DE3208086C2 - Verwendung einer Plasmakanone - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von Schichten aus amorphem Silizium wird zur Herabsetzung des Energiebedarfs vorgeschlagen, daß man Silizium im Vakuum verdampft und auf einem Substrat niederschlägt und daß man das Substrat mit dem Siliziumniederschlag mit atomarem Wasserstoff, Sauerstoff oder Fluor beschießt, den man durch Dissoziation in einer Bogenentladung von geringem Ionisationsgrad erhält und durch dieselbe Bogenentladung thermisch, elektrisch und/oder elektromagnetisch gegen das Substrat beschleunigt. Ferner wird die Verwendung einer besonders für dieses Verfahren geeigneten Plasmakanone vorgeschlagen.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer Plasmakanone.

Schichten aus amorphem Silizium, denen zur Absättigung freier Bindungen Wasserstoff, Sauerstoff oder Fluor zugegeben ist, gewinnen in der Halbleitertechnologie zunehmend an Bedeutung, speziell auf dem Gebiet der Dünnschichtsolarzellen. Bei der Herstellung dieser Schichten ist es wesentlich, daß der Wasserstoff, der Sauerstoff oder das Fluor in atomarer Form mit dem Silizium in Berührung kommen, damit die in dem amorphen Silizium vorhandenen offenen Bindungen effektiv abgesättigt werden.

Bisher sind zwei Verfahren zur Herstellung solcher Schichten bekannt, nämlich die Abscheidung von fco atomarem Wasserstoff aus einer Silan-Glimmentladung (M. H. Brodsky et al in Appl. Phys. Letters, Band 30, Nr. 11, I.Juni 1977. Seiten 561 bis 563) oder das Zerstäuben in einer Wasserstoffentladung mit Zugabe von Edelgasen (W. T. Pawlewicz, J. Appl. Phys. 49 (11), < >■"> November 1978, Seiten 5595 bis 5600). Bei dem zuerst genannten Verfahren der Abscheidung aus einer Silan-Glimmentladung ergibt sich ein nachteilig hoher Energieverbrauch. Dies liegt daran, daß pro Siliziumatom weniger als ein Wasserstoffatom gelagert werden kann, so daß also pro Silan-Molekül im Mittel mindestens drei Wasserstoffatome dissoziiert werden müssen. Außerdem ist der Dissoziationswirkungsgrad durch Elektronenstoß in der Glimmentladung aufgrund, des kleinen Massenverhältnisses von Elektron zu Silan-Molekül gering. Weiter kommt hinzu, daß wegen der relativ hohen Teilchendichte in der Glimmentladung mehrere Rekombinationen stattfinden, bevor ein Siliziumatom und ein Wasserstoffatom endgültig das Substrat erreichen. Bei der Abscheidung aus der Silan-Glimmentladung reichert sich Wasserstoffgas in der Silanentladung an. da pro Siliziumatom weniger als ein Wasserstoffatom benötigt wird. Bei konstanter Gaszusammensetzung muß daher das Entladungsgas ständig ausgetauscht werden.

Bei dem Zerstäubungsverfahren ist der Energieverbrauch ebenfalls außerordentlich hoch, da das Gas ionisiert und beschleunigt werden muß, da weiterhin der Wirkungsgrad des Prozesses schlecht ist und da aufgestäubte Suiziumaiorne mit den Teilchen der Entladung Stöße ausführen, bevor die Siliziumatome das Substrat erreichen.

Es ist auch bekannt, amorphes, hydrogeniertes Silizium dadurch herzustellen, daß Silizium im Vakuum verdampft und auf ein Substrat niedergeschlagen wird, während Wassersk>ffatome gegen das Substrat geschossen werden (David L Miller et al, J. Appl. Phys. 49 (12), Dezember 1978, Seiten 6192 und 6193). Bei diesem bekannten Verfahren werden die Wasserstoffatome durch thermische Dissoziation von Wasserstoffgas hergestellt. Dieses Verfahren ist apparativ sehr aufwendig, da Temperaturen in der Größenordnung von 2000° C notwendig sind, weiterhin ergeben sich für die Wasserstoffatome nicht die für den Einbau in die Siliziumschicht optimalen kinetischen Energien.

Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt, mit dem bei der Herstellung von Schichten amorphen Siliziums Dotierungsatome eingebaut werdet, können, die zusammen mit den Siliziumatomen auf ein Substrat geschossen werden (DE-OS 30 00 904). Dabei werden die Wasserstoff-Beschußatome durch Zerlegen des molekularen Wasserstoffs zwischen einem Paar von Elektroden, die an eine starke Gleichstromquelle oder an eine Hochfrequenzquelle angeschlossen sind, erzeugt. Dabei besteht die Gefahr, daß die Beschußatome durch Kathodenmaterialien verunreinigt werden. Es ist jedoch außerordentlich wichtig, daß ein Beschußplasma verwendet wird, dem praktisch keine Kathodenmaterialien beigemischt sind, um keine Beeinflußung der Eigenschaften der dotierten Siliziumschichten zu erhalten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Erzeugung der atomaren Beschußatome für die Herstellung von Schichten aus amorphem Silizium anzugeben, bei welcher man Silizium im Vakuum verdampft und auf einem Substrat niederschlägt und bei welcher man das Substrat mit dem Siliziumniederschlag mit atomarem Wasserstoff, Fluor oder Sauerstoff beschießt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung einer Plasmakanone mit einer Kathode und einer Anode, der eine Zufuhr für das Betriebsgas eines Beschußplasmastrahls in den Anodenbereich zugeordnet ist, wobei die Kathode seitlich vom Beschußplasmastrahl angeordnet ist, bei welcher das Verbindungsplasma zwischen Kathode und Beschußplasmastrahl durch einen Kanal geführt wird, in dessen

Bereich mindestens eine gekühlte Flache vorgesehen ist, an welcher Kathodenmaterial aus dem Verbindungsplasma niedergeschlagen wird, und wobei dem Kanal eine Gaszufuhr zugeordnet ist, durch welche zur Aufrechterhaitung einer im wesentlichen konstanten Teilchendichte im Verbindungsplasma Gas als Ersatz des niedergeschlagenen KathoHenmaterials zuführbar ist.

Mit einer solchen Plasmakanone kann man einen Beschußplasmastrahl (atomaren Wasserstoffstrahl.-atomaren Sauerstoffstrahl, atomaren Fluorstrahl) erzeugen, in dem das Beschußplasma auf eine kinetische Energie von 10 bis 100 eV mit großer Ausbeute beschleunigt werden kann, wobei dieses Plasma keine Verunreinigung durch Kathodenerosion aufweist.

Günstig ist dabei insbesondere die Verwendung einer solchen Plasmakanone bei einem Verfahren, bei welchem man auf dem Substrat abwechselnd Silizium niederschlägt und atomaren Wasserstoff, Sauerstoff oder atomares Fluor auftreffen läßt -"

Dadurch erhält man einen schichtförmigen Aufbau des amorphen Siliziums und kann auf diese Weise die Bandabstände in der Siliziumschicht entsprechend den jeweiligen Anforderungen variieren.

Weiterhin ist die Verwendung einer solchen Plasmakanone dann günstig, wenn man gleichzeitig mit dem Beschüß des Substrates mit dem Siliziumniederschlag mit atomarem Wasserstoff, Sauerstoff oder Fluor eine Dotierung des Siliziumniederschlages mit Bor, Phosphor oder Indium vornimmt, welches in atomarer Form s< > durch die Bogenentladung auf das Substrat mit dem Siliziumniederschlag gelenkt wird. Dabei kann man der Bogenentladung Gase zuführen, die sowohl die Dotierungsatome als auch die Beschußatome enthalten, z. B. Diboran oder Phosphin. Diese Gase werden in der i > Bogenentladung in das atomare Beschußgas und in das Dotierungsgas zerlegt, die dann gleichzeitig dem Silizium zugeführt werden.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung dient im Zusammenhang ⁴« mit der Zeichnur^ der näheren Erläuterung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Plasmakano- ^J"> ne zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren.

In einem evakuierten Gefäß, von dem in Fig. 1 nur ein Teil der Wand I dargestellt ist. sind mehrere Substrate 2 angeordnet, auf denen die Schicht des ""' amorphen Siliziums gebildet -vird.

Im Inneren des Gefäßes befindet sich ein Behälter 3, in dem Silizium 4 enthalten ist. Dieses wird in dem Behälter erv/ärmt und dadurch verdampft, beispielsweise durch eine Widerstandsheizung oder — wie in F i g. 1 angedeutet — durch Elektronenbeschuß. Der entstehende Siliziumdampf trifft auf das Substrat 2 auf und wirt dort niedergeschlagen.

Weiterhin ist im Innern des Behälters eine Plasmakanone 5 angeordnet, mittels welcher ein Strahl aus atomarem Wasserstoff, atomarem Sauerstoff oder atomarem fluor auf das Substrat 2 gelenkt wird, so daß diese Gasatome in die Ablagerungsschicht des Siliziums eintreten und dort freie Bindungen absättigen können.

Verdampfung und Betrieb der Plasmakanone können gleichzeitig erfolgen, für bestimmte Anwendungsfälle kann es günstig sein, diese alternierend zu betreiben, so daß auf dem Substrat ein Sch'chtaufbau entsteht, der die Ausbildung unterschiedlicher Bandstrukturen in der niedergeschlagenen Schicht ermöglicht

In der Plasmakanone 5 werden die atomaren Beschußgase in einer Bogenentladung mit relativ niedrigem Ionisationsgrad (z.B. 10%) erzeugt, die Beschleunigung der atomaren Beschußgase erfolgt dabei thermisch, elektrisch oder elektromagnetisch durch die Bogenentladung selbst

In Fig.2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiei einer Plasmakanone dargestellt, welche zur Erzeugung eines atomaren Beschußgases und gegebenenfalls einer Dotierungskomponente besonders gut geeignet ist

In einem allseits abgeschlossenen Raum 11 mit isolierenden Wänden 12 befindet sich auf einer Seite eine in der Zeichnung nicht vollständig dargestellte metallische Kathode 13 sowie auf der gegenüberliegenden Seite eine ebenfalls metallische Hilfsanode 14. Diese weist eine sie durchsetzende Gaszufuhr 15 auf, die mit einer Zufuhrleitung 16 in Verbindung steht In der Seitenwand des Raumes 11 befindet sich am kathodenseitigen Ende der Brep.nstrrcke zwischen Kathode und Hilfsanode eine Öffnung 17, die mit einem senkrecht zur Brennstrecke verlaufenden Kanal 8 in Verbindung steht. Die Wände 19 des Kanals 8 bestehen ebenfalls aus elektrisch isolierendem Material und sind von einer wendeiförmigen Kühlschlange 20 umgeben, durch die c-m Kühlmittel geleitet werden kann, welches die Wände 19 kühlt.

In das Innere des Kanals 8 mündet eine Gaszufuhr 21 ein.

In einem weiteren abgeschlossenen Raum 22 mit Wänden 23 aus elektrisch isolierendem Material ist eine Anode 24 mit einem zentralen Zuführkanal 25 angeordnet In der Verlängerung des Zuführkanals 25 befindet sich in der Stirnwand des Raumes 22 eine Öffnung 26, welche den zwischen Anode 24 und Wand 23 angeordneten Anodenraum 27 mit der Umgebung verbindet.

Im Betrieb werden sowohl der Raum 11 mit Kathode und Hilfsanode und dem daran anschließenden Kanal als auch der Raum 22 mit der Anode in ein evakuiertes Gefäß ."ebracht. Die Zufuhrleitung 16, die Gaszufuhr 21 und der Zuführkanal 25 werden in aus der Zeichnung nicht ersichtlicher Weise mit entsprechenden Gasquellen verbunden, vorzugsweise mit derselben Gasquelle. Außerdem werden die Elektroden mit geeigneten Spannungsquellen verbunden; dies ist in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellt.

Beim Anlegen einer Spannung entsteht zwischen der Kathode 13 einerseits und der Anode 24 andererseits eine Bogenentladung, wobei als Träger der Bogenentladung im Raum vor oer Kathode ein aufgrund der Kathodenerosion gebildetes Metallplasma sowie das durch die Zufuhrleitung 16 zugeführte Gas dienen. In dem rohrlörmigen Kanal 8 gelten im kathodenseitigen Einlaßbereich ähnliche Verhältnisse. Durch die Kühlung der Wand 19 kondensiert das mit dieser gekühlten Fläche in Berührung kommende Metallplasma an der Innenwand des Kanals 8. so daß durch diese Kondensation die Teilchendichte im Kanal 8 kontinuierlich abnimmt. Dies wird durch die Zufuhr von Gas durch die Gaszufuhr 21 ausgeglichen, so daß im kathodenfernen Ende des rohrförmigen Kanals 8 die Entladung ausschließlich von dem über die Gaszuführung 21 eingeleiteten Gas getragen wird.

Durch die Entladm» wird in dem über den Zuführkanal 25 in den Anodenraum eingeleiteten Betriebsgas sowohl eine Ionisierung als auch eine

Dissoziation von Molekülen eintreten, so dall ein Plasma entsieht, das im folgenden als BcschuBplasma bezeichnet wird. Dieses Bcschußplasma bildet einen durch die öffnung 26 austretenden Beschußplasmastrahl aus, der sich in Richtung des Pfeiles A ausbreitet, !n diesem Beschußplasmastrahl sind Ionen enthalten, die durch das Entladungsfeld beschleunigt worden sind. Durch Umladungscffckte und durch thermische Stöße wird diese Beschleunigung auf die anderen Teilchen in dem Beschußgas übertragen, so daß insgesamt die Teilchen in dem Beschußplasmastrahl die gewünschte kinetische Energieverteilung erhalten. Beispielsweise wurden im Fall einer mit molekularem Wasserstoff betriebenen Plasmakanone mittlere kinetische Energien in der Größenordnung von 20 eV gemessen. Die Dissoziation und die teilweise erfolgende Ionisation des Beschußgases finden im wesentlichen im Anodenraum und im Bereich der öffnung 26 statt.

Durch den relativ hohen lonisationsgrad wird ein großer Teil des Beschußgases beschleunigt, so daß die Ausbeute des Beschußplasmastrahles groß ist, die Belastung des Vakuums durch nicht beschleunigtes Gas bleibt jedoch gering.

Die relative Anordnung ries Kathodenraums mit dem rohrförmigen Kanals zu dem Anodenraum ist derart getroffen, daß das aus dem rohrförmigen Kanal 8 austretende Gas im wesentlichen senkrecht auf den Beschußp|j:;mastrahl trifft. Diese Maßnahme erhöht die Reinheit des Beschußplasmas. denn selbst wenn sich in dem durch den Kanal strömenden Verbindungsplasma noch Metallplasmateilchen aus der Kathode befinden soNten, fliegen diese senkrecht durch den Beschußplas-"iastrahl hindurch und gelangen somit nicht auf das zu behandelnde Substrat, welches stromabwärts in den Beschußplasmastrahl gebracht wird.

Man erhält somit eine zweifache Sicherung gegen die Verunreinigung des Beschußplasmas, und zwar einmal durch das Niederschlagen des Metallplasmas an den gekühlten Wänden des Kanals und zum anderen durch die senkrechte Einleitung des Verbindungsplasmas in dem Beschußplasmastrahl.

Als Betriebsgas lassen sich verschiedene Gase verwenden, günstig ist beispielsweise die Verwendung von Wasserstoff. Fluor, Sauerstoff oder von Dotierungsgasen wie Phosphin oder Diboran. Die elektrisch isolierenden Wände der Räume 11 und 12 sowie des Kanals 8 bestehen vorzugsweise aus Keramik, insbesondere aus Aluminium-Oxid-Keramik.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Plasmakanone mit einer Kathode und einer Anode, der eine Zufuhr für das Betriebsgas eines Beschußplasmastrahls in den Anodenbereich zugeordnet ist. wobei die Kathode seitlich vom Beschußplasmastrahl angeordnet ist, bei welcher das Verbindungsplasma zwischen Kathode und Beschußplasmastrahl durch einen Kanal geführt wird, in dessen Bereich mindestens eine gekühlte Fläche vorgesehen ist, an welcher Kathodenmaterial aus dem Verbindungsplasma niedergeschlagen wird, und wobei dem Kanal eine Gaszufuhr zugeordnet ist, durch welche zur Aufrechterhaltung einer im wesentlichen konstanten Teilchendichte im Verbindungsplasma Gas als Ersatz des niedergeschlagenen Kathodenmaterials zuführbar ist, zur Erzeugung der atomaren Beschußatome für die Herstellung von Schichten aus amorphem Silizium, bei welcher man Silizium im Vakuum verdampft und auf einem Substrat niederschlägt und bei welcher man das · Substrat rost dsm Silizium-Niederschlag mit atomarem Wasserstoff, Fluor oder Sauerstoff beschießt.

2. Verwendung einer Plasmakanone nach Anspruch 1 bei einem Verfahren, bei welchem man auf dem Substrat abwechselnd Silizium niederschlägt und atomaren Wasserstoff, Sauerstoff oder atomares Fluor auftreffen läßt.

3. Verwendung einer Plasmakanone nach Anspruch 1 oder 2 bei einem Verfahren, bei welchem man gleichzeitig mit dem Beschüß des Substrates mit dem Siliziuiiwiederschiag mit atomarem Wasserstoff, Sauerstoff oder Fluor eine Dotierung des Siliziumniederschlages mit rfor, Phosphor oder Indium vornimmt, welches in atomarer Form durch J5 die Bogenentladung auf das Jubstrat mit dem Siliziumniederschlag gelenkt wird.

4. Verwendung einer Plasmakanone nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 bei einem Verfahren, bei welchem man der Bogenentladung Gase zuführt, die w sowohl die Dotierungsatome als auch die Beschußatome enthalten, z. B. Diboran oder Phosphin.