DE3426822C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
fotoleitfähigen, halbleitenden oder isolierenden siliciumhaltigen
Abscheidungsfilms auf einem gegebenen Träger bzw.
Substrat unter gewöhnlichem Druck durch Anwendung von Wärmeenergie.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren
zur Herstellung eines Abscheidungsfilms aus Silicium, insbesondere
aus amorphem Silicium (nachstehend als a-Si bezeichnet)
auf einem gegebenen Träger unter gewöhnlichem Druck
durch thermische Zersetzung eines hauptsächlich aus einem
zyklischen Silan bestehenden Gases.
Es ist bekannt, daß SiH₄ durch Anregungsenergie, wie z. B.
elektrische Entladungsenergie oder Wärmeenergie, zersetzt
wird, um auf Trägern a-Si-Abscheidungsfilme zu bilden und
daß die Produkte für verschiedene Zwecke verwendet werden.
Dieses Verfahren zur Herstellung von a-Si-Abscheidungsfilmen
aus SiH₄ ist jedoch mit den folgenden Nachteilen verbunden:
- 1. Die Filmbildungsgeschwindigkeit muß vermindert werden, um eine gute Qualität des Produktes zu gewährleisten.
- 2. Für die Zersetzung von SiH₄ ist ein Erhitzen auf eine hohe Temperatur von 500 bis 600°C notwendig. Dieser Umstand schränkt die Wahl der Träger und anderer Herstellungsbedingungen ein.
- 3. Für die Herstellung großflächiger, dicker Abscheidungsfilme gibt es Schwierigkeiten bei der Gewährleistung der elektrischen und optischen Gleichmäßigkeit des Produktes und der Konstanz der Produktqualität, und es besteht die Neigung, daß sich Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Abscheidungsfilmes und Fehler im Inneren des Abscheidungsfilms ergeben.
- 4. Wegen der hohen Temperatur bei der Filmbildung werden in den Film kaum Wasserstoffatome, die für die Qualität des a-Si-Films eine wichtige Rolle spielen, eingebaut, und es ergibt sich eine hohe Dichte des Lokalisierungsniveaus. Dieser Umstand übt auf Filmeigenschaften, die den Abscheidungsfilm für die Verwendung als Halbleiter geeignet machen, unerwünschte Wirkungen aus.
In neuerer Zeit ist zur Behebung der vorstehend erwähnten
Nachteile ein Verfahren zur Herstellung von a-Si-Abscheidungsfilmen
aus Si₂H₆ vorgeschlagen worden. Dieses Verfahren
erregt zwar Aufmerksamkeit, ist jedoch noch unbefriedigend,
und zwar insbesondere deshalb, weil eine hohe
Temperatur von mindestens 400°C notwendig ist, um die
Wärmeenergie für die Zersetzung von Si₂H₆ auszunutzen.
Eine Verminderung des Energieverbrauches oder eine Verbesserung
der Produktivität ist das Problem, das bei diesem Verfahren
in der Zukunft zu lösen ist. Während sich Si₂H₆
leicht zu SiH₄ und angeregten Bruchstücken bzw. Resten
zersetzt und infolgedessen in vorteilhafterer Weise verwendet
werden kann als SiH₄, muß das Hauptzersetzungsprodukt,
SiH₄, nachfolgend zersetzt werden, damit Si₂H₆ wirksam
ausgenutzt wird. Infolgedessen kann kaum eine beachtliche
Verbesserung des Wirkungsgrades der Zersetzung von Si₂H₆ erwartet
werden.
Außerdem ist Si₂H₆ teuer, weil es kein allgemein verfügbares
Material ist und weil sich das Verfahren zu seiner
Herstellung nicht durchgesetzt hat. Folglich ist die
industrielle Ausnutzung des Verfahrens, bei dem Si₂H₆
verwendet wird, vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit
schwierig, es sei denn, daß eine wirksame Bildung des Abscheidungsfilmes
erzielt wird.
In der US-PS 43 63 828 wird die Möglichkeit der Verwendung
von höheren Silanen als Si₂H₆ beschrieben, jedoch
bezieht sich keine der Ausführungsformen auf zyklische
Silane und auf Maßnahmen zur Lösung der vorstehend erwähnten
Probleme. Ferner ist nicht berichtet worden, daß ein
solches höheres Silan in hohen Ausbeuten hergestellt werden
könnte oder daß ein daraus gebildeter Abscheidungsfilm
als wertvolles Produkt verwendet wurde. Für die Herstellung
von Abscheidungsfilmen aus einem höheren Silan
im industriellen Maßstab bleiben viele Probleme hinsichtlich
der Entwicklung von Verfahren für die Herstellung und
die Verwendung des höheren Silans.
Für den Fall, daß die Herstellung von a-Si-Abscheidungsfilmen
mit einer geringen Energieeinheit durchführbar
wird, wird erwartet, daß die als Produkt erhaltenen Filme
eine hohe Qualität haben und gleichmäßig sind, daß die
Steuerung der Herstellungsbedingungen erleichtert wird und
daß die industrielle Produktivität sowie die Reproduzierbarkeit
verbessert werden.
Die bekannte Herstellung von a-Si-Abscheidungsfilmen wird
in den meisten Fällen auch unter vermindertem Druck durchgeführt.
Dies ist von einer Erhöhung der Kosten der Ausrüstung
und der Kosten für die Instandhaltung und Überwachung
der Ausrüstung begleitet. Folglich sind nun vom
wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkt aus Verbesserungen
in dieser Hinsicht erwünscht.
Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von a-Si-Abscheidungsfilmen
wird zur Bildung der Filme im allgemeinen
elektrische Entladungenergie angewandt. Dies führt
unvermeidlich zu hohen Kosten der Ausrüstung, insbesondere
des Reaktionsbehälters, und macht notwendig, daß auf die
Steuerung der Herstellungsbedingungen sehr achtgegeben
werden muß, um die Gleichmäßigkeit, Konstanz und Reproduzierbarkeit
der Produktqualität für die Bildung großflächiger,
dicker Abscheidungsfilme zu gewährleisten. Folglich
ist der Stand der Technik mit verschiedenen technischen
Problemen verbunden.
Ferner ist bei dem Abscheidungsverfahren, bei dem für die
Zersetzung Wärmeenergie angewandt wird, eine hohe Temperatur
von mindestens 600°C notwendig, obwohl diese von der
Art des verwendeten Gases abhängt. Eine so hohe Tempertur
schränkt die Träger, die für die Abscheidung verwendbar
sind, ein und führt zu einer Beseitigung bzw. Abspaltung
wichtiger Wasserstoffatome, die an das gewünschte a-Si
gebunden sind, so daß es schwierig ist, die erwünschten
Eigenschaften der Produkte zu erhalten. Ferner ist das
bei hoher Temperatur durchgeführte Verfahren wegen des
niedrigen Wirkungsgrades der Zersetzung und wegen der
niedrigen Abscheidungsgeschwindigkeit für die Massenfertigung
ungeeignet.
Aus der EP-A 0 03 063 ist ein Verfahren zur Abscheidung von
Silicium- oder Germaniumfilmen aus der Gasphase von Siliciumwasserstoff
oder Germaniumwasserstoff auf Träger bekannt, wobei
Aktivierungsenergie zur Zersetzung der gasförmigen Substanz,
insbesondere die Glimmentladung, verwendet wird. Zur
Herstellung von Silicium-Abscheidungsfilmen werden Silane der
allgemeinen Formel SinHy mit n<1 und y=2n+2 eingesetzt.
Ferner werden hierfür zyklische Silane mit y=2n vorgeschlagen.
Nach diesem bekannten Verfahren ist es notwendig, den
Druck der reaktiven Gase bei unter 0,133 mbar zu halten, um
einen Abscheidungsfilm mit einer einstellbaren ausreichenden
Schichtdicke und einer glatten Oberfläche zu erzielen.
Allgemeine Angaben zur Herstellung und zu den Eigenschaften,
speziell den thermischen Eigenschaften in bezug auf Si₅H₁₀ und
Si₆H₁₂, von zyklischen Silanen sind der Literaturstelle
"Gmelin Handbook", 8. Auflage, Silicium, Supplement Volume B 1,
Kapitel 2.7 (Seite 224 ff.), 1982, zu entnehmen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
von siliciumhaltigen Abscheidungsfilmen zur Verfügung
zu stellen, bei dem die vorstehend erwähnten Probleme
gelöst werden, das eine Bildung des Films mit höherer
Geschwindigkeit ermöglicht, während eine hohe Qualität
des Films gewährleistet wird, das eine Filmbildung bei
einer niedrigeren Zersetzungstemperatur und unter gewöhnlichem
Druck ermöglicht, indem für die Zersetzung nicht
elektrische Entladungsenergie, sondern Wärmeenergie angewandt
wird, und das einen Film mit hoher Qualität liefert,
bei dem die Gleichmäßigkeit der elektrischen und optischen
Eigenschaften und die Konstanz der Qualität auch dann gewährleistet
sind, wenn der Film eine große Fläche und eine
große Dicke hat.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den
im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen
Maßnahmen gelöst.
Die Zeichnung ist ein schematisches Bild einer Vorrichtung,
die dazu dient, durch das erfindungsgemäße Verfahren
um Aluminiumzylinder herum fotoleitfähige Filme für die
Herstellung von zylindrischen lichtempfindlichen Aufzeichnungselementen
zu bilden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend
unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert. Die Zeichnung erläutert eine Ausführungsform
der zur Herstellung von zylindrischen lichtempfindlichen
Aufzeichnungselementen um zylindrische Träger aus
Aluminium oder irgendeinem anderen Material herum erfolgenden
Bildung von fotoleitfähigen Siliciumfilmen. Das
erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform
eingeschränkt, sondern kann allgemein auf die
Bildung von Abscheidungsfilmen auf Trägern für die Herstellung
von beispielsweise Halbleiterbauelementen angewandt
werden.
Die Zeichnung zeigt eine Abscheidungskammer 1 und einen
Träger bzw. ein Substrat 2 (z. B. einen Aluminiumzylinder),
auf dem in der Abscheidungskammer ein Abscheidungsfilm gebildet
wird. Ein Gaseinleitungsrohr 3 für die Einleitung
eines Rohmaterialgases zusammen mit einem Trägergas und,
falls notwendig, mit einem anderen geeigneten Gas ist mit
der Abscheidungskammer 1 verbunden. Das Gas, das durch das
Einleitungsrohr 3 hindurch eingeleitet wird, wird durch
kleine Löcher, die durch eine die Abscheidungskammer 1 aufteilende
Wand 4 hindurchgehen, in eine innere Abscheidungskammer
eingeblasen. Mit der Abscheidungskammer 1 ist ferner
ein Gasauslaßrohr 5 verbunden. Das in der inneren Abscheidungskammer
befindliche Gas wird durch kleine Löcher;
durch eine die Abscheidungskammer 1 aufteilende Wand
6 hindurchgehen und durch das Auslaßrohr 5 hindurch ausströmen
gelassen. Die Abscheidungskammer 1 ist für die Ermittlung
von Drücken in der Abscheidungskammer mit einer
Vielzahl von Druckfühlern 7 ausgestattet. Der Träger 2
ist so konstruiert, daß er in der Abscheidungskammer 1
mit einem Motor 8 um seine senkrechte Achse herum gedreht
werden kann. In den Träger 2 wird ein Wärmeübertragungsmedium
9 eingeführt, um den Träger zu erwärmen, und in das
Wärmeübertragungsmedium 9 ist eine Heizvorrichtung 10 eingetaucht,
um das Wärmeübertragungsmedium zu erwärmen und
zu rühren. Die Zeichnung zeigt ferner ein Einleitungsrohr
11 und eine Eintrittsöffnung 12 für das Wärmeübertragungsmedium
9. Ein Umwälz-Thermostat 13 dient dazu, das Wärmeübertragungsmedium
9 in dem Träger 2 umlaufen zu lassen
und das in dem Träger befindliche Wärmeübertragungsmedium
bei einer konstanten Temperatur zu halten.
Mit dem Gaseinleitungsrohr 3 sind eine Rohmaterialgas-
Regulierkammer 14 für die Zuführung eines durch die allgemeine
Formel (SiH2)n (n=4, 5 oder 6) wiedergegebenen
gasförmigen, zyklischen Silans, eine Trägergasquelle 15
für die Zuführung eines inerten Trägergases und eine weitere
Gasquelle 16 für die Zuführung eines anderen geeigneten
Gases, falls dies notwendig ist, verbunden. In den
Leitungen für die Zuführung dieser Gase sind Vorheizkammern
17, 18 und 19 angeordnet. Mit dem Gasauslaßrohr 5
ist eine Umwälzpumpe 20 verbunden, die das Abgas zu der
Abscheidungskammer 1 durch das Gaseinleitungsrohr 3 hindurch
im Kreislauf führt oder durch einen Hahn 21 hindurch
aus dem System ausströmen läßt.
Mit der in der Zeichnung gezeigten Vorrichtung wird in
der folgenden Weise ein Silicium-Abscheidungsfilm gebildet:
Der vorbeschriebene Träger 2, z. B. ein Aluminiumzylinder,
wird in die Abscheidungskammer 1 eingesetzt, mit
dem Wärmeübertragungsmedium 9 erwärmt und bei einer vorher
festgelegten Temperatur gehalten und mit dem Motor 8
um seine eigene senkrechte Achse herum gedreht. Das vorstehend
erwähnte gasförmige, zyklische Silan aus der Rohmaterialgas-
Regulierkammer 14 wird zusammen mit dem Trägergas
aus der Trägergasquelle 15 durch die Vorheizkammern
17 und 18 durch das Gaseinleitungsrohr 3 hindurchgeleitet
und in die Abscheidungskammer 1 eingeführt, wo das
eingeführte Gas bei gewöhnlichem oder in geringem Maß
erhöhtem Druck gehalten wird. Falls notwendig, wird ein
anderes geeignetes Gas aus der Gasquelle 16 in die Abscheidungskammer
1 eingeführt, indem es mit dem Rohmaterialgas
und dem Trägergas vermischt wird. Das andere Gas,
das in einer Durchflußmengenmeßvorrichtung vermischt wird,
ist ein Gas, das geeigente Elemente, wie z. B. Sauerstoff,
Stickstoff, Kohlenstoff und Bor, enthält. Das in die Abscheidungskammer
1 eingeführte Rohmaterialgas wird durch
Erhitzen zersetzt, wobei auf dem Träger 2 ein fotoleitfähiger
a-Si-Film gebildet wird.
Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten zyklischen
Silane sind auf die zyklischen Silane mit der Formel
(SiH2)4-6 eingeschränkt. Es wird angenommen, daß höhere
zyklische Silane als (SiH₂)₆ bei niedrigen Temperaturen
leicht durch Anregungsenergie unter Bildung des
gewünschten Abscheidungsfilms zersetzt werden. Im Gegensatz
zu der Annahme ist jedoch festgestellt worden, daß
das Zersetzungsverhalten unstetig ist, daß es infolgedessen
schwierig ist, die Zersetzung zu steuern bzw. zu
regulieren, daß die erhaltenen Filme bezüglich der Konstanz
der Qualität für die Anwendung als Fotoleiter oder
als Halbleiter minderwertig sind, daß viele Unregelmäßigkeiten
auf der Oberfläche und viele Fehler im inneren Teil
der erhaltenen Filme vorhanden sind und daß die Filme ungleichmäßig
sind. Infolgedessen ist die Herstellung von
Silicium-Abscheidungsfilmen aus diesen höheren zyklischen
Silanen mit Schwierigkeiten bei der Steuerung der Herstellungsbedingungen
verbunden.
Im Gegensatz dazu sind zyklische Silane mit der Formel
(SiH2(4-6 mit der Aufgabe der Erfindung in Übereinstimmung.
Diese zyklischen Silane sind für die Bildung von
siliciumhaltigen Abscheidungsfilmen am besten geeignet.
Im einzelnen ist (SiH₂)₅ im Hinblick auf die Ausbeute
des Produktes und auf die einfache Handhabung das am besten
geeignete zyklische Silan. (SiH₂)₃ ist, obwohl es
als Rohmaterial denkbar ist, unstabil und mit den bekannten
Verfahren schwierig zu isolieren.
Zyklische Silane der Formel (SiH2)4-6, die im erfindungsgemäßen
Verfahren verwendet werden, werden durch thermische
Anregungsenergie leicht zersetzt, und Abscheidungsfilme
können daraus mit niedriger Energieintensität gebildet
werden. Es kann angenommen werden, daß dies darauf
zurückzuführen ist, daß diese zyklischen Silane bei der
Spaltung der Si-Si-Bindungen, aus denen ihre zyklischen
Moleküle aufgebaut sind, in höherem Maß als andere Silane
dazu neigen, Radikale oder Ionen mit Wasserstoffunterschuß,
wie z. B. SiH₂, SiH und Si, zu liefern. Dies trägt
zu der auffallenden Erhöhung des Wirkungsgrades der Zersetzung
und zu der Verbesserung des Wirkungsgrades und
der Geschwindigkeit der Abscheidung bei.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die thermische
Zersetzung angewandt wird, können Silicium-Abscheidungsfilme
wirksam bei Temperaturen von 100 bis 350°C gebildet
werden, wobei die Betriebstemperatur jedoch in geringem
Maß von der verwendeten Vorrichtung abhängt.
Ferner ist gezeigt worden, daß aus zyklischen Silanen
der Formel (SiH2)4-6 Silicium-Abscheidungsfilme mit vollkommen
gleichmäßigen Eigenschaften gebildet werden können,
wobei natürlich selbst dann, wenn die Filme eine große
Fläche und Dicke haben, in der Stufe des Filmwachstums
keine örtlichen Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche und
keine Fehler im Inneren der Filme hervorgerufen werden.
Zyklische Silane der Formel (SiH2)4-6, die im erfindungsgemäßen
Verfahren verwendet werden, können beispielsweise
dadurch hergestellt werden, daß eine Verbindung, die durch
die Formel RR′SiX₂ wiedergegebnen wird, mit einem Alkalimetall
behandelt wird, wobei eine zyklische Verbindung
der Formel (SiRR′)n (n≧4) erhalten wird, daß (SiRR′)n
mit einem Halogen oder einem Halogenwasserstoff umgesetzt
wird, wobei (SiX2)n (n≧4) erhalten wird und daß (SiX2)n
reduziert wird, wobei R und R′ gleich oder verschieden
sind und jeweils Wasserstoff, eine niedere Alkylgruppe
oder eine substituierte oder unsubstituierte Phenyl- oder
Naphthylgruppe bedeuten und X ein Halogen oder eine
Alkoxygruppe bedeutet. Zyklische Silane der Formel (SiH₂)4-6),
die durch dieses Verfahren hergestellt werden, sind für
die Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren besonders
geeignet.
Zu Organosiliciumhalogeniden der Formel RR′SiX₂, die als
Rohmaterialien für die im Rahmen der Erfindung verwendeten
zyklischen Silane geeignet sind, gehören beispielsweise
(C₆H₅)₂SiCl₂, (CH₃)₂SiCl₂, (CH₃)₂SiBr₂, (C₆H₅)₂SiBr₂ und
(C₆H₅)₂SiJ₂, bei denen es sich um übliche technische
Chemikalien handelt, und ferner Derivate, wie z. B.
(C₆H₄Cl)₂SiCl₂, (C₁₀H₇)SiHCl₂ und (C₁₀H₇)₂SiCl₂. Wenn
R und R′ Wasserstoff bedeuten, können zyklische Silane
ohne Dealkylierung, Dephenylierung oder Reduktion erhalten
werden, jedoch ist die Ausbeute etwas niedrig.
Wenn die vorstehend definierte Verbindung RR′SiX₂ zu einer
Dispersion von pulverförmigem Alkalimetall, wie z. B. Li,
Na oder K, in einem organischen Lösungsmittel, wie z. B.
Tetrahydrofuran, gegeben und die Mischung gerührt wird,
wird eine Mischung zyklischer Verbindungen erhalten, die
hauptsächlich (SiRR′)4-6 (Gehalt des zyklischen Silans mit
n = 5:≧70%) enthält. In diesem Fall wird ein pulverförmiges
Alkalimetall, wie z. B. Li, in einer Menge von 1,5 bis
3 mol und vorzugsweise von 2 bis 2,5 mol pro Mol RR′SiX₂
verwendet. Diese Reaktion wird, da sie exotherm ist,
geeigneterweise bei Raumtemperatur (10 bis 30°C) unter
geeigneter Kühlung durchgeführt. Das erhaltene Produkt
wird durch übliche Verfahren, wie z. B. Umkristallisieren
und Waschen, gereinigt.
Die auf diese Weise erhaltene zyklische Organosilanver
bindung (SiRR′)n (n≧4) wird ohne Spaltung der Si-Si-Bindung
mit einem Halogen oder einem Halogenwasserstoff halogeniert.
Diese Halogenierung wird in der Weise durchgeführt,
daß das zyklische Organosilan unter Druck mit einem
flüssigen Halogen oder Halogenwasserstoff in Berührung
gebracht wird, oder in der Weise, daß das zyklische
Organosilan in Gegenwart eines Aluminiumhalogenids in
einem organischen Lösungsmittel, wie z. B. Benzol, zur Reak
tion gebracht wird. Halogen oder Halogenwasserstoff wird
in einer Menge von mindestens 2 n mol und üblicherweise
von 2,5 n bis 3,5 n mol pro Mol (SiRR′)n eingesetzt. Die
Halogenierung wird bei Raumtemperatur etwa 1 bis 4 Tage
lang fortgesetzt. Das Reaktionsprodukt sollte in einer
geschlossenen Kammer oder einer Trockenkammer bzw. Hand
schuhbox gehandhabt werden, weil es dazu neigt, durch
Wasser oder Luftfeuchtigkeit hydrolysiert zu werden. Das
Produkt wird durch Entfernung von Lösungsmittel und
Nebenprodukten in üblicher Weise, wozu das Umkristallisieren,
das Waschen und das Destillieren gehören, gereinigt.
Das auf diese Weise erhaltene halogenierte zyklische Silan
wird mit einem Reduktionsmittel, wie z. B. LiAlH₄, in Ether
hydriert, wobei das zyklische Silan (SiH₂)n (n≧4) erhalten
wird. Das durch Destillation gereinigte Produkt wird
in einem abgedichteten Behälter, wie z. B. einer Bombe, auf
bewahrt. Diese Vorgänge sollten ähnlich wie in den Fällen
der unstabilen, entflammbaren Verbindungen SiH₄, Si₂H₆ usw.
in geschlossenen Systemen, wie z. B. einer Vakuumkammer und
einer Trockenkammer bzw. Handschuhbox, durchgeführt werden.
Das Verfahren für die Herstellung der im Rahmen der Er
findung verwendeten zyklischen Silane wird durch die folgenden
Herstellungsbeispiele erläutert. In den Herstellungsbeispielen
sind alle Angaben von Teilen auf das Gewicht
bezogen.
In einen mit einem Thermometer, einem Kühler, einem Rührer
und einem Tropftrichter ausgestatteten Vierhalskolben wurden
21 Teile pulverförmiges metallisches Li und 350 Teile
Tetrahydrofuran (THF) eingefüllt. Dann wurde eine Lösung
von 300 Teilen Diphenyldichlorsilan in 350 Teilen trockenem,
gereinigtem THF unter Rühren zugetropft. Da die Reaktion
exotherm ist, wurde die Reaktionstemperatur durch
geeignete Kühlung der Reaktionsmischung und Regulierung
der Geschwindigkeit des Zutropfens bei Raumtemperatur ge
halten. Nach der Beendigung des Zutropfens wurde das Rühren
24 h lang fortgesetzt. Dann wurde die Reaktionsmischung
filtriert, um LiCl und andere unlösliche Nebenprodukte
(nachstehend als X bezeichnet) zu entfernen. THF wurde
durch Destillieren aus dem Filtrat entfernt; zu dem Rückstand
wurden 500 Teile Benzol gegeben; die erhaltene Mischung
wurde wieder filtriert; Benzol wurde durch Destillieren
aus dem Filtrat entfernt, und der Rückstand wurde durch
Umkristallisieren aus Ethylacetat gereinigt, wobei [Si(C₆H₅)₂]₅
(nachstehend als A bezeichnet) in einer Ausbeute
von 65% erhalten wurde.
Dann wurden 911 Teile A in einen mit einer Vakuumleitung
verbundenen Autoklaven eingefüllt, und 1600 Teile trockener,
gereinigter, flüssiger HBr wurden in den Autoklaven
eingeführt, um die Dephenylierung und Bromierung von A
unter Druck in dem geschlossenen Autoklaven einzuleiten.
Die Reaktion ging unter leichtem Schütteln bei Raumtemperatur
fast quantitativ vonstatten. Das erhaltene Benzol und
restliches flüchtiges Material wurden aus der Reaktions
mischung entfernt, wobei 950 Teile kristallines (SiBr₂)₅
(nachstehend als B bezeichnet) erhalten wurden.
Eine Dispersion von 200 Teilen LiAlH₄ als Reduktionsmittel
in 1000 Teilen Diethylether wurde in einen mit einem
Thermometer, einem Kühler, einem Rührer, einem Tropftrichter
und einem Inertgas-Einlaßrohr ausgerüsteten, luftdichten
Fünfhalskolben eingefüllt. Dann wurden 1000 Teile einer
etwa 15 Gew.-% B enthaltenden Diethyletherlösung zugetropft,
um B zu reduzieren. Die Reaktion wurde 3 h lang
unter Rühren fortgesetzt, während die Reaktionsmischung
durch Kühlung und durch Regulierung der Geschwindigkeit
des Zutropfens bei Raumtemperatur gehalten wurde.
LiBr, AlBr₃ und andere unlösliche Materialien wurden ab
filtriert, und der gebildete HBr und das Lösungsmittel
Diethylether wurden durch Vakuumdestillation aus dem
Filtrat entfernt, wobei flüssiges (SiH₂)₅ in einer Ausbeute
von 75% erhalten wurde.
Die viergliedrige zyklische Verbindung [Si(C₆H₅)₂]₄
wurde unter Anwendung eines Soxhlet-Extraktors mit Benzol
aus 200 Teilen X (den vorstehend erwähnten Nebenprodukten)
extrahiert und durch Umkristallisieren gereinigt, wobei
40 Teile reines [Si(C₆H₅)₂]₄ erhalten wurden. Dann wurden
aus diesen reinen [Si(C₆H₅)₂]₄ durch Bromierung und Re
duktion in der gleichen Weise wie im Herstellungsbeispiel 1
10 Teile (SiH₂)₄ erhalten.
Von 1000 Teilen X (den vorstehend erwähnten Nebenprodukten)
wurde eine in THF und in Benzol unlösliche Mischung zyklischer
Verbindungen [Si(C₆H₅)₂]₄ (n≧7) abgetrennt. Dann
wurden 20 Teile dieser Mischung zyklischer Verbindungen
zu einer Dispersion von 10 Teilen AlCl₃ in 200 Teilen
Benzol, die im voraus in einen Vierhalskolben gefüllt
worden war, gegeben. HCl-Gas wurde unter Rühren in die
Mischung eingeblasen, und das Rühren wurde bei Raumtemperatur
bis zur vollständigen Auflösung des [Si(C₆H₅)₂]n
fortgesetzt, um die Phenylgruppen dieser Verbindung durch
Chlor zu ersetzen. Das erhaltene (SiCl₂)n (n≧7) wurde
in der gleichen Weise wie im Herstellungsbeispiel 1 reduziert,
wobei 3 Teile (SiH₂)n (n≧7) erhalten wurden.
Das folgende Beispiel erläutert das erfindungsgemäße Ver
fahren zur Herstellung von a-Si-Abscheidungsfilmen aus
gasförmigen, zyklischen Silanen der Formel (SiH₂)4-6, die
in den vorstehenden Herstellungsbeispielen hergestellt
wurden.
In die Abscheidungskammer 1 der in der Zeichnung gezeigten
Vorrichtung wurde als Träger 2 ein Aluminiumzylinder ein
gesetzt. Gasförmiges (SiH₂)₅, das in Herstellungsbeispiel
1 hergestellt wurde, wurde als Rohmaterial für die Bildung
von Silicium-Abscheidungsfilmen in die Gas-Regulierkammer
14 eingefüllt und zusammen mit einem aus der Gasquelle
15 zugeführten Trägergas, wie z. B. He oder H₂, durch
die Vorheizkammer 17 unter Regulierung der Strömungsmenge
mit einer Durchflußmengenmeßvorrichtung für die Vorheizung
zu der Vorheizkammer 18 geleitet.
Ein anderes geeignetes Gas (beispielsweise ein zum Dotieren
dienendes Gas) wird aus der Gasquelle 16 durch die
Vorheizkammer 19 hindurch zugeführt und mit der vorstehend
erwähnten Gasmischung vereinigt, falls dies notwendig
ist, um dem als Produkt erhaltenen Film gewünschte
Eigenschaften zu verleihen.
Die vereinigten Gase wurden durch eine Durchflußmengen
meßvorrichtung oder eine andere Vorrichtung auf eine vor
geschriebene Strömungsgeschwindigkeit eingestellt und
durch die Vorheizkammer 18 hindurch unter gewöhnlichem
oder in geringem Maße erhöhtem Druck in die Abscheidungs
kammer 1 eingeführt. Das eingeführte Gas wurde bei der Be
rührung mit dem Aluminiumzylinder 2, der durch das mittels
der Heizvorrichtung 10 erhitzte Wärmeübertragungsmedium
9 erhitzt worden war, thermisch zersetzt, wodurch der ge
wünschte a-Si-Abscheidungsfilm um den Aluminiumzylinder 2
herum gebildet wurde. In diesem Fall wurde das Wärmeüber
tragungsmedium 9 mittels des Thermostaten 13 bei einer
vorgeschriebenen Temperatur gehalten; die Heizvorrichtung
10 wurde gedreht, um den Aluminiumzylinder gleichmäßig zu
erhitzen, und auch der Aluminiumzylinder 2 wurde mit dem
Motor 8 gedreht, um den Abscheidungsfilm gleichmäßig zu
machen. Die Verteilung und die Abmessungen der durch die
Wände 4 und 6 hindurchgehenden kleinen Löcher waren so
gewählt worden, daß die Einführung und das Ablassen des
Gases gleichmäßig gemacht wurden. Das unzersetzte Gas,
das durch das Auslaßrohr 5 hindurch abgelassen wurde,
wurde mittels der Umwälzpumpe 20 durch die Vorheizkammer
18 hindurch zu der Abscheidungskammer 1 in den Kreislauf
zurückgeführt.
In der gleichen Weise, wie vorstehend beschrieben, wurden
um Aluminiumzylinder herum unter Verwendung von SiH₄,
Si₂H₆ und (SiH₂)₄ und (SiH₂)n (n≧7), die in den Her
stellungsbeispielen 2 bzw. 3 hergestellt wurden, fotoleit
fähige Filme aus a-Si gebildet.
Tabelle 1 zeigt die Bedingungen der Filmbildung und die
Eigenschaften des erhaltenen Films für jedes Rohmaterial.
Der "Bildfehler" in Tabelle 1 ist die Unregelmäßigkeit,
die bei Bildern beobachtet wurde, die folgendermaßen ver
vielfältigt bzw. kopiert wurden: Jedes der in diesem Beispiel
hergestellten zylindrischen lichtempfindlichen Auf
zeichnungselemente wurde in eine Kopiervorrichtung des
Wärmefixiertyps eingesetzt; es wurden negativ aufladbare
Toner verwendet, und durch Durchführung einer positiven
Aufladung, einer Belichtung und einer Übertragung nach dem
Carlson-Verfahren wurden Kopien des Formats A3 hergestellt,
bei denen die gesamte Fläche dunkel oder die gesamte Fläche
hell war oder bei denen die gesamte Fläche einen Halbton
zeigte.
Bei jedem der zylindrischen lichtempfindlichen Aufzeich
nungselemente dieses Beispiels wurde auf dem Träger eine
600,0 nm dicke Sperrschicht aus a-Si:B:0 gebildet, um
das Aufnahmepotential an das Kopierverfahren anzupassen,
und auf der Sperrschicht wurde der a-Si-Abscheidungsfilm
gebildet.
Nachstehend werden nachgereichte Vergleichsversuche
beschrieben, welche die Eigenschaften siliciumhaltiger
Abscheidungsfilme auf einem Träger als lichtempfindliches
Aufzeichnungsmaterial in einer Kopiervorrichtung in
Abhängigkeit des bei der Herstellung der siliciumhaltigen
Abscheidungsfilme angewandten Drücke der in Wärme zugeführten
zyklischen Silane wiedergeben.
Hierzu wurden zunächst die zyklischen Silane (SiH₂)₄ und
(SiH₂)₅ gemäß oben genannter Herstellungsbeispiele 1 bzw. 2
hergestellt.
Die a-Si-Abscheidungsfilme wurden unter Verwendung der aus der
Figur ersichtlichen Vorrichtung und anderen Vorrichtungen, die
durch Ersatz der Umwälzpumpe 20 der in der Figur gezeigten
Vorrichtung mit anderen Pumpen, nämlich Vakuumpumpen-Arten,
hergestellt wurden, analog dem in der obigen Beschreibung
ausgeführten Beispiel zur Herstellung von a-Si-
Abscheidungsfilmen gebildet. Das heißt, die a-Si-Abscheidungsfilme
wurden entweder einerseits erfindungsgemäß unter gewöhnlichem
Druck unter Verwendung der Umwälzpumpe 20 der Vorrichtung
gemäß Figur oder andererseits durch eine Vorrichtung, in der
eine Vakuum- oder Hochvakuumpumpe anstelle der Umwälzpumpe 20
zum Erreichen eines niedrigeren als dem gewöhnlichen Druck
eingesetzt wurde, hergestellt.
Tabelle 2 zeigt die Bedingungen der Filmbildung und die Eigenschaften des erhaltenen Films für jedes Rohmaterial. Im Falle
der Proben 1 und 2 der Tabelle 2 wurde das unzersetzte Gas,
das durch das Auslaßrohr 5 hindurch ausgelassen wurde, mittels
der Umwälzpumpe 20 durch die Vorheizkammer 18 hindurch zu der
Abscheidungskammer 1 in den Kreislauf zurückgeführt. Proben 3
bis 6 wurden gebildet, indem die Umwälzpumpe 20 durch eine Va
kuumpumpe zur Evakuierung ersetzt wurde, und Proben 7 bis 10
wurden gebildet, indem die Umwälzpumpe 20 durch eine Hoch
vakuumpumpe zur Evakuierung ersetzt wurde. In den Fällen der Proben
3 bis 10 wurde das unzersetzte Gas nicht in den Kreislauf
zurückgeführt.
Der "Bildfehler" in Tabelle 2 ist die Unregelmäßigkeit, die
bei Bildern beobachtet wurde, die folgendermaßen vervielfältigt
bzw. kopiert wurden: Jedes der in diesem Beispiel hergestellten,
lichtempfindlichen Aufzeichnungselemente wurde in
eine Kopiervorrichtung des Wärmefixiertyps eingesetzt; es wurden
negativ aufladbare Toner verwendet, und durch Durchführung
einer positiven Aufladung, einer Belichtung und einer Übertragung
nach dem Carlson-Verfahren wurden Kopien des Formats A3
hergestellt, bei denen die gesamte Fläche dunkel oder die ge
samte Fläche hell war, oder bei denen die gesamte Fläche einen
Halbton zeigte.
Bei jedem der zylindrischen lichtempfindlichen Aufzeichnungs
elemente dieses Vergleichsbeispiels wurde auf dem Träger eine
600,0 nm dicke Sperrschicht aus h-Si:B:O gebildet, um das Auf
nahmepotential an das Kopierverfahren anzupassen, und auf der
Sperrschicht wurde der a-Si-Abscheidungsfilm gebildet.
Die Ergebnisse in der Tabelle 2 zeigen deutlich, daß die Ab
scheidungseffizienz bei gewöhnlichen Drücken (Proben Nr. 1 und
2) gemäß der Erfindung, insbesondere gegenüber der Anwendung
von Hochvakuum (Proben Nr. 7 bis 10) wesentlich verbessert
ist, während gleichzeitig eine gute Qualität des erhaltenen
Erzeugnisses gewährleistet ist, beurteilt durch das
Aufnahmepotential und die Bildqualität einer unter Verwendung
des mit dem Abscheidungsfilm versehenen, lichtempfindlichen
Aufzeichnungsmaterials hergestellten Kopiervorrichtung.
Aufgrund des durch die Erfindung ermöglichten Arbeitens bei
gewöhnlichem Druck unter geringer Temperatur kann das
Filmabscheidungsverfahren auf ökonomische Weise durchgeführt
werden, und ein Abscheidungsfilm von hervorragender Qualität
kann bei einer wesentlich höheren Abscheidungsgeschwindigkeit
erhalten werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß
die Abscheidungsvorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren
im Vergleich zur herkömmlichen Art weniger kompliziert
aufgebaut ist und leichter geregelt werden kann.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung siliciumhaltiger Abschei
dungsfilme auf einem Träger durch Zersetzung eines gas
förmigen Silans, dadurch gekennzeichnet, daß ein cyclisches
Silan, das durch die allgemeine Formel (SiH₂)n, worin
n 4,5 oder 6 ist, wiedergegeben wird, im gasförmigen Zustand
zusammen mit einem Trägergas in eine Abscheidungskammer
eingeleitet wird und den eingeleiteten Gasen bei gewöhnlichem
Druck Wärme zugeführt wird, um das cyclische Silan
zu zersetzten, wodurch auf dem in die Abscheidungskammer
hineingebrachten Träger der siliciumhaltige Abscheidungsfilm
gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der siliciumhaltige Abscheidungsfilm ein Abscheidungsfilm
aus amorphem Silicium ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das cyclische Silan bei Temperaturen von 100 bis 350°C
thermisch zersetzt wird.
4. Verwendung der nach einem Verfahren der Ansprüche
1 bis 3 hergestellten siliciumhaltigen Abscheidungsfilme
für lichtempfindliche Aufzeichnungsmaterialien.
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