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Die Erfindung betrifft ein Hohlkathodensystem, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur plasmagestützten Behandlung von Substraten, insbesondere einer Beschichtung, einem Abtrag von Substratoberflächen oder einer Aktivierung der Substratoberflächen für eine nachfolgende Beschichtung.
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Zur plasmagestützten Abscheidung von Dünnschichten auf großflächigen Substraten werden üblicherweise großflächige, planparallele Elektrodensysteme mit Elektrodenflächen genutzt, deren Größe etwa der der Substratfläche entspricht. Diese haben jedoch den Nachteil, dass damit nur geringe Abscheideraten erreicht werden können und sie hinsichtlich der Anwendung von Anregungsfrequenzen im Very High Frequency-Bereich (VHF) durch die Erzeugung von stehenden Wellen beschränkt sind.
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Übliche Verfahren zur Aktivierung von Dämpfen mit thermischen Crackstufen in Verdampfern haben entscheidende Nachteile: Für die Erzeugung von atomaren Se, das wegen seiner höheren Reaktivität für bestimmte Prozesse gewünscht ist, aus dem vom Verdampfergut abdampfenden Se-Molekülen benötigt man Temperaturen von 1200 °C und mehr.
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Lineare planare Elektroden mit Flächen, deren Breite wesentlich kleiner als deren Länge ist, mit oder ohne Reihung, sind in der
DE 102 01 992 B4 beschrieben. Das Substrat befindet sich dabei in der Regel auf einem geerdeten Substratträger, der parallel zur Elektrodenbreite linear bewegt wird. Auch in einer solchen Anordnung werden nur geringe Plasmadichten erreicht, was zu nur geringen Bearbeitungsgeschwindigkeiten und damit geringer Produktivität führt. Zudem sind in einer solchen Anordnung für bestimmte Anwendungen sehr geringe Elektrodenabstände nötig, typischerweise liegen diese unterhalb von 10 mm. Dies führt zu einem hohen mechanischen Fertigungsaufwand. Auch führt eine solche Anordnung oft zu einem hohen Stromfluss über das geerdete Substrat, wobei es von wesentlichem Einfluss auf den Substratbearbeitungsprozess ist, wie der Substratkontakt dabei realisiert wird.
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Um die von einer Plasmaquelle erzeugte Plasmadichte signifikant zu erhöhen werden deshalb Hohlkathodenanordnungen eingesetzt. Ein typisches Anwendungsgebiet hierfür ist die plasmagestützte Bearbeitung von Oberflächen. Gasentladungen mittels Hohlkathoden sind mit Gleichspannung, mit hochfrequent gepulster Gleichspannung oder aber mit Hochfrequenzwechselspannungen erzeugbar. Leonhardt et al, Vakuum in Forschung und Praxis 1995, 1, 17, gibt dabei als Faustregel für den Druck p in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den die Hohlkathoden bildenden Flächen d an: p × d = 1 mbar cm. Je höher der Abstand d, desto geringer also der Druck p, bei dem die Entladung zündet bzw. gearbeitet wird.
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Für Hohlkathodenanordnungen gibt es nun aufgrund des schon langjährigen Einsatzes und der sehr verschiedenartigen Einsatzgebiete eine Vielzahl von Ausgestaltungen, von denen die für die Erfindung relevantesten nachfolgend erläutert werden sollen.
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In der
DE 195 05 268 A1 werden verschiedene Hohlkathodensysteme mit unterschiedlicher Elektrodengestaltung beschrieben. Sie sind gekennzeichnet durch getrennte, einzelne oder aufgereihte, linienförmige Hohlkathoden oder ein das Substrat umgebendes Array von Hohlkathoden oder ein durch eine planparalleles Elektrodensystem mit einer netzartigen teiltransparenten Elektrode. Die Gaszuführung erfolgt dabei definiert durch Bereiche der Hohlkathoden. Infolge inhomogener Zündbedingungen muss hier jedoch der Betriebsparameterbereich eingeschränkt werden, was wiederum nachteilig für eine Anwendung ist.
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Die
DE 100 60 002 A1 offenbart eine Vorrichtung mit einer Kathodenelektrode und einer Anodenelektrode zum Erzeugen eines Plasmas zur plasmagestützten Behandlung von Substraten, wobei die Kathodenelektrode mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern versehen ist, die eine Schlitzstruktur mit einer zweidimensionalen Abmessung, wie eine Spiral- oder Mäanderform, aufweisen.
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Eine spiralförmige Hohlkathode ist ebenso in der
US 5 007 373 A und
US 4 643 819 A beschrieben. Weiterhin offenbart
DE 196 35 669 C1 ein Hohlkathodensystem mit einer Hohlkathode und einer darauf gestapelten Zusatzkathode.
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Takeuchi et al, Thin Solid Films 390 (2001) 217, beschreibt Leiterelektroden mit Anregungsfrequenzen von 60 bis 80 MHz, die aus einem Array von Linear-Hohlkathoden bestehen. Diese werden aus einer Reihung von jeweils zwei stabförmigen Elektrodenelementen gebildet. Die Reaktionsgaszuführung erfolgt entweder durch Öffnungen in den Stabelektroden oder durch eine Gasdusche, die auf der der Substratelektrode abgewandten Seite angeordnet ist, so dass die Leiterelektrode zwischen Substratelektroden und Gasdusche liegt. Nachteilig ist auch bei diesem Hohlkathodensystem die für eine stationäre PECVD inhomogene Plasmaausbildung mit Toleranzen der Schichteigenschaften von über 10% sowie die kompliziert gestaltete Leistungseinkopplung.
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Multiloch-Array-Elektroden zur PECVD von amorphen und multikristallinen Silizium werden von Niikura et al, Proc. 19th EUPVSEC, Paris 2004, 1637, und Thin Solid Films 457 (2004) 84, beschrieben. Diese sind an die HF-/VHF-Leistungsversorgung gekoppelte Elektroden mit einer Gasdusche, wobei die Gasaustrittsöffnungen zu lochförmigen Hohlkathoden erweitert wurden. Die Elektrodenherstellung ist in diesem Fall jedoch mit hohem mechanischem Aufwand verbunden.
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Die
DE 10 2010 030 608 B4 offenbart eine Vorrichtung zur plasmagestützten Behandlung von Substraten mit einer Hohlkathode, die auf der dem Reaktionsraum zugewandten Elektrodenfläche angeordnet und als ein unterbrechungsfreier, rost- oder mäanderförmiger Kanal in der Elektrodenoberfläche ausgebildet ist. Dabei werden ein Gaseinlasssystem und ein Gasabführungssystem verwendet, die als lineare Systeme an den Hohlkatodenelektrodenlängsseiten angeordnet sind. Damit erfolgt sowohl die Zufuhr des Reaktionsgases als auch die Restgasableitung über diese linearen Systeme, wobei sich die Zufuhr an der einen Elektrodenlängsseite und die Ableitung an der anderen Elektrodenlängsseite befinden können. Nachteilig ist bei dieser Vorrichtung eine Gaszuführung über kostenintensive Gasverteilersysteme und Gaseinlasssysteme, evtl. gekoppelt mit einer Relativbewegung zwischen Gaseinlass und Substrat erforderlich. Die Gasverteilung erfordert eine merkliche Druckdifferenz zwischen Gaseinlass in den Gasverteiler und dem Reaktionsraum mit dem Substrat.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Kathode, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur plasmagestützten Behandlung großflächiger Substrate mit hohen Behandlungsgeschwindigkeiten zu entwickeln, bei denen eine homogene Behandlung großflächiger Substrate mit hoher Plasmastabilität über den gesamten Elektrodenbereich und eine Erhöhung der Plasmadichte durch eine Anregung des Plasmas mit sehr hohen Frequenzen erreicht werden können sowie kostenintensive Gasverteilersysteme vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Hohlkathodensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Zum Erzeugen eines Plasmas zur plasmagestützten Behandlung von Substraten wird ein Hohlkathodensystem mit mindestens einer Hohlkathode verwendet, die an eine Leistungsversorgung anschließbar ist, wobei die Hohlkathode aus einem elektrisch leitenden Grundkörper besteht, der einen unterbrechungsfreien durch Stege begrenzten spiralförmig oder mäanderförmig verlaufenden Durchbruch besitzt. Hierbei dient der besagte Durchbruch zum Durchlass eines Gases in senkrechter Richtung zur Oberfläche des Grundkörpers.
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Um die mechanische Stabilität des großflächigen Grundkörpers bzw. der Hohlkathode zu gewährleisten, werden erfindungsgemäß an den Stegen verbindende Brückenelemente angebracht. Die Brückenelemente sind bevorzugt auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordnet, sodass der spiralförmig oder mäanderförmig verlaufende Durchbruch nicht durch Brückenelemente unterbrochen wird. Mittels der Brückenelemente kann ein Durchbruch mit einer konstanten Durchbruchbreite erzielt werden. Beispielsweise können flächenartige Brückenelemente verschiedener Länge auf der Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung enthält das Hohlkathodensystem mindestens zwei Hohlkathoden, die jeweils den besagten mäanderförmig verlaufenden Durchbruch besitzen. Dabei sind die Hohlkathoden zueinander um eine zu ihren Oberflächen senkrechte Achse verdreht, bevorzugt um 90° gedreht, parallel übereinander gestapelt.
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Die gestapelten Hohlkathoden sind bevorzugt galvanisch miteinander gekoppelt.
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Alternativ sind die gestapelten Hohlkathoden voneinander isoliert.
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Der mäanderförmige Durchbruch kann beispielsweise durch parallel zueinander verlaufende Stege und den äußeren Rahmen des Grundkörpers begrenzt werden. Bei einem spiralförmig ausgebildeten Durchbruch ist eigentlich nur ein Steg vorhanden, der ebenfalls spiralförmig ausgebildet ist. Hier erfolgt dann die Anordnung der Brückenelemente eigentlich nicht zwischen Stegen sondern vielmehr zwischen einander benachbarten Teilen des Steges. Der spiralförmige Durchbruch kann beispielsweise durch den äußeren Rahmen des Grundkörpers und den durchgehenden spiralförmigen Steg begrenzt werden. Auf einfache Weise kann die Hohlkathode als elektrisch leitende Platte mit einer spiralförmigen oder mäanderförmigen Öffnung ausgeführt sein.
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Es ist vorteilhaft, die Brückenelemente aus einem elektrisch leitfähigen Material herzustellen, bevorzugt aus dem gleichen Material wie der Grundkörper. Somit ermöglichen die Brückenelemente eine Homogenisierung der Entladung über große Flächen und damit der Substratbearbeitung.
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Die Potentialverteilung an der Hohlkathode wird durch die Stege sowie durch die Anordnung der leitfähigen Brückenelemente eingestellt. Somit kann eine optimale Potentialverteilung durch eine geeignete Anordnung erreicht werden.
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Es ist vorteilhaft die Hohlkathode mit den Brückenelementen, d.h. alle Bauteile der Hohlkathode (Grundkörper mit den Stegen, dem äußeren Rahmen und den Brückenelementen), aus einem thermostatierbaren Material herzustellen, sodass die Hohlkathode gekühlt oder geheizt oder auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden kann. Vorzugsweise ist die Hohlkathode als thermostatierbare Rohre ausgeführt.
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Zur Beschichtung plattenförmiger Substrate kann der Grundkörper beispielsweise planar ausgeführt sein. Alternativ kann der Grundkörper zur Beschichtung gebogener Substrate gekrümmt ausgeführt sein. Der Grundkörper kann kreisförmig oder rechteckig ausgebildet sein. So kann beispielsweise eine Hohlkathode mit einer spiralförmigen zirkularen oder einer spiralförmigen rechteckigen oder einer mäanderförmigen rechteckigen Durchbruchausbildung ausgeführt sein.
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Die Hohlkathode bzw. der Grundkörper besteht bevorzugt aus einem Kohlenstoff-Werkstoff, z.B. Graphit, für Behandlungsprozesse bei hohen Temperaturen, oder bevorzugt aus Edelstahl bei niedrigen Temperaturen, oder bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung bei reaktiven Prozessen.
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Die Hohlkathode weist einen oder mehrere elektrische Anschlüsse zur Einkopplung der Leistungsversorgung auf, sodass Ein- oder Mehrpunkt-Leistungseinkopplung an der Hohlkathode realisiert werden kann. Diese Leistungseinspeisung an mehreren Punkten an der Hohlkathode dient der Homogenisierung der Potentialverteilung.
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Durch die erfindungsgemäße Durchbruchausführung wird eine hohe Plasmadichte erzeugt und eine gute Stabilität der Plasmaausbildung gewährleistet. Plasmainhomogenitäten, im Stand der Technik häufig ausgelöst durch eine fehlende Zündung einzelner Hohlkathodenbereiche, sind hier weitgehend ausgeschlossen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur plasmagestützten Behandlung von Substraten geht von einer Behandlungskammer aus, in der sich mindestens ein Substrathalter zur Aufnahme eines Substrats, mindestens eine Zuleitung zur Zuführung eines Gases und/oder eines dampfförmigen Materials und ein Hohlkathodensystem mit mindestens einer Hohlkathode befinden. Erfindungsgemäß ist die Hohlkathode an eine Leistungsversorgung anschließbar, wobei die Hohlkathode aus einem elektrisch leitenden Grundkörper mit einem unterbrechungsfreien, durch Stege begrenzten spiralförmig oder mäanderförmig verlaufenden und ein Gas in senkrechter Richtung zur Oberfläche des Grundkörpers durchlassenden Durchbruch besteht, wobei die Hohlkathode mit Brückenelementen versehen ist, die an der dem Verdampfer abgewandten Oberfläche des Grundkörpers angeordnet sind.
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Die Leistungsversorgung an der Hohlkathode kann wahlweise durch die Einspeisung einer Gleichspannung, Niederfrequenz-(LF), Hochfrequenz-(HF) bzw. Ultrakurzwellen-(VHF)Wechselspannung oder gepulster Gleichspannung gewährleistet werden. Die Leistungseinkopplung zwischen Hohlkathode und Leistungsversorgung erfolgt mit oder ohne Impedanzanpassung.
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Durch die hier verwendete Hohlkathode sind hohe Plasmadichten erzeugbar, es können gleichzeitig große Substratflächen abgedeckt werden, und es kommt nur zu einem geringen Beschuss des Substrats mit hochenergetischen Teilchen und damit einer geringen thermischen Belastung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere geeignet für einen hochproduktiven Einsatz bei der Abscheidung von Dünnschichtsolarzellen aus amorphem oder mikrokristallinem Silizium, Si-Verbindungen und -Legierungen oder bei der Chalkogenisierung von Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Cu, Ga, In und Se/S. Diese Vorrichtung ist weiterhin für eine Plasmaaktivierung von Gasen zur Nitrierung, Ätzung, oder Veraschung oder für eine Funktionalisierung von Polymeroberflächen anwendbar.
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Alternativ bei Verwendung einer Hohlkathode, die sich in der Nähe eines Verdampfers und fern vom Substrat befindet, sind die Brückenelemente an der dem Verdampfer abgewandten Oberfläche des Grundkörpers angeordnet. Hierbei dient der Verdampfer zum Erzeugen eines dampfförmigen Materials zur Beschichtung eines Substrats. In dieser Variante kann der Verdampfer als Gegenelektrode wirken.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Gaszuführung in die Behandlungskammer durch die Hohlkathode bzw. den Durchbruch, der einen vernachlässigbaren Strömungswiderstand besitzt. Dabei führt die Hohlkathode zu einer großflächigen homogenen Gasverteilung und ist als flächenartiger Gasverteiler ausgebildet. Dadurch können kostenintensive Gasverteilersysteme in Elektrodennähe vermieden werden, insbesondere bei Gaseinlass durch großflächige Elektroden oder bei seitlichen Gaseinlasssystemen für lineare Elektroden.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Hohlkathode als Gasverteiler zur Zuführung eines Inertgases ausgebildet. Weiterhin ist eine zweite Zuleitung zur Zuführung eines Reaktivgases und/oder eines dampfförmigen Materials in unmittelbarer Substratnähe zwischen dem Substrathalter und der Hohlkathode angeordnet. Somit kann eine Reaktion der Hohlkathode mit dem Reaktivgas oder dem dampfförmigen Material verringert werden. Dies ermöglicht einen langzeitig stabilen Behandlungsprozess.
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In Abhängigkeit von der Durchbruchbreite der Hohlkathode d, dem Abstand zwischen Substratelektrode und Hohlkathodenelektrode D und den Druckverhältnissen p in der Behandlungskammer führt die Hohlkathode zu einem Hohlkathode-Plasma, z.B. einem mittels einer Hohlkathode-Glimmentladung erzeugten Plasma, zu einem kapazitiv gekoppelten Plasma, z.B. einem mittels eines planparallelen Elektrodensystems erzeugten Plasma, oder zu einer Mischform beider.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Plasmaausbildung gewährleisten, die vom Abstand zwischen Substrat und Hohlkathodenelektrode, vom Abstand der Kammerwandung zur Elektrode, vom Substratmaterial und von der Substraterdung nahezu unbeeinflusst ist. Bei Verwendung dieser Vorrichtung ist eine Substratbehandlung in einem weiten Druckbereich ebenfalls möglich.
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Aufgrund des geringen Einflusses des Substratpotentials ist die Hohlkathode für Anwendungen mit einem großen Abstand der Hohlkathode zum Substrat anwendbar. Bevorzugt liegt der Abstand zwischen dem Substrathalter und der Hohlkathode im Bereich von 100 bis 200 mm und ist nicht von der Plasmaausbildung abhängig. Das Plasma kann mittels der Hohlkathode bei niedrigen bis relativ hohen Drücken erzeugt werden, bevorzugt im Bereich von p × d = 10 Pa cm bis 1300 Pa cm, wobei p der Druck und d die Durchbruchsbreite sind.
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Der Substrathalter kann mit einer Transporteinrichtung verbunden werden, sodass das Substrat sich in der Behandlungskammer bewegt. Die Hohlkathode kann stationär oder dynamisch mit bewegtem Substrat betrieben werden.
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Die Hohlkathode und der Substrathalter können parallel mit ruhendem Substrat zueinander vertikal oder horizontal in der Behandlungskammer angeordnet sein. Bei einer horizontalen Anordnung kann die Hohlkathode oberhalb oder unterhalb des Substrathalters angeordnet sein.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind in der Behandlungskammer zwei Substrathalter vorgesehen, die auf gegenüberliegenden Seiten der Hohlkathode angeordnet sind. Die zu behandelnden Substratoberflächen sind der Hohlkathode zugewandt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind in der Behandlungskammer mehrere Hohlkathoden zur gleichzeitigen Behandlung mehrerer Substrate angeordnet. Beispielsweise können Hohlkathoden und Substrathalter parallel zueinander mit den zu behandelnden Substratoberflächen, die den Hohlkathoden zugewandt sind, in der Behandlungskammer angeordnet sein. Dies kann die Produktivität wesentlich erhöhen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verdampfer zum Verdampfen eines Materials vorgesehen und die Hohlkathode ist als Teil des Verdampfers ausgebildet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur plasmagestützten Behandlung eines Substrats wird ein Hohlkathodensystem mit mindestens einer Hohlkathode in einer Behandlungskammer eingesetzt, wobei mindestens ein Gas oder Dampf in einen Reaktionsraum der Behandlungskammer zugeführt wird und wobei ein Plasma mittels einer Gasentladung in einem spiral- oder mäanderförmigen Durchbruch der mit einer Leistungsversorgung verbundenen Hohlkathode erzeugt wird und wobei das Gas oder der Dampf zumindest teilweise durch die Hohlkathode geleitet wird.
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Die Leistung aus der Leistungsversorgung, beispielsweise aus einer HF-Leistungsversorgung, wird an mehreren Punkten mit einer definierten Phasenverschiebung in die Hohlkathode eingespeist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Dampfstrom aus einem Material mittels eines Verdampfers erzeugt und durch Einwirkung einer Niederdruck-Gasentladung bzw. durch ein bei der Niederdruck-Gasentladung erzeugtes Plasma in dem Reaktionsraum aktiviert. Die Plasmaaktivierung des Dampfstroms kann bei Prozesstemperaturen bis über 800°C erfolgen.
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Der Dampfstrom kann durch den Durchbruch der Hohlkathode in den Reaktionsraum zugeführt werden. Dabei kann ein definierter Temperaturverlauf vom Verdampfer zur Hohlkathode eingestellt werden.
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Alternativ kann ein Inertgas durch die Hohlkathode in den Reaktionsraum zugeführt werden und ein Reaktivgas und/oder der Dampfstrom in unmittelbarer Substratnähe zugegeben werden.
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Es ist möglich, dass das Substrat mit einer zusätzlichen Wechselspannung beaufschlagt wird, die eine im Vergleich zu der Frequenz der Leistungsversorgung der Hohlkathode niedrigere Frequenz aufweist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können mehrere Substrate mittels mehrerer Hohlkathoden mit einem Inertgas und einer Zugabe von Reaktivgas oder Dampfstrom gleichzeitig beaufschlagt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1A, 1B eine Draufsicht auf eine Hohlkathode mit einem spiralförmigen (1A) oder mäanderförmigen (1B) Durchbruch,
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1C eine Seitenansicht einer Hohlkathode gemäß der 1B,
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2A, 2B eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Beschichtung eines Substrats,
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3 eine Anordnung von mehreren Hohlkathoden und Substrathaltern,
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4 eine Anordnung einer Hohlkathode mit einem Verdampfer, und
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5 eine Anordnung von Hohlkathoden und Substrathaltern mit einem Gasverteiler.
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In 1A ist eine kreisförmige Hohlkathode mit einem spiralförmigen Durchbruch dargestellt. Die Hohlkathode 1 besteht aus einem planaren elektrisch leitenden Grundkörper 2, beispielsweise einer kreisförmigen Platte 2 aus Graphit oder Edelstahl. In der Platte 2 befindet sich ein spiralförmig verlaufender Durchbruch 3. Der Durchbruch 3 ist durch einen spiralförmigen Steg 4 und einen äußeren Rahmen 5 begrenzt. Auf der Rückseite der Platte 2 befinden sich Stäbe 6, die als Brückenelemente zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität der Platte 2 dienen. Hierbei dient der Durchbruch 3 zum Durchlass eines Gases, das in senkrechter Richtung zur Ebene der Platte 2 transportiert wird, und kann als Kanal bezeichnet werden.
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In 1B ist eine rechteckige Hohlkathode mit einem mäanderförmigen Durchbruch dargestellt. Die Hohlkathode 1 besteht beispielsweise aus einer rechteckigen Platte 2 mit einem mäanderförmig verlaufenden Durchbruch 3. Der Durchbruch 3 ist durch parallel zueinander verlaufende Stege 4 und einen äußeren Rahmen 5 begrenzt. Auf der Rückseite der Platte 2 befinden sich Brückenelemente 6. 1C zeigt die Seitenansicht der in 1B dargestellten Hohlkathode. Die Brückenelemente 6 können beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Hohlkathode 3 hergestellt werden. 1B zeigt eine einfache Anordnung der Brückenelemente 6 der Hohlkathode 1. In Abhängigkeit von gewünschten Potentialverteilungen an der Hohlkathode ist die Anordnung der Brückenelemente an der Hohlkathode variabel. An dem äußeren Rahmen 5 der Platte 2 befinden sich mehrere elektrische Anschlüsse 8, die zur Einkopplung einer nicht dargestellten Leistungsversorgung an die Hohlkathode dienen.
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In 2A ist eine Vorrichtung zur plasmagestützten Abscheidung von Substraten dargestellt. In einer Vakuumkammer 10 befinden sich ein Substrat 9 auf einem Substrathalter 20, eine Zuleitung 30 zur Zuführung eines Gases und eine gegenüber dem Substrathalter 20 liegende Hohlkathode 1. Die Hohlkathode 1 ist beispielsweise an eine HF-Leistungsversorgung 40 angeschlossen. Die Hohlkathode 1 kann alternativ über eine nicht dargestellte Impedanzanpassung an die HF-Leistungsversorgung 40 angeschlossen werden. Die Vakuumkammer 10 ist mit einem Pumpsystem 50 verbunden.
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Beispielsweise bei Herstellungen von CIGSe-Solarzellen, d.h. Cu-In-Ga-Se-Solarzellen, wird ein beschichtetes Substrat 9 mit einem Cu-In-Ga-Schichtstapel in die Vakuumkammer 10 eingebracht. Ein Verdampfer 60 für Selen ist mit der Zuleitung 30 verbunden. Die Zuleitung 30 ist weiterhin mit einer zweiten Zuleitung 70 zur Zuführung von Argon verbunden. Der Selen Dampfstrom mit Argon wird dann durch die Hohlkathode 1 in die Vakuumkammer 10 zugeführt. Der Transportweg des Dampfstroms, d.h. vom Verdampfer 60 zur Hohlkathode 1, wird beheizt. So werden beispielsweise der Verdampfer 60, die Zuleitung 30 sowie die Hohlakthode 1 jeweils mit einer nicht dargestellten Heizung verbunden. Beim Anlegen einer Spannung an der Hohlkathode 1 wird der Dampfstrom durch Einwirkung eines Plasmas aktiviert und in aktivierter Form zur Reaktion mit dem Cu-In-Ga-Schichtstapel gebracht. Dadurch entsteht ein Cu-In-Ga-Se-Schichtstapel auf dem Substrat 9.
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2B zeigt eine zweite Vorrichtung zur Herstellung von CIGSe-Solarzellen. Im Unterschied zur 2A wird lediglich Ein Inertgas Argon über die Zuleitung 30 in die Vakuumkammer 10 zugeführt. Der Verdampfer 60 ist mit einer zweiten Zuleitung 80 verbunden, die sich in unmittelbarer Substratnähe befindet. Das Plasma wird mittels einer Hohlkathode-Glimmentladung in der Vakuumkammer 10 erzeugt. Der in der Substratnähe zugeführte Dampfstrom wird dann durch das Plasma aktiviert und in aktivierter Form zur Reaktion mit dem Cu-In-Ga-Schichtstapel gebracht.
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3 zeigt eine Anordnung von mehreren Hohlkathoden zur Behandlung mehrerer Substrate. Zwei Hohlkathoden 1 und drei Substrathalter 20 sind vertikal parallel zueinander angeordnet. Auf beiden Seiten des mittleren Substrathalters 20 befindet sich jeweils ein Substrat 9. Ein Reaktivgas oder ein Dampfstrom wird über die Zuleitung 80 in der Substratnähe in den Reaktionsraum zugeführt. Damit kann die Produktivität bzw. die Behandlungsgeschwindigkeit erhöht werden.
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4 zeigt einen Verdampfer mit einer Hohlkathode. Der Verdampfer 60 besteht aus einem Tiegel mit einem Heizer 62 zum Beheizen des Tiegels. Ein Dampfstrom aus einem Verdampfungsgut 61, beispielsweise Selen, wird mittels des Verdampfers 60 erzeugt. Die Hohlkathode 1 ist unmittelbar in der Nähe vom Verdampfer 60 angeordnet und ist als Teil des Verdampfers 60 vorgesehen. Gegenüber der Hohlkathode 1 befindet sich ein Substrat 9 auf einem Substrathalter 20. Die Hohlkathode 1 bildet den Anschluss einer Leitung vom Verdampfer 60 zum Reaktionsraum. Der Dampfstrom aus Selen wird durch eine Niederdruckgasentladung bzw. ein Plasma aktiviert und zur Reaktion mit der Oberfläche des Substrats 9 im Reaktionsraum gebracht.
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5 zeigt eine Anordnung von Hohlkathoden, Substrathaltern und einem zusätzlichen Gasverteiler. Zwei Hohlkathoden 1, ein flächiger Gasverteiler 7 und zwei Substrathalter 20 sind vertikal parallel zueinander angeordnet. Die Substrate 9 werden jeweils auf der der Hohlkathode 1 zugewandten Seite der Substrathalter 20 befestigt. Der Gasverteiler 7 ist zwischen zwei Hohlkathoden 1 angeordnet. Dabei wird ein Reaktivgas oder ein Dampfstrom über den Gasverteiler 7 in den Reaktionsraum zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hohlkathode
- 2
- Grundkörper, Platte
- 3
- Durchbruch
- 4
- Steg
- 5
- äußerer Rahmen
- 6
- Brückenelement
- 7
- Gasverteiler
- 8
- elektrischer Anschluss
- 9
- Substrat
- 10
- Vakuumkammer
- 20
- Substrathalter
- 30
- Zuleitung
- 40
- Leistungsversorgung
- 50
- Pumpsystem
- 60
- Verdampfer
- 61
- Verdampfungsgut
- 62
- Heizer
- 70
- zweite Zuleitung
- 80
- zweite Zuleitung
