DE10047042C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von wasserstoffhaltigen Si¶1¶¶-¶¶x¶C¶x¶:H-Schichten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her­ stellung von amorphen, wasserstoffhaltigen Si_1-xC_x:H- Schichten mit einer Konzentration x zwischen 0 und 1 (Kurzbezeichnung a-Si_1-xC_x:H).

Derartige Schichten sind beispielsweise für Anwendungen in der Solartechnik und der Sensorik von Interesse. Die Energiebandlücke, welche die Sensibilität eines Materials gegenüber elektromagnetischer Strahlung bestimmt, beträgt im Falle x = 0 etwa 1,7 eV. Durch Beimischung von Kohlen­ stoff kann die Energiebandlücke in a-Si_1-xC_x:H bis auf et­ wa 3 eV vergrößert werden. Prinzipiell ist es daher mög­ lich, photovoltaische Stapelzellen ausschließlich mit Ma­ terial des Typs a-Si_1-xC_x:H durch Variation der Konzentra­ tion x aufzubauen. In diesen Materialien sättigt der ato­ mare Wasserstoff die freien Bindungen ab und stabilisiert so die amorphe Struktur des Materials.

Beim Stand der Technik erfolgt die Abscheidung von a-Si_1-xC_x:H-Schichten durch plasmagestützte Chemical Vapor Deposition (Plasma-CVD), wobei Silan und Methan als Pro­ zessgase eingesetzt werden. Ein Nachteil der Plasma-CVD besteht in der eingeschränkten Steuerbarkeit der chemi­ schen Zusammensetzung des abgeschiedenen Materials, ins­ besondere der Anzahldichte der Si-C-Bindungen und der Konzentration von Wasserstoff. Diese eingeschränkte Steu­ erbarkeit der chemischen Zusammensetzung zeigt sich bei­ spielsweise darin, daß ab einem C-Gehalt von ungefähr 20% H₂-Einschlüsse und C=C-Doppelbindungen auftreten. Diese Einschlüsse und Doppelbindungen verschlechtern die elek­ tronischen Eigenschaften. Das entsprechende maximale Bandgap liegt bei 2 eV. Die eingeschränkte Steuerbarkeit der chemischen Zusammensetzung des abgeschiedenen Materi­ als zeigt sich weiterhin darin, daß nur ungefähr 1% des eingebauten Wasserstoffs freie Bindungen absättigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von wasser­ stoffhaltigen Si_1-xC_x:H-Schichten anzugeben, das bezie­ hungsweise die eine gegenüber dem Stand der Technik ver­ besserte Steuerbarkeit der chemischen Zusammensetzung des abgeschiedenen Materials ermöglicht.

Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren zur Her­ stellung von wasserstoffhaltigen Si_1-xC_x:H-Schichten ge­ löst, bei dem sowohl das Mischungsverhältnis von Si und C als auch die Konzentration von eigebautem atomaren Was­ serstoff wählbar ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

• a) Bereitstellen von Si-Material und einem C-Material in einer Vakuumkammer,
• b) Erzeugen eines Ionenstrahls und Richten des Ionen­ strahls auf das Si-Material und das C-Material, um durch Zerstäubung Si-Atome und C-Atome in einem ge­ wünschten Verhältnis abzulösen,
• c) Abscheiden der abgelösten Si-Atomen und der abgelö­ sten C-Atomen auf einem Substrat, und
• d) Erzeugen eines Strahls von Wasserstoff-Atomen und Beaufschlagung des Substrats mit Wasserstoff-Atomen gleichzeitig mit dem Abscheiden der Si- und C-Atome.

Zum anderen wird die der Erfindung zugrundeliegende Auf­ gabe auch durch eine Vorrichtung zur Herstellung von was­ serstoffhaltigen Si_1-xC_x:H-Schichten gelöst, die aufweist:

• - eine Vakuumkammer,
• - einen in der Vakuumkammer angeordneten Materialträ­ ger für ein Si-Material und ein C-Material,
• - eine in der Vakuumkammer angeordnete Ionenquelle, um einen Ionenstrahl auf das Si-Material und das C-Material zu richten, und
• - eine in der Vakuumkammer angeordnete Quelle für ato­ maren Wasserstoff, die dazu vorgesehen ist, das Substrat und die darauf wachsende Schicht mit atoma­ rem Wasserstoff zu beaufschlagen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, gleichzei­ tig die Materialien Si, C und H als atomare Spezies mit nied­ riger Energie auf einem Substrat zu deponieren, und zwar unab­ hängig von einander mengenmäßig kontrollierbar.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden hierzu ausschließ­ lich Strahlen (räumlich abgegrenzte Teilchenflüsse) zur Atom- Erzeugung eingesetzt.

So wird ein Ionenstrahl erzeugt, um aus den Si- und C-Körpern Atome abzulösen, die dann auf einem Substrat abgeschieden wer­ den.

Dabei sieht das Verfahren vor, das Mischungsverhältnis von Si und C über die dem Ionenstrahl angebotene Oberfläche des Si- Materials und des C-Materials festzulegen. Dieser Vorgehens­ weise liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Verhältnis der dem Ionenstrahl angebotenen Oberflächen von Si und C wesent­ lich das Verhältnis der Si-Atome und der C-Atome in dem vom Material ausgehenden Flüssigteilchen bestimmt. Damit können die Mengen an Si und C, die auf dem Substrat abgeschieden wer­ den, frei eingestellt werden.

Des weiteren wird ein Strahl von Wasserstoff-Atomen erzeugt, mit dem das Substrat gleichzeitig mit dem Abscheiden der Si- Atome und der C-Atome beaufschlagt wird, so daß die Menge an Wasserstoff-Atomen, die abgeschieden wird, unabhängig ist von den Si- und C-Atomflüssen. Im Ergebnis wird die unabhängige Kontrollierbarkeit der atomaren Flüsse gewährleistet.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren der Einsatz ei­ nes Wasserstoff-Atom-Strahls. Dieser Atom-Strahl enthält weder Ionen noch Moleküle oder Radikale, was eine unabdingbare Vor­ aussetzung für die Realisierung des angestrebten Ziels ist, die Materialien mit niedrigen Energien auf dem Substrat zu de­ ponieren.

Zusammenfassend wird es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, die drei Materialien Si, C und H mit niedriger Ener­ gie auf einem Substrat zu deponieren, wobei die Mengen unab­ hängig von einander kontrolliert werden können.

Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor­ zugsweise vor, daß der Ionenstrahl mit einer Energie im keV-Bereich auf das Si-Material und/oder das C-Material gerichtet wird. Dieser Energiebereich ist besonders gut dazu geeignet, durch Zerstäubung Si-Atome und/oder C- Atome abzulösen.

Weiterhin liegt der Wert für x bei den wasserstoffhalti­ gen Si_1-xC_x:H-Schichten im Bereich zwischen 0 und 1.

Um die dem Ionenstrahl angebotenen Oberflächen des Si- Materials und des C-Materials einfach festlegen zu kön­ nen, kann das erfindungsgemäße Verfahren vorsehen, daß das Si-Material und das C-Material derart benachbart zu­ einander angeordnet werden, daß der Ionenstrahl gleich­ zeitig auf das Si-Material und das C-Material gerichtet werden kann.

Insbesondere wenn das Si-Material und das C-Material der­ art benachbart zueinander angeordnet werden, ist es vor­ teilhaft, wenn das Si-Material und das C-Material einer­ seits und der Ionenstrahl andererseits beweglich zueinan­ der angeordnet werden. In diesem Zusammenhang wird bevor­ zugt, daß der Ionenstrahl fest ausgerichtet wird, während das Si-Material und das C-Material beweglich gelagert werden, beispielsweise auf einem geeigneten beweglichen Träger. Auf diese Weise kann durch Variation des Verhält­ nisses der Oberflächen von Si-Material und C-Material in­ nerhalb des Ionenstrahlquerschnitts das Verhältnis von Si und C in der abgeschiedenen Schicht kontrolliert variiert werden.

Das Si-Material und das C-Material werden vorzugsweise in Form von Scheiben bereitgestellt, da scheibenförmiges Ma­ terial definierte Oberflächen aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Abschei­ den von abgelösten Si-Atomen und von abgelösten C-Atomen auf dem Substrat vorzugsweise durch eine an sich bekannte Sputterdeposition. Bei der Sputterdeposition wird das Si- Material und das C-Material atomar zerstäubt. Da die zer­ stäubten Atome eine Energie von einigen eV haben, ist ih­ re Flugzeit zum Substrat zu kurz, um chemische Reaktionen zu ermöglichen, so daß das zerstäubte Material atomar ge­ mischt auf das Substrat auftrifft.

Gleichzeitig mit dem Fluß zerstäubter Atome wird dem Substrat vorzugsweise weiterhin ein Fluß von Wasser­ stoffatomen angeboten. Ein derartiger Fluß von Wasser­ stoffatomen kann beispielsweise mit einer Vorrichtung er­ zeugt werden, wie sie in der DE 198 06 692 C2 beschrieben ist. Diese Patentschrift betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahls von Atomen oder Radikalen durch thermische Dissoziation eines Gases, mit einem Rohr, das an seinem einen Ende an eine Gasquelle anschließbar ist und an seinem anderen Ende eine Gasaustrittsöffnung auf­ weist, und mit einer Heizvorrichtung, um das Rohr zu er­ wärmen. Dabei ist vorgesehen, daß die Heizvorrichtung we­ nigstens einen Heizdraht zur Erwärmung des Rohrs durch Wärmestrahlung aufweist und der Heizdraht das Rohr im Be­ reich der Gasaustrittsöffnung unter Herstellung eines elektrischen Kontakts berührt, im Übrigen aber nur mit Abstand umgibt. Mit Wasserstoff betrieben kann mit dieser Vorrichtung ein Dissoziationsgrad nahe 1 realisiert wer­ den, so daß dem Substrat weit überwiegend Wasserstoffato­ me und vergleichsweise wenige Wasserstoffmoleküle angebo­ ten werden. Dadurch wird der Einbau von Wasserstoffmolekülen weitestgehend verhindert. Eingebaute Wasserstoffa­ tome sättigen Einfachbindungen ab, was erwünscht ist. Die Flußdichte der mit Hilfe der bekannten Vorrichtung er­ zeugten Wasserstoffatome läßt sich variieren, so daß die Anzahldichte eingebauter Wasserstoffatome optimiert wer­ den kann.

Auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Ionen­ quelle vorzugsweise derart ausgelegt, daß der Ionenstrahl mit einer Energie im keV-Bereich auf das Si-Material und das C-Material gerichtet werden kann, da dieser Energie­ bereich, wie erwähnt, besonders gut dazu geeignet ist, durch Zerstäubung Si-Atome und/oder C-Atome abzulösen.

Auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung liegt der Wert für x bei den wasserstoffhaltigen Si_1-xC_x:H-Schichten im Bereich zwischen 0 und 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist neben den bereits genannten Bestandteilen vorzugsweise weiterhin einen in der Vakuumkammer angeordneten Substratträger auf, der da­ zu vorgesehen ist, ein entsprechendes Substrat zu tragen, auf dem Si-Atome und C-Atome abzuscheiden sind. Auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt diese Abschei­ dung der Si-Atome und der C-Atome vorzugsweise nach Art der an sich bekannten Sputterdeposition, um die oben be­ reits erwähnten Vorteile zu erzielen.

Der Materialträger und die Ionenquelle sind vorzugsweise beweglich zueinander angeordnet, um das Verhältnis der dem Ionenstrahl angebotenen Oberflächen von Si und C in der gewünschten Weise einstellen zu können. In diesem Zu­ sammenhang wird bevorzugt, daß es sich um eine festste­ hende Ionenquelle handelt und daß der Substratträger be­ weglich ist.

Um einem auf dem Substratträger angeordneten Substrat gleichzeitig mit dem Fluß zerstäubter Atome einen Fluß von Wasserstoffatomen anbieten zu können, ist in der Va­ kuumkammer vorzugsweise weiterhin eine Wasserstoffquelle angeordnet. Diese Wasserstoffquelle kann beispielsweise durch die bereits erwähnte Vorrichtung gemäß der DE 198 06 692 C2 gebildet sein.

Die Erfindung ermöglicht es, das Mischungsverhältnis von Kohlenstoff zu Silizium in dem Bereich von reinem Si bis zu reinem C zu variieren. Weiterhin gewährleistet die Er­ findung eine atomare Durchmischung von Si und C, wodurch die Bildung von Si- und C-Anhäufungen oder Clustern ver­ mieden und demzufolge die Anzahldichte von C=C- Doppelbindungen minimiert und die von Si-C-Bindungen ma­ ximiert wird. Weiterhin ermöglicht die Erfindung den Ein­ bau von chemisch gebundenen Wasserstoffatomen in varia­ bler Konzentration, so daß diese optimiert werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von wasserstoffhaltigen Si_1-xC_x:H- Schichten.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist eine festste­ hende Ionenquelle 9 vorgesehen. Diese Ionenquelle 9 schickt einen Ionenstrahl 3 auf zwei aneinandergrenzende Scheiben aus Si-Material 1 und C-Material 2. Das Si- Material 1 und das C-Material 2 sind auf einem Träger 10 gelagert, welcher, wie durch den Doppelpfeil angedeutet, verschoben werden kann. Dadurch kann das Verhältnis der vom Ionenstrahl 3 beaufschlagten Oberflächen von Si und C und damit das Verhältnis von Si und C in dem auf einem Substrat 6 deponierten Material variiert werden. Um dem Substrat gleichzeitig mit dem Fluß zerstäubter Si-Atome 4 und C-Atome 5 auch einen Fluß von Wasserstoffatomen 8 an­ bieten zu können, ist eine Wasserstoffquelle 7 vorgese­ hen, die bei der dargestellten Ausführungsform festste­ hend angeordnet ist. Dabei ist die Wasserstoffquelle 7 durch die Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahls von Atomen oder Radikalen gemäß der erwähnten DE 198 06 692 C2 gebildet, die mit Wasserstoff betrieben wird.

Bei mit dieser Vorrichtung ohne Betrieb der Wasserstoff­ quelle 7 hergestellten Schichten wurde experimentell festgestellt, daß sich bei verschiedenen Mischungsver­ hältnissen eine jeweils maximale Anzahldichte von SiC- Bindungen einstellt.

Mit der dargestellten Vorrichtung wurde weiterhin eine Serie von a-Si_1-xC_x:H-Schichten mit x ≈ 0,2 bei verschie­ denen Flußdichten von atomarem Wasserstoff hergestellt. Eine Infrarot-Spektroskopie an diesen Schichten zeigte nur Si-C- und Si-H-Schwingungen, wobei das Signal der Si- H-Schwingungen um so stärker war, je größer die Flußdich­ te von Wasserstoffatomen während der Schichtdeposition war.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von wasserstoffhaltigen Si_1-xC_x:H-Schichten, bei dem das Mischungsverhältnis von Si und C als auch die Konzentration von eingebau­ tem atomarem Wasserstoff wählbar ist, mit den folgen­ den Schritten:

• a) Bereitstellen von Si-Material (1) und C-Material (2) in einer Vakuumkammer,
• b) Erzeugen eines Ionenstrahls (3) und Richten des Ionenstrahls (3) auf das Si-Material (1) und das C-Material (2), um durch Zerstäubung Si-Atome (4) und C-Atome (5) in einem gewünschten Verhältnis abzulösen,
• c) Abscheiden der abgelösten Si-Atomen (4) und der abgelösten C-Atomen (5) auf einem Substrat (6), und
• d) Erzeugung eines Strahls von Wasserstoff-Atomen (8) und Beaufschlagung des Substrats (6) mit Wasserstoff-Atomen (8) gleichzeitig mit dem Abschei­ den der Si-Atome (4) und der C-Atome (5).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ionenstrahl mit einer Energie im keV-Bereich auf das Si-Material (1) und das C-Material (2) ge­ richtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wert für x bei den wasserstoffhal­ tigen Si_1-xC_x:H-Schichten im Bereich zwischen 0 und 1 liegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis von Si und C über die dem Ionenstrahl (3) angebotene Oberfläche des Si-Materials (1) und/oder die dem Ionenstrahl (3) angebotene Oberfläche des C-Materials (2) festgelegt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Si-Material (1) und C-Material (2) derart benachbart zueinander angeordnet werden, daß der Ionenstrahl (3) gleichzeitig auf das Si-Material (1) und das C-Material (2) gerichtet werden kann.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Si-Material (1) und/oder das C-Material (2) gegenüber dem Ionenstrahl (3) bewegt werden, um das Verhältnis Si/C zu steuern.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Si-Material (1) in Form von Si-Scheiben und/oder das C-Material (2) in Form von C-Scheiben bereitgestellt wird.

8. Vorrichtung zur Herstellung von wasserstoffhaltigen Si_1-xC_x:H-Schichten, mit:
einer Vakuumkammer,
einem in der Vakuumkammer angeordneten Material­ träger (10), für ein Si-Material (1) und ein C-Material (2)
einer in der Vakuumkammer angeordneten Ionen­ quelle (9), um einen Ionenstrahl (3) auf das Si- Material (1) und das C-Material (2) zu richten, und
einer in der Vakuumkammer angeordneten Quelle (7) für atomaren Wasserstoff, die dazu vorgesehen ist, das Substrat (6) und die darauf wachsende Schicht mit atomarem Wasserstoff (8) zu beauf­ schlagen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenquelle (9) einen Ionenstrahl (3) mit ei­ ner Energie im keV-Bereich erzeugt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Materialträger (10) und die Ionen­ quelle (9) beweglich zueinander angeordnet sind.