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Verfahren und
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Vorrichtung zur Herstellung von dünnen Schichten auf Sds straten durch
chemische Umwandlung von Gasen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung
von Substraten, bei dem die Substrate in der Nähe einer Elektrode angeordnet werden,
bei dem eine Gegenelektrode in gleichmäßigem Abstand von den Substraten angeordnet
wird, bei dem mittels einer kapazitiv erzeugten Glimmentladung Gase chemisch umgewandelt
werden, bei dem das umzuwandelnde Gas durch Löcher in der Gegenelektrode hindurch
eingeführt wird und bei dem das verbrauchte Gas abgesaugt wird.
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Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-PS 23 02 174 bekannt. Dort
wird Gas durch Löcher in der Gegenelektrode zugeführt und an anderer Stelle aus
dem Reaktionsraum abgesaugt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird jedoch nicht
nur das Substrat beschichtet, sondern auch auf der Gegenelektrode eine Schicht erzeugt.
Diese Schicht wächst beim Betrieb der Anlage ständig an, bis sie schließlich abblättert
und als Verunreinigung auf das Substrat gelangt.
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Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt besteht
bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art darin, daß die Beschichtung im
Serienbetrieb für eine große Menge von Substraten bzw. von Substratfolien rationell
durchgeführt werden kann und daß dabei eine häufige Reinigung der Gegenelektrode
von Niederschlag vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gegenelektrode
so stark durchbrochen gestaltet wird,
daß das umzuwandelnde Gas
in beiden Richtungen durch die Löcher diffundieren kann, daß ein Vorratsraum für
das zu polymerisierende Gas vorgesehen wird, welcher an die Gegenelektrode angrenzt
und daß das Gas in diesem Vorratsraum eingelassen und aus diesem Vorratsraum abgesaugt
wird.
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine wesentlich rationellere
Herstellung gleichmäßiger Schichten. DainMW daß sowohl die Zufuhr als auch die Absaugung
des Gases im Vorratsraum, nicht aber im Glimmentladungsraum erfolgt, wird eine ungleiche
räumliche Verteilung der Gaszusammensetzung über dem Substrat vermieden. Sowohl
die Zufuhr von Frischgas als auch die Abfuhr von verbrauchtem Gas erfolgt durch
Diffusion von Gasmolekülen, welche über der gesambrn Substratfläche gleichmäBig
ablauSenkann.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auch eine stark durchbrochene
Gegenelektrode eine gleichmäßige Beschichtung des Substrates gewährleistet. Dies
erfolgt durch einen Ladungsausgleich in der Raumladungszone, welche die Gegenelektrode
umgibt. Auch die stark durchbrochene Gegenelektrode bewirkt eine ebenso gleichmäßige
lonenwanderung zum Substrat hin, wie eine volle Gegenelektrode.
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Als umzuwandelnde Gase werden vorteilhaft monomere Gase eingelassen
und polymerisiert, so daß auf dem Substrat eine Glimmpolymerisatschicht erzeugt
wird. Vorteilhaft können auch Silane und die entsprechenden Träger- und Datiergase
eingelassen werden, die dann in einem CVD-Verfahren umgewandelt werden, so daß eine
amorphe Siliciumschicht erzeugt wird.
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Beim vorgeschlagenen Verfahren wird vorteilhaft ein Gasdruck von etwa
10 Pabis 100 Pa eingestellt und an die Elektroden eine Hochfrequenzspannung mit
einer Frequenz
von zumindest 100kHz angelegt. Dadurch entstehen
gleichmäßige Schichten bei hoher Abscheiderate.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient vorteilhaft
eine Vorrichtung, in der zur Herstellung von Schichten auf Substraten durch eine
chemische Umwandlung von Gasen eine Glimmentladung kapazitiv erzeugt wird, welche
eine Elektrode und eine Gegenelektrode enthält, in welcher die Substrate in der
Nähe der Elektrode angeordnet werden, in welcher die Gegenelektrode Ausnehmungen
und zwischen diesen befindliche elektrisch leitfähige Teile aufweist, welche eine
Gaszuführungsleitung enthält, die außerhalb des Glimmentladungsraumes zur Gegenelektrode
führt und welche Absaugeinrichtungen für das verbrauSs te Gas enthält, in cer die
Fläche der Gesamtheit der Ausnehmungen in der Gegenelektrode größer ist als die
Gesamtheit der im Bereich der Glimmentladung liegenden elektrisch leitfähigen Teile
der Gegenelektrode, in wP1dPr sich an. die Gegenelektrode angrenzend, außerhalb
des Glimmentladungsraumes ein Gasvorratsraum befindet und in welcher in diesem Gasvorratsraum
zumindest eine Gaszuführungsleittzig und eine Gasabsaugleitung münden.
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Diese Vorrichtung gewährleistet einerseits die Gasdiffusion vom Glimmentladungsraum
in den Vorratsraum; sowohl Gaszufuhr als auch Gasabsaugung können über den Vorratsraum
erfolgen. Andererseits bilden sich im Bereich der elektrisch leitfähigen Teile der
Gegenelektrode relativ hohe Feldstärken und hohe Raumladungsdichten aus, die Raumladungszone
wird dadurch über der relativ kleinen Fläche dicker als über der größeren Substratfläche.
Dadurch wird die Beschleunigungsspannung für die Ionen wesentlich höher. Dies hat
zur Folge, daß von der kleineren Fläche der Gegenelektrode Material entfernt und
auf der größeren Substratfläche abgelagert wird. Dadurch werden die Gasmoleküle
von der Gegenelektrode zum größten Teil wieder entfernt, bevor sie auf der Gegenelektrode
polyme-
risiert bzw. chemisch zerlegt werden können. Sie diffundieren
in den Gasraum zurück. Trotzdem tritt kein erhöhter Niederschlag von Crackprodukten
auf dem Substrat auf.
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Die hohe Raumladungsdichte und die Dicke der Raumladungszone gewährleisten,
daß die Rekombinationsrate für diese abdiffundierenden Moleküle so hoch ist, daß
bereits in kurzem Abstand von der Gegenelektrode in bezug auf Elektronen- und Ionenstrom
dieselben Verhältnisse auftreten, wie vor einr nicht durchbrochenen Gegenelektrode.
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Besonders vorteilhaft wird die Gegenelektrode durch gespannte Drähte
gebildet, deren gegenseitiger Abstand ein Mehrfaches ihres Durchmessers beträgt.
Dadurch läßt sich das Verhältnis der Fläche der Ausnehmungen zu der Fläche der elektrisch
leitfähigen Teile sehr leicht beeinflussen, beispielsweise durch die Wahl des Drahtabstandes,
und auf sehr hohe Werte bringen, wobei die mechanische Festigkeit nur durch die
Zugfestigkeit der Drähte begrenzt ist. Die Drähte werden vorteilhaft auf einen Rahmen
gespannt. Dieser Rahmen kann außerhalb der Glimmentladungszone liegen. Er kann daher
auf die notwendige Festigkeit hin dimensioniert sein.
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Eine hohe Gleichmäßigkeit ist bereits gegeben, wenn der Abstand zwischen
der Elektrode und der Gegenelektrode zur mindest dem doppelten Drahtabstand entspricht.
Die Drähte können dabei zueinander parallel verlaufen. Sie können auch in zwei einander
kreuzenden Richtungen verlaufen.
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In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die zwischen den Drähten verbleibenden
Ausnehmungen Quadrate bilden, da quadratische Ausnehmungen dem Gas bei gleicher
Fläche besonders wenig Diffusionswiderstand entgegensetzen. Hierbei beträgt vorteilhaft
der Drahtabstand bzw. die Maschen weite des Gitters zumindest das FUnffache des
Drahtdurchmessers. Der Drahtdurchmesser wird vorteilhaft < 0,5mm gewählt. Dadurch
wird an der Drahtoberfläche eine sehr große Feldstärke erreicht, die Fläche der
elektrisch lei-
tenden Teile ist besonders gering. So werden die
meisten Gasmoleküle wieder von den Drähten entfernt, eine Reinigung ist kaum nötig.
Andererseits läßt sich bei derartigen Gittern eine Reinigung einfach durchführen,
so z.B.
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im Ultraschallbad oder mechanisch durch Bürsten oder, insbesondere
bei aufpolymerisierten Kunststoffschichten, pyrolytisch.
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Eine besondere Kühleinrichtung für die Gegenelektrode ist in diesem
Fall nicht erforderlich, da der Kühleffekt des umgebenden Gases bei dem für derartige
Prozesse üblichen Druck ausreichend ist, um das Gitter und ggf. die' Halterungen
vor Uberhitzung zu schützen.
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Die Elektroden, das heißt die Elektrode und die Gegenelektrode sind
vorteilhaft mit den beiden Polen einer Hochfrequenzspannungsquelle mit einer Frequenz
von zumindest 10kHz beschaltet, der Gasdruck im Gasentladungsraum liegt dabei vorteilhaft
zwischen 10 Paund100Pa und der Abstand der Elektroden zwischen 1cm und 3cm. Dadurch
wird Energieaufwand und Dimensionierung auf ein Optimum gebracht, welches den speziellen
Problemen der Beschichtung sowohl von Kunststoffolien als auch von festen Trägerplatten
üblicher Dicke gerecht wird.
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Mit dieser Dimensionierung wird beispielsweise ein Schichtdicken wachstum
von 20nm/sec. bis 40nm/sec. ermöglicht, obwohl dabei in jeder Sekunde das Gasvolumen
zwischen den Elektroden dreimal bis zwanzigmal erneuert werden muß. Eine derartige
Reaktionsgeschwindigkeit ist mit dem bisher bekannten Lochplatten oder porösen Sinterplatten,
die als Gegenelektroden verwendet wurden, nicht erreichbar. Außerdem verschmutzen
auch die Lochplatten und die Sinterplatten im Bereich zwischen den Löchern, da die
dort vorhandenen Raumladungszonen und Feldstärken für das Zurückdiffundieren der
Moleküle in den Reaktionsraum, das Absputtern, nicht ausreichen. Dementsprechend
bildet sSh
auch auf Lochplatten oder Sinterplatten sehr schnell
ein Niederschlag, der zur Verschmutzung der Substrate führt.
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Durch Anordnung von Leit- und Abschirmblechen oder dergl.
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außerhalb des Glimmentladungsraums können die Gasbewegungen gesteuert
und Ablagerungen an unerwünschten Stellen verhindert werden. Insbesondere empfiehlt
es sich, außerhalb des Glimmentladungsraums in der Nähe der Gegenelektrode ein Abfangg
ffl er anzubringen, welches dieselben Gitterabstände aufweist, wie das Gitter der
Gegenelektrode, und Ionen abfängt, die aus dem Glimmentladungsraum austreten. Das
Abfanggitter kann auf demselben Potential wie die Gegenelektrode liegen. Leit- und
Abschirmbleche können Je nach Bedarf auf ein beliebiges Potential gelegt werden
oder auch aus Isolierstoff ausgeführt sein.
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Sofern sich auf den Drähten der Gegenelektrode Schichten bilden, so
besteht der zusätzliche Vorteil, daß diese Schichten den Draht umechließen und daher
nicht so leicht abplatzen, wie auf einer flächigen Elektrode.
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Die Erfindung wird nun anhand von vier Figuren näher erläutert.
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Fig. 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen
schematisch.
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Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsformen von Gegenelektroden schematisch.
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Eine gekühlte Elektrodenplatte 1 und eine Gegenelektrode, die durch
Gitterdrähte 4 und einen Halterahmen 5 gebildet ist, bilden eine Glimmentladungsraum
11. Durch diesen Glimmentladungsraum 1.1 wird eine Folie 2 in unmittelbarer Nähe
der gekühlten Elektrode 1 geführt. Ein durch Drähte 4' gebildetes Abfanggitter fängt
Ionen ab, die aus dem Glimmentladungsraum 11 austreten. Ein Abdeckrahmen 3 begrenzt
den Glimmentladungsbereich innerhalb des Spannrahmens
5. Ein Vorratsraum
13 für das umzuwandelnde Gas enthält Leitbleche 8, welche das durch die Gaszuführungen7
eintretende Gas über die Gegenelektrode verteilen. Absaugleitungen 9 fuhren ebenfalls
in den Vorratsraum 13.
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Durch die Gitterelektrode und das Auffanggitter hindurch ist eine
Gasdiffusion ungehindert möglich, es entsteht kein Druckgefälle, sowohl die Crackprodukte
als auch die frischen Moleküle treten durch das Gitter hindurch in den Glimmentladungsraum.
- Dadurch nimmt das Gas im Vorratsraum 13 voll an der Umwandlungsreaktion teil.
Es genügt, Gaszufuhr und Gasabfuhr am Vorratsraum anzubringen. Eine ungleichmäßige
Verteilung infolge einer Strömung im Glimmentladungsraum wird dadurch vermieden.
Die ReaktiowF geschwindigkeit wird außerdem erheblich erhöht, ohne daß durch eine
Vergrößerung des Glimmentladungsraumes ein erheblicher zusätzlicher Spannungsbedarf
erforderlich wäre.
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Die Abdeckhaube 6 umschließt den Vorratsraum 13 und den Glimmentladungsraum
11 weitgehend. Sie begrenzt den Entladungsraum, braucht--aber nicht vakuumdicht
abzuschließen.
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Sie kann aus durchsichtigem Isolierstoff bestehen und mit einer auswechselbaren
Folie 6' belegt sein. Dadurch ist eine Beobachtung der Glimmentladung möglich. Eine
Verschmutzung durch Reaktionsprodukte tritt nur auf der auswechselbaren Folie auf,
welche unschwer entfernt werden kann.
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Vorteilhaft ist die Verwendung einer trommelSörmigen Elektrode, insbesondere
wenn Bereiche auf der Folie 2 bei der Beschichtung abgedeckt werden sollen. In diesem
Fall können mitlaufende Blenden 14 mit der Folie 2 durch den Glimmentladungsraum
11 geführt werden. Die Gegenelektrode besteht hier aus einem kreisbogenförmigen
Spannrahmen 15, der mit Drähten 4 bespannt ist.
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Sofern die Drähte 4 der Gitterelektrode und die Abfangdrähte 4' auf
gleichem Potential liegen sollen, können
sie vorteilhaft in Form
einer Wicklung eines Drahtes über einen Spannrahmen aufgebaut sein.
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Die Gegenelektrode besteht vorteilhaft aus einem Spannrahmen 1, auf
dem Drähte 4 zueinander parallel und in gleichem Abstand gespannt sind. Eine höhere
Festigkeit und eine allseitige Symmetrie wird erreicht, indem auf dem Spannrahmen
1 neben Drähten 4 auch zu diesen senkredt verlaufende Drähte 12 gespannt sind, wobei
die Drähte 4 und die Drähte 12 jeweils untereinander dieselben Abstände haben(Fig.
3 und 4).
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9 Patentansprüche 4 Figuren