DE3314375A1

DE3314375A1 - Gasschleuse

Info

Publication number: DE3314375A1
Application number: DE19833314375
Authority: DE
Inventors: David Attilio 48054 Pontiac Mich. Gattuso; Prem Dr.-Phys. 48063 Rochester Mich. Nath
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 1982-04-29
Filing date: 1983-04-21
Publication date: 1983-11-03
Also published as: SE8302275D0; ZA832572B; FR2527384B1; FR2527384A1; DE3314375C2; KR840004831A; GB2119406A; NL8301437A; IT1173664B; BR8302060A; ES521774A0; PH19617A; IL68390A0; JPS649746B2; GB2119406B; IN158452B; IE54234B1; AU554982B2; US4462332A; MX158211A

Description

Patentanwälte Dlpl.-Ing. Hans-Jürgen Müller Dlpl.-Chem. Dr. Gerhard Schupfner Dipl.-Ing. Hans-Peter Gauger

Luclle-Grahn-Str. 38 - D 8000 München 80

Energy Conversion Devices, Ine 1675 West Maple Road

Troy, Michigan 48084 U.S.A.

GASSCHLEUSE

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Gasschleuse

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Sperrschicht-Fotoelementen auf einer Bahn eines magnetischen Trägermaterials bzw. Substrats durch Abscheiden aufeinanderfolgender amorpher Siliziumlegierungs-Halbleiterschichten in jeder von wenigstens zwei aneinandergrenzenden Abscheidungskammern. Die Zusammensetzung jeder amorphen Schicht hängt von den speziellen Reaktionsgasbestandteilen ab, die in jede Abscheidungskammer eingeleitet werden. Die in die erste Abscheidungskammer eingeleiteten Bestandteile sind sorgfäl tig kontrolliert und werden von den in die angrenzende Abscheidungskammer eingeleiteten Bestandteilen isoliert. Insbesondere sind die Abscheidungskammern funktionsmäßig miteinander über eine relativ enge Gasschleuse verbunden, durch die erstens die Sübstratbahn läuft und die zweitens die Trennung der in die erste Abscheidungskammer eingeleiteten Reaktionsgasbestandteile von den in die benachbarte Abscheidungskammer eingeleiteten Reaktionsgasbestandteilen vornimmt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ungeachtet der relativ geringen Größe des Gasdurchgangs Dotiergasbestandteile, die in die zweite Abscheidungskammer eingeleitet wurden, zurück in die angrenzende erste Abscheidungskammer entweder strömen oder diffundieren, wodurch die in der ersten Abscheidungskammer abgeschiedene Schicht verunreinigt wird. Das Wesen der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Größe des Durchlasses in der Gasschleuse zu reduzieren, um dadurch gleichzeitig das Zurückströmen oder Diffundieren von Dotiergasbestandteilen entsprechend zu

reduzieren, so daß die Verunreinigung der in der ersten Abscheidungskammer abgeschiedenen Schicht verringert wird.

Seit einiger Zeit werden erhebliche Anstrengungen unternommen zur Entwicklung von Verfahren für die Abscheidung amorpher Halbleiterlegierungen, deren -jede relativ große Flächen umfassen kann und die zur Bildung von n- und p-leitenden Materialien dotierbar sind, so daß pin-Bauelemente hergestellt werden können, die ihren kristallinen Gegenstücken im wesentlichen äquivalent sind. Während vieler Jahre waren die Arbeiten mit amorphen Silizium- oder Germaniumfilmen im wesentlichen unproduktiv aufgrund der Anwesenheit von Mikroleerstellen und freien Bindungen in diesen Filmen, wodurch eine hohe Dichte lokalisierter Zustände im Energieband erzeugt wird. Ursprünglich wurde die Reduktion der lokalisierten Zustände durch Glimmentladungs-Abscheidung amorpher Siliziumfilme erreicht, wobei Silangas (SiH.) durch ein Reaktionsrohr geschickt wird, in dem das Gas durch eine HF-Glimmentladung zersetzt und auf einem Substrat bei einer Substrattemperatur von ca. 500-600 K (227-327 ⁰C) abgeschieden wird. Das so auf dem Substrat abgeschiedene Material ist ein eigenleitendes amorphes Material, bestehend aus Silizium und Wasserstoff. Zur Erzeugung eines dotierten amorphen Materials wird zur Erzielung einer η-Leitfähigkeit Phosphingas (PH₃) bzw. zur Erzielung einer p-Leitfähigkeit Diborangas (B₃Hg) mit dem Silangas vorgemischt und unter den gleichen Be-' triebsbedingungen durch das Glimmentladungs-Reaktionsrohr geschickt. Das so abgeschiedene Material umfaßt vermutlich substitutioneile Phosphor- oder Bordotierstoffe und erweist

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sich als nichteigenleitend und von n- oder p-Leitfähigkeit. Es wurde gefunden, daß sich der Wasserstoff im Silan bei optimaler Temperatur mit vielen der freien Bindungen des Siliziums während der Glimmentladungs-Abscheidung kombiniert, wodurch die Dichte der lokalisierten Zustände im Bandabstand erheblich verringert wird, was eine stärkere Angleichung des amorphen Materials an das entsprechende kristalline Material bewirkt.

Es ist nunmehr möglich, wesentlich verbesserte amorphe Siliziumlegierungen herzustellen, die in ihren Bandabständen signifikant reduzierte Konzentrationen lokalisierter Zustände aufweisen, während gleichzeitig elektronische Eigenschaften hoher Güte durch Glimmentladung erzielt werden. Dieses Verfahren ist vollständig in der US-PS 4 226 898 angegeben, und das Aufdampfen ist vollständig in der US-PS 4 217 374 erläutert. Wie in diesen Patentschriften angegeben ist, wirkt in den amorphen Silizium-Halbleiter eingebautes Fluor dahingehend, daß die Dichte der lokalisierten Zustände in diesem erheblich reduziert und die Zugabe weiterer legierungsbildender Materialien wie Germanium erleichtert wird.

Aktiviertes Fluor diffundiert ohne weiteres in amorphes Silizium und bindet sich an dieses in einem Matrixkörper, wodurch die Dichte lokalisierter Defektzustände in diesem erheblich verringert wird, und zwar, weil die geringe Größe der Flüoratome es ermöglicht, daß sie ohne weiteres in eine amorphe Siliziummatrix eingebaut werden können. Das Fluor bindet sich an die freien Bindungen des Siliziums und bildet eine teilweise ionische stabile Bindung mit flexib-

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len Bindungswinkeln, was in einer stabileren und wirksameren Kompensation oder Änderung resultiert, als sie durch Wasserstoff oder andere Kompensations- oder Änderungsmittel gebildet werden könnte, die bisher eingesetzt wurden. Von Fluor wird angenommen, daß es ein wirksameres Kompensations- oder Änderungselement als Wasserstoff ist, wenn es entweder für sich oder zusammen mit Wasserstoff eingesetzt wird, und zwar wegen seiner außerordentlich geringen Größe, seiner hohen Reaktionsfreudigkeit, seiner Spezifität bei der chemischen Bindung sowie dadurch, daß es die höchste Elektronegativitat aufweist.

Eine Kompensation kann mit Fluor entweder für sich oder in Verbindung mit Wasserstoff bei Zugabe solcher Elemente in sehr kleinen Mengen (z. B. Bruchteilen von 1 Atom-%) erzielt werden. Die vorzugsweise eingesetzten Fluor- und Wasserstoffmengen sind jedoch viel größer als solche geringen Prozentsätze, so daß die Elemente eine Silizium-Wasserstoff-Fluor-Legierung bilden können. So können legierungsbildende Mengen an Fluor und Wasserstoff z. B. in einem Bereich von 0,1-5 % oder mehr eingesetzt werden. Die so gebildete Legierung hat eine geringere Dichte von Defektzuständen im Bandabstand, als durch die bloße Neutralisierung freier Bindungen und ähnlicher Defektzustände erreicht werden kann. Insbesondere scheint es, daß die Verwendung größerer Fluormengen wesentlich dazu beiträgt, eine neue Gefügekonfiguration eines amorphen siliziumhaltigen Materials zu bewirken, und die Zugabe weiterer legierungsbildender Materialien wie Germanium erleichtert. Zusätzlich zu den vorgenannten Eigenschaften ist Fluor ein Organisator von örtlichem Gefüge in der siliziumhaltigen

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Legierung aufgrund von induktiven und ionischen Auswirkungen. Fluor beeinflußt ferner die Bindung von Wassserstoff, indem es zu einer Verringerung der Dichte der Defektzustände, zu denen Wasserstoff normalerweise beiträgt, führt. Die ionische Rolle, die Fluor in einer solchen Legierung spielt, ist ein wesentlicher Faktor hinsichtlich der Beziehungen zwischen nächsten Nachbarn.

Der Gedanke der Verwendung von Mehrfachzellen zur Steigerung der Wirkungsgrade von Sperrschicht-Fotoelementen wurde bereits 1955 von E.D. Jackson in der US-PS 2 949 498 angesprochen. Die dort angegebenen Mehrfachzellen-Strukturen verwenden kristalline pn-Übergangs-Halbleiterelemente. Im wesentlichen richtet sich der Gedanke auf die Verwendung von Elementen mit unterschiedlichem Bandabstand, um dadurch verschiedene Teile des Sonnenspektrums in wirksamerer Weise einfangen und die Leerlaufspannung (Voc) steigern zu können. Das Tandemzellen-Bauelement weist zwei oder mehr Zellen auf, wobei das Licht seriell durch jede Zelle gerichtet wird und wobei ein Material mit großem Bandabstand von einem Material mit kleinerem Bandabstand gefolgt ist, um das durch die erste Zelle oder Schicht fallende Licht zu absorbieren. Durch praktisches Anpassen der von jeder Zelle erzeugten Ströme wird die Gesamt-Leerlaufspannung erhöht, ohne daß der Kurzschlußstrom wesentlich verringert wird.

Eine große Anzahl Veröffentlichungen über kristalline Stapelzellen sind dem Gedanken von Jackson gefolgt, und in neuerer Zeit wurden mehrere Arbeiten betreffend Si-H-Materialien in Stapelzellen veröffentlicht. Von Marfaing wurde

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die Verwendung von aus Silan abgeschiedenen amorphen Si-Ge-Legierungen in Stapelzellen vorgeschlagen, jedoch wurde über die Durchführbarkeit dieses Vorschlags nichts gesagt (Y. Marfaing, Proc. 2nd European Communities Photovoltaic Solar Energy Conf. , Berlin, S.. 287 (1979)).

Hamakawa u. a. berichteten über die Durchführbarkeit der Verwendung von Si-H in einer Konfiguration, die nachstehend als Mehrfachzelle vom Kaskadentyp bezeichnet wird. Die Kaskadenzelle wird nachstehend als Mehrfachzelle ohne Zwischentrenn- oder -isolierschicht bezeichnet. Jede Zelle bestand aus einem Si-H-Material mit demselben Bandabstand in einer pin-Übergangskonfiguration. Die Anpassung des Kurzschlußstroms (J ) wurde dadurch versucht, daß die

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Dicke der Zellen im Serienstrahlengang erhöht wurde. Wie zu erwarten war, stieg die Leerlaufspannung des Gesamtbauelements an und war der Anzahl Zellen proportional.

In einem neueren Bericht über die Erhöhung des Zellenwirkungsgrads von Mehrfach-Übergangs-Solarzellen (Stapelzellen) aus amorphem Silizium, die aus Silangas in der vorstehend angegebenen Weise abgeschieden waren, wurde berichtet, daß "sich (G)ermanium als schädliche Verunreinigung in Si:H erwiesen hat, weil es dessen J exponentiell mit steigendem Ge verringert ...". Aus den durchgeführten Arbeiten sowie den Arbeiten von Carlson, Marfaing und Hamakawa wurde der Schluß gezogen, daß Legierungen aus amorphem Silizium, Germanium und Wasserstoff "schlechte Sperrschicht-Eigenschaften aufweisen" und somit "neue Materialien für Sperrschicht-Zellen gefunden werden müssen, deren spektrale Empfindlichkeit bei ca. 1 /am liegt, um wirksame Stapelzel-

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len-Kombinationen mit einem Si:H zu erreichen" (J.J. Hanak, B. Faughnan, V. Korsun und J.P. Pellican, 14th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San Diego, Calif., 7.-10. Jan. 1980).

Aufgrund der durch den Einbau von Fluor erzielten günstigen Eigenschaften weisen amorphe Legierungen, die zur Erzeugung von Mehrfachzellen vom Kaskadentyp verwendet werden, nunmehr Fluor auf, wodurch die Dichte lokalisierter Zustände verringert wird, ohne daß die elektronischen Eigenschaften des Materials nachteilig beeinflußt werden. Weitere Bandabstand-Einstellelemente, z. B. Germanium und Kohlenstoff, können aktiviert und in Aufdampf-, Katodenzerstäubungs- oder Glimmentladungs-Verfahren zugefügt werden. Der Bandabstand wird in der erforderlichen Weise für bestimmte Anwendungszwecke des Bauelements eingestellt, indem die erforderlichen Mengen eines oder mehrerer Einstellelemente in die abgeschiedenen Legierungszellen wenigstens in den Fotostrom-Erzeugungsbereich derselben eingeführt werden. Da die Bandabstand-Einstellelemente genau kalkuliert oder zugeschnitten in die Zellen eingeführt werden, ohne daß dank des Einflusses von Fluor wesentliche schädliche Zustände hinzugefügt werden, behält die Zellenlegierung hohe elektronische Qualitäten und Fotoleitfähigkeit, wenn die Einstellelemente zugegeben werden, um die Wellenlängen-Charakteristiken des Bauelements für einen bestimmten Lichtempfindlichkeits-Anwendungszweck maßzuschneidern. Die Zugabe von· Wasserstoff entweder zusammen mit Fluor oder nach der Abscheidung kann die fluorkompensierte oder -modifizierte Legierung weiter verbessern. Der Einbau von Wasserstoff nach der Abscheidung ist vorteilhaft, wenn die

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höheren Abscheidungs-Substrattemperaturen, die durch Fluor möglich sind, angewandt werden sollen.

Es ist offensichtlich von großer Bedeutung, daß Sperrschicht-Fotoelemente in Massenfertigung herstellbar sind. Im Gegensatz zu kristallinem Silizium, das für die Herstellung von Solarzellen auf den Chargenbetrieb beschränkt ist, können amorphe Siliziumlegierungen in einer Mehrzahl Schichten über großflächigen Substraten abgeschieden werden, wobei in einer großvolumigen kontinuierlich arbeitenden Einrichtung Solarzellen hergestellt werden. Kontinuierliche Verarbeitungseinrichtungen dieser Art sind z. B. in den US-Patentanmeldungen Serial-Nr. 151 301 vom 19. Mai 1980, Nr. 244 386 vom 16. März 1981, Nr. 240 493 vom 16. März 1981, Nr. 306 146 vom 28. Sept. 1981 und Nr. 359 825 vom 19. März 1982 angegeben. Wie dort gesagt wird, kann ein Substrat kontinuierlich durch eine Folge von Abscheidungskammern bewegt werden, wobei jede Kammer zur Abscheidung eines speziellen Materials dient. Bei der Herstellung einer Solarzelle mit pin-Konfiguration dient die erste Kammer der Abscheidung einer p-leitenden amorphen Siliziumlegierung, die zweite Kammer der Abscheidung einer eigenleitenden amorphen Siliziumlegierung und die dritte Kammer der Abscheidung einer η-leitenden amorphen Siliziumlegierung. Da jede abgeschiedene Legierung und insbesondere die Eigenleiterlegierung einen hohen Reinheitsgrad haben muß, ist die Abscheidungsumgebung in der Eigenleiter-Abscheidungskammer gegenüber den Dotierbestandteilen in den anderen Kammern isoliert, um die Diffusion von Dotierbestandteilen in die Eigenleiter-Abscheidungskammer zu verhindern. In den vorgenannten Patentanmeldungen, deren

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Einrichtungen primär der Erzeugung von Sperrschicht-Fotoelementen dienen, wird die Trennung zwischen den Kammern entweder durch die Verwendung von Gasschleusen erzielt, die ein Inertgas um das Substrat leiten oder das Gas über das Substrat streichen lassen, während das Substrat die Gasschleuse durchläuft; oder durch Gasschleusen, die eine Einrichtungsströmung des Reaktionsgasgemisches, das in die Eigenleiter-Abscheidungskammer und in die Dotierstoff-Abscheidungskammern geleitet wird, bewirken. Die verbesserte magnetische Gasschleuse nach der Erfindung resultiert in einem reduzierten Durchgang zwischen Kammern, der eine erhebliche Verringerung bewirkt erstens von Verunreinigungen, die aus den Dotierstoff-Abscheidungskammern zurück in die Eigenleiter-Abscheidungskammer strömen oder diffundieren, und zweitens einer Verformung des Substratmaterials, wodurch ein Verkratzen des Substrats reduziert und die Erzeugung von Sperrschicht-Fotoelementen mit höherem Wirkungsgrad verbessert wird. Es ist zu beachten, daß andere Kammern funktionsmäßig mit den Abscheidungskammern für die amorphen Schichten verbunden sein können. Z. B-. kann eine Kammer, in der die lichtdurchlässige leitfähige Oxidschicht (die noch erläutert wird) auf die oberste amorphe Legierungsschicht aufgebracht wird, funktionsmäßig mit der letzten Abseheidungskammer verbunden sein Da es offensichtlich unerwünscht ist, daß erstens ein Rückströmen oder Diffundieren von Bestandteilen aus der Kammer für das lichtdurchlässige leitfähige Oxid in die Dotierstoff-Abscheidungskammer erfolgt und zweitens das Substratmaterial in der Kammer für das lichtdurchlässige leitfähige Oxid waffeiförmig wird, würde die magnetische Gasschleuse nach der Erfindung auch zwischen der Kammer für das lichtdurch-

lässige leitfähige Oxid und der letzten Dotierstoff-Abscheidungskammer angewandt werden. Vorzugsweise wird im übrigen die magnetische Gasschleuse zwischen sämtlichen Kammern der Einrichtung eingesetzt, die zur kontinuierlichen Herstellung von amorphen Sperrschicht-Fotoelementen funktionsmäßig miteinander verbunden sind.

Durch die Erfindung wird eine verbesserte Gasschleuse angegeben, mit der eine erhebliche Verringerung des Rückströmens von Reaktionsgasbestandteilen aus einer von zwei aneinandergrenzenden isolierten Abseheidungskaminern in die andere erfolgt. Die Gasschleuse umfaßt einen relativ engen Durchlaß, durch den ein Substrat aus der ersten der benachbarten Abseheidungskammern, in der eine erste Schicht auf eine Substratseite abgeschieden wird, in die zweite Abscheidungskammer bewegt wird, in der auf die erste Schicht eine zweite Schicht abgeschieden ist. Der Durchlaß ist durch lange obere und untere Wandungen und relativ kurze Seitenwandungen begrenzt. Die erste Abscheidungskammer umfaßt eine erste Leitung, durch die wenigstens ein Reaktionsgasbestandteil angrenzend an die Plasmazone eingeleitet wird, und die zweite Abscheidungskammer umfaßt ebenfalls eine Leitung, durch die wenigstens ein weiterer Reaktionsgasbestandteil, der in die erste Abscheidungskammer nicht eingeleitet wird, angrenzend an die Plasmazone eingeleitet wird. Die erste Abscheidungskammer weist ferner eine zweite Leitung am Eingang des Durchlasses zur Einleitung von Wasserstoff, Argon oder einem anderen inerten Spülgas am Vorderende der Gasschleuse auf. Eine Evakuierungspumpe ist funktionsmäßig jeder Abscheidungskammer zugeordnet. Die Pumpe der ersten Kammer entfernt im wesent-

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liehen vollständig den wenigstens einen Reaktionsgasbestandteil, der in die Plasmazone eingeleitet wurde. Die Pumpe der zweiten Kammer entfernt im wesentlichen vollständig den wenigstens einen weiteren Reaktionsgasbestandteil, der in die Plasmazone eingeleitet wurde. Eine zweite Evakuierungspumpe kann angrenzend an das Hinterende der Gasschleuse zum Abzug der Spülgase vorgesehen sein.

Die Gasschleuse ist durch zusätzliches Vorsehen eines Mechanismus verbessert, der die unbeschichtete Seite eines magnetisch anziehbaren Substrats, das durch den Durchlaß bewegt wird, ohne physischen Kontakt mit der beschichteten Substratseite in Gleitkontakt mit entweder der oberen oder der unteren Wandung des Durchlasses beaufschlagt, so daß der Abstand zwischen der oberen und der unteren Wandung des Durchlasses verringert werden kann, ohne daß die beschichtete Substratoberfläche die jeweils andere Durchlaßwandung kontaktiert. Die verkleinerte Öffnung des Durchlasses hat ein vermindertes Rückströmen von Reaktionsgasbestandteilen aus der zweiten Abscheidungskammer in die angrenzende erste Abscheidungskammer zur Folge.

Bevorzugt ist die Durchlaßwandung, die das magnetische Substrat kontaktiert, eine reibungsarme Borsilikatglastafel mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Das Substrat besteht aus einem Magnetwerkstoff und wird in Gleitkontakt mit der Glastafel durch ein Magnetfeld beaufschlagt, das durch eine Mehrzahl von Keramikmagneten erzeugt wird, die voneinander durch eine Mehrzahl nichtmagnetische Abstandselemente getrennt sind.

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Die Gasschleuse nach der Erfindung zur Verminderung des Zurückströmens von Gasen aus einer Spezialkammer in eine angrenzende Spezialkammer, mit einem relativ engen Durchlaß, durch den ein Substrat aus der ersten der aneinandergrenzenden.Spezialkammern, in der eine erste Schicht auf eine Seite des Substrats abgeschieden wird, in die zweite Abscheidungskammer, in der eine zweite Schicht auf die erste Schicht abgeschieden wird, bewegt wird, wobei der Durchlaß durch eine jeweils lange obere und untere Wandung, die einander gegenüberliegen, und einander gegenüberliegende relativ kurze Wandungen begrenzt ist, wobei die erste Kammer Mittel zum Einleiten wenigstens eines Gases aufweist und die zweite Kammer Mittel zum Einleiten wenigstens eines zusätzlichen Gases aufweist und wobei den Kammern Einheiten zum Evakuieren der Gase aus den Kammern zugeordnet sind, ist gekennzeichnet durch Elemente, die die unbeschichtete Seite des durch den Durchlaß bewegten Substrats in Gleitkontakt mit einer der langen Durchlaßwandungen beaufschlagen, so daß der Abstand zwischen der oberen und der unteren Durchlaßwandung verringerbar ist, ohne daß die beschichtete Substratoberfläche in Kontakt mit der anderen langen Durchlaßwandung gelangt, wodurch das Zurückströmen von Gasen aus der zweiten Kammer durch den Gasschleusen-Durchlaß verringerbar ist.

Eine weitere Ausbildung der Gasschleuse nach der Erfindung zum funktionsmäßigen Verbinden von zwei aneinandergrenzenden Abscheidungskammern, mit einem relativ schmalen Durchlaß, durch den eine Substratmaterialbahn kontinuierlich förderbar ist aus der ersten Abscheidungskammer, in der auf eine Substratseite eine dotierte amorphe Siliziumschicht

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abgeschieden wird, zu der zweiten Abseheidungskammer, in der auf die erste Schicht eine eigenleitende amorphe Siliziumlegierungsschicht abgeschieden wird, wobei der Durchlaß durch jeweils eine in Querrichtung lange obere und untere Wandung, die einander gegenüberliegen, und zwei relativ kurze, einander gegenüberliegende Seitenwandungen begrenzt ist, ist gekennzeichnet durch Elemente zum Erzeugen eines Magnetfelds, das die unbeschichtete Seite einer Substratmaterialbahn, die den Durchlaß durchläuft, in Gleitkontakt mit einer der langen Wandungen beaufschlagt, so daß der Abstand zwischen den langen Durchlaßwandungen verringerbar ist, ohne daß. die beschichtete Substratbahnoberfläche, die den Durchlaß durchläuft, in Kontakt mit der anderen langen Durchlaßwandung gelangt.

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

Fig. 1 eine bruchstückhafte Querschnittsansicht eines Tandem-Sperrschicht-Fotoelements mit einer Mehrzahl von pin-Zellen, wobei jede Schicht der Zellen aus einer amorphen Halbleiterlegierung gemäß den Grundsätzen der Erfindung hergestellt ist;

Fig. 2 eine schaubildliche Darstellung einer Mehrkammer-Glimmentladungseinrichtung für die kontinuierliche Herstellung der Sperrschicht-Fotoelemente nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Teilquerschnittsansicht einer magnetischen Gasschleuse, wobei die Anordnung der Keramikma-

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gnete in einer Ausnehmung im oberen Block der Gasschleuse gemäß der Erfindung zu sehen ist;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Gasschleuse nach Fig. 3, wobei in Strichlinien die Separatoren gezeigt sind, die zur Erzeugung des Magnetfelds beitragen, das bei der Erfindung vorteilhaft angewandt wird; und

Fig. 5 eine schaubildliche Darstellung einer Substratmaterialbahn, die den Gasschleusen-Durchlaß nach der Erfindung durchläuft, wobei die Konfiguration der oberen Wandung der Gasschleuse gezeigt ist.

I. Die Sperrschicht-Fotozelle

Fig. 1 zeigt eine Sperrschicht-Fotozelle 10 vom Tandemoder Kaskadentyp, die aus aufeinanderfolgenden pin-Schichten gebildet ist, deren jede eine amorphe Halbleiterlegierung umfaßt. Die hier angegebenen Gasschleusen wurden für die Herstellung dieser Art von Sperrschicht-Fotoelement entwickelt, bei dem amorphe Legierungsschichten kontinuierlich auf eine bewegte Substratmaterialbahn in aufeinanderfolgenden, voneinander isolierten Abscheidungskammern abgeschieden werden.

Fig. 1 zeigt eine Mehrzahl von pin-Sperrschicht-Fotoelementen, etwa Solarzellen 12a, 12b und 12c. Unter der untersten Fotozelle 12a liegt ein Substrat, das lichtdurchlässig sein oder aus einer Folie mit Metalloberfläche bestehen kann.

Für bestimmte Anwendungszwecke kann zwar eine dünne Oxidschicht und/oder eine Serie von Basiskontakten vor dem Aufbringen des amorphen Materials erforderlich sein; im Rahmen der vorliegenden Anmeldung umfaßt der Ausdruck "Substrat" nicht nur einen biegsamen Film, sondern auch alle Elemente, die dieser aufgrund von vorhergehenden Bearbeitungsverfahren aufweist. Normalerweise ist das Substratmaterial rostfreier Stahl, Aluminium, Tantal, Molybdän oder Chrom.

Jede Zelle 12a, 12b und 12c wird mit einem amorphen Legierungskörper, der wenigstens eine Siliziumlegierung enthält, hergestellt. Jeder Legierungskörper umfaßt eine n-leitende Zone oder Schicht 20a, 20b und 20c; eine eigenleitende Zone oder Schicht 18a, 18b und 18c; sowie eine p-leitende Zone oder Schicht 16a, 16b und 16c. Die Zelle 12b ist eine Zwischenzelle, und gemäß Fig. 1 können weitere Zwischenzellen auf die gezeigten Zellen gestapelt sein, ohne daß dies eine Abweichung von der Erfindung darstellt. Ferner sind zwar pin-Fotozellen Vom' Tandemtyp gezeigt, die angegebenen Gasschleusen eignen sich jedoch gleichermaßen zum Einsatz in einer Vielkammereinrichtung, die zur Erzeugung von nip-Tandemzellen eingerichtet ist, wobei nur einfach die Abscheidungsreihenfolge der n- und p-leitenden Schichten auf dem Substrat umgekehrt wird.

In jeder Zelle 12a, 12b und 12c sind die p-leitenden Schichten lichtabsorbierende, hochleitfähige Legierungsschichten. Die eigenleitenden Legierungsschichten haben einen eingestellten Wellenlängen-Schwellenwert für Solarlichtempfindlichkeit, sind hochgradig lichtabsorbierend,

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haben eine geringe Dunkelleitfähigkeit und hohe Fotoleitfähigkeit sowie ausreichende Mengen eines Bandabstand-Einstellelements bzw. solcher Elemente, so daß der Bandabstand hinsichtlich des speziellen Anwendungszwecks optimiert ist. Bevorzugt sind die Eigenleiterschichten hinsichtlich des Bandabstands so eingestellt, daß die Zelle 12a den kleinsten Bandabstand, die Zelle 12c den größten Bandabstand und die Zelle 12b einen zwischen den beiden anderen liegenden Bandabstand aufweist. Die η-leitenden Schichten sind Legierungsschichten mit geringer Lichtabsorptionsfähigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit. Die Dicken der η-leitenden Schichten liegen im Bereich von ca. 25-100 8. Die Dicken der bandabstand-eingestellten amorphen eigenleitenden Legierungsschichten liegen zwischen ca. 2000 und 3000 8. Die Dicken der p-leitenden Schichten betragen 50-200 A. Wegen der kürzeren Diffusionslänge der Löcher sind die p-leitenden Schichten normalerweise möglichst dünn. Ferner ist die äußerste Schicht, im vorliegenden Fall die η-leitende Schicht 20c, möglichst dünn, um eine Lichtabsorption zu vermeiden, und braucht das Bandabstands-Einstellelement nicht zu enthalten.

Selbstverständlich kann nach dem Abscheiden der Halbleiter-Legierungsschichten ein weiterer Abscheidungssschritt entweder in einer gesonderten Umgebung oder in einem Teil der kontinuierlichen Herstellungseinrichtung durchgeführt werden. Dabei wird eine lichtdurchlässige leitfähige Oxidschicht bzw. TCO-Schicht 22 zugefügt, die z. B. Indiumzinnoxid (ITO), Cadmiumstannat (Cd₃SnO₄) oder dotiertes Zinnoxid (SnO2) ist. Es kann zwar ein Elektrodengitter 24 auf dem Fotoelement vorgesehen werden; bei einer Tandemzel-

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Ie mit hinreichend kleiner Fläche ist jedoch die TCO-Schicht 22 normalerweise ausreichend leitfähig, so daß das Gitter 24 nicht benötigt wird. Wenn die Tandemzelle entweder ausreichend großflächig oder die Leitfähigkeit der TCO-Schicht 22 ungenügend ist, kann das Gitter 24 auf die Schicht 22 aufgebracht werden, um den Ladungsträgerweg zu verkürzen und den Leitungs-Wirkungsgrad zu steigern.

II. Die Mehrfach-Glimmentladungs-Abscheidungskammern

Fig. 2 zeigt schaubildlich eine Einrichtung 26 mit Mehrfach-Glimmentladungs-Abscheidungskammern für die kontinuierliche Herstellung der Sperrschicht-Fotoelemente vom Tandem-Typ. Die Einrichtung 26 umfaßt eine Mehrzahl von gegeneinander isolierten speziellen Abscheidungskammern, die jeweils durch eine Gasschleuse miteinander verbunden s ind.

Die Einrichtung 26 dient der Herstellung eines großen Volumens von großflächigen amorphen Sperrschicht-Fotozellen mit pin-Konfiguration auf der Abscheidungsoberflache eines Substratmaterials 11, das kontinuierlich durch die Einrichtung von einem Substratvorratskern 11a zu einem Substrataufwickelkern 11b geführt wird. Zur Abscheidung der amorphen Legierungsschichten, die zur Erzeugung einer Tandemzelle mit pin-Konfiguration notwendig sind, umfaßt die Einrichtung wenigstens eine Triade von Abscheidungskammern, wobei jede Triade aufweist: eine erste Abscheidungskammer 28, in der eine p-leitende amorphe Legierungsschicht auf die Abscheidungsoberflache des Substrats 11 während des

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Durchlaufs desselben abgeschieden wird; eine zweite Abscheidungskammer 30, in der auf die p-leitende Legierungsschicht auf der Abscheidungsoberflache des Substrats eine eigenleitende amorphe Legierungsschicht abgeschieden wird, während das Substrat 11 durchläuft; und eine dritte Abscheidungskammer 32, in der eine η-leitende Legierungsschicht auf die eigenleitende Schicht auf der Abscheidungsoberf lache des Substrats 11 abgeschieden wird, während das Substrat 11 die Abseheidungskammer passiert.

Folgendes ist selbstverständlich: (1) Zwar wurde nur eine Abscheidungskammer-Triade beschrieben, aber die Einrichtung kann zusätzliche Triaden oder weitere Einzelkammern aufweisen, so daß sie Sperrschicht-Fotozellen mit jeder gewünschten Anzahl amorpher Schichten herstellen kann; (2) die Gasschleusen sind in einer Umgebung mit sogar nur zwei aneinandergrenzenden Kammern verwendbar, wobei das Verhindern eines Rückströmens oder einer gegenseitigen Verunreinigung von Gasen zwischen diesen Kammern erforderlich ist; (3) bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwar das Substratmaterial als fortlaufende Magnetmaterialbahn beschrieben und gezeigt, der Erfindungsgedanke ist jedoch auch auf die Abscheidung aufeinanderfolgender Schichten auf einzelne Magnetsubstratplatten anwendbar, die kontinuierlich durch die Mehrzahl Abscheidungskammern gefördert werden können; (4) da die Länge der Bewegungsbahn des Substrats durch einzelne Abscheidungskammern der Dicke der p-leitenden oder der eigenleitenden oder der n-leitenden Schicht, die in einer bestimmten Kammer abgeschieden wurde, proportional ist, kann die Länge der Bewegungsbahn des Substrats durch eine einzelne Abscheidungskammer vergrößert

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oder verringert werden, um eine Schicht erwünschter Dicke auf dem Substrat abzuscheiden; und (5) können weitere Kammern (z. B. eine Kammer zum Aufbringen einer TCO-Schicht auf die oberste Dotierschicht des Sperrschicht-Fotoelements) funktionsmäßig mit der Glimmentladungseinrichtung 26 durch die magnetische Gasschleuse verbunden sein.

Wenn die Einrichtung 26 zur Herstellung von pin- oder nip-Sperrschicht-Fotozellen verwendet wird, werden zusätzliche Abscheidungskammer-Triaden funktionsmäßig mit der Abscheidungskammer-Triade von Fig. 2 verbunden. In diesem Fall umfaßt die Einrichtung 26 ferner eine Zwischenkammer (nicht gezeigt) zur Trennung des η-leitenden Reaktionsgasgemischs, das die dritte Abscheidungskammer 32 durchströmt, und des p-leitenden Reaktionsgasgemischs, das die erste Abscheidungskammer der nachfolgenden Triade durchströmt.

Jede Abscheidungskammer 28, 30 und 32 der Triade dient der Abscheidung einer einzigen amorphen Siliziumlegierung durch Glimmentladungsabscheidung auf das magnetische Substrat 11. Zu diesem Zweck umfaßt jede Abscheidungskammer 28, 30 und 32: eine Katode 34a, 34b und 34c, eine Gaszufuhrleitung 36a, 36b und 36c, einen HF-Erzeuger 38a, 38b und 38c sowie eine Mehrzahl von Strahlungsheizelementen 40a, 40b und 40c.

Die Gaszufuhrleitungen 36a-c sind funktionsmäßig den jeweiligen Katoden 34a-c zugeordnet zur Zuführung von Reaktionsgasgemischen zu den Plasmazonen, die in jeder Abscheidungskammer 28, 30 und 32 zwischen den Katoden und dem daran vorbeilaufenden Substrat 11 erzeugt werden. Der

Vorratskern 11a für das magnetische Substratmaterial 11 ist zwar hier drehbar in der ersten Abseheidungskammer 28 und der Aufwickelkern 11b für das Substratmaterial drehbar in der dritten Abscheidungskammer 32 angeordnet gezeigt; selbstverständlich können der Vorratskern 11a und der Aufwickelkern 11b in anderen Kammern angeordnet sein, die funktionsmäßig mit der gezeigten Kammertriade verbunden sind.

Die HF-Erzeuger 38a-c wirken mit den Katoden 34a-c_f den Strahlungsheizelementen 40a-c und dem geerdeten Substrat zusammen zur Erzeugung der Plasmazonen durch Dissoziierung der elementaren Reaktionsgase, die in die Abscheidungskammern 28, 30 und 32 eintreten, in Abscheidungsspezies. Die Abscheidungsspezies werden dann als amorphe Siliziumlegierungsschichten auf dem Substrat 11 abgeschieden.

Zur Bildung der Sperrschicht-Fotozelle 10 von Fig. 1 wird eine p-leitende amorphe Siliziumschicht auf dem Substrat in der Abscheidungskammer 28, eine eigenleitende amorphe Siliziumlegierungsschicht in der Abscheidungskammer 30 auf der p-leitenden Schicht und eine η-leitende amorphe Siliziumlegierungsschicht in der Abscheidungskammer 32 auf der eigenleitenden Schicht abgeschieden. Somit werden in der Einrichtung 26 wenigstens drei amorphe Siliziumlegierungsschichten auf dem Substrat 11 abgeschieden, wobei sich die Zusammensetzung der eigenleitenden Schicht, die in der Abscheidungskammer 30 abgeschieden wird, von den in den Abscheidungskammern 28 und 32 abgeschiedenen Schichten unterscheidet durch die Abwesenheit von wenigstens einem Element, das nachstehend als Dotierstoff oder Dotierart bezeichnet wird.

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Es ist sehr wichtig, daß die auf dem magnetischen Substrat 11 abgeschiedenen Legierungsschichten von hoher Reinheit sind, so daß Sperrschicht-Fotoelemente 10 mit entsprechend hohem Wirkungsgrad erhalten werden. Somit ist es erforderlich, Mittel zum Isolieren der Eigenleiter-Abscheidungskammer 30, in die nur Eigenleitergase zur Bildung der eigenleitenden Legierungsschicht eingeleitet werden, gegenüber den Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32, in die die Gase mit einem Dotierstoff eingeleitet werden, vorzusehen. Die Isolierung oder Trennung muß zwar ausreichend sein, um hinsichtlich der Konzentration der Eigenleitergase in der

3 Abscheidungskammer 30 ein Verhältnis von wenigstens 10 gegenüber den Dotierstoffgasen in den Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 zu erzielen; es gilt jedoch, daß der Wirkungsgrad des Fotoelements umso höher ist, je besser die Isolation ist. \

III. Die Gasschleusen

Gemäß der Erfindung wird die erforderliche Isolierung der Eigenleitergase in der Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 gegenüber den Dotierstoffgasen in den Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 teilweise dadurch erreicht, daß ein Einrichtungsstrom (in Richtung des Pfeils 44) aus der Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 in jede der Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 ausgebildet wird. Wie aus Fig. 2 ohne weiteres ersichtlich ist, steht die Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 in Funktionsverbindung mit den Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 über Gasschleusen, die als Schlitze 42a und 42b dargestellt und so

ausgelegt sind, daß das Substrat 11 durch einen Durchlaß 43 in den Gasschleusen geführt wird, während es sich kontinuierlich von dem Vorratskern 11a durch die Abscheidungskammern 28, 30 und 32 und auf den Aufwickelkern 11b bewegt. Bisher wurden die Abmessungen der Gasschleusen 42a und 42b so klein wie möglich gewählt, um eine Rückdiffusion oder ein Zurückströmen der Dotierstoffgase aus den Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 in die Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 zu verhindern, und gleichzeitig wurden die Abmessungen so gewählt, daß sie ausreichend groß waren, so daß die beschichtete Substratoberfläche durchlaufen konnte, ohne durch die Wandungen des Durchlasses verkratzt zu werden. Somit stellt die Auslegung der Gasschleusen 42a und 42b einen Kompromiß zwischen verschiedenen Forderungen dar. Der Durchlaß durch die Gasschleusen muß ausreichend groß sein, um (1) ein berührungsfreies Durchlaufen der beschichteten Oberfläche des Substrats 11 zu ermöglichen und (2) eine Diffusion oder ein Rückströmen von Reaktionsgasen aus der Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 durch den Durchlaß zu verhindern. Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die Größe des Gasschleusen-Durchlasses zu minimieren, ohne daß die beschichtete Substratoberfläche verkratzt wird. Es soll nochmals darauf hingewiesen werden, daß zwar die Anmeldung hauptsächlich auf die Vermeidung einer Verunreinigung der eigenleitenden Legierungsschicht durch Dotierlegierungsbestandteile gerichtet ist, jedoch sollen die Dotierlegierungsschichten auch gegen Verunreinigung geschützt werden durch Verwendung der magnetischen Gasschleuse, wodurch die Dotierstoff-Abscheidungskammern und daran angrenzende Kammern, in denen z. B. (1) eine TCO-Schicht auf die oberste Dotierstoffschicht aufgebracht oder (2) das

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magnetische Substratmaterial vor dem Eintritt in die Abscheidungskammern gereinigt wird, funktionsmäßig miteinander verbunden werden. Die Verwendung der magnetischen Gasschleuse dient auch dem Zweck, eine "Waffelbildung" des Substrats in diesen anderen Kammern zu verhindern.

Um eine Diffusion der Eigenleiter-Reaktionsgase aus der Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 in die Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 durch die Gasschleusen 42a und 42b zu verhindern, werden die p-Dotierstoff-Abscheidungskammer 28 und die n-Dotierstoff-Abscheidungskammer 32 auf einem niedrigeren Innendruck als die Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 gehalten. Zu diesem Zweck weist jede Abscheidungskammer automatische Drosselklappen, Pumpen und Druckmesser (nicht gezeigt) auf. Jede Drosselklappe ist funktionsmäßig mit einer Abscheidungskammer und einer Pumpe verbunden, so daß überschüssige und verbrauchte Abscheidungsbestandteile aus den Abscheidungskammern evakuiert werden. Jeder Absolutdruckmesser ist funktionsmäßig mit einer Abscheidungskammer und einer Drosselklappe verbunden zur Einstellung des Drucks in der jeweiligen Abscheidungskammer. Insbesondere wird der Druck in den Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 bevorzugt auf ca. 0,55 Torr und der Druck in der Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 bevorzugt auf ca. 0,6 Torr gehalten. Somit wird eine Druckdifferenz zwischen den Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 und der Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 ausgebildet und aufrechterhalten, wodurch sich ein im wesentlichen in eine Richtung verlaufender Gasstrom durch die Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 ergibt.

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Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Eigenleitergase die Eigenleiter-Ausgangsiaaterialien, aus denen die drei abgeschiedenen amorphen Siliziumlegierungsschichten erhalten werden. Z. B. können die Eigenleiter-Ausgangsgase Siliziumtetrafluoridgas (SiF.) plus Wasserstoffgas, Siliziumtetrafluoridgas plus Silangas (SiH.), Siliziumtetrafluoridgas für sich oder Silangas für sich umfassen. Die Eigenleiter-Ausgangsgase werden in die Leitung 36b eingespeist und gelangen von dort in die Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 mit einem Durchsatz, der zusammen mit dem Durchsatz, mit dem ein Spülgas eingeleitet wird, (1) den Einrichtungsstrom durch die Gasschleusen 42a und 42b sicherstellt, (2) die Eigenleitergase in den Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 unterhalt und (3) einen Rückstrom oder eine Diffusion der Dotierstoffgase in die Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 im wesentlichen unterbindet.

Die Dotierstoffgase, die zur Erzeugung der p- oder n-leitenden Legierungsschichten in den Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 notwendig sind,, werden jeweils durch die Leitung 36a bzw. 36c eingespeist. Die Konzentration der Dotierstoffgase, die in der p-Dotierstoff-Abscheidungskammer 28 erforderlich ist zur Erzeugung der p-leitenden Legierungsschicht, beträgt ca. 0,1 Atom-%. Dieses Dotierstof fgas ist z. B. Bor, das in Form von Diborangas (B₂Hg) eingeleitet wird. Zur Erzeugung einer p-leitenden Legierungsschicht mit vergrößertem Bandabstand können auch Elemente wie Stickstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff eingeleitet werden.

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Die Konzentration der Dotierstoffgase, die in der n-Dotierstoff-Abscheidungskammer 32 erforderlich ist zur Herstellung der η-leitenden Legierungsschicht, beträgt ca. 0,05 Atom-%. Dieses Dotierstoffgas ist z. B. Phosphor in Form von Phosphingas oder Arsen in Form von Arsingas.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Spülgas wie Wasserstoff, Argon oder ein anderes Inertgas an der Vorderseite (also der Seite der Eigenleiter-Abscheidungskämmer) der Gasschleusen 42a und 42b eingeführt. Das Spülgas tritt in die Kammer 30 angrenzend an die Gasschleusen 42a und 42b durch Leitungen 37a und 37b ein, die Öffnungen (nicht gezeigt) aufweisen, so daß das Spülgas auf beide Seiten der magnetischen Substratmaterialbahn 11 gerichtet wird. Aufgrund der Druckdifferenz zwischen den Kammern 28 und 32 und der Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 werden die Inertgase in eine Richtung durch den Durchlaß 43 der Gasschleusen 42a und 42b geleitet. Ein erheblicher Prozentsatz der in die Eigenleiter-Kammer 30 durch die Leitung 36b eingeleiteten Eigenleiter-Reaktionsgase wird bevorzugt auf die Plasmazone der Kammer 30 dadurch begrenzt, daß die Gase angrenzend an diese Zone eingeleitet und abgezogen werden. In ähnlicher Weise wird ein erheblicher Prozentsatz der Reaktionsgasbestandteile, die zur Abscheidung der Dotierungsschichten in die Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 notwendig sind, durch die Leitungen 36a und 36c eingeleitet. Die Dotierstoffgase werden ebenfalls im wesentlichen auf die jeweiligen Plasmazonen der Dotierstoff-Abscheidungskammern begrenzt, indem diese Reaktxonsgasgemische angrenzend an diese Zonen eingeleitet und abgezogen werden. Nach dem Ansaugen der

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Inertgase durch die Gasschleusen 42a und 42b in die jeweiligen Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 können die Inertgase entweder im wesentlichen angrenzend an die Endseite (die Dotierstoffkämmer-Seite) der Gasschleusen 42a und 42b abgezogen oder mit den Dotierstoffreaktionsgasen evakuiert werden. In beiden Fällen stellt der Einsatz der Spülgase eine zusätzliche Maßnahme dar, um das Zurückströmen oder die Diffusion von Dotierstoffgasen aus den Dotierstof f-Abscheidungskammern 28 und 32 in die Eigenleiter-Abscheidung skammer 30 zu verhindern.

Fig. 3 ist eine größere Schnittdarstellung der bevorzugten Ausbildung der Gasschleuse 42. Die Gasschleuse 42 zeigt nur symbolisch die allgemeine Anordnung bekannter Teile in einer typischen Gasschleuse und soll nicht sämtliche bekannten Bauelemente dieser Gasschleuse zeigen. Die Beschreibung ist nur in bezug auf die magnetischen Elemente, die das Wesen der Erfindung bilden, detailliert.

Die Gasschleuse 42 umfaßt einen unteren Block 44 und einen oberen Block 46, an dessen Vorderkante eine in Querrichtung verlängerte Zylinderrollenanordnung 48 gesichert ist. Die Länge der Zylinderrollenanordnung 48 ist bevorzugt wenigstens gleich der Breite der magnetischen Substratmaterialbahn 11, die durch die Mehrkammereinrichtung 26 läuft, so daß die Gesamtbreite des Substrats 11 einen Abschnitt des ümfangs des Zylinderrollenmantels kontaktiert. Eine Mehrzahl Rollenlager kann zur im wesentlichen reibungsfreien Rotation der Zylinderrollenanordnung 48 vorgesehen sein. Die Zylinderrollenanordnung 48 führt die magnetische Substratbahn 11 durch einen relativ engen Spalt oder

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Durchlaß 43, der zwischen der Oberfläche des unteren Gasschleusenblocks 44 und einem Ausschnitt des oberen Gasschleusenblocks 46 gebildet ist. Durch Ausbildung eines Einrichtungsstroms des inerten Spülgases von der Eigenleiterkammerseite der Gasschleuse in die benachbarten Dotierstoffkammerseiten der Gasschleuse wird eine schädliche Verunreinigung der Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 durch den Rückstrom oder die Diffusion von p- und n-leitenden Dotierstoffgasen, die in die angrenzenden Abscheidungskammern 28 und 32 eingeleitet werden, vermieden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zwar eine einzige Rollenanordnung 48 eingesetzt, die drehbar am Vorderende der Gasschleuse 42 gelagert ist, es könnte jedoch auch eine zweite Rollenanordnung drehbar am Hinterende der Gasschleuse gesichert sein, um die Substratbahn 11 zu führen.

Der Gasschleusen-Spalt oder -Durchlaß 43 ist im Querschnitt im wesentlichen rechteckig und durch eine obere Wandung 43a, eine untere Wandung 43b und zwei Seitenwandungen 43c begrenzt. Wie bereits erwähnt, ist es erwünscht, daß die Wandungen 43c möglichst kurz sind, um den Rückstrom oder die Diffusion von Gasen durch den Durchlaß 43 zu minimieren. Um dies zu erreichen, besteht die obere Wandung 43a des Durchlasses 43 aus einem relativ harten Werkstoff, der außerdem einen geringen Oberflächen-Reibungswiderstand und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist eine wärmebehandelte Glastafel 62, z. B. PYREX (Wz der Corning Glass Works für ein Borsilikatglas mit einer Erweichungstemperatur von 820 °C, einer oberen Arbeitstemperatur im Normalbetrieb von 230 ⁰C und einer Ritzhärte von 120), die erforderli-

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chen Eigenschaften auf und wird daher zur Herstellung der oberen Durchlaßwandung 43a verwendet. Bai dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist zwar die obere Wandung 43a aus einem Werkstoff mit geringem Oberflächen-Reibungswiderstand und niedriger Wärmeleitfähigkeit ausgebildet (da dies die Fläche der oberen Wandung 43a ist, die die unbeschichtete Seite des Substrats 11 kontaktiert), die untere Wandung 43b könnte jedoch ebenfalls so ausgebildet sein (wenn die Schichten auf die Oberseite des Substrats 11 abgeschieden wären), ohne daß dies eine Abweichung von der Erfindung darstellt. In weiterer bevorzugter Ausbildung kann die magnetische Gasschleuse nach der Erfindung auch mit einer vertikal angeordneten Katodeneinheit (statt mit der hier gezeigten horizontalen Katode) verwendet werden. Im Fall einer vertikalen Katode kann jede Wandung der Gasschleuse aus einem Werkstoff geringer Reibung und niedriger Wärmeleitfähigkeit bestehen.

Nach den Fig. 3 und 5 läuft die magnetische Substratbahn durch den Durchlaß 43 der Gasschleuse 42. Fig. 5 zeigt die Substratbahn 11 in Gleitkontakt mit der oberen Glaswandung 43a des Durchlasses 43. Dabei ist speziell die geringfügige Rundung 45 von ca. 3,2 mm zu beachten, die an der Einlaufkante der oberen Glaswandung 43a ausgebildet ist. Der Zweck der Rundung 45 ist es, ein Ritzen der Substratbahn 11 durch die Einlaufkante der Wandung 43a zu verhindern.

Wie bereits erläutert, ist der Durchlaß 43 teilweise durch eine Ausnehmung 64 im oberen Block 46 gebildet, in der mehrere Elemente gesichert sind, die das Substrat 11 in Gleitkontakt mit der Unterseite der Glastafel 62 beauf-

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schlagen. Im einzelnen ist dabei zuerst eine Aluminiumplatte 66 mit einer Dicke von 6,3 mm, einer Breite von 41,9 cm und einer Tiefe von 19,05 cm in die Ausnehmung eingesetzt; dann ist in die Ausnehmung 64 anliegend an die Aluminiumplatte 66 ein Gehäuse 68 aus rostfreiem Stahl Nr. 304 mit einer Breite von 40,6 cm, einer Tiefe von 20,3 cm und einer Dicke von 9,5 mm angeordnet; schließlich ist anstoßend an das Gehäuse 68 die Glasplatte 62 mit einer Dicke von 6,35 mm, einer Breite von 40,6 cm und einer Tiefe von 20,3 cm in die Ausnehmung 64 eingesetzt. Zwei lange Abstandselemente 70 von 3,17 mm bilden (1) die Seitenwandungen 43c des Durchlasses 43 und (2) entwickeln und bestimmen die Tiefe der Durchlaßöffnung. Es ist zu beachten, daß die bevorzugte Höhe der Abstandselemente 70 zwar 3,17 mm ist, daß jedoch die Höhenabmessung in der Praxis auf einen so geringen Wert wie 1,58 mm reduziert worden ist.

Die bevorzugte Höhenabmessung von 3,17 mm stellt eine ganz erhebliche Verringerung der Öffnung des Durchlasses dar, da bisherige Öffnungen nicht kleiner als ca. 6,35 mm waren. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, wird die rückströmende oder durch den Durchlaß 43 aus den Dotierstoff-Abscheidungskammern 28 und 32 diffundierende Dotiergasmenge mit zunehmender Tiefenabmessung entsprechend verringert. Es wurde festgestellt, daß eine Verringerung der Duchlaßöffnung von der vorherigen Abmessung von 6,35 mm auf den Wert von 1,58 mm, die durch die Erfindung möglich ist,, in einer Veringerung von aus der p-Dotierstoff-Abseheidungskammer 28 oder der n-Dotierstoff-Abscheidungskammer 32 in die Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 rückströmenden oder diffundierenden Verunreinigungen um einen Paktor von wenigstens 100 resultiert.

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Aus der vorstehenden Erläuterung geht die Wichtigkeit der Ausbildung der oberen Wandung 43a des Durchlasses 43 aus einem Material hervor, das bei den für die Abscheidung erforderlichen höheren Betriebstemperaturen und Temperaturänderungen im wesentlichen eben bleibt. Folgendes würde eintreten, wenn die Oberfläche der oberen Wandung 43a in der Lage wäre, sich infolge von Temperaturschwankungen zu verziehen: (1) Abschnitte der beschichteten Oberfläche des magnetischen Substrats 11 würden die untere Wandung 43b des Durchlasses 43 beim Durchlaufen durch diesen kontaktieren, so daß eine oder mehrere der darauf abgeschiedenen amorphen Schichten verkratzt oder anderweitig beschädigt werden würde, was wiederum den Wirkungsgrad eines daraus hergestellten Sperrschicht-Bauelements entsprechend nachteilig beeinflußt; und (2) das gegen die obere Wandung 43a angezogene magnetische Substrat 11 würde sich an deren Oberfläche anpassen, was möglicherweise eine wellige oder verzogene Substratkonfiguration zur Folge hätte, auf der ungleichmäßige Halbleiterschichten abgeschieden werden würden, was ebenfalls den Wirkungsgrad des Sperrschicht-Bauelements verschlechtert. Demzufolge ist es also erforderlich, daß der Werkstoff, aus dem die obere Wandung 43a besteht, relativ hart ist, so daß er bei erhöhten Betriebstemperaturen im wesentlichen eben bleibt.

In dem rostfreien Stahlgehäuse 68 ist eine Mehrzahl Magnete 72 in Reihen und Spalten mittels einer Mehrzahl von horizontal und vertikal angeordneten Magnetseparatoren 74 angeordnet. Die Magnete 72 bestehen bevorzugt aus Keramik, da Keramikwerkstoffe leichte, relativ billige Magnete ergeben, die bei höheren Temperaturen beständig sind und

ein starkes Magnetfeld erzeugen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Magnete 72 zwar als rechteckige Keramikstäbe mit einer Breite von 2,54 cm und einer Länge von 5,08 cm gezeigt; die Magnete 72 sind jedoch weder auf Keramikwerkstoffe noch auf irgendeine bestimmte Abmessung oder Konfiguration beschränkt. Es ist nur erforderlich, daß die Magnete 72 ein starkes Magnetfeld bei den für die Abscheidung erforderlichen hohen Betriebstemperaturen erzeugen können. Bevorzugt wird eine Mehrzahl Stabmagnete eingesetzt, um das Gesamtmagnetfeld zu erzeugen, weil der größte Magnetfluß an den Enden der Stabmagnete 7 2 erzeugt wird und daher gilt, daß die Anziehungskraft umso größer und das Magnetfeld umso gleichmäßiger sind, je mehr Magnete eingesetzt werden.

Die Magnetseparatoren 74 sind im wesentlichen flache lange nichtmagnetische Elemente, z. B. Aluminiumplatten mit einer Dicke von 1,58 mm. Die Separatoren 74 wirken mit der Mehrzahl Magnete 72 zusammen zur Vergleichmäßigung des Magnetfelds. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 64 Keramikmagnete 72 von 2,54 χ 5,08 cm durch nichtmagnetische Separatoren 74 so voneinander beabstandet, daß die Enden der Randmagnete 72 mit der Kante der magnetischen Substratmaterialbahn 11, die den Durchlaß 43 durchläuft, koinzidieren. Indem die Magnete 72 relativ zu dem magnetischen Substrat 11 derart angeordnet werden, ergibt sich durch die Anordnung nach der Erfindung der weitere Vorteil, daß das Magnetfeld der Zentrierung des Substrats 11 auf seiner Bahn durch die Gasschleuse 42 dient. Der obere Block 46 umfaßt eine zweiteilige Halterung 84 (vgl. Fig. 4) zum Halten der Magnete 72 und der Separatoren 74 in

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dem vorbestimmten Muster. Der obere Abschnitt der Halterung 84 wirkt mit deren Seitenabschnitten über eine Mehrzahl Schrauben 86 zusammen.

Die magnetische Gasschleuse 42 bietet noch einen weiteren erheblichen Vorteil. Die Zylinderrollenanordnung 48 ist drehbar gelagert und positioniert die Substratmaterialbahn 11 auf ihrem Weg durch den Durchlaß 43 der Gasschleuse 42 ca. 0,5 mm unter der oberen Wandung 43a des Durchlasses. Ungeachtet der Tatsache, daß das Substrat 1 unter mechanischer Spannung gehalten ist, zeigt das Substrat 11 die unerwünschte Tendenz, infolge der hohen Betriebstemperaturen, denen es ausgesetzt ist, sich zu biegen oder zu wölben, und zwar entweder über seine Breite oder seine Länge. Dadurch ergibt sich die Gefahr, daß ungleichmäßige Schichten auf dem Substrat abgeschieden werden. Durch Ausbildung eines Magnetfelds wird die Substratbahn 11 unter höherer mechanischer Spannung gehalten, da sie durch das Magnetfeld nach oben in Kontakt mit der oberen Wandung 43a des Durchlasses angezogen wird. Diese zusätzliche mechanische Spannung reduziert ein Durchbiegen der Substratbahn 11, so daß darauf gleichförmige Schichten abgeschieden werden können.

Die Oberfläche des unteren Blocks 44 der Gasschleuse 42 bildet die untere Wandung 43b des Durchlasses 43. In den unteren Block 44 sind mehrere Bohrungen 76 eingearbeitet zur Aufnahme von langen Heizelementen (nicht gezeigt), deren genaue Anzahl von der Leistung jedes Heizelements und der erwünschten Temperatur abhängt, auf der das Substrat 11 beim Durchlaufen durch den Durchlaß 43 gehalten werden

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soll. Sowohl der untere Block 44 als auch der obere Block 46 der Gasschleuse 42 weisen mehrere Öffnungen 78 in Platten 80a und 80b auf, die zur Befestigung der Gasschleuse 42 an den Abscheidungskammern dienen. Ferner ist der obere Block 46 und die Aluminiumplatte 66 durch eine Öffnung 82 zugänglich zur Herstellung einer Verbindung mit der Ausnehmung 64. Auf diese Weise kann die Ausnehmung 64 mit einem Spülgas gespült werden, nachdem die magnetische Gasschleusenvorrichtung eingesetzt ist, und die Öffnung 82 kann mit einem Stopfen 83 dicht verschlossen werden, um eine Verunreinigung der Abscheidungskammern durch die keramikmagnete 72 auszuschließen.

IV. Die Funktionsweise

Im Betrieb verläuft die magnetische Substratmaterialbahn unter mechanischer Spannung von dem Vorratskern 11a wie folgt: (1) durch die p-Dotierstoff-Abscheidungskammer 28, in der eine p-leitende Legierungsschicht, z. B. 16a, auf die Bahnunterseite abgeschieden wird; (2) durch die erste Gasschleuse 42a; (3) durch die Eigenleiter-Abscheidungskammer 30, in der eine eigenleitende Legierungsschicht, z. B. 18a, auf die p-leitende Schicht abgeschieden wird; (4) durch die zweite Gasschleuse 42b; (5) durch die n-Dotierstoff-Abscheidungskammer 32, in der eine η-leitende Legierungsschicht, z. B. 20a, auf die eigenleitende Schicht abgeschieden wird; und (5) schließlich wird sie auf den Aufwickelkern 11b gewickelt. Die Gasschleusen 42a und 42b verbinden funktionsmäßig an die Eigenleiter-Abscheidungskammer 30 angrenzende Dotierstoff-Abscheidungskammern und

verhindern ferner das Zurückströmen oder die Diffusion von Reaktionsgasen aus der p-Dotierstoff-Abseheidungskammer 28 und der n-Dotierstoff-Abseheidungskammer 32 in die Eigenleiter-Abscheidungskammer 30. Wenn weitere Verfahrensschritte, z. B. das Aufbringen einer TCO-Schicht 22 auf die Dotierstoffschicht 20c_f in weiteren Kammern, die mit der Abscheidungskammer-Triade 28, 30, 32 funktionsmäßig verbunden sind, erfolgen, werden die Gasschleusen 42 nach der Erfindung auch zwischen diesen weiteren Kammern und daran angrenzenden Abscheidungskammern vorgesehen, um (1) eine Verunreinigung der Dotierstoff-Abscheidungskammern und (2) eine Verwerfung des magnetischen Substratmaterials 11 zu vermeiden.

Das von den Keramikmagneten 72 erzeugte Magnetfeld beaufschlagt die unbeschichtete Seite der magnetischen Substratbahn 11 (die aus einem Werkstoff wie rostfreiem Stahl Nr. 430 besteht), die den Durchlaß 43 in der Gasschleuse 42 durchläuft, in Gleitkontakt mit der Oberfläche der oberen Wandung 43a. Da die obere Wandung 43a aus einem relativ harten Werkstoff mit geringer Reibung und niedriger Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus einer PYREX-Glasplatte, besteht, wird die Unterseite des Substrats nicht nachteilig beeinflußt. Die Keramikmagnete 72 erzeugen ein gleichmäßiges Magnetfeld mit sehr starken Kräften senkrecht zu der ebenen Oberfläche des durch den Durchlaß 43 bewegten Substrats 11, jedoch mit relativ geringen Kräften parallel zu der ebenen Substratoberfläche. Die magnetische Substratbahn 11 wird somit gleichzeitig (1) gegen die Oberfläche der Glasplatte 43a gezogen, während sie (2) beim Durchlaufen des Durchlasses 43 an dieser entlanggleiten kann.

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Indem die Magnete 72 das magnetische Substrat 11 in Gleitkontakt mit der speziell ausgebildeten oberen Wandung 43a des Durchlasses 43 beaufschlagen, ermöglichen sie eine Verringerung der Breite der öffnung des Durchlasses. D. h._f spezielle Toleranzen, die ein Verkratzen der unbeschichteten Substratoberfläche verhindern sollen, werden nicht benötigt, und mit verringerter Breite der öffnung des Durchlasses wird das Zurückströmen oder die Diffusion von Dotierstoffgasen aus den Dotierstoff-Abscheidungskammern entsprechend vermindert, wodurch eine Verunreinigung der Eigenleiterschicht ganz wesentlich verringert und ein Sperrschicht-Fotoelement mit höherem Wirkungsgrad erzeugt wird.

Claims

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Patentansprüche

\/. Gasschleuse zur Verminderung des Zurückströmens von Gasen aus einer Spezialkammer in eine angrenzende Spezialkammer, mit

einem relativ engen Durchlaß, durch den ein Substrat aus der ersten der aneinandergrenzenden Spezialkammern, in der eine erste Schicht auf eine Seite des Substrats abgeschieden wird, in die zweite Abscheidungskammer, in der eine zweite Schicht auf die erste Schicht abgeschieden wird, bewegt wird;

wobei der Durchlaß durch jeweils eine lange obere und untere Wandung, die einander gegenüberliegen, und einander gegenüberliegende relativ kurze Wandungen begrenzt ist; wobei die erste Kammer Mittel zum Einleiten wenigstens eines Gases aufweist und die zweite Kammer Mittel zum Einleiten wenigstens eines zusätzlichen Gases aufweist und

wobei den Kammern Einheiten zum Evakuieren der Gase aus den Kammern zugeordnet sind,
gekennzeichnet durch Elemente (72), die die unbeschichtete Seite des durch den Durchlaß (43) bewegten Substrats (11) in Gleitkontakt mit einer der langen Durchlaßwandungen (43a, 43b) beaufschlagen, so daß der Abstand zwischen der oberen und der unteren Durchlaßwandung verringerbar ist, ohne daß die beschichtete Substratoberfläche in Kontakt mit der anderen langen Durchlaßwandung gelangt, wodurch das Zurückströmen von Gasen aus der zweiten Kammer (30) durch den Gasschleusen-Durchlaß verringerbar ist.

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2. Gasschleuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßwandung (43a, 43b), die die unbeschichtete Seite des Substrats (11) kontaktiert, aus einem Werkstoff mit geringer Reibung und niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht.
3. Gasschleuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Substrat kontaktierende Wandung (43a, 43b) eine Borsilikatglasplatte ist.
4. Gasschleuse nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (11) aus einem Magnetwerkstoff besteht und durch magnetische Anziehungskraft in Gleitkontakt mit der Glasplatte (43a, 43b) beaufschlagt wird.
5. Gasschleuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Anziehungskraft von einer Mehrzahl Magnete (72) erzeugt wird.
6. Gasschleuse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (72) durch eine Mehrzahl von nichtmagnetischen Separatoren (74) voneinander beabstandet sind.
7. Gasschleuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinandergrenzenden Spezialkammern (28, 30, 32)

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zum Abscheiden amorpher«Legierungsschichten (16a-c, 18a-c, 20a-c) eingerichtet sind.
8. Gasschleuse zum funktionsmäßigen Verbinden von zwei aneinandergrenzenden Abscheidungskammern, mit einem relativ schmalen Durchlaß, durch den eine Substratmaterialbahn kontinuierlich förderbar ist aus der ersten Abscheidungskammer, in der auf eine Substratseite eine dotierte amorphe Siliziumschicht abgeschieden wird, zu der zweiten Abscheidungskammer, in der auf die erste Schicht eine eigenleitende amorphe Siliziumlegierungsschicht abgeschieden wird, wobei der Durchlaß durch jeweils eine in Querrichtung lange obere und untere Wandung, die einander gegenüberliegen, und zwei relativ kurze, einander gegenüberliegende Seitenwandungen begrenzt ist, gekennzeichnet durch Elemente (72) zum Erzeugen eines Magnetfelds, das die unbeschichtete Seite einer Substratmaterialbahn (11), die den Durchlaß (43) durchläuft, in Gleitkontakt mit einer der langen Wandungen (43a, 43b) beaufschlagt, so daß der Abstand zwischen den langen Durchlaßwandungen (43a, 43b) verringerbar ist, ohne daß die beschichtete Substratbahnoberfläche, die den Durchlaß (43) durchläuft, in Kontakt mit der anderen langen Durchlaßwandung (4 3b) gelangt.