DE3803189C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schichtherstellung durch Elektronenstrahlverdampfung eines sublimierbaren Quellenmaterials. Ein solches Verfahren ist aus der JP-A 58/1 57 886 bekannt.

Bei diesem bekannten Verfahren wird auf einem Substrat eine Schicht in der Weise hergestellt, daß ein in gesinterter Form vorliegendes, sublimierbares Quellenmaterial mit Hilfe eines Elektronenstrahls im Vakuum verdampft wird.

Die Vakuumverdampfung ist einer der meistangewendeten Techniken zum Aufbringen dünner Schichten von Metall, Halbleitern oder einem Dielektrikum auf verschiedenen Substraten. Zum Erhitzen des Verdampfungsquellenmaterials in einem Vakuum verwendet man entweder eine Widerstands­ heizung oder eine Elektronenstrahlheizung. Die Vakuum­ verdampfungstechnik hat Vorzüge, wie zum Beispiel die Einfachheit der zum Aufbringen verwendeten Vorrichtung, eine große Zuwachsrate der Schicht auf dem Substrat, und folglich, ein erfolgreiches Anwachsen bis zu einer ge­ wünschten Schichtdicke mit wenig von Fremdsubstanzen in der Vakuumkammer herrührender Verschmutzung und die Mög­ lichkeit eine ein gewünschtes Muster aufweisende Schicht ohne Schwierigkeiten auszubilden, indem man eine Maske mit geeigneten Öffnungen vor der Substratoberfläche an­ ordnet. Dementsprechend wird die Vakuumverdampfung in großem Umfang angewendet, um dünne Schichten auszubilden, die beispielsweise aus Verbindungshalbleitern der zweiten bis sechsten Gruppe, wie zum Beispiel ZnS, ZnSe, CdS und CaSe bestehen, und die als Halbleiterschichten in Dünn­ schichttransistoren oder als lichtemittierende Schichten in Dünnschicht-Elektrolumineszenzvorrichtungen dienen.

Ein beim Aufbringen von Schichten aus Verbindungshalb­ leitern der zweiten bis sechsten Gruppe durch Vakuum­ verdampfung jeweils bestehendes Problem ist, daß das in einem Vakuum zum Verdampfen erhitzte Verdampfungsquellen­ material teilweise in Form von feinen Teilchen zerstreut wird, und daß einige der zerstreuten Teilchen mit dem Substrat, auf dem die Schicht aufgebracht wird, kolli­ dieren. Das hat zur Folge, daß die Oberfläche der auf­ gebrachten Schicht oft mit Teilchen deren Größe mehrere µm beträgt übersät ist und deshalb uneben und rauh wird. Wenn eine dünne Schicht eines Verbindungshalbleiters, wie zum Beispiel die lichtemittierende Schichte in einer Dünnschicht-Elektrolumineszenzvorrichtung, auf einer Isolierschicht ausgebildet wird, und diese Halbleiter­ schicht dann mit einer anderen Isolierschicht bedeckt wird, so kann es leicht geschehen, daß die zerstreuten Teilchen des Quellenmaterials die unten liegende Isolier­ schicht und/oder die oben liegende Isolierschicht durch­ brechen, wodurch die Isolierung an mehreren Stellen unter­ brochen wird (sogenannter Durchbruch vom Selbstheilungs­ typ), und in einigen Fällen kann dieser Bruch solche For­ men annehmen, daß die meisten der Bildelemente zerstört werden (sogenannter Durchbruch vom Fortpflanzungstyp).

Um das oben angeführte Problem zu lösen, wurde vorge­ schlagen (z. B. JP-A 57-99 723) ein Gitter anzuordnen, das den Durchtritt von Dampf erlaubt, während es die Bewegung der zerstreuten festen Teilchen zwischen dem Substrat in der Vakuumkammer und dem zu verdampfenden Quellenma­ terial blockiert. Bei Verwendung eines solchen Siebgit­ ters ist es jedoch schwierig eine gleichmäßige Dicke der aufgebrachten Schicht aufrechtzuerhalten, da das Gitter nach und nach durch die abgefangenen Teilchen verstopft wird. Wird, als kompensierende Maßnahme, die Leistung des Elektronenstrahlgenerators vergrößert, um eine kon­ stante Zuwachsrate der aufgebrachten Schicht aufrechtzu­ erhalten, so hat das zur Folge, daß, durch eine Verän­ derung in der Verdampfungstemperatur, keine Schichten mit gleichförmigen charakteristischen Eigenschaften mehr erhalten werden. Außerdem ist die Größe der Teilchen, die das Siebgitter abfangen kann, begrenzt.

Beim Verfahren nach vorstehend genannte JP-A 58/1 57 886 wird ein Elektrolumineszenz-Leuchtstoff auf dem Substrat abgeschieden, indem ein II-VI-Verbindungshalbleiter zusammen mit einem Aktivierungsmittel ver­ dampft. So wird bei dem bekannten Verfahren ein Aktivierungsmittel, wie z. B. Mn, Cu, Ag, Tb oder Sm, durch Erhitzen im Vakuum verdampft, während gleichzeitig ein gesinterter Körper, z. B. aus ZnS, der kein Aktivierungsmittel enthält, mittels eines Elektronenstrahls verdampft wird.

Der bekannte Stand der Technik ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß das in Form eines gesinterten Körpers vorliegende Quellenmaterial in der Vakuumkammer in Form von feinen Teilchen zerstreut wird. Gelangen diese zerstreuten, feinen Teilchen auf das Substrat, so rufen sie dort eine aus mancherlei Gründen unerwünschte rauhe Oberfläche hervor, weil diese feinzerteilten feinen Teilchen deutlich größer sind als durch Niederschla­ gen aus der Dampfphase gebildete Teilchen des Quellenmaterials.

Aus den US-PS 27 62 722 und 30 94 395 sind Verfahren zur Vakuum­ verdampfung von sublimierbaren Quellenmaterialien bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren wird das Erwärmen und schließliche Verdampfen des Quellenmaterials jedoch nicht mit Hilfe eines Elektronenstrahls durchge­ führt. Die vorstehend genannten Druckschriften wie auch die US-PS 31 53 137 beschreiben die Verwendung von sublimierbaren Quellen­ materialien in kristalliner sowie in nichtkristalliner, ungesinterter Form.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung so auszubilden, daß das unerwünschte Zerstreuen (sputtering) von festen Feinteilchen des Quellenmaterials in der Vakuumkammer deutlich vermindert wird.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß die Anzahl von unerwünschten Teilchen auf der Substratoberfläche bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich geringer ist als bei Verwendung eines gesinterten Quellenmate­ rials nach dem Stande der Technik (vgl. Fig. 3).

Vorzugsweise wird als Quellenmaterial ein II-VI-Verbindungshalbleiter eingesetzt. Ferner wird bevorzugt als Quellenmaterial ein Elektrolumi­ neszenz-Leuchtstoff eingesetzt.

Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, daß simultan zum Elektrolumineszenz-Leuchtstoff ein Aktivierungsmittel thermisch auf das Substrat aufgedampft wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Gefahr dielektrischer Durchschläge sowie der Gefahr des Ablösens der Oberflächenschicht vom Substrat sehr weitgehend vorgebeugt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Verdampfungsvorrichtung,

Fig. 2 eine Abwandlung der in Fig. 1 dargestellten Heizeinrichtung und

Fig. 3 ein graphisches Schaubild, in welchem die Teilchenanzahl dargestellt ist, die auf einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten dünnen Schicht vorhanden sind im Vergleich mit einer entsprechenden Schicht, welche durch ein herkömmliches Verfahren unter Verwendung eines gesinterten Quellenmaterials hergestellt worden ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Hilfe einer herkömmlichen Verdampfungsvorrichtung durchgeführt werden.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Vakuumverdampfungsvor­ richtung, die ein Vakuumglockengefäß 10 verwendet, um eine Vakuumkammer 12 zu bilden. Das Bezugszeichen 14 be­ zeichnet ein Substrat auf dem eine dünne Schicht aufge­ bracht werden soll. Eine Heizeinrichtung 16 ist vorge­ sehen, um das Substrat 14 auf einer vorbestimmten Tem­ peratur zu halten. Ein Verdampfungsquellenmaterial 18 ist in einem geeigneten Abstand von dem Substrat 14 in der Vakuumkammer 12 angeordnet, und ein Elektronen­ strahlgenerator 20 ist als Heizeinrichtung für das Quel­ lenmaterial 18 vorgesehen. Eine Schwenkklappe 22 ist vor dem Substrat 14 angeordnet, um feste Teilchen daran zu hindern das Substrat 14 zu erreichen.

Um eine Verbindungshalbleiterschicht als lichtemittierende Schicht in einer Dünnschicht-Elektrolumineszenzvorrichtung auszubilden, wobei man zum Beispiel ZnS oder ZnSe als Grundmaterial und zum Beispiel Mn als Elektrolumineszenz­ zentren hervorrufendes Aktivierungsmittel verwendet, wird das Grundmaterial in ungesintertem Zustand als Quellen­ material 18 in Fig. 1 angeordnet. Außerdem wird das Ak­ tivierungsmittel in Form von Flocken 24 in einem Tiegel 26 angeordnet, der mit einer Widerstandsheizeinrichtung ver­ sehen ist. Das ungesinterte Grundmaterial 18 (Quellenmaterial) liegt in Form eines Einkristalls oder eines Polykristalls vor. Dieses Quellen­ material ist hergestellt durch chemische Dampfabscheidung (CVD) eines ungesinterten kristallinen Materials. Das Substrat 14 wird zuerst mit einer (nicht dargestellten) Isolierschicht belegt.

Durch Bestrahlung mit einem vom Generator 20 kommenden Elek­ tronenstrahl wird das Grundmaterial 18 erhitzt, so daß es nach und nach durch Sublimierung verdampft. Gleich­ zeitig wird das Aktivierungsmittel 24 in dem Tiegel 26 erhitzt, indem der Widerstandsheizeinrichtung Energie zu­ geführt wird. Im vorliegenden Fall ist es angebracht 100 Gewichtsteile des Grundmaterials 18, wie zum Beispiel ZnS, und zwischen 0,01 und 10 Gewichtsteile des Aktivierungsmit­ tels 24, wie zum Beispiel Mn, pro Zeiteinheit zu ver­ dampfen. Durch einen solchen Vakuumverdampfungsvorgang wird eine dünne Schicht eines Elektrolumineszenzleucht­ stoffes, wie zum Beispiel ZnS mit einem Gehalt von 0,01 bis 10 Gewichtsprozent Mn, auf dem Substrat 14 aufge­ bracht. Durch das Sublimieren des Grundmaterials 18 in ungesintertem Zustand hat die so erhaltene Schicht eine ebene und glatte Oberfläche.

Eine andere Möglichkeit ist sowohl das sublimierbare Grundmaterial 18 als auch das Aktivierungsmittel 24 durch Elektronenstrahlheizung zu erhitzen. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Elektronen­ strahlgenerator 20 so abgewandelt, daß er wechselweise das Grundmaterial 18 und das Aktivierungsmittel 24 mit einem Elektronenstrahl bestrahlt. Bei jeder Folge der wechsel­ weisen Bestrahlung wird das Grundmaterial 18 länger be­ strahlt als das Aktivierungsmittel 24, so daß die beiden Materialien 18, 24 in einem, wie oben angegebenen, geeig­ neten Verhältnis verdampfen. Was die Qualität der Ober­ fläche der so erhaltenen Schicht angeht, so besteht kein Unterschied zwischen dem Verfahren nach Fig. 2 und dem Verfahren nach Fig. 1.

Als Vergleichsversuch wurde eine ZnS : Mn Schicht mit dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung durch Vakuum­ verdampfung aufgebracht (dargestellt in Fig. 1), und eine andere ZnS : Mn Schicht wurde in derselben Vorrichtung auf­ gebracht, wobei ein gesinterter ZnS Körper als das zu verdampfende Quellenmaterial 18 verwendet wurde. In beiden Fällen war die Dauer des Vakuumverdampfungsvorgangs variabel, und die auf der Oberfläche der aufgebrachten Schicht vorhandene Anzahl feiner Teilchen wurde überprüft. Die Ergebnisse waren die in Fig. 3 dargestellten, wobei die Kurve (A) das Verfahren nach der vorliegenden Erfin­ dung und die Kurve (B) das gesinterte ZnS verwendende, herkömmliche Verfahren darstellt. Wie aus dem Diagramm er­ sichtlich ist, betrug beim herkömmlichen Verfahren die er­ mittelte Anzahl von Teilchen auf 1 cm² der Schichtober­ fläche 10⁴-10⁵, während sie sich beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung auf 10²-10³ verringerte. Das heißt, daß sich bei Verwendung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens die Anzahl der verstreuten Teilchen auf ungefähr ¹/₅₀₀ bis ¹/₁₀₀₀ der normalerweise auftretenden Anzahl verringert.

Was die Elektrolumineszenz-Schwellenspannung und die maximale Helligkeit angeht, so bestand wenig Unterschied zwischen zwei Dünnschicht-Elektrolumineszenzvorrichtungen, die durch das herkömmliche Verfahren und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Was die dielektrische Festigkeit anbetrifft, so wurde bei unter Verwendung der Erfindung hergestellten Mustern der Elektrolumineszenzvorrichtung nie ein Durchbruch vom Fortpflanzungstyp beobachtet, während ein Durchbruch vom Selbstheilungstyp in fast derselben Weise bei Mustern der Elektrolumineszenzvorrichtung, die nach dem her­ kömmlichen Verfahren hergestellt wurden, und bei Mustern der Elektrolumineszenzvorrichtung, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, beobachtet wurde.

Claims (4)

1. Verfahren zur Schichtherstellung durch Elektronenstrahlverdampfung eines sublimierbaren Quellenmaterials, dadurch gekennzeichnet, daß ein ungesintertes, kristallines und durch chemische Dampfab­ scheidung (CVD) hergestelltes Quellenmaterial eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein II-VI-Verbindungshalbleiter eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektrolumineszenz-Leuchtstoff eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß simultan zum elektrolumineszenz-Leuchtstoff ein Aktivierungsmittel thermisch aufgedampft wird.