoff aus den einen Verdampfern 3 und dann aus den anderen aufgedampft. Somit ist bei gleichzeitigem Aufdampfen die Herstel lung eines abrupten Heteroübergangs möglich.
Beim Senken des vertikalen Schirmes 34 mit Hilfe der Verstellvorrichtung 35 wird es möglich, dass der in den ersten Verdampfern 3 befindliche Stoff in die Kondensationszone des Stoffes gelangt, welcher aus den zweiten Verdampfern 3 verdampft wird, und umgekehrt, d.h., es entsteht ein neues Kondensa tionsgebiet 33, das durch die Vermischung der Molekular ströme von aus den Verdampfern 3 verdampften Stoffen gebildet ist.
In diesem Fall wird der Übergang in der Heterostruktur nicht abrupt und zwischen den Schichten bildet sich ein Übergangsgebiet mit stetiger Änderung der Zusammensetzung von einem Stoff zum anderen.
Durch bei der Bedampfung erfolgende Änderung der Höhenlage des vertikalen Schirmes 34 in bezug auf die Unterlage kann das Gebiet der gemischten Molekularströme vergrössert oder verkleinert werden, und folglich wird die Dicke des Gebiets des stetigen Übergangs in der Struktur ebenfalls zu- oder abnehmen, was zur Veränderung der fotoelektrischen Eigenschaften der hergestellten Filme führt.
Durch Anordnung des Schirmes 34 während der Bedampfung in einer bestimmten Höhe kann man Strukturen mit den erforderlichen fotoelektrischen Eigenschaften erhalten.
Somit ermöglicht es die erfindungsgemässe Einrichtung, zonenvariable Strukturen auf ausgedehnten Oberflächen zu erhalten. Es ist die Möglichkeit geschaffen, Dünnfiimstrukturen verschiedenen Typs zu erhalten.
Der Prozess der Herstellung des Endproduktes ist kontinuierlich. Mit Hilfe der erfindungsgemässen Einrichtung ist es möglich die Parameter der erhaltenen Strukturen unmittelbar bei der Herstellung derselben zu regeln.
Zur Erhöhung der schnellen Arbeitsweise der Einrichtung und des Wirkungsgrades werden die an dem zusätzlichen Bandtransportmechanismus 36 angebrachten Verdampfer 3 (Fig. 6) in Reihenfolge mit Ausgangsstoff in dem Augenblick beschickt, in welchem sich der Verdampfer 3 unter der Rinne 8 befindet. Danach werden sie in die Bedampfungszone verschoben, wo sie einer zusätzlichen Erhitzung unterzogen werden, was zu einer beträchtlichen Erhöhung der Verdampfungsgeschwindigkeit, d.h. der Leistungsfähigkeit der Einrichtung beiträgt.
Nach Verlassen der Bedampfungszone gelangen die Verdampfer 3 bei ihrer kontinuierlichen Bewegung in die Kühlzone, wo sie die Beschickungstemperatur erlangen, die gleich demjenigen maximalen Wert eingestellt wird, bei dem kein Auswurf der eingebrachten Stoffteilchen aus den Verdampfern 3 beobachtet wird, was zur Verminderung der Verluste bei der Beschickung führt.
Um Schichten zu erhalten, die sich nach ihrer Zusammensetzung vom Ausgangsmaterial unterscheiden, sowie zur Herstellung von in bezug auf die Empfindlichkeit extremalen Schichten ist zwischen der Unterlage 5 und den Verdampfern 3 in der unmittelbaren Nähe der letzteren ein feststehender Schirm 39 mit mindestens einem Fenster 40 regelbarer Breite angeordnet. Das Vorhandensein des Fensters gestattet es, den Molekularstrom einer vorgegebenen Fraktion von den Verdampfern durchzulassen, die sich im gleichen Verdampfungsstadium befinden. Durch Regelung der Fensterbreite steuert man den Molekularstrom, indem man in der Zusammensetzung des Kondensats die Menge ähnlicher Fraktionen verändert.
Um Schichten herzustellen, die nach mehreren Parametern, beispielsweise nach Empfindlichkeit und spezifischem Widerstand optimal sind, wird ein Schirm mit mehreren Fenstern angeordnet, wobei jedes Fenster zur Abscheidung von Fraktionen benutzt wird, die den Maximalwert des ausgesonderten Parameters gewährleisten.
Die mit der Vorrichtung 43 (Fig. 7) zum Vorschmelzen des Ausgangsstoffes versehene Einrichtung arbeitet folgenderweise:
Vorläufig wird der Aufgabebunker 1 und die Vorschmelzkammer 44 mit Ausgangsstoff beschickt. In den Bandtransportmechanismus 4 wird eine Bobine mit der erforderlichen Menge der Unterlage eingesetzt. Nach Erreichen der geforderten Vakuumgrösse in der Arbeitskammer 42 werden die Erhitzer 45 der Vorschmelzkammer 44 eingeschaltet, und bei Erreichen der vorgegebenen Temperatur des eingeschmolzenen Ausgangsstoffes wird der Antriebsmechanismus 52 für die Bewegung des Bandes 51 eingeschaltet. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Bandes wird in einem Bereich von 0,01 0,1 m/min vorgegeben. Das durch die Schmelze laufende Band 51 zieht eine bestimmte Menge des Materials dank Benetzbarkeit der Oberfläche des Bandes 51 heraus.
Durch Veränderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Bandes 51 und Änderung der Temperatur des eingeschmolzenen Stoffes wird sich die Menge des herauszuziehenden und folglich zu verdampfenden Stoffes und somit die Dicke der aufgedampften Schicht verändern.
Gleichzeitig mit dem Einschalten des Antriebsmechanismus 52 wird die Speisung der Erhitzer 57 eingeschaltet, die die Verdampfung des Stoffes von der Oberfläche des Bandes 51 gewährleisten.
Der zu verdampfende Stoff kondensiert auf der Unterlage, die als Band 5 ausgebildet ist, das in derselben Richtung wie auch das Band 51 bewegt wird.
Während der Arbeit der Einrichtung wird der Verbrauch des Ausgangsstoffes aus der Vorschmelzkammer 44 durch den Stoff aufgefüllt, der aus dem Bunker 1 durch den Kanal 59 ankommt.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Einrichtung gestatten es somit: - eine zeitlich homogene und steuerbare Verteilung in der Kondensationszone von Molekularströmen sämtlicher Fraktionen, die im Ausgangsstoff enthalten sind, zu erzielen, welche nach elektrophysikalischen Parametern homogene Halbleiterschichten auf langen biegsamen Bändern 5 herzustellen ermöglicht; - eine maximale Übereinstimmung der Zusammensetzung der Halbleiterschicht mit der Zusammensetzung des Ausgangsstoffes bei der Ausnutzung aller Fraktionen des letzteren zu erreichen; - die Eigenschaften der Halbleiterschicht zielgerichtet zu verändern, indem ein Teil der Fraktionen aus der Zusammensetzung des Molekularstromes in der Kondensationszone ausgeschlossen und dadurch Schichten mit Extremaleigenschaften erhalten werden;
; - die Arbeitsleistung der Einrichtung beträchtlich zu steigern, und zwar durch Beseitigung des Stoffauswurfes dank der Beschickung der Verdampfer 3 bei niedrigeren Temperaturen und durch Einführung der Verdampfer 3 in die Zone der zusätzlichen Erhitzung zur Steigerung der Verdampfungsgeschwindigkeit; - durch Vermischen der Molekularströme von verschiedenen Ausgangsstoffen in der Kondensationszone 33 und durch aufeinanderfolgendes Einführen der sich bewegenden Unterlage in die Bereiche der Molekularströme unterschiedlicher Zusammensetzung sowohl schroffe als auch zonenvariable Heterostrukturen mit unterschiedlichem Gehalt der Schichten in einem einheitlichen Bedampfungszyklus zu schaffen; - durch verhältnismässig einfache Methoden das Profil der Energieschwelle in den zonenvariablen Übergängen zu regeln und Halbleiter-Heterostrukturen verschiedener Zweckbestimmung zu schaffen.
Ausserdem erfordert das Verfahren keine Veränderung und Regelung der vorgegebenen Temperaturzustände nach einem komplizierten Programm während der Bedampfung und ermöglicht es, reproduzierbare Schichtparameterzu gewährleisten.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist hinreichend billig und wirtschaftlich; weil es gestattet, in einem einheitlichen technologischen Zyklus grosse Massive von Halbleiterüberzügen auf einer biegsamen Grundlage zu erhalten, und die Möglichkeit zum Ausschluss einzelner Fraktionen bei der Verdampfung erlaubt es, billige Ausgangsstoffe mit geringem Reinigungsgrad zu verwenden.
Dank dem erfindungsgemässen Verfahren wird der Bereich der möglichen Anwendungen von anorganischen Halbleiterstoffen erheblich erweitert. So z.B. wurde es möglich, sie in Systemen der Registrierung der optischen Information einzusetzen, nämlich solchen wie Foto- und Filmkameras, in Einrichtungen zur Aufzeichnung mittels Licht- und Laserstrahl auf ein sich kontinuierlich bewegendes Band. Bei allen diesen und ähnlichen Systemen ist eine hohe Homogenität der elektrophysikalischen Parameter der Halbleiterschicht auf der gesamten Bandlänge erforderlich.
The invention relates to a method for
vaporize from semiconductor layers on a base
Vacuum through metered supply of a starting material to heated evaporators and to a device for
Implementation of the process according to the preamble of
Claim 6.
The proposed invention is particularly suitable for
Generation of homogeneous semiconductor layers of great length and large area on a flexible base.
In relation to the electrical parameters, the invention can also be used to produce homogeneous layers of large area which can be wound into a roll and which are suitable for producing photosensitive information carriers in electrophotography and for photothermoplastic recordings. In this context, radiation transducers, magnetic resistors, Hall thin-film sensors and tenso sensors can be manufactured.
According to the method according to the invention, semiconductor layers of a predetermined composition can be obtained from fractional materials.
Furthermore, the method according to the invention is suitable for producing active layer elements with transitions from layer to layer, which can have both the same and different types of substances. The width of the forbidden zone can have both a steep and a steady transition.
The process proposed according to the invention makes it possible to obtain layers which both repeat the composition of the starting material and are distinguished by the presence of predetermined fractions.
According to the method according to the invention, it is also possible to produce active elements from materials which form a continuous series of solid solutions with a predetermined profile of the change in width of the prohibited zone over the layer thickness.
The method proposed according to the invention offers the possibility of producing elements of non-linear optics, for example light guides.
A method for vacuum evaporation of semiconductor layers is known in which a starting semiconductor material is introduced directly into a cold evaporator which is heated to the evaporation temperature. When a flexible strip moving over the evaporator is vapor-deposited, a layer is obtained which is inhomogeneous according to its electrophysical properties. The known method for vacuum evaporation of semiconductor layers does not allow homogeneous layers to be produced from materials that fractionate during evaporation. When steaming long tapes, the beginning sections are enriched with light fractions and the end sections with heavy fractions.
The inhomogeneity of the electrophysical parameters causes a considerable spread of sensitivity along the layer. In addition, the length of the semiconductor layer produced is limited by the content of the evaporator, which consumes more power the greater the volume of the substance introduced. The known method does not ensure that the rate of evaporation is constant over time, because the heat capacity of the evaporator changes depending on the reduction in the mass of starting material, which leads to an increase in its temperature and consequently to an increase in the rate of evaporation.
Also known is a method for producing semiconductor layers of multi-component compounds, for example A'Xl-Blv, by thermal evaporation in a vacuum at the melting temperature. After the evaporation is complete, the layers are homogenized by annealing. The steaming process is carried out in stages in a metered amount of the
Evaporator material introduced. The homogeneity of the semiconductor layers obtained by this process is directly dependent on the annealing temperature and time.
By successively applying one semiconductor layer to the other one creates heterostructures.
In this case, thermal annealing leads to partial
Diffusion of one material into or out of the other
Material into the backing, creating p and n type zones that act as rectifying transitions. The degree of diffusion, which depends on the annealing temperature and time, determines the zone variability of the heterostructure.
According to the latter two methods, the production of semiconductor layers is only possible on limited surfaces.
The thermal annealing, which is used both to create homogeneity in the semiconductor layers and to regulate the inhomogeneity gradient, must be carried out at high temperatures, as a result of which the possibility of producing layers on flexible substrates is excluded. Thermal annealing and the diffusion process determined by this represent a process that is difficult to regulate.
Also known is a method for vacuum evaporation of semiconductor layers on a substrate (see technology of thin films, reference book edited by L. Maissel, R. Gleng. Sovetskoe radio 1977, p. 125-133) by metered feeding of a starting material to a heated evaporator. The starting material is introduced into a bunker and fed to the evaporator via a metering device which measures a partial quantity of the substance entering the evaporator in the time unit. The temperature of the evaporator is set in such a way that the fastest possible evaporation process of all fractions of the starting material is ensured using the explosion method.
Because of the small portions and the complete rapid evaporation of all fractions, the inhomogeneity in the film is only observed within the one-atom layers. These inhomogeneities are reduced due to the constant supply of material to the evaporator and practically simultaneous evaporation of all fractions contained in the starting material. The feed rate of the starting material is determined on the basis of the rate of evaporation in such a way that the material does not accumulate in the evaporator. The method mentioned makes it possible to produce semiconductor layers on the base which, in terms of composition, come closest to the starting material.
However, in the production of semiconductor layers on long and wide strips, the constancy of the evaporation surface over time cannot be guaranteed, which leads to inhomogeneity of the layer thickness over the length and width of the base.
When the layers are vaporized using this method, it is impossible to separate individual fractions because they mix in the evaporator volume, which is due to the continuous supply of material to the evaporator. When producing layers with extreme properties, it is necessary to separate certain fractions contained in the starting material from the composition of the condensate. The high temperatures of the evaporator and the explosive vaporization result in the ejection of the introduced material from the evaporator, which leads to large losses of material and to contamination of the semiconductor layer by impregnation of starting material particles.
A device for vacuum evaporation of semiconductor layers on a long length substrate is known, in which the starting semiconductor material is introduced directly into a cold evaporator before the evaporation.
A flexible base is vaporized, which is moved over the evaporator with the aid of a belt transport mechanism. The layers obtained are characterized by the inhomogeneity of the properties, which is caused by fractionation of the starting material during the evaporation work.
A device for the vapor deposition of coatings on flat substrates in a vacuum is also known. The device contains arranged in a vacuum chamber: a backing holder and an evaporator, which rotates during the evaporation of the substance and mixes molecular flows from different sections of the working surface of the evaporator, whereby layers with homogeneous characteristics can be obtained on limited backings. Inhomogeneity of the properties due to the fractionation of the substance is observed across the thickness of the layer produced.
Another known device contains bunkers which are loaded with a multicomponent compound, for example with A "'- BV, from which the starting material is periodically fed into an evaporator after vapor deposition of a previous substance dose. The homogeneity of the layers obtained is ensured by subsequent annealing.
A device for vacuum evaporation with high-frequency heating is known. The starting materials are introduced into cold evaporators in order, which can be moved and lifted in the transverse direction, which allows the materials to be successively fed to the heating zone in the center of a high-frequency coil.
A device for vacuum evaporation of layers on long substrates is known. The facility contains
Means for moving the pad through the evaporation zone, in which the vapors of the vaporized material are directed to the surface of the pad. A perforated template is placed between the surface of the pad and the source of the vapors. The template and the pad move through the sedimentation zone at different relative speeds.
A device for introducing the substance to be evaporated is known for a system for applying metal coatings in a vacuum. An evaporator, a rotating shutter with a screen and a loading device are accommodated in a vacuum chamber, the latter being designed in the form of two cylinders, of which the outer entry openings have openings. The evaporator and the inlet openings are connected by a feed pipe.
During the evaporation, the amount of the substance to be evaporated inside the evaporator and the
Evaporation intensity drops considerably. In this
Case is made while rotating the fastener and
Close the evaporator the feed pipe opposite the
Entry opening of the outer cylinder of the Beschickungsvor direction set, after which the inner cylinder of the
Feeder rotates one step and that
Metal enters the feed pipe through the entry opening, then enters the evaporator and fills it
The inner rotates to introduce a large portion
Cylinder of the feeder several times.
A system is known for applying a metal coating to a moving strip by vapor deposition (see FR-PS No. 2 052 433). The tape is moved by rollers through a vacuum chamber in which the tape is over
Evaporator runs that contain the starting material. The evaporators are moved in the same direction as the belt by a conveyor. With the help of heating elements, the substance contained in the evaporators is evaporated for application to the lower surface of the belt. The system can be used to apply a metal coating in a thick layer to wide strips of synthetic material. In this system, there is no connection between the evaporation time of the starting material fractions and the moment when a dose is introduced into the evaporator for vapor deposition of semiconductor materials.
The movement of the evaporators over the heating elements does not allow the temperature to remain constant over time, which leads to different evaporation times for identical fractions and influences the evaporation period of the entire dose.
The present invention has for its object to provide a method for the vapor deposition of semiconductor layers and a device for performing this method in order to ensure a homogeneous and controllable distribution of the molecular streams of all fractions contained in the starting material in the condensation zone and to enable it to be flexible long and broad documents to obtain homogeneous semiconductor layers, layers with extreme characteristics and film heterostructures based on them.
The object is achieved according to the invention by the features specified in the characterizing parts of claims I and 6.
Advantageous embodiments of the invention are described in the dependent claims.
The method according to the invention is particularly suitable for the production of homogeneous semiconductor coatings on a flexible, large-area base and can be used for the production of layers which, in terms of their composition, both come close to the starting material and differ from the starting material in a predetermined direction. The method offers the possibility of creating different types of structures with a steep and constantly changing separation limit.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings. It shows:
Fig. 1 shows a device for evaporating semiconductor layers onto a substrate under vacuum; Fig. 2 one of the Fig. 1 similar device, but with screens on holders connected to a dosing device;
Fig. 3 screens provided with a reset device;
Fig. 4 sectors with adjustable central angle:
Fig. 5 vertically adjustable vertical screen, which is arranged between two adjacent evaporators;
Fig. 6 Device for vacuum deposition of semiconductor layers with evaporators attached to the belt transport mechanism;
Fig. 7 Device for vacuum deposition of semiconductor layers with a device for pre-melting the
Source material.
The method according to the invention consists of the following:
The semiconductor layers are produced by vapor deposition on a substrate under vacuum by metered supply of a starting material to heated evaporators.
The feed of the substance takes place periodically, by feeding each of the n-evaporators in sequence for a time which is 10 to 1 times less than the interval between the feedings of two adjacent evaporators. The substance dose is selected on the basis of the necessity of uniform coverage of the entire effective surface of the evaporator and sufficient for the complete evaporation of this dose during the time T until the next loading. The evaporation of the substance is carried out simultaneously from all charged evaporators with coverage of the molecular currents in the condensation zone.
To increase the evaporation rate and to uniformly evaporate various fractions, evaporation takes place from the continuously moving evaporators, which are subjected to additional heating in the evaporation zone with subsequent cooling to the loading temperature.
The starting material is expediently premelted for the more rational and more complete use of the same and then metered in the liquid state by wetting a moving strip of interrupted surface which is continuously drawn through the melt into the vapor deposition zone, where it is subjected to additional heating to evaporate the starting material becomes.
By pulling through the strip of interrupted surface, for example a mesh, through the melt of the substance to be evaporated, the material is also metered into the strip, which also serves as an evaporator in the bedamping zone. The size of the dose is regulated by the speed at which the strip is pulled and the viscosity of the melted material, which is determined by the change in temperature.
In the evaporation zone, each elementary section of the belt surface serves as an independent evaporator, the number of which is so large that it allows all fractions of the material on the belt to be evaporated simultaneously. The melt is replenished by controllably feeding the starting material from the bunker through the inlet gap, the moving belt being used as the feeding means.
To produce layers of fractionating materials with predetermined parameters, the required fractions are selectively evaporated during each evaporation period, the molecular stream being interrupted for the time of the evaporation of superfluous fractions.
In order to improve the quality and to control the parameters of semiconductor structures to be vapor-deposited, a simultaneous evaporation of all materials that form the heterostructure from different evaporators is carried out on a continuously moving support, which in sequence in the evaporation zone of one of the components of the heterostructure, then in the Zone of controllable coverage of the molecular flows of the neighboring evaporators and then introduced into the evaporation zone of another material.
The proposed invention is explained below by concrete examples of its execution, which confirm the possibility of implementing the method according to the invention.
example 1
As2Se3 with the known number of main fractions, which is equal to 3, is taken as the starting material. The material is introduced in a shredded and calibrated state: particles with a size of 0.25-0.5 mm. Depending on the number of fractions, six evaporators are used. A substance dose which is introduced into each evaporator is 0.2-0.3 cm2, which is sufficient for the uniform covering of the effective surface of the evaporator in a uniform layer with a thickness of at least is equal to the average size of a particle of the starting material. The temperature of the evaporators is determined according to the maximum rate of uniform (without boiling and explosions) evaporation of the substance, i.e. H.
370-400 "C, chosen. The loading period is equal to the evaporation time of a given substance dose, i.e. H.
60 sec.
After creating a vacuum and reaching a predetermined temperature state of the evaporators, the introduction of the starting material is started, and after a period corresponding to the loading of all six evaporators, i.e. H.
after 60 sec, the pad begins to shift.
At this point a new dose of substance enters the first vaporizer and it starts to evaporate the lightest fraction, while the vaporizer following it in the direction of the feed ends the evaporation of the heaviest fraction of the starting material. Each of the six vaporizers thus vaporizes its own fraction in different stages. The large distance from the evaporators to the base (15 cm) and the considerable condensation zone (22 cm) ensure multiple coverage of the molecular flows from all evaporators.
As a result, there are three fractions of the starting material in the entire condensation zone, in that the more the evaporator takes part in the vapor deposition process, the more the condensate composition matches the starting material, and the slower the substrate moves through the condensation zone.
Example 2
The vacuum vapor deposition of layers As2Se3 is carried out. The shredded starting material is introduced in portions into each of the continuously moving evaporators, which are heated to a temperature of 300-400 "C. The charged evaporators are subjected to additional heating in the evaporation zone, where they are heated to a temperature of 700-800 ° C. using one of the known methods, for example by electron bombardment, at which the evaporation of the moving substrate takes place. The speed of movement of the evaporators is set such that the initial portion would evaporate completely when passing through the extensive evaporation zone, in which six (n = 6) evaporators are located at the same time.
After leaving the evaporation zone, the evaporators pass the zone of cooling to a temperature of 300-400 ° C., which corresponds to the temperature state during the loading.
The application of the method according to the invention makes it possible to increase the evaporation rate by 7 times. By examining the electrophysical properties of the layers it was demonstrated that in the condensed extended layer a homogeneity of the parameters with a spread of 5-10% was achieved.
Example 3
The vacuum vapor deposition of layers As2Se3 is carried out. The starting material is ground until particles smaller than 1 mm are obtained and introduced into the bunker. The belt is set in motion, which feeds the starting material through the entry gap into the melting chamber while heating elements are switched on to melt the material. The temperature of the melt is maintained at 270-290 ° C., which ensures the wetting speed of the belt of 0.2 mm / sec, wetting it with a material layer up to 2 mm thick.
In the evaporation zone, the material on the belt is subjected to an additional heating to a temperature of 630-650 "C. The band wetted with the material covers it on both sides, and accordingly the evaporation takes place on the inside as well as on the outside, but the intensive heating of the material on the inside of the band conducts the molecular flow through the holes in the Also tape to the side of the pad. This allows layers of 2 µm in thickness to be obtained at the speed of movement of the pad of 20 mm / sec.
Example 4
Layers of arsenic sulfide are obtained by thermal evaporation in a vacuum on a metallized base for the production of photothermoplastic information carriers.
The composition of the vapor phase is determined beforehand and it is found that the fractions of maximum sensitivity start to evaporate after 18-25 sec since the start of evaporation of the predetermined portion. Therefore, in order to obtain the most sensitive layer, it is necessary to separate a time section from the full working cycle of the evaporator which corresponds to the evaporation of the most sensitive fractions.
The time interval of the work of the evaporator in the open state, when the substance to be evaporated condenses on the base, is chosen on the basis of the requirement to ensure a minimum value of photosensitivity. If a multiplicity size of at least 7 has to be guaranteed for the photosensitivity of the layer of a thermoplastic carrier, then the corresponding values of the time of the start and the end of the evaporator work in the open state are determined according to the curve of the temporal multiplicity distribution of the condensate. H. when the substance to be evaporated condenses on the base.
After the preliminary determination of the evaporation time of the fractions of the material to be evaporated, the thermal evaporation in a vacuum is carried out simultaneously on the moving support from several evaporators, to which the material to be evaporated is delivered discretely.
Steaming takes place at a temperature of 410 C.
During each evaporation period the molecular flow is interrupted by placing a screen on its path which prevents the condensation of those fractions which do not guarantee the required sensitivity value of the layer.
In this way, layers of semiconductor materials of great length are obtained which have homogeneous and reproducible parameters with predetermined properties, which are controlled depending on the needs of their application for specific purposes.
The present method makes it possible to use the natural fractionation of materials to be vapor-deposited to control the properties of the layers obtained by selective vapor deposition of material fractions which ensure the specified properties.
Example 5
Semiconductor heterostructures are obtained using materials As2S3 and AsSe. 'are formed. The raw materials are introduced into various evaporators, which are heated to a temperature of 390 or 370 "C are heated, which require a certain evaporation rate. The substance to be evaporated is condensed on the moving surface. The distance between the evaporator group for As2S3 and the evaporator group for As2Se3 is set to 5 cm and between the evaporators and the base to 2 cm.
With the chosen arrangement geometry and the movement speed of the base of 3 mm / sec, the two semiconductors are condensed on the base and the thickness of the zone-variable region of the structure is 1.57 µm.
By changing the distance between the evaporator groups, the coverage zone of the molecular currents and accordingly the zone-variable range can be regulated. Thus, if the distance between the evaporators is increased, the zone of the mixed molecular flows is reduced and a layer with a smaller zone-variable area will condense on the moving base. For vaporizers placed 6 cm and 4 cm from the base, the zone variable range is 0.7 µm and 2.5 µm, respectively.
With the enlargement of the zone-variable area, the transition from one substance to the other becomes slower and steadier, while it becomes more abrupt with the decrease in the zone-variable area.
The size of the zone-variable area can also be regulated by mutual arrangement of the evaporators and the base. By lowering or raising one of the evaporator groups or the two groups, the areas of condensation from these evaporators can be expanded or narrowed, and accordingly the area of coverage of the molecular currents and consequently the thickness of the zone-variable area in the layer produced can be changed.
Example 6
The zone-variable structure AszS-AszSe3 is obtained by thermal evaporation in a vacuum from two groups of evaporators, which are arranged at a fixed distance from each other and from the base, which moves at a constant speed. The temperature of the evaporators is 370 "or 390 "C, which ensures the same condensation rate, which is 0.2 µm / sec.
Increasing the temperature of the second group of evaporators increases the rate of evaporation of the substance from them, and thereby changes the composition of the vapor phase in the range of the mixed molecular currents, which determines the production of structures with different zone-variable ranges.
At the rate of condensation of As2Se3 equal to 0.3 µm / sec, the thickness of the zone variable area is 1.96 µm, at 0.4 µm / sec, -2.4 µm, at 0.8 µm / sec, -3, 2 um.
The increase in the condensation rate thus leads to the expansion of the zone-variable range.
Example 7
The zone-variable structure As2s-As2Se3 is obtained by thermal evaporation in a vacuum from two groups of evaporators with constant evaporation speed, constant temperature of the evaporators and a predetermined geometry of the arrangement of the evaporators with one another and with the base.
At the temperatures of the evaporators of 370 "and 390" C the condensation speed of 0.2 Fm / sec is guaranteed for evaporators which are arranged at a distance of 5 cm from each other and at a distance of 2 cm from the base. With these parameters, a zone-variable region in the layer is obtained equal to 1.57 μm.
The change in the speed of movement
Underlay will have an inversely proportional influence on the thickness of the layers produced and the thickness of the zone-variable area.
If the speed of movement of the substrate is reduced twice, layers are obtained that are twice as thick in each condensation area, and the zone-variable area also becomes twice as thick. As the speed of the pad increases, the thickness of the layers decreases. For a movement speed of the substrate of 6 mm / sec, the fifty percent ratio of the components of the heterojunction in the zone-variable range is at a distance of 0.93 μm from the substrate over the layer thickness, but for a speed of 3 μm but at a distance of 1.87 to .
The method according to the invention makes it possible to obtain heterostructures on extensive areas. The process of manufacturing the end product is continuous. The possibility of regulating the parameters of the structures obtained is created directly during their manufacture. Because the diffusion process and the associated need to create certain temperature conditions are excluded, the structures obtained are characterized by better quality, uniform distribution of parameters, temporal stability of the properties.
According to the method according to the invention, zone-variable structures with different thicknesses of the zone-variable region are obtained while simultaneously regulating its position over the thickness of the entire structure.
With this method, abrupt heterojunctions can also be obtained by using the simultaneous vapor deposition of materials forming the structure.
The device for vacuum deposition of semiconductor layers contains a bunker 1 (Fig. 1), into which a pre-shredded and pre-calibrated substance is introduced. In the lower part of the bunker 1 there are openings 2, the number of which corresponds to the number of evaporators 3, over which a support, which is designed as a belt 5, is pulled through with the aid of a belt transport mechanism 4.
Through the openings 2, the starting material is fed to depressions 6, which are attached to the surface of the rotating shaft 7 of a dosing device and are connected to the evaporators 3 via guide channels 8.
The number of depressions 6 on the shaft 7 of the dosing device coincides with the number of evaporators 3. The depressions 6 are offset with respect to one another by an angle equal to 1 ′, where n is the number of evaporators 3.
The molecular flow from the evaporators 3 to the base is limited by a heat shield 9 with a heating coil 10 on the outside thereof.
The dimensions of the depressions 6 are selected such that the starting material filling the depressions 6 is evenly distributed on the surface of the distributors 3 by pouring through the moving channels 8. The limiter 11 of the bunker I levels the surface of the material in the recess 6.
To separate them from the molecular flow of predetermined fractions, covering screens 12 (FIG. 2) attached using the shaft of a drive
13 are set in motion, which is located in a plane below the evaporators 3. The rotary movement is transmitted to the shaft 7 of the dosing device and to the shaft of the drive 13 by an electric motor, which is attached outside the vacuum chamber, by means of the main shaft 14 and gear wheels 15.
The drive mechanism of the screens 12 is shown in Fig. 3 shown.
It contains the shaft of the drive 13, which has the same angular velocity as the shaft 7 of the dosing device (Fig. 2) rotates. On the shaft of the drive 13 (Fig. 3) flat plates 16 are placed, the number of which corresponds to the number of evaporators 3 (FIG. 2) and on which sectors 17 are fastened with a radius that is larger than the radius of the disk 16.
The central angle of the opening of the sector 17 is determined by the relationship: cm = 360 (t2-t,),
Ti where: Ti - period of the starting material feed to the evaporators 3 (FIG. 2), ti - time of start of evaporation of required fractions, t2 - time of end of evaporation of required fractions.
The cover screens 12 (Fig. 3) are attached to holders 18 which are designed as cylindrical rods rotatable about their axes. On the holders 18 17 flags 19 are attached in the plane of contact with the protruding sectors for rotating the screens 12. Limiters 20 are attached to the other side of the holders 18, which limit the stationary state of the holders 18 with the shields 12.
The holders 18 are provided with a return device which is designed in the form of a spring 21, one end of which is fastened and the second end of which is connected to rods 22 arranged on the holders 18.
The sector 17 with the adjustable central angle a (Fig. 4) is fastened to the flat disk 16, in which annular slots 23, 24 are provided. On the disk 16, two support lugs 26 are fastened by means of clamping screws 25, with the aid of which the central angle cm of the openings of the sector 17 is predetermined. Between the support lugs 26, lugs 27 are arranged, which have catches 28. In the assembled construction, the catches 28 protrude into the annular slots 23 and 24 of the flat disk 16 and prevent the movement of the tips 26, 27.
The tips 26, 27 are arranged so that the edge of one runs onto the edge of the other, creating a fan. At the edges, the fan is pressed against the pane 16 by the support lugs 26, which ensures the required rigidity of the construction.
The tape transport mechanism 4 (Fig. 5) pulls the support formed as a band 5 by means of guide rollers 29, which are connected to a frame 30, in which a window 31 is present, which limits the condensation area over the width and length of the band 5 for the substances which consist of two groups the evaporator 3 are evaporated. A protective screen 32 is attached to the frame 30.
In the region 33 of the condensation of the mixed molecular flows, a vertical screen 34 is introduced, which is connected to a device 35 for its height adjustment.
For uniform evaporation of different fractions, the evaporators 3 (Fig. 6) attached to an additional belt transport mechanism 36 which is connected to the shaft 7 of the metering device by means of a synchronizer 37. Devices 38 for cooling the evaporators 3 to the charging temperature are arranged between the vaporization zone and the charging zone in the direction of movement of the evaporators 3. A fixed screen 39 with windows 40 is accommodated between the band 5 and the evaporators 3. In the evaporation zone, the evaporators 3 are subjected to additional heating with the aid of a heater 41.
For a more efficient and complete use of the starting material, a vacuum chamber 42 (FIG. 7) the device accommodates a feed hopper 1 and a device 43 for premelting the starting material, which contains a chamber 44 with heaters 45 arranged therein, a cover 46 and a guide 47 which is designed as a semi-cylindrical surface which has a series of through holes 48 having. In the cover 46 there is an entry gap 49 and an exit gap 50 which are attached tangentially to the cylindrical surface of the guide 47.
Through the gaps 49 and 50, the guides 47 loop around a belt 51 with an interrupted surface, for example a net, the movement of which is determined by a drive mechanism 52 which consists of a drive drum 53, a tension drum 54, a deflection drum 55 and an electric motor 42 installed outside the vacuum chamber 42 with gear (in Fig. not shown). The drive drum 53 ensures the vertical movement of the belt 51 out of the entry gap 50. In the direction of its movement, the belt 51 runs in the immediate vicinity of a heater 57 provided with a screen 56, which evaporates the material emerging from the melting chamber 44 onto the support, which is designed as a belt 5, the movement of which in the same direction by the belt transport mechanism how the band 51 is specified.
In the lower part of the feed hopper there is a window with a movable slide 58 for the controlled supply of material to the melting chamber 44 via the channel 59.
The drive mechanism 52 is protected against heating by a protective shield 60 with a water cooler 61.
The facility works in the following way:
A comminuted semiconductor material is fed into the bunker 1 (Fig. 1) introduced, the band 5 is in the band. transport mechanism 4 introduced. A vacuum is created, the evaporators 3 are heated to the vaporization temperature of the substance, the speed of movement of the belt 5 is specified and the metering device is switched on. When the shaft 7 of the dosing device rotates, the recess 6 passes under the opening 2 in the bunker 1 and the starting material fills it out. As the shaft 7 of the metering device rotates further, the limiter 11 of the bunker 1 flattens the surface of the material in the recess 6, which is then scattered through the guide channel 8 over the surface of the respective evaporator 3.
As the speed of rotation of the shaft 7 of the dosing device and the speed of vapor absorption of the substance, those are chosen such that practically all of the substance has evaporated in the latter at the time of the entry of a new substance dose into the evaporator. Here, the evaporators 3 take part in the simultaneous evaporation, the number of which can be divided by the number of fractions in the starting material. The sequencing and circularity of the work of the metering-evaporator 3 system compensates for the reduction in the evaporation area of the substance in one of the evaporators by adding the substance to another evaporator 3, so that the entire evaporation area remains constant. As a result, the density in the condensation zone is constant over time.
Molecular flows of all fractions are guaranteed, while the covering of the molecular flows and the movement of the belt 5 create the conditions necessary for the production of layers which are homogeneous according to their electrophysical parameters.
In order to obtain layers with extreme properties, the evaporators 3 (FIG. 2) attached to the band 5, the cover screens 17. After a required negative pressure has been reached in the vacuum chamber and after the evaporators 3 have been heated to the required temperature, the tape transport mechanism 4 and the electric motor to which the main shaft 14 is connected are switched on. The rotation of the main shaft 14 is transmitted to the shaft 7 of the doser and to the shaft of the drive 13 with the aid of the toothed wheels 15. When the shaft 7 of the dosing device rotates, the depressions 6 pass through the openings 2 in the bunker 1 and are filled with the material.
The further rotation of the shaft 7 of the metering device leads to the substance reaching the channel 8, through which it is then passed into the evaporator 3. The period of the entry of the substance into each individual evaporator 3 is predetermined by the rotation period of the shaft 7 of the dosing device and set such that the previous one is completely evaporated at the time of the receipt of a portion of substance. At the moment the substance portion enters the evaporators 3, the overlapping screen 12 is in the starting position and interrupts the molecular flow on the way from the evaporator 3 to the belt 5.
After a time t 1, which corresponds to the start of the evaporation of required fractions, the shaft of the drive 13 (FIG. 3) a position such that the edge of the projecting sector 17 touches the flag 19 for rotating the screen 12 and rotates it together with the holder 18 and the screen 12 about the axis. Here, the covering screen 12 assumes a position perpendicular to the plane of the drawing and guarantees the vapors of the substance to be evaporated free access to the base. After a time t2 from the moment the substance portion is received, the end of the protruding sector 17 comes to a stop relative to the end of the flag 19 for the rotation of the screen 12, and the screen 12 assumes the starting position under the action of the return spring 21 and covers the molecular flow.
Thus, free access of the molecular flow to the base is ensured from the moment t1 to the moment t2 after the substance portion has entered the evaporator 3; in the remaining moments, the screens 12 are in the starting position and interrupt the molecular current. The unnecessary fractions condense on the covering screens 12 and do not get onto the base.
The central angle a (Fig. 4), which determines sector 17 above, is discontinued based on the following considerations.
Under constant technological conditions, the time for complete evaporation of the same sample weight of the substance remains constant and equal to T. The period T2 of rotation of the shaft 7 of the dosing device (Fig. 1), which coincides with the period Ti of the material supply to the evaporators 3, is set in such a way that the relationship T2> T is satisfied. The time instant tl of the start of evaporation and the time instant t2 of the end of the evaporation of fractions with the required values of the parameter, for example photosensitivity, remain constant from dose to dose for the selected substance dose and the predefined evaporation temperature. It is assumed that a substance dose reaches a single evaporator 3 at the moment t = 0.
The cover screen 12 (Fig. 2) must be in the starting position and cover the access of the vapors of the substance to be evaporated to the base. At the moment t = tl (time of the start of the evaporation of required fractions), the screen 12 should rotate and allow unhindered access of the vapors of the substance to the base. The screen 12 should be in this position until the moment t = t2 (time for the evaporation of required fractions).
The cover screen 12 rotates when the vorste existing sector 17 (Fig. 1) comes in contact with the flag 19 to rotate the screen 12 as soon as the end of the sector 17 comes to face the flag 19; the holder 18 with the screen 12 is given the possibility of rotating into the starting position and preventing the vapors from entering the base. The time the screen 12 remains in the open state is determined by the contact time of the projecting sector 17 with the rotation flag 19 and should be equal to t2-tl.
In the time unit, the shaft of the drive 13 rotates together with the sector 17 through an angle 361. The central angle a (Fig. 4), which determines the sector, calculated according to the following relationship:
360 (t2-ti),
Ti in which: Ts - period of the material feed to the evaporators; ti - time of start of evaporation of required fractions; t2 - time of completion of evaporation of required fractions.
The sector 17 is arranged on the shaft of the drive 13 in such a way that at the moment of supply of material to the relevant evaporator 3 (FIG. 2) the central angle (Fig. 4) between the beginning of sector 17 (Fig. 3) and the flag 19 for rotating the screen 12 of the following size:
360> Ti where:
3 - Central angle between the beginning of the sector and the
Flags for rotating the screen; T - period of supply to the evaporators; tl - time of the start of evaporation of required fractions.
It is possible to apply only the fractions of the substance to be evaporated that the required
Possess properties. The choice of different time intervals of the evaporation process and the start of application, which are predetermined by the values of the respective sizes a and ss, allows semiconductor layers to be larger
Obtain length with different values of the selected parameter when evaporating one and the same substance.
This results in homogeneous layers which have a low spread of properties over the length of the layer.
In order to obtain the semiconductor heterostructures, the corresponding substances are divided into different groups of the evaporators 3 (FIG. 5), between which the vertical screen 34 is arranged, which is connected to the device 35 for its height adjustment. With the fully raised vertical screen 34, with the progressive movement of the belt 5, the material from the one evaporator 3 and then from the other are evaporated thereon. Thus, with simultaneous evaporation, the production of an abrupt heterojunction is possible.
When lowering the vertical screen 34 with the aid of the adjusting device 35, it becomes possible for the substance located in the first evaporators 3 to reach the condensation zone of the substance which is evaporated from the second evaporators 3, and vice versa, i. H. , It creates a new condensation region 33, which is formed by the mixing of the molecular streams of substances evaporated from the evaporators 3.
In this case, the transition in the heterostructure does not become abrupt and a transition area is formed between the layers with a constant change in composition from one substance to another.
By changing the height of the vertical screen 34 with respect to the base during vapor deposition, the area of the mixed molecular flows can be increased or decreased, and consequently the thickness of the area of the continuous transition in the structure will also increase or decrease, which leads to the change the photoelectric properties of the films produced.
By arranging the screen 34 during the vapor deposition at a certain height, structures with the required photoelectric properties can be obtained.
The device according to the invention thus makes it possible to obtain zone-variable structures on extensive surfaces. The possibility is created to obtain thin film structures of various types.
The process of manufacturing the end product is continuous. With the aid of the device according to the invention, it is possible to control the parameters of the structures obtained directly during their manufacture.
In order to increase the fast operation of the device and the efficiency, the evaporators 3 (FIG. 6) in order with starting material at the moment in which the evaporator 3 is located under the channel 8. Thereafter, they are moved to the evaporation zone, where they are subjected to additional heating, which leads to a considerable increase in the evaporation rate, i. H. contributes to the performance of the facility.
After leaving the evaporation zone, the evaporators 3 move continuously into the cooling zone, where they reach the charging temperature which is set to the maximum value at which no ejection of the introduced material particles from the evaporators 3 is observed, which reduces the losses the feed leads.
In order to obtain layers which differ from the starting material in their composition and for the production of layers which are extremal in terms of sensitivity, a fixed screen 39 with at least one window 40 can be regulated between the base 5 and the evaporators 3 in the immediate vicinity of the latter Width arranged. The presence of the window allows the molecular flow of a given fraction to pass through from the evaporators which are in the same evaporation stage. By regulating the window width, the molecular current is controlled by changing the amount of similar fractions in the composition of the condensate.
In order to produce layers that are optimal according to several parameters, for example sensitivity and specific resistance, a screen with several windows is arranged, each window being used to separate fractions which ensure the maximum value of the separated parameter.
The device 43 (Fig. 7) The device provided for premelting the starting material works as follows:
For the time being, the feed hopper 1 and the premelting chamber 44 are charged with starting material. A bobbin with the required amount of the underlay is inserted into the tape transport mechanism 4. After reaching the required vacuum size in the working chamber 42, the heaters 45 of the premelting chamber 44 are switched on, and when the predetermined temperature of the melted starting material is reached, the drive mechanism 52 for the movement of the belt 51 is switched on. The speed of movement of the belt is specified in a range of 0.01 0.1 m / min. The band 51 running through the melt extracts a certain amount of the material thanks to the wettability of the surface of the band 51.
By changing the speed of movement of the belt 51 and changing the temperature of the melted material, the amount of the material to be extracted and consequently evaporated and thus the thickness of the vapor-deposited layer will change.
Simultaneously with the switching on of the drive mechanism 52, the supply of the heaters 57, which ensure the evaporation of the material from the surface of the belt 51, is switched on.
The substance to be evaporated condenses on the support, which is designed as a belt 5, which is moved in the same direction as the belt 51.
During the work of the device, the consumption of the starting material from the premelting chamber 44 is filled up by the material arriving from the bunker 1 through the channel 59.
The method according to the invention and the device according to the invention thus allow: to achieve a temporally homogeneous and controllable distribution in the condensation zone of molecular flows of all fractions contained in the starting material, which enables homogeneous semiconductor layers to be produced on long flexible strips 5 according to electrophysical parameters; to achieve maximum agreement of the composition of the semiconductor layer with the composition of the starting material when utilizing all fractions of the latter; - To change the properties of the semiconductor layer in a targeted manner by excluding some of the fractions from the composition of the molecular stream in the condensation zone and thereby obtaining layers with extreme properties;
; - Increase the work efficiency of the device considerably, by eliminating the ejection of material thanks to the feeding of the evaporators 3 at lower temperatures and by introducing the evaporators 3 into the zone of additional heating to increase the rate of evaporation; to create both rugged and zone-variable heterostructures with different layer contents in a uniform evaporation cycle by mixing the molecular streams of different starting materials in the condensation zone 33 and by successively introducing the moving support into the areas of the molecular streams of different composition; - to regulate the profile of the energy threshold in the zone-variable transitions by means of relatively simple methods and to create semiconductor heterostructures of various purposes.
In addition, the method does not require any change and regulation of the predetermined temperature states according to a complicated program during the vapor deposition, and makes it possible to ensure reproducible layer parameters.
The method according to the invention is sufficiently cheap and economical; because it allows large masses of semiconductor coatings to be obtained on a flexible basis in a uniform technological cycle, and the possibility of excluding individual fractions during evaporation makes it possible to use cheap starting materials with a low degree of purification.
Thanks to the method according to the invention, the range of possible applications for inorganic semiconductor materials is considerably expanded. So z. B. it became possible to use them in systems for the registration of optical information, namely those such as photo and film cameras, in devices for recording by means of light and laser beams on a continuously moving tape. All these and similar systems require a high degree of homogeneity of the electrophysical parameters of the semiconductor layer over the entire band length.