DE3310797A1

DE3310797A1 - Glimmentladungs-abscheidungseinrichtung

Info

Publication number: DE3310797A1
Application number: DE19833310797
Authority: DE
Inventors: David Attilio 48054 Pontiac Mich. Gattuso; Prem 48063 Rochester Mich. Nath
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 1982-03-29
Filing date: 1983-03-24
Publication date: 1983-09-29
Also published as: NL8301062A; AU1264183A; FR2524199A1; JPH0468390B2; IT1160835B; US4423701A; AU563805B2; CA1191975A; GB2118212A; GB8308249D0; IT8320280A0; GB2118212B; JPS58174570A

Description

Patentanwälte ···· ^: "-

Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Müller g

DipL-Chem. Dr. Gerhard Sdiupfner DIpL-Ing. Hane-Peter Gauger LncHe-erahn-Str. 3B - D 8000 München 80

Energy Conversion Devices, Ine 1675 West Maple Road

Troy, Michigan 48084 (U.S.A.)

GLIMMENTLADUNHS-ABSCUE IDUNGSF INRICHTUNG

Glimmentladungs-Abseheidungseinrichtung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Einrichtung
zur Erzeugung amorpher Schichten durch einen Glimmentladungs-Abscheidungsvorgang, insbesondere auf eine nichthorizontal angeordnete Katode in der Abscheidungskammer einer
Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung zur Abscheidung
amorpher Halbleiterschichten auf einem Substrat.

Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtungen zur Herstellung amorpher Halbleiter-Bauelemente, deren elektronische Eigenschaften denen von kristallinen Halbleitern im wesentlichen gleichwertig sind. Dabei wird die normalerweise horizontal angeordnete Katode
der Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung in eine nichthorizo.ntale Ebene verbracht, um den Abscheidungs-Wirkungsgrad zu erhöhen. Das Substrat, auf dem das amorphe Material
abzuscheiden ist, wird in die Abscheidungskammer im wesentlichen parallel zu der Ebene der Katode eingeführt, so daß
zwischen Katode und Substrat eine gleichmäßige Plasmazone
erzeugt wird. Durch Halterung eines Rands der Katode in der nichthorizontalen Ebene kann zu beiden Seiten der Katode
jeweils ein Substrat eingeführt werden, so daß zum gleichzeitigen Abscheiden von Schichten auf dem Substratpaar zwei entgegengesetzte Plasmazonen erzeugt werden.

Es wurden bereits erhebliche Anstrengungen unternommen,
Verfahren zur Abscheidung relativ großflächiger amorpher
.Halbleiterlegierungsschichten zu entwickeln, wobei die

Schichten in einfacher Weise mit p- und n-Leitfähigkeits-Do*· tierstoffen dotierbar sind, so daß daraus pn-Übergangs-Bau-* elemente herstellbar sind, die denjenigen gleichwertig sind, die aus den kristallinen Gegenstücken hergestellt sind. Über viele Jahre waren diese Arbeiten im wesentlichen unproduktiv. Es wurde gefunden, daß amorphe Silizium- oder Germa-* nium-Filme (solche der Gruppe IV des Periodensystems) Mikroleerstellen und freie Bindungen sowie andere Defekte aufweisen, die im Energieband eine hohe Dichte lokalisierter Zustände erzeugen. Die Anwesenheit einer hohen Dichte lokaler Zustände im Energieband amorpher Silizium-Halbleiterschichten resultiert in einer geringen Fotoleitfähigkeit und einer kurzen Trägerlebensdauer, so daß diese Schichten für Lichtempfangs-Anwendungszwecke ungeeignet sind. Ferner können solche Filme nicht in erfolgreicher Weise dotiert oder anderweitig dahingehend modifiziert werden, daß das Fermi-Niveau nahe an die Leitungs- oder Valenzbandes verschoben wird; dadurch sind sie ungeeignet zur Herstellung von pn-Übergängen für Solarzellen und für Stromregel-Bauelemente.

Bei dem Versuch der Minimierung der vorgenannten Probleme, die bei amorphem Silizium auftreten, wurden von W.E. Spear und P.G. Le Comber vom Carnegie Laboratory of Physics, University of Dundee, Schottland, Arbeiten im Hinblick auf eine substitutioneile Dotierung von amorphem Silizium durchgeführt ("Substitutional Doping of Amorphous Silicon", veröffentl. in Solid State Communications, Bd. 17, 1193-1196, 1975), und zwar zum Zweck der Verringerung der örtlichen Zustände im Bandabstand in amorphem Silizium oder Germanium, so daß dieses besser an eigenleitendes kristall!-

nes Silizium oder Germanium angenähert werden würde, und zur substitutioneilen Dotierung des amorphen Materials mit geeigneten klassischen Dotierstoffen, wie bei der Dotierung von kristallinen Materialien, um diese nichteigenleitend und p- oder η-leitend zu machen. Die Verringerung der örtlichen Zustände wurde durch Glimmentladungs-Abscheidung von amorphen Siliziumfilmen erreicht, wobei ein Silangas (SiH.) durch ein Reaktionsrohr geschickt wurde, in dem das Gas durch eine HF-Glimmentladung zersetzt und auf dem Substrat bei einer Substrattemperatur von ca. 500-600 K (227-327 ⁰C) abgeschieden wurde. Das so auf dem Substrat abgeschiedene Material war ein eigenleitendes amorphes Material, bestehend aus Silizium und Wasserstoff. Zur Erzeugung eines dotierten amorphen Materials wurde ein Phosphingas (PH_) für die n-Leitfähigkeit oder ein Diborangas (B^H,) für die p-Leitfähigkeit mit dem Silangas vorgemischt und durch das Glimmentladungs-Reaktionsrohr unter den gleichen Betriebsbedingungen geschickt. Die Gaskonzentration der eingesetzten Dotierstoffe lag zwischen ca. 5 χ 10 und

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10 Volumenteilen. Das so abgeschiedene Material enthielt vermutlich substitutioneilen Phosphor- oder Bor-Dotierstoff und war nichteigenleitend und n- oder p-leitend.

Verbesserte amorphe Siliziumlegierungen mit wesentlich verminderten Konzentrationen örtlicher Zustände in ihren Bandabständen und mit elektronischen Eigenschaften hoher Güte wurden mit einer Glimmentladungs-Zersetzungseinrichtung (vgl. die US-PS 4 226 898) hergestellt. Die dort angegebene Einrichtung ist zur Einführung amorpher schichtbildender Materialien in eine Vakuumkammer ausgebildet, in der zwischen einer horizontal angeordneten Katode und einer Elek-

trode eine Plasmazone erzeugt wird zur Abscheidung einer amorphen Schicht auf ein im wesentlichen horizontal angeordnetes Substrat. Da die eine Katodenfläche an einem Stützorgan gesichert und durch dieses verfestigt ist, kann zur Erzeugung einer Plasmazone nur eine Katodenfläche eingesetzt werden. Somit wird nur eine Hälfte (eine Fläche) der potentiellen Oberfläche (zwei Flächen) der Katode genutzt. Dadurch wird die Anzahl Substrate, auf die gleichzeitig amorphe Schichten abgeschieden werden können, auf eins begrenzt.

Da sowohl die Katode als auch das Substrat in einer im wesentlichen horizontalen Ebene angeordnet sind, fällt bei der Abscheidung entstehender Staub (kurz: Abscheidungsstaub) auf das Substrat. Dies ist offensichtlich unerwünscht wegen der nachteiligen Auswirkung auf die elektronischen schäften des Substrats und die darauf abgeschiedenen phen Schichten. Auf die Katode fallender Abscheidungsstaub maskiert einen Teil der Katodenoberfläche, wodurch die verfügbare Plasmaerzeugungsfläche der Katode verringert wird.

Je weniger Staub auf die Katode fällt, desto seltener ist es erforderlich, die Katode zu Reinigungszwecken von ihrer Halterung zu demontieren. Wenn die Katode aus der Horizontalen herausbewegt wird, nimmt die darauf angesammelte Staubmenge auf einen optimalen Wert ab, wenn die Katode in einer im wesentlichen vertikalen Ebene angeordnet wird. Daher erfordert eine nichthorizontal angeordnete Katode einen geringeren Zeitaufwand für Demontage, Reinigung und Wiedereinsetzen.

Ferner hängt die Dicke der auf dem Substrat abgeschiedenen Legierungsschicht teilweise von dem Abstand zwischen Katode und Substrat ab. Der Abstand zwischen Katode und Substrat ist zwar nicht kritisch, optimale Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn dieser Abstand ca. 2,54 cm beträgt. Jedesmal, wenn die Katode demontiert und wieder eingebaut wird, kann sich der Abstand zwischen Katode und Substrat geringfügig ändern und nicht den optimalen Wert von 2,54 cm haben, wodurch Legierungsschi.chten ungleichmäßiger Dicke erzeugt werden.

^Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtungen werden ferner in großvolumigen Abscheidungssystemen eingesetzt, in denen Mehrfachschichten amorpher Siliziumlegierungen auf eine lange fortlaufende Substratbahn abgeschieden werden, indem die Bahn kontinuierlich durch eine Folge von Abscheidungskammern transportiert wird= Da bei diesem großvolumigen System die gleiche Art von Glimmentladungs-Abscheidungskomponenten eingesetzt wird, um die Plasmazone zu erzeugen, ist das System mit den gleichen unerwünschten Charakteristiken behaftet, wie sie für die Einrichtung mit nur einer Abscheidungskammer vorstehend erörtert wurden.

Aufgabe der Erfindung ist somit die Bereitstellung einer verbesserten Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung mit einer einzigen Abscheidungskammer, wobei die Katode in einer nichthorizontalen Ebene gehaltert ist, um dadurch die darauf abgelagerte Staubmenge zu vermindern und dementsprechend die Lebensdauer der Katode zu verlängern; dabei soll die Katode an einem Rand gehaltert sein, so daß angrenzend an jede ihrer ebenen Flächen eine Plasmazone erzeugt wird, wodurch

gleichzeitig auf zwei Substrate eine Legierungsschicht abgeschieden werden kann. Ferner ist es Aufgabe der vorlie*- genden Erfindung, eine verbesserte Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung zu schaffen, die eine Mehrzahl Abschei^ dungskammern aufweist, so daß aufeinanderfolgende Legierungsschichten auf einem Substrat abgeschieden werden, wobei die Katoden in jeder Abscheidungskammer in nichthorizontalen Ebenen gehaltert sind, um die darauf abgelagerte Staubmenge zu verringern und damit ihre Lebensdauer zu verlängern; dabei ist die Katode in jeder Abscheidungskammer an einem Rand gehaltert, so daß angrenzend an jede ihrer ebenen Flächen eine Plasmazone erzeugbar ist, wodurch Legierungsschichten gleichzeitig auf zwei Substrate abgeschieden werden können. Dabei soll sowohl in der Einrichtung mit nur einer Abscheidungskammer als auch in derjenigen mit einer Mehrzahl Abscheidungskammern eine Vorrichtung vorgesehen sein, um einzelne Substrate in eine Abscheidungskammer zu verbringen und/oder einzelne Substrate aus einer Abscheir dungskammer zu entfernen.

Die Erfindung richtet sich auf eine verbesserte Glimmentladungseinrichtung, wobei die Katode oder das Substrat oder beide an ihren Rändern in einer nichthorizontalen Ebene gehaltert sind, um die Lebensdauer sowie den Gesamtwirkun9^s^ grad der Einrichtung zu verbessern. Durch die neue nichthorizontale Anordnung und die Randhalterung wird nicht nur die für die Plasmaerzeugung verfügbare Katodenoberfläche vergrößert und die Lebensdauer der Einrichtung verlängert, sondern die Einrichtung ist außerdem mit zwei Substraten zu verwenden.

Durch die Erfindung sollen Glimmentladungseinrichtungen verbessert werden, in denen auf einem Substrat eine amorphe Schicht abgeschieden wird. Gemäß einer Ausführungsform .umfaßt die Einrichtung ein Gehäuse, in dem ein Unterdruck erzeugbar ist, eine im wesentlichen ebene Katode, die von einem HF-Stromerzeuger gespeist wird, ein Substrat zur Erzeugung einer Plasmazone im Gehäuse, schichtbildendes Material, das in das Gehäuse zwischen Substrat und Katode einbringbar ist, sowie Heizelemente zum Erwärmen des Substrats. Die Einrichtung enthält eine Halterung zum Haltern der Katode und des Substrats in einer nichthorizontalen Ebene. Insbesondere umfaßt die im wesentlichen ebene Katode zwei entgegengesetzt gerichtete, im wesentlichen ebene Flächen, die lösbar in einer elektrisch isolierten Basis in einer -im wesentlichen vertikalen Ebene gehaltert sind. Da die Katode an ihrem Rand in einer im wesentlichen vertikalen Ebene gehaltert ist, kann die Oberfläche beider Katodenseiten zur Erzeugung von Plasmazonen genutzt werden. Bei Verwendung einer vertikal angeordneten Katode wird ferner im wesentlichen vermieden, daß Abscheidungsstaub, der in der Plasmazone erzeugt wird, sich auf der Katode absetzt und deren Wirkungsgrad verringert. Ebenso kann eine Ansammlung von Abscheidungsstaub auf den Substraten sowie eine dadurch resultierende Beeinträchtigung der elektronischen Eigenschaften abgeschiedener amorpher Schichten im Fall von vertikal angeordneten Substraten nicht erfolgen.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung eine Mehrzahl aneinandergrenzender, funktionsmäßig verbundener Abscheidungskammern zur aufeinanderfolgenden Abscheidung

amorpher Schichten auf einem Substrat auf. Jede Abschei-*· dungskainmer enthält dabei eine Katode mit entgegengesetzten ebenen Flächen, einen HF-Stromerzeuger, wenigstens ein Substrat, das entweder aus einer fortläufenden Bahn oder aus einer Mehrzahl von Einzelplatten besteht, schichterzeugende Materialien sowie Heizelemente zur Erzeugung einer Plasma« zone zwischen der Katode und jedem der Substrate, von denen wenigstens eines vorhanden ist. Dabei wird erstens eine Halterung für den Katodenrand verwendet, so daß die Katode in einer nichthorizontalen Ebene gehaltert ist; zweitens wird eine Vorrichtung zur automatischen Einführung der einzelnen Substratplatten in jede Abscheidungskammer und Ausstoßen der Substratplatten aus jeder Kammer verwendet; und drittens wird gleichzeitig zu beiden Seiten der Katode eine Plasmazone erzeugt, indem an jeder Katodenfläche ein Substrat eingesetzt wird.

Die Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung nach der Erfindung zur Abscheidung einer amorphen Schicht auf einem Substrat, mit einem Gehäuse, mit einer durch das Gehäuse gebildeten Vakuumkammer, und mit Einheiten zur Erzeugung einer Plasmazone in der Vakuumkammer, die umfassen: eine Katode, wenigstens ein erstes Substrat, Mittel zum Einleiten eines eine amorphe Schicht bildenden Materials in die Plasmazone, ein eine amorphe Schicht bildendes Material und Mittel zum Erwärmen des Substrats, ist gekennzeichnet durch, eine Vorrichtung zur Halterung der Katode in einer nichthorizontalen Ebene im Gehäuse zur Minimierung der an der Katode angesammelten Abscheidungsstaubmenge.

Die Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Abscheidung e:j.ner

Mehrzahl amorpher Stapel-Schichten auf einem Substrat, mit einer Mehrzahl aneinandergrenzender, funktionsmäßig verbundener Abscheidungskammern, und mit Mitteln in jeder Kammer zur Erzeugung einer Plasmazone in jeder Abscheidungskammer, wobei diese Mittel jeweils umfassen: wenigstens eine Katode, wenigstens ein erstes Substrat, Mittel zur Einleitung eines eine amorphe Schicht bildenden Materials in die Plasmazone, ein eine amorphe Schicht bildendes Material, Mittel zum Erwärmen des Substrats, und Mittel zur Regelung des Stroms des schichtbildenden Materials zwischen den Abscheidungskammern, ist gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Halterung wenigstens einer Katode in einer nichthorizontalen Ebene inn den Kammern, durch Führungen zur Halterung des wenigstens einen Substrats in einer zur Ebene der Katode parallelen Ebene, und durch Organe zur automatischen Einführung des wenigstens einen Substrats in und Ausstoßen des wenigstens einen Substrats aus einander benachbarten Abscheidungskammern, so daß in jeder von aufeinanderfolgenden Abscheidungskammern eine amorphe Schicht auf das mindestens eine Substrat abgeschieden wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Glimmentladungs-Abscheidungskammer (z. B. die Kammer 210a von Fig. 4), wobei die nichthorizontal angeordnete Katode und die Doppelsubstratanordnung nach der Erfindung gezeigt sind;

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Fig. 2 eine perspektivische Teilexplosionsansicht der nichthorizontalen Katode, die beidseitig von parallelel Substraten und parallelen Heizeinheiten gemäß der Erfindung flankiert ist;

Fig. 3 einen Querschnitt 3-3 nach Fig. 1, wobei die Funktionsweise des schwenkbaren Substratbewegungsarms gezeigt ist, der mit der Glimmentladungseinrichtung nach der Erfindung verwendet wird; und

Fig. 4 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei schaubildlich mehrere einander benachbarte Glimmentladungs-Abscheidungskammern gezeigt sind, deren jede eine nichthorizontale Katode sowie zwei kontinuierliche Substratbahtnen, die jeweils zu beiden Seiten der Katode positioniert sind, enthält.

Fig. 1 zeigt das erste Ausführungsbeispiel der Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung 8. Diese umfaßt ein Gehäuse mit einer Innenkammer 15, die Unterdrücken von ca. 5 Torr standhalten kann. An dem Gehäuse 10 ist ein elektrisch isolierter Sockel 20 zur lösbaren Halterung einer Katode 25 in einer im wesentlichen vertikalen Ebene gesichert, wobei der untere Rand 30 der Katode 25 in einer im Querschnitt U-förmigen Aufnahme 35 gehalten ist. Ein oberer Rand 45 der Katode 25 ist in einer oberen Katodenisolierhülse 40 gehaltert, die ihrerseits an dem Gehäuse 10 über ein oberes Stützteil 50 gesichert ist.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 8 von Fig. 1 dazu bestimmt, eine amorphe Schicht auf einem im wesentlichen ebenen Substrat 60 abzuscheiden, das an seinem Unterende durch eine untere, eine Nut aufweisende und das Substrat erdende Führung 65 und an seinem Oberende in einer oberen, eine Nut aufweisenden Führung 70 gehalten ist, so daß das Substrat 60 in einer im wesentlichen vertikalen Ebene positioniert ist, die zu der Ebene der Katode 25 parallel verläuft. Gemäß der Erfindung werden die Katode und das Substrat 60 in im wesentlichen vertikalen Ebenen positioniert, um den Wirkungsgrad des Abscheidungsvorgangs zu optimieren? Katode 25 und Substrat 60 können aber auch mittels irgendeiner konventionellen Halterung in irgendeiner nichthorizontalen Ebene positioniert sein, wobei trotzdem die Abscheidungsleistung gesteigert wird gegenüber derjenigen, die erzielbar ist, wenn Katode und Substrat in im wesentlichen horzontalen Ebenen positioniert sind.

Wie bei den meisten Erzeugnissen ist die Herstellung von amorphe Schichten aufweisenden Substraten in großen Stückzahlen erwünscht. Die Produktionsleistung kann dadurch gesteigert werden, daß beide Flächen der im wesentlichen ebenen Katode 25 genutzt werden. Jede Fläche kann ihren eigenen Plasmabereich erzeugen, so daß gleichzeitig auf zwei Substrate jeweils eine amorphe Schicht abgeschieden wird. Dementsprechend ist also in das Gehäuse 10 auf der dem ersten Substrat 60 gegenüberliegenden Seite der Katode 25 ein zweites Substrat 75 eingeführt. Eine untere, eine Nut aufweisende und das Substrat erdende Führung 80 und eine obere, eine Nut aufweisende Führung 85 haltern das zweite Substrat 75 im Gehäuse 10 in einer im wesentlichen vertika-

len Ebene, die zu der Ebene der Katode 25 im wesentlichen parallel verläuft.

Eine externe Stromversorgung (nicht gezeigt) ist an einen Anschluß 55 anschließbar, der durch den Boden des Gehäuses 10 verläuft, so daß die Katode 25 mit HF-Energie versorgt wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zwar eine HF-Energieversorgung eingesetzt, es kann aber zur Erzeugung der Plasmazonen jede konventionelle Stromversorgung, z. B. eine Gleichstromversorgung, verwendet werden. Wenn der Katode 25 über den Anschluß 55 Strom zugeführt wird, wird zwischen der ebenen Oberfläche 95 der Katode 25 und der angrenzenden Oberfläche des ersten Substrats 60 eine erste Plasmazone 90 erzeugt. Eine zweite Plasmazone 100 wird gleichzeitig zwischen einer zweiten ebenen Oberfläche 105 der Katode 25 und der Oberfläche des zweiten Substrats 75 erzeugt. Die Plasmazonen 90 und 100 können entweder als gesonderte, voneinander getrennte Plasmazonen angesehen werden, weil jede der entgegengesetzt gerichteten Katoden™ flächen 95 und 105 eine deutlich ausgeprägte Plasmazone erzeugt; oder sie können als kontinuierlich betrachtet werden, weil die einzige Katode 25 beide Plasmazonen 90 und 100 erzeugt. Im vorliegenden Fall umfaßt der Ausdruck "Plasmazone" beide Definitionen. Die Katode 25, die Katoden^ flächen 95 und 105, die Stromversorgung sowie die Substrate 60 und 75 bilden zusammen eine Vorrichtung zur Erzeugung der Plasmazonen 90 und 100 in der Innenkammer 15 des Gehäuses 10.

Die Verwendung von Katoden unterschiedlicher Konfigurationen und aus verschiedenen Werkstoffen liegt ebenfalls im Rahmen

der Erfindung. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Katode 25 zwar bevorzugt aus rostfreiem Stahl; es sind jedoch auch andere Katoden einsetzbar, die aus Werkstoffen bestehen, die ebenfalls ein Potential mit einer geerdeten Elektrode erzeugen können. Die Katode 25 ist zwar ein im wesentlichen ebenes Element (mit einer Dicke von ca. 3,17 mm), und jede ihrer ebenen Flächen 95 und 105 wird zur Erzeugung der Plasmazonen 90 und 100 genutzt; es sind jedoch auch Katoden mit anderen Formen einsetzbar. Z. B. könnte zur Erzeugung von drei Plasmazonen eine als Dreiecksprisma ausgebildete Katode eingesetzt werden.

Stabförmige Widerstandsheizelemente 110 sind in dem Gehäuse 10 auf einer Seite der Ebene des ersten Substrats 60 und der Katode 25 und in einer dazu im wesentlichen parallelen Ebene angeordnet. Die von den Heizelementen 110 abgestrahlte Wärme wird auf das Substrat 60 von einer im wesentlichen ebenen wärmereflektierenden Abschirmung 115 gerichtet, die ebenfalls in einer Ebene gehaltert ist, die zur Ebene von Substrat 60 und Katode 25 im wesentlichen parallel verläuft. Wenn zwei Substanzen verwendet werden, ist ein zweiter Satz stabförmiger Widerstandselemente 120 auf der den Heizelementen 110 entgegengesetzten Seite der Katode 25 angeordnet, um das zweite Substrat 75 zu erwärmen, und eine zweite, im wesentlichen ebene wärmereflektierende Abschirmung 125 richtet die von den Heizelementen 120 abgestrahlte Wärme auf das zweite Substrat 75. Es ist offensichtlich, daß auch andere konventionelle Heizelemente zur Erwärmung der Substrate 60 und 75 eingesetzt werden könnten.

Das Gehäuse 10 weist wenigstens eine Leitung (nicht gezeigt) zur Einführung von schichtbildendem Material in die Plasma-

zonen 90 und 100 auf. Wenn die Einrichtung arbeitet und der schichtbildende Stoff in die Piasinazonen 90 und 100 des Gehäuses eingeführt wird, wird gleichzeitig auf den Substraten 60 und 75 eine amorphe Schicht abgeschieden.

Im vorliegenden Fall ist das schichtbildende Material ein Trägermedium, normalerweise Gas, das den Plasmazonen 90 und 100 elementare Bestandteile zur Auflösung in abscheidbare Arten und nachfolgende Abscheidung als amorphe Schichten auf jeweils eine Oberfläche der Substrate 60 und 75 zuführt. Beispiele von eigenleitenden elementaren Bestandteilen, die zur Bildung einer amorphen Schicht eingesetzt werden, sind Siliziumtetrafluorid und Silan oder Germaniumtetrafluorid und Monogerman. Elementare Dotierstoffbestandteile sind z. B. Diboran und Phosphin. Die vorgenannten Materialien sind jedoch nur Beispiele und stellen keine Einschränkung hinsichtlich der bei der Erfindung einsetzbaren Stoffe dar.

Fig. 1 zeigt ferner zwei lange schwenkbare Substratkontaktierarme 130 und 145, die'mit einer Welle 140 drehbar siqd. Der Arm 130 wird selektiv von einer normalen Ausgangs-Hebelage nach unten in eine untere Substratkontaktier- oder Arbeitslage geschwenkt, in der er an der Kante des Substrats 60 anliegt und dieses, das in der mit einer Nut ausgebildet ten unteren Führung 65 und der mit einer Nut ausgebildeten oberen Führung 70 verschiebbar gehalten ist, aus der Plasma*' zone 90 des Gehäuses 10 schiebt. Eine weitere Schwenkbewegung des Arms 130 mit der Welle 140 beendet den Ausstoßvorgang des Substrats 60 aus dem Gehäuse 10. Der Arm 130 kehrt dann in seine Ausgangslage zurück, in der er bereit ist, an

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dem Rand eines neuen Substrats anzugreifen, um dieses in die Plasmazone 90 des Gehäuses 10 einzuführen. Gleichermaßen ist der Arm 145, der auf der dem Arm 130 gegenüberliegenden Seite der Katode 25 angeordnet ist, mit der Welle 140 schwenkbar in Anlage am Rand 150 des zweiten Substrats 75, um dieses, das in der eine Nut aufweisenden unteren Führung 80 und der eine Nut aufweisenden oberen Führung 85 verschiebbar gehalten ist, aus dem Gehäuse 10 auszustoßen. Die weitere Schwenkbewegung des Arms 145 beendet das Ausstoßen des Substrats 75, wonach der Arm 145 in seine Ausgangslage zurückkehrt, in der er bereit ist, am Rand eines neuen Substrats anzugreifen, um dieses in die Plasmazone 100 einzuführen. Die Arme 130 und 145, die Welle 140, die oberen Führungen 70 und 85, die unteren Führungen 65 und 80 sowie ein Antriebsmotor (nicht gezeigt) zum Drehen der Welle 140 bewirken gemeinsam eine zyklische Einführung bzw. ein Ausstoßen der Substrate 60 und 75 in die und aus den Plasmazonen 90 bzw. 100. Auf diese Weise kann während jedes Abscheidungszyklus ein neues Substrat durch die Plasmazonen 90 und 100 bewegt werden. Selbstverständlich sind auch andere Mittel zum Verschieben der Substrate durch die Plasmazonen anwendbar.

Fig. 3 verdeutlicht im einzelnen, wie der Arm 145 funktioniert, um das Substrat 75 aus dem Gehäuse 10 zu entfernen. Fig. 3 zeigt ferner die im wesentlichen horizontale unwirksame Ausgangs-Hebelage des Arms 145 (vgl. die Strichlinien 155). Durch Verschwenken des Arms 145 im Gegenuhrzeigersinn wird das Substrat 75 in den Nuten aufweisenden Führungen verschoben. Wenn der Arm 145 im Gegenuhrzeigersinn um 180° verschwenkt wurde, ist die Ausstoßung des Substrats 75

beendet, und der Arm 145 wird um 180° im Uhrzeigersinn geschwenkt, so daß er in seine Ausgangslage 155 zurückkehrt. Dies ist ein voller Arbeitszyklus.

Die Perspektivansicht der Untereinheit von Fig. 2 zeigt die räumliche Beziehung zwischen der mittig angeordneten Katode 25, den Substraten 60 und 75, den Plasmazonen 90 und 100, den Heizelementen 110 und 120 sowie den wärmereflektierenden Abschirmungen 115 und 125. Beide Substrate 60 und 75 sind in einer Ebene gehaltert, die zur Ebene der Katode 25 im wesentlichen parallel verläuft und davon einen optimalen Abstand von ca. 2,54 cm aufweist, so daß die gleichmäßigen Plasmazonen 90 und 100 erzeugt werden können.

Da es erwünscht ist, eine gleichmäßige Wärmeverteilung über die Substrate 60 und 75 zur Ausbildung der Plasmazonen 90 und 100 vorzusehen, so daß die Abscheidung gleichförmiger amorpher Schichten auf den Substraten 60 und 75 stattfinden kann, sind die Heizelemente 110 und 120 sowie die wärmereflektierenden Abschirmungen 115 und 125 in Ebenen gehaltert, die im wesentlichen parallel zu den Ebenen der Substrate 60 und 75 verlaufen. Es ist jedoch ersichtlich, daß die winkelmäßige Anordnung der Ebenen der Heizelemente relativ zu den Substratebenen nicht kritisch ist, solange die Heizelemente eine gleichmäßige Wärmeverteilung für das Substrat vorsehen,.

Fig. 4 zeigt eine zweite bevorzugte Einrichtung 200, die sich insbesondere für die Herstellung von amorphen Mehrschicht-Sperrschicht-Fotoelementen in hohen Stückzahlen eignet. Die Multikammer-Glimmentladungseinrichtung 200 kann eine Mehrzahl von amorphen Stapel-Schichten auf einer

fortlaufenden Bahn von Substratmaterial 205 herstellen. Die fortlaufende Substratbahn 205 verläuft dabei durch eine Mehrzahl von speziellen Abscheidungskammern 210a-i zur Abscheidung aufeinanderfolgender Schichten von amorphem Material. Die Abscheidungskammern 210a-i sind zwar bevorzugt längs einer im wesentlichen horizontalen Achse angeordnet, sie können jedoch auch längs einer im wesentlichen vertikalen Achse oder etagenweise angeordnet sein.

Auf der fortlaufenden Substratbahn 205 sind aufeinanderfolgende amorphe Halbleiterschichten abscheidbar, wärend die Bahn die Abscheidungskammern 210a-i durchläuft. Am Zufuhrende der Kammern sorgt eine drehbare Abgaberolle 220 für den Vorschub der Vorderkante der Substratbahn 205 von einer Umlenkrolle 225 in die erste Abscheidungskammer 210a. Am Aufwickelende der Kammern nimmt eine drehbare Aufwickelrolle 230 die Substratbahn 205 von einer Umlenkrolle 235 auf, nachdem der Abscheidungsprozeß beendet ist. Die Substratbahn 205, die Abgaberolle 220, die Aufwickelrolle 230, die Umlenkrollen 225 und 235 sowie einer oder mehrere Antriebsmotoren (nicht gezeigt) bilden in Kombination erstens eine selektiv betätigbare Vorrichtung zum Bewegen der Substratbahn 205 durch jede Abscheidungskammer 210a-i und zweitens wenigstens einen Teil der Vorrichtung zur Halterung der Substratbahn 205 in einer im wesentlichen vertikalen Ebene, während sie die in den Abscheidungskammern 210a-i erzeugten Plasmazonen durchläuft.

Die Einrichtung 200 eignet sich zur gleichzeitigen Abscheidung amorpher Schichten auf einer zweiten Substratbahn 245, die auf der Seite der Katode 270 verläuft, die der Seite

gegenüberliegt, auf der die erste Substratbahn 205 verläuft, Zu diesem Zweck ist die zweite Substratbahn 245, die auf eine Vorratsrolle 250 aufgewickelt ist, über eine Umlenkrol-t-Ie 255 geführt, so daß sie jede Abscheidungskammer 210a-i durchläuft, und ist dann um eine Umlenkrolle 260 geführt und wird auf einer Aufwickelrolle 257 aufgenommen. Auf diese Weise wird auf entgegengesetzten Flächen einer einzigen Katode 270 gleichzeitig eine erste Plasmazone 258 zwischen der einen Fläche und der ersten Substratbahn 205 und eine zweite Plasmazone 259 zwischen der zweiten Fläche und der zweiten Substratbahn 245 erzeugt.

Es ist ersichtlich, daß die Mehrzahl von Abscheidungskammern 210a-i der Einrichtung 200 von Fig. 4 alternativ auch nacheinander amorphe Schichten auf mehrere einzelne Substratplatten, z. B. die Substratplatten 60 und 75 von Fig_t 2, abscheiden kann anstatt auf die fortlaufenden Substratbahnen 205 und 245. Die in Fig. 1 gezeigten schwenkbaren Arme 130 und 140 sind leicht so auszubilden, daß sie solche einzelnen Substratplatten aus einer Abscheidungskammer, z. B. 210a, in eine benachbarte Abscheidungskammer, z. B_T 210b, verschieben.

Es ist wesentlich, daß die abgeschiedenen amorphen Schichten hohe Reinheit aufweisen, damit Halbleiter-Bauelemente mit den erforderlichen elektrischen Eigenschaften herstellbar sind. Wenn die schichtbildenden Materialien, die in eine der Dotierstoff-Abscheidungskammern 210a-i eingeleitet werden, in eine benachbarte Abscheidungskammer gelangen könnten, wurden die schichtbildenden Materialien in den benachbarten Abscheidungskammern verunreinigt werden, so daß der Halblei-

ter unwirksam werden würde. Infolgedessen ist am Eintrittsund am Austrittsende der Abscheidungskammern 210a-i eine Gasschleuse 280 ausgebildet (jedoch nur für die Abscheidungskammern 210a und 21Oi gezeigt). Die Gasschleusen 280 umfassen einen relativ engen Durchlaß, der mit einem Vakuumpumpensystem zusammenwirkt zur Ausbildung eines Ein-Richtungs-Stroms von schichtbildenden Materialien durch den Durchlaß. Durch diesen Durchlaß bewegt sich auch die Substratbahn 205. Wenn zwei Substratbahnen 205 und 245 gleichzeitig verwendet werden, weisen die Gasschleusen 280 selbstverständlich zwei Durchlässe, und zwar je einen auf beiden Seiten der Katode 270, auf. Eine vollständige Beschreibung der Gasschleusen 280 erscheint zwar nicht erforderlich, da sie dem Fachmann wohlbekannt sind; der Klarheit halber ist jedoch zu beachten, daß diejenigen Abscheidungskammern mit schichtbildendem Material, das nicht verunreinigt werden kann, auf einem höheren Innendruck als benachbarte Kammern gehalten sind. Die Druckdifferenz zwischen benachbarten Kammern sorgt für den Ein-Richtungs-Strom des schichtbildenden Materials in die erwünschte Richtung.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß, da die Ebene des Substrats aus der Horizontalen in die Vertikale verlegt ist, sich weniger Abscheidungsstaub auf dem Substrat ansammeln und die elektronischen Eigenschaften der amorphen Schichten nachteilig beeinflussen kann. Die Lebensdauer der Katode wird ebenfalls verlängert, da der bei der Abscheidung entstehende Staub nicht zu einer Maskierung von Teilen der Katodenoberfläche, die die Plasmazone erzeugt, führt. Ferner sind die Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtungen nach der Erfindung durch ihre einfache Funktionsweise, ihre Wirtschaftlichkeit, Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit gekennzeichnet.

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Claims

Patent a _n_s_p_ _r __ü_c__h_e

1'. Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung zur Abscheidung einer amorphen Schicht auf einem Substrat, mit einem Gehäuse;

einer durch das Gehäuse gebildeten Vakuumkammer; und Einheiten zur Erzeugung einer Plasmazone in der Vakuumkammer, die umfassen:

eine Katode, wenigstens ein erstes Substrat, Mittel zum Einleiten eines eine amorphe Schicht bildenden Materials in die Plasmazone, ein eine amorphe Schicht bildendes Material und Mittel zum Erwärmen des Substrats; gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (20) zur Halterung der Katode in einer nichthorizontalen Ebene im Gehäuse (10) zur Minimierung der an der Katode (25; 270) angesammelten Abscheidungsstaubmenge.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung zur Halterung der Katode eine elektrisch isolierte Basis (20) zur lösbaren Halterung der Katode (25; 270) in einer im wesentlichen vertikalen Ebene ist und daß das Substrat (60; 205) in einer zur Ebene der Katode im wesentlichen parallelen Ebene gehaltert ist.
3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Plasmazone-Erzeugungseinheiten ferner ein zweites Substrat (75; 245) auf einer dem ersten Substrat (60; 205)

entgegengesetzten Seite der Katode (25; 270) sowie Führungen (80, 85) zur Halterung des zweiten Substrats in einer zur Ebene der Katode im wesentlichen parallelen zweiten Ebene umfassen.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Katode (25; 270) wenigstens zwei ebene Flächen (95, 105) aufweist und daß Plasmazonen (90, 100; 258, 259) zu beiden Seiten der Katode zwischen den Katodenflächen und den Substraten erzeugbar sind unter Abscheidung von amorphen Schichten auf jedem Substrat.
5. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Plasmazone-Erzeugungseinheiten ferner eine Mehrzahl einzelner Substratplatten (60, 75) umfassen.
6. Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Plasmazone-Erzeugungseinheiten Organe (130, 145) zum paarweisen Bewegen der Mehrzahl von einzelnen Substratplatten (60, 75) zu beiden Seiten der Katode (25) in zu der Ebene der Katodenflächen (95, 105) im wesentlichen parallelen Ebenen umfassen, wobei zwischen jeder Platte des Substratplattenpaars und der jeweils benachbarten Katodenfläche eine Plasmazone (90, 100) ausbildbar ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß jede der einzelnen Substratplatten (60, 75) in ej.nem

Abstand von ca. 2,54 cm von der Katode (25) gehaltert ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Heizeinheiten mindestens ein Heizelement (110, 120) aufweisen, das in einer zur Ebene der Katode im wesentlichen parallelen Ebene und auf der der Katode gegenüberliegenden Seite des Substrats (60, 75) angeordnet ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Heizeinheiten mindestens eine wärmereflektierende Abschirmung (115, 125) aufweisen, die in einer zur Ebene der Katode (25) im wesentlichen parallelen Ebene und auf der der Katode gegenüberliegenden Seite des Heizelements (11, 120) angeordnet ist, wobei die Abschirmung die wärme des Heizelements zu jedem der Substrate (60, 75) reflektiert.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch

Mittel (130, 145) zum zyklischen Ausstoßen des wenigstens einen Substrats (60, 75) aus der Plasmazone (90, 100).
11. Einrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Mittel wenigstens einen schwenkbaren Arm (130, 145) umfassen, der an einem Rand des Substrats (60, 75) angreift und das Substrat durch Verschwenken des Arms aus der Plasmazone (90, 100) ausstößt.
12. Glimmentladungs-Abscheidungseinrichtung zur Abscheidung einer Mehrzahl amorpher Stapel-Schichten auf einem Substrat, mit

einer Mehrzahl aneinandergrenzender, funktionsmäßig verbundener Abscheidungskammern; und

Mitteln in jeder Kammer zur Erzeugung einer Plasmazone in jeder Abscheidungskammer, wobei diese Mittel jeweils um-r fassen:

wenigstens eine Katode, wenigstens ein erstes Substrat, Mittel zur Einleitung eines eine amorphe Schicht bildenden Materials in die Plasmazone, ein eine amorphe Schicht bildendes Material, Mittel zum Erwärmen des Substrats, und Mittel zur Regelung der Strömung des schichtbildenden Materials zwischen den Abscheidungskammern; gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (20) zur Halterung wenigstens einer Katode (25;270) in einer nichthorizontalen Ebene in den Kammern (210a-210i);

Führungen (65, 70, 80, 85) zur Halterung des wenigstens einen Substrats (60, 205) in einer zur Ebene der Katode parallelen Ebene; und

Organe (130, 145; 220, 230) zur automatischen Einführung des wenigstens einen Substrats in und Ausstoßen des wenigstens einen Substrats aus einander benachbarten Abscheidungskam*- mern, so daß in jeder von aufeinanderfolgenden Abscheidungskammern eine amorphe Schicht auf! das mindestens eine Substrat abgeschieden wird.
13. Einrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Katode (25; 270) in einer im wesentlichen vertikalen Ebene gehaltert ist.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Katodenhalterungsvorrichtung eine elektrisch isolierte Basis (20) umfaßt.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12-14, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Substrat durch eine Mehrzahl einzelner Substratplatten (60, 75) gebildet ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfuhr- und Ausstoßvorrichtung Elemente zum paarweisen Bewegen der Mehrzahl einzelner Platten (60, 75) jeweils zu beiden Seiten der Katode (25) und in dazu im wesentlichen parallelen Ebenen umfaßt, so daß zwischen jeder Platte des Plattenpaars und der Katode eine Plasmazone (90, .100) ausgebildet wird.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Substratplatte des Plattenpaars (60, 75) in einem Abstand von ca. 2,54 cm von der Katode (25) gehaltert ist.
18. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführ- und Ausstoßvorrichtung wenigstens einen schwenkbaren Arm (130, 145) zur Kontaktierung einer Kante der einzelnen Platten (60, 75) aufweist, so daß die Platten in die Plasmazonen (90, 100) eingeführt und aus diesen ausgestoßen werden.
19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12-15, dadurch gekennzeichnet,

daß das Substrat wenigstens eine fortlaufende Bahn (205) umfaßt, die ausreichende Länge aufweist, um durch jede Abscheidungskammer (210a-210i) zu verlaufen.
20. Einrichtung nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Plasmazonen-Erzeugungsvorrichtung zwei fortlaufende Substratbahnen (205, 245) umfaßt, wobei das zweite Substrat ebenfalls in einer zur Ebene der Katode (270) im wesentli·« chen parallelen Ebene und auf der zum ersten Substrat entgegengesetzten Seite der Katode gehaltert ist.
21. Einrichtung nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Einführ- und Ausstoßvorrichtung Elemente zum Bewegen der fortlaufenden Substratbahnen (205, 245) jeweils in zu der Ebene der Katode (270) im wesentlichen parallelen Ebenen und zu beiden Seiten der Katode (270) durch die Folge von Abscheidungskammern (210a-210i) unter Abscheidung einer Folge amorpher Schichten auf den Substraten aufweist.
22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12-21, dadurch gekennzeichnet,

daß jede Heizeinheit wenigstens ein Heizelement (110, 120) aufweist, das in einer zur Ebene des Substrats (60, 75; 205, 245) im wesentlichen parallelen Ebene und auf der der Katode (25; 270) gegenüberliegenden Seite des Substrats angeord.net ist.
23. Einrichtung nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Heizeinheit wenigstens eine wärmereflektierende Abschirmung (115, 125) aufweist, die in einer zur Ebene des wenigstens einen Substrats (60, 75; 205, 245) im wesentlichen parallelen Ebene und auf der der Katode (25; 270) gegenüberliegenden Seite des Substrats gehaltert ist zur Reflexion der Wärme des Heizelements (110, 120) auf das Substrat.