DE68910378T2

DE68910378T2 - Anlage zur Erzeugung dünner Schichten.

Info

Publication number: DE68910378T2
Application number: DE89401277T
Authority: DE
Inventors: Shin Araki; Hideki Kamaji
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1988-05-06
Filing date: 1989-05-05
Publication date: 1994-03-03
Anticipated expiration: 2009-05-06
Also published as: KR900019133A; EP0342113A1; KR920008122B1; EP0342113B1; US4979467A; DE68910378D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1) Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bildung eines dünnen Films eines Halbleiters, wie z.B. hydrierten amorphen Siliziums, eines Isolators, wie z.B. hydrierten amorphen Kohlenstoffs, oder dergleichen, auf einem Substrat und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Dünnfilmbildung, in der ein chemisches Gasphasen-Abscheidungs-Verfahren (CVD) zur Bildung eines Dünnfilms verwendet wird.

2) Beschreibung der verwandten Techniken

Es sind verschiedene CVD-Verfahrensarten zur Bildung eines Dünnfilms auf einem Substrat bekannt; zum Beispiel ein thermisches Zersetzungs-CVD-Verfahren, ein Photo-unterstütztes CVD-Verfahren und ein Plasma-unterstütztes CVD-Verfahren.
Bei dem thermischen Zersetzungs-CVD-Verfahren wird ein Gas eines Ausgangsmaterials (im folgenden als Ausgangsgas bezeichnet) thermisch in einem Reaktorgefäß zersetzt und aktiviert, um aktive Spezies als Zersetzungsprodukte zu erzeugen, und diese aktiven Spezies werden auf einem Substrat abgeschieden, um darauf einen Dünnfilm zu bilden. Bei dieser Art von Verfahren wird das Substrat im allgemeinen bei einer hohen Temperatur erwärmt, so daß die Zersetzung des Ausgangsgases in der Nähe einer Oberfläche des Substrats erfolgt. Aus diesem Grund muß das Substrat aus einem Material gebildet sein, das in der Lage ist, die Erwärmung bei einer hohen Temperatur auszuhalten. D.h. ein für das thermische Zersetzungs-CVD-Verfahren verwendbares Substratmaterial ist auf ein Material beschränkt, das nicht durch Erwärmung geschmolzen oder verformt werden kann. Auch kann die Bildung des Dünnfilms auf dem Substrat unbefriedigend ausfallen, wenn das Substrat während des thermischen Zersetzungs-CVD- Verfahrens überhitzt wird, weil eine Komponente der abgeschiedenen Verbindung aufgrund der Überhitzung des Substrats daraus freigesetzt werden kann.
Bei dem photoaktivierten CVD-Verfahren wird ein Ausgangsgas in einem Reaktorgefäß durch Lichtenergie zersetzt und aktiviert, um aktive Spezies als Zersetzungsprodukte zu erzeugen, und die erzeugten aktiven Spezies werden auf einem Substrat zur Bildung eines Dünnfilms darauf abgeschieden. Das Ausgangsgas wird nämlich mit Licht mit einer Wellenlänge im Ultraviolettband bestrahlt, welches einer Absorption durch das Ausgangsgas unterliegt, so daß die aktiven Spezies zersetzt und aus dem Ausgangsgas erzeugt werden. Als Lichtquelle zur Lichtbestrahlung können im allgemeinen eine Niederdruck-Quecksilberdampflampe, ein Deuteriumentladungsrohr und eine ArF-Excimerlaservorrichtung verwendet werden. Die Niederdruck-Quecksilberdampflampe und das Deuteriumentladungsrohr emittieren kontinuierliches Licht, aber dessen Intensität ist gering, und es ist folglich schwierig, die Zersetzung des Ausgangsgases wirksam durchzuführen, was eine geringe Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit zur Folge hat. Andererseits ist es unmöglich, kontinuierliches Licht von dem ArF-Excimerlaser zu erhalten, da der ArF-Excimerlaser als gepulstes Licht mit einer Pulsfrequenz von weniger als 1 kHz erhalten wird. Dies bedeutet, daß eine Lebensdauer der erzeugten aktiven Spezies kürzer als eine Schwingungsperiode der Pulsfrequenz ist, was eine Verschlechterung der Eigenschaften des abgeschiedenen Dünnfilms zur Folge hat. Außerdem wird das Licht während des Photo-unterstützten CVD-Verfahrens in das Reaktorgefäß durch ein darin ausgebildetes Glasfenster eingeführt, so daß die Zersetzung des Ausgangsgases dazu neigt, in der Nähe des Glasfensters einzutreten, wodurch die erzeugten aktiven Spezies auf dem Glasfenster abgeschieden werden können, und folglich wird, wenn mehr von den aktiven Spezies auf dem Glasfenster abgeschieden wird, die Einleitung des Lichtes durch das Glasfenster behindert.
Bei dem Plasma-unterstützten CVD-Verfahren wird ein Ausgangsgas in eine Plasmazone eingeführt, die im Inneren eines Reaktorgefäßes unter Verwendung einer Gleichstrom(DC)-Entladung, einer Hochfrequenz(HF)-Entladung oder einer Mikrowellen-Entladung erzeugt wird. Das zugeführte Ausgangsgas wird in der Plasmazone zum Zusammenstoß mit Elektronen und Ionen gebracht, so daß das Ausgangsgas dissoziiert wird, um aktive Spezies zu erzeugen, die sich auf dem Substrat unter Bildung eines Dünnfilms auf demselben abscheiden.
Wenn die Gleichstromentladung bei dem Plasma-unterstützten CVD-Verfahren verwendet wird, kann die Bildung eines ausgezeichneten Dünnfilmleiters durchgeführt werden, weil eine stabile Gleichstromentladung leicht während der Bildung des Dünnfilmleiters aufrechterhalten werden kann, aber es ist unmöglich, die Bildung eines ausgezeichneten Dünnfilmhalbleiters oder Isolators durchzuführen, weil die Gleichstromentladung nicht stabil aufrechterhalten werden kann. D.h. die aktiven Spezies für die Bildung eines Halbleiters oder Isolators scheiden sich nicht nur auf dem Substrat, sondern auch auf den Elektroden ab, so daß ein elektrischer Widerstand zwischen den Elektroden allmählich erhöht wird. Demgemäß kann das Plasma-unterstützte Gleichstromentladungs- CVD-Verfahren nicht für die Bildung des Dünnfilmhalbleiters oder -isolators verwendet werden.
Die HF-Entladung kann bei dem Plasma-unterstützten CVD- Verfahren verwendet werden, um sowohl den Dünnfilmleiter als auch den Dünnfilmhalbleiter oder -isolator zu bilden. Industriell wird das Plasma-unterstützte HF-Entladungs-CVD- Verfahren am verbreitetsten verwendet, weil eine Zündspannung, bei der die HF-Entladung bewirkt wird, relativ niedrig ist und weil ein stabiles Plasma leicht über einer ausgedehnten Fläche erhalten werden kann. Nichtsdestoweniger ist, da eine mittels der HF-Entladung erzeugte Plasmadichte gering (10&sup8; bis 10¹&sup0; cm&supmin;³) ist, die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit gering, und das Ausgangsgas kann nicht effektiv verbraucht werden.
Das Plasma-unterstützte HF-Entladungs-CVD-Verfahren wird häufig verwendet, um einen amorphen Dünnfilmhalbleiter, wie z.B. einen hydrierten amorphen Silizium(a-Si:H)-Dünnfilm zu bilden, und im allgemeinen wird die Bildung des amorphen Dünnfilmhalbleiters derart durchgeführt, daß in einem Reaktorgefäß ein Druck (ein Druck eines Ausgangsgases) im Bereich von 13 bis 1300 Pa (0,1 bis 10 Torr) aufrechterhalten wird.
Wenn die Bildung des amorphen Dünnfilmhalbleiters in einem Hochdruckbereich von ungefähr 40 bis 1300 Pa (0,3 bis 10 Torr) durchgeführt wird, ist die Wachstumsrate des Dünnfilms relativ groß, aber der amorphe Dünnfilmhalbleiter kann fehlerhaft sein. Insbesondere im Hochdruckbereich von 40 bis 1300 Pa (0,3 bis 10 Torr) stoßen die aus dem Ausgangsgas dissoziierten aktiven Spezies miteinander und den Ausgangsgasmolekülen zusammen, so daß hochmolekulare Verbindungen als feines Pulver im Reaktorgefäß erzeugt werden. Wenn beispielsweise die Bildung des hydrierten amorphen Silizium(a-Si:H)-Dünnfilms im Hochdruckgebiet von 40 bis 1300 Pa (0,3 bis 10 Torr) durchgeführt wird, werden die hochmolekularen Pulver SinHm (n, m = natürliche Zahl), die sich von dem Ausgangsgas, wie z.B. SiH&sub4;, Si&sub2;H&sub6; oder dergleichen, ableiten, erzeugt, und diese hochmolekularen Pulver können sich zusammen mit den aktiven Spezies auf dem Substrat abscheiden, was Defekte in dem hydrierten amorphen Siliziumdünnfilm zur Folge hat. Da sich die hochmolekularen Pulver auch auf den Entladungselektroden und den Innenwandoberflächen des Reaktorgefäßes abscheiden können, muß das Reaktorgefäß nach jedem Bildungsverfahren gereinigt werden, um die hochmolekularen Pulver zu entfernen. Weiterhin können sich, wenn das CVD-Reaktorgefäß über ein zwischengeschaltetes Ventil mit einem anderen Reaktorgefäß in Verbindung steht, so daß das Substrat von einem Reaktorgefäß in das andere Reaktorgefäß bewegt werden kann, die hochmolekularen Pulver auf dem Ventil abscheiden, und folglich kann das Ventil nicht normal arbeiten.
Wenn andererseits die Bildung des amorphen Dünnfilmhalbleiters in einem Niederdruckbereich von etwa 13 bis 40 Pa (0,1 bis 0,3 Torr) durchgeführt wird, ist es möglich, die Erzeugung des hochmolekularen Pulvers zu verhindern, weil die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen den aktiven Spezies und den Ausgangsgasmolekülen aufgrund des niedrigen Drucks des Ausgangsgases beträchtlich herabgesetzt wird, wodurch die Bildung eines ausgezeichneten amorphen Dünnfilmhalbleiters ohne Defekte durchgeführt werden kann. Dies bedeutet jedoch, daß die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit sehr gering ist, und daß das Ausgangsgas nicht effektiv verbraucht werden kann.
Auch die Mikrowellenentladung kann für das Plasma-unterstützte CVD-Verfahren zur Bildung sowohl des Dünnfilmleiters als auch des Dünnfilmhalbleiters oder -isolators verwendet werden. Im allgemeinen wird das Plasma-unterstütze Mikrowellenentladungs-CVD-Verfahren durch Einleitung einer Mikrowelle mittels eines Wellenleiters in ein Reaktorgefäß durchgeführt. Dies geschieht, weil ein Entladungsplasma nur in einer lokalisierten Zone in der Nähe der Antenne erhalten werden kann, obwohl eine Antenne zur Erzeugung einer Mikrowelle im Innern eines Reaktorgefäßes aufgestellt wird. Die Mikrowellenentladung kann sogar bei einem sehr niedrigen Druck von 1,3 x 10² Pa (10&supmin;&sup4; Torr) unter Verwendung eines Magnetfelds (Elektronzyklotronresonanz (ECR)) stabil aufrechterhalten werden, so daß die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen den Ausgangsgasmolekülen und Elektronen beträchtlich erhöht wird, wodurch nicht nur die Geschwindigkeit des Dünnfilms erhöht werden kann, sondern das Ausgangsgas auch effektiv verbraucht werden kann. Jedoch ist es im Plasma-unterstützten Mikrowellenentladungs-CVD-Verfahren unmöglich, eine ausgedehnte Plasmazone zu erhalten, weil eine Querschnittsfläche der Plasmazone aufgrund einer starken Richtwirkung der Mikrowelle auf diejenige des Wellenleiters beschränkt ist. Durch Einbau eines Hohlraumresonators in das Reaktorgefäß kann die Plasmazone auf einen Innenraum des Hohlraumresonators erweitert werden, aber die Größe des Hohlraumresonators wird durch eine verwendete Frequenz der Mikrowelle beschränkt. Aus diesem Grund kann das Plasmaunterstützte Mikrowellenentladungs-CVD-Verfahren nicht zur Bildung eines Dünnfilms auf einem Substrat mit großen Abmessungen verwendet werden. Außerdem ist im allgemeinen eine Eigenschaft eines durch Plasma-unterstütztes HF-Entladungs- CVD-Verfahren gebildeten Dünnfilms derjenigen eines durch Plasma-unterstütztes Mikrowellenentladungs-CVD-Verfahren erhaltenen Dünnfilms unterlegen.
Es ist auch aus der JP-A-62 23871 bekannt, Elektronen in einem vertieften Teil der Entladungselektrode durch die Vertiefung umgebende Magneten einzuschließen, um die Elektronendichte in einem Bereich nahe dem behandelten Substrat zu erhöhen.
In der US-A-4 633 809 wird eine Plasma-Ätzvorrichtung offenbart, die zur Bildung eines amorphen Siliziumfilms auf einem Substrat bestimmt ist und mit einer leitenden Maschenstruktur ausgestattet ist, die in einer Reaktionskammer so angeordnet ist, daß sie den plasmaerzeugenden Bereich umgibt und das Plasma an einer Ausbreitung hindert, während das Slliziumverbindungsgas durch dieselbe hindurchtreten kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Deshalb ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bildung eines Dünnfilms auf einem Substrat unter Verwendung eines Hochfrequenzentladungsplasmas bereitzustellen, in welchem nicht nur die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit gefördert werden kann, sondern auch ein Ausgangsgas effektiv bei einem niedrigen Druck des Ausgangsgases verbraucht werden kann.
Deshalb wird in Übereinstimmumg mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Bildung eines Dünnfilms auf einem Substrat bereitgestellt, die ein Reaktorgefäß, eine erste Elektrode und eine im Gefäß gegenüberliegend angeordnete zweite Elektrode und eine Einleitungsvorrichtung zur Einleitung eines Ausgangsgases in das Reaktorgefäß durch den Hohlraum der ersten Elektrode umfaßt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dünnfilmbildung umfaßt auch einen Schaltkreis, der eine elektrische Hochfrequenzquelle zur Anlegung einer Hochfrequenzspannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode einschließt, um dazwischen eine Plasmaentladungszone für die Dissoziation des Ausgangsgases bereitzustellen wobei der Schaltkreis so angeordnet ist, daß die erste Elektrode als Entladungselektrode dient und die zweite Elektrode geerdet ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die erste Elektrode Wände, die einen Hohlraum umschließen und einen Auslaß aufweisen, der sich zur zweiten Elektrode hin öffnet, und der Schaltkreis schließt weiterhin eine Vorspannungsvorrichtung zum Vorspannen eines Potentials der ersten Elektrode zur negativen Seite hin ein, wodurch ein Plasma hoher Dichte in dem Hohlraum erzeugt wird, wodurch die Dissoziation des dahinein eingeleiteten Ausgangsgases erleichtert wird.
In der vorliegenden Erfindung kann die Vorspannungsvorrichtung einen Sperrkondensator umfassen, der in den Schaltkreis eingebaut ist. In diesem Fall weist die erste Elektrode eine Entladungsfläche auf, die gleich wie oder vorzugsweise kleiner als eine Fläche der zweiten Elektrode ist, welche der Entladungsfläche der ersten Elektrode gegenüber liegt. Unter diesen Umständen fängt die erste Elektrode einen Teil der zu Beginn der Entladung zwischen der ersten und zweiten Elektrode erzeugten Elektronen ein, so daß die erste Elektrode ihr Potential selbst zur negativen Seite hin vorspannt, bis die erste Elektrode durch die Elektronen gesättigt ist.
Andererseits kann die Vorspannungsvorrichtung eine Gleichspannungsquelle umfassen, die in den Schaltkreis eingebaut ist. In diesem Fall wird ein Potential der ersten Elektrode erzwungenermaßen zur negativen Seite hin vorgespannt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen besser verstanden, in denen:
Figur 1 eine schematische Ansicht ist, die eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dünnfilmbildung darstellt;
Figur 2(a) eine perspektivische Ansicht ist, die eine erste Elektrode, die in der ersten Ausführungsform von Fig. 1 verwendet wird, darstellt;
die Figuren 2(b) bis 2(d) perspektivische Ansichten sind, die eine alternative Ausführungsform zu der ersten Elektrode von Fig. 2(a) darstellen;
Figur 3 eine schematische Ansicht ist, die eine Abänderung der ersten in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform darstellt;
Figur 4 eine schematische Ansicht ist, die eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dünnfilmbildung darstellt;
Figur 5 eine schematische Ansicht ist, die eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dünnfilmbildung darstellt;
Figur 6 ein Diagramm ist, das eine Eigenschaft eines hydrierten amorphen Siliziumdünnfilms darstellt, welcher in einer gemäß der dritten Ausführungsform von Fig. 5 zusammengebauten Vorrichtung zur Dünnfilmbildung erhalten wurde;
die Figuren 7(a) bis 7(c) Diagramme sind, die eine Wellenform eines Potentials der ersten Elektrode, die in der gemäß der dritten Ausführungsform von Fig. 5 zusammengebauten Vorrichtung zur Dünnfilmbildung verwendet wird, darstellen;
Figur 8(a) eine schematische perspektivische Ansicht ist, die eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dünnfilmbildung darstellt;
Figur 8(b) eine schematische Querschnittsansicht längs einer horizontalen Ebene ist, die eine Längsachse eines Einlaßrohrs, das Teil der Vorrichtung zur Dünnfilmbildung von Fig. 8(a) ist, einschließt;
Figur 9(a) eine schematische Ansicht ist, die eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dünnfilmbildung darstellt;
Figur 9(b) eine schematische perspektivische Ansicht ist, die Entladungselektrodenelemente, die in der gemäß der fünften Ausführungsform von Fig. 9(a) zusammengebauten Vorrichtung zur Dünnfilmbildung verwendet werden, darstellt;
Figur 10 ein Diagramm ist, das eine Wellenform eines Potentials der Entladungselektrodenelemente, die in der gemäß der fünften Ausführungsform von Fig. 9(a) zusammengebauten Vorrichtung zur Dünnfilmbildung verwendet werden, darstellt;
Figur 11 ein dreidimensionales Diagramm ist, das eine Dickenverteilung eines Dünnfilms darstellt, der mittels der gemäß der fünften Ausführungsform von Fig. 9(a) zusammengebauten Vorrichtung zur Dünnfilmbildung gebildet ist;
Figur 12 ein dreidimensionales Diagramm ist, das eine Dickenverteilung eines Dünnfilms, der mittels einer herkömmlichen Vorrichtung zur Dünnfilmbildung gebildet ist, darstellt;
die Figuren 13(a) und 13(b) schematische Ansichten sind, die eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dünnfilmbildung darstellen, wobei Fig. 13(a) eine horizontale Querschnittsansicht von Fig. 13(b) ist und Fig. 13(b) eine vertikale Querschnittsansicht von Fig. 13(a) ist;
Figur 14 ein Diagramm ist, das eine Wellenform eines Potentials der Entladungselektrodenelemente darstellt, die in der gemäß der fünften Ausführungsform der Figuren 13(a) und 13(b) zusammengebauten Vorrichtung zur Dünnfilmbildung verwendet werden;
Figur 15 ein Diagramm ist, das eine Dickenverteilung eines Dünnfilms, der mittels der gemäß der fünften Ausführungsform der Figuren 13(a) und 13(b) zusammengebauten Vorrichtung zur Dünnfilmbildung gebildet ist, darstellt;
Figur 16 eine schematische Ansicht ist, die eine siebente Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dünnfilmherstellung darstellt;
die Figuren 17(a) und 17(b) schematische Ansichten sind, die eine achte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dünnfilmbildung darstellen, wobei Fig. 17(a) eine horizontale Querschnittsansicht von Fig. 17(b) ist und Fig. 17(b) eine vertikale Querschnittsansicht von Fig. 17(a) ist;
Figur 18 ein Diagramm ist, das eine Dünnfilm-Bildungsgeschwindigkeit bezüglich Dünnfilmen darstellt, die mittels einer gemäß der achten Ausführungsform der Figuren 17(a) und 17(b) Zusammengebauten Vorrichtung zur Dünnfilmbildung hergestellt sind;
Figur 19 eine schematische Ansicht ist, die eine neunte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dünnfilmbildung darstellt; und
die Figuren 20(a) und 20(b) schematische Ansichten sind, die eine zehnte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dünnfilmbildung darstellen, wobei Fig. 20(a) eine horizontale Querschnittsansicht von Fig. 20(b) ist und Fig. 20(b) eine vertikale Querschnittsansicht von Fig. 20(a) ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Mit Bezug auf Figur 1 umfaßt eine Vorrichtung zur Dünnfilmbildung, allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet, ein Reaktorgefäß 12, das eine Einlaßöffnung 14 und eine Auslaßöffnung 16 aufweist. Die Einlaßöffnung 14 ist an ein Ende eines Einlaßrohrs 18 angeschlossen, dessen anderes Ende an eine geeignete Ausgangsgasquelle (nicht dargestellt) angeschlossen ist, die Auslaßöffnung 16 ist an eine geeignete Vakuumpumpe (nicht dargestellt), wie z.B. eine Rotationspumpe oder eine mechanische Boosterpumpe, angeschlossen.
Die Vorrichtung 10 zur Dünnfilmbildung umfaßt auch eine erste und zweite Elektrode 20 und 22, die in dem Reaktorgefäß 12 gegenüberliegend angeordnet vorgesehen sind, um dazwischen eine Entladungszone zu definieren; wobei die erste und zweite Elektrode 20 und 22 aus einem geeigneten leitenden Material, wie z.B. nichtrostendem Stahl, gebildet sind.
In dieser Ausführungsform ist die erste Elektrode 20 wie in Figur 2(a) dargestellt aufgebaut. D.h. die erste Elektrode 20 umfaßt einen rechteckigen flachen Abschnitt 20a und einen aufrechten Abschnitt 20b, der integral aus dem flachen Abschnitt 20a entlang dessen Längsachse herausragt. Der aufrechte Abschnitt 20b weist einen darin ausgebildeten rechteckigen Hohlraum 20c auf, der in den flachen Abschnitt 20a verlängert ist und an dessen Entladungsoberfläche geöffnet ist. Wie man aus den Figuren 1 und 2(a) sieht, weist der aufrechte Abschnitt 20b eine Mehrzahl von an dessen Kopf gebildeten Öffnungslöchern 20e auf, die untereinander in gerader Linie ausgerichtet sind. Die erste Elektrode 20 ist an der Deckenwand des Reaktorgefäßes 12 aufgehängt. Insbesondere ragt der Kopf des aufrechten Abschnittes 20b durch die Deckenwand des Reaktorgefäßes 12 und ist an der Deckenwand des Reaktorgefäßes 12 über einen zwischengeschalteten Isolator 23 befestigt, und ein Verteilerelement 14a, durch das die Einlaßöffnung 14 definiert ist, ist an dem Kopfende des aufrechten Abschnitts 20b derart befestigt, daß die Einlaßöffnung 14 durch die öffnungslöcher 20e in Verbindung mit dem Hohlraum 20c steht. Man beachte, daß das Verteilerelement 14a gleich ausgedehnt ist wie der aufrechte Abschnitt 20b, so daß alle öffnungslöcher 20e zu der Einlaßöffnung 14 hin geöffnet sind und daß das Verteilerelement 14a aus einem geeigneten leitenden Material gebildet ist, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Verteilerelement 14a und dem aufrechten Abschnitt 20b der ersten Elektrode 20 herzustellen. Die erste Elektrode 20 ist mit einem Schutzschild 24 bedeckt, das an der inneren Deckenwand des Reaktorgefäßes 12 aufgehängt ist. Die erste Elektrode 20 ist durch eine Impedanzanpassungbox 28 und einen Sperrkondensator 30 an eine elektrische Hochfrequenzquelle 26 angeschlossen; dabei ist die HF-Quelle 26 wie in Fig. 1 geerdet.
Weiterhin umfaßt die zweite Elektrode 22 einen rechteckigen flachen Abschnitt 22a und einen verlängerten Abschnitt 22b, der integral und abwärts aus dem flachen Abschnitt 22a herausragt. Die zweite Elektrode 22 ist auf der inneren Bodenwand des Reaktorgefäßes 12 befestigt, und ist wie in Fig. 1 dargestellt geerdet. Ein Substrat S wird auf den flachen Abschnitt 22a an eine vorbestimmte Stelle gelegt und wird durch eine darin eingebaute geeignete elektrische Heizvorrichtung 25 erwärmt. Man beachte, daß aus im folgenden beschriebenen Gründen der flache Abschnitt 22a der zweiten Elektrode 22 vorzugsweise breiter als der flache Abschnitt 20a der ersten Elektrode 20 ist.
Bei dieser Arbeitsweise wird zuerst mittels der Vakuumpumpe durch die Auslaßöffnung 16 Luft aus dem Reaktorgefäß 12 abgezogen, bis der Druck im Reaktorgefäß 12 weniger als 0,13 Pa (10&supmin;³ Torr) beträgt. Dann wird das Substrat S durch die elektrische Heizvorrichtung 25 auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt, während ein Ausgangsgas nacheinander durch die Einlaßöffnung 14, die Öffnungslöcher 20e und den Hohlraum 20c in das Reaktorgefäß 12 eingeleitet wird, so daß der Druck darin bei einem vorbestiinmten Niveau von etwa 1,3 Pa (0,01 Torr) und etwa 40 Pa (0,3 Torr) aufrechterhalten wird. Die Vakuumpumpe wird kontinuierlich betrieben.
Wenn mittels der elektrischen HF-Quelle 26 eine vorbestimmte HF-Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode, 20 und 22, angelegt wird, um eine HF-Entladung dazwischen zu bewirken, stoßen die durch die HF-Entladung erzeugten Elektronen mit den Ausgangsgasmolekülen zusammen, so daß eine Plasmazone zwischen der ersten und zweiten Elektrode 20 und 22 gebildet wird. Zu Beginn der HF-Entladung werden die Elektronen, die in der Nähe der ersten Elektrode 20 in Schwingungen versetzt werden, durch die erste Elektrode 20 aufgrund der Existenz des Sperrkondensators 30 eingefangen, so daß sich ein Potential der ersten Elektrode 20 selbst zur negativen Seite hin vorspannt. Wenn der flache Abschnitt 22a der zweiten Elektrode 22 breiter als der flache Abschnitt 20a der ersten Elektrode 20 ist, d.h. wenn die dem flachen Abschnitt 20a gegenüberliegende Fläche kleiner als die des flachen Abschnitts 22a ist, wird das Einfangen der Elektronen durch die erste Elektrode 20 erleichtert.
Wenn die erste Elektrode 20 mit den eingefangenen Elektronen gesättigt ist, verhalten sich die erste und die zweite Elektrode 20 und 22 als Kathode bzw. Anode, als ob dazwischen eine Gleichspannung angelegt wäre, so daß die in dem Hohlraum 20c vorhandenen Elektronen durch die elektrische Abstoßung, die die Elektronen von der Hohlraumwand erfahren, schnell in Schwingungen versetzt werden. D.h. die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen den Elektronen und den Ausgangsgasmolekülen in dem Hohlraum 20c wird nämlich beträchtlich erhöht, so daß ein Plasma hoher Dichte in einem zentralen Abschnitt der Entladungszone erzeugt wird, der sich in der Nähe des Hohlraums 20e befindet, wie durch die verengten Teilungslinien in Fig. 1 dargestellt. Die Folge ist, daß das Ausgangsgas direkt in das Plasma hoher Dichte eingeführt wird und die aktiven Spezies im Vergleich zu dem üblichen Plasma-unterstützten HF-Entladungs-CVD- Verfahren effizienter aus dem Ausgangsgas heraus dissoziiert werden, wodurch nicht nur eine Wachstumsgeschwindigkeit eines Dünnfilms auf dem Substrat S erhöht werden kann, sondern das Ausgangsgas auch effektiv verbraucht werden kann. In diesem Fall kann natürlich die Erzeugung hochmolekularer Pulver, die von dem Ausgangsgas abstammen, verhindert werden, weil, obwohl die Dichte des Plasmas (Elektronen) erhöht ist, der Ausgangsgasdruck auf einem geringen Niveau (1,3 bis 4 Pa (0,01 bis 0,3 Torr)) beibehalten wird. Weiterhin wird ein Plasma geringer Dichte in den übrigen Abschnitten der Entladungszone erzeugt, wie durch die aufgeweiteten Teilungslinien in Fig. 1 dargestellt. Natürlich kann die Dissoziation des Ausgangsgases auch in dem Plasma geringer Dichte durchgeführt werden. Man beachte, daß in den Öffnungslöchern 20e keine Entladung (Plasma) wegen deren geringer Größe (ungefähr 2 mm) erzeugt wird.
Die Figuren 2(b), 2(c) und 2(d) stellen Abänderungen der ersten Elektrode 20 dar, die in der Vorrichtung (10) zur Dünnfilmbildung, wie in Fig. 1 dargestellt, verwendbar sind.
In Fig. 2(b) umfaßt die Elektrode 32 ein rechteckiges Plattenelement 32a, das eine Mehrzahl von darin gebildeten Löchern 32b und Hülsenelemente 32c aufweist, die an dem Plattenelement 32a an den Stellen der Löcher 32b befestigt sind. Das Ausgangsgas wird in die Hohlräume der Hülsenelemente 32c durch die entsprechenden Löcher 32b zugeführt.
In Fig. 2(c) umfaßt die Elektrode 34 ein Scheibenelement 34a, das ein in dessen Zentrum ausgebildetes Loch und ein zylindrisches Element 34b, das an dem Scheibenelement 34a in dessen Zentrum befestigt ist, aufweist und einen Hohlraum oder eine Bohrung 34c, (der) die darin ausgebildet ist, aufweist, wobei sich die Bohrung 34c in das Scheibenelement 34a erstreckt und in dessen Zentrum geöffnet ist. Ein Loch 34d ist an dem oberen Ende des zylindrischen Elements 34b ausgebildet, und das Ausgangsgas wird durch das Loch 34d in die Bohrung 34c eingeleitet.
In Fig. 2(d) umfaßt die Elektrode 36 ein Scheibenelement 36a, ein allgemeines rechtwinkliges parallelepipedförmiges Maschenelement 36b, das diametral an dem Scheibenelement 36a befestigt ist, und ein gabelförmiges Rohrelement 36c, das Rohrabzweigungsabschnitte 36c&sub1; und 36c&sub2; aufweist, zwischen denen das Maschenelement 36b angeordnet ist. Das Maschenelement 36b umfaßt ein Paar breiterer Seitenwände 36b&sub1;, 36b&sub2; und ein Paar schmälerer Seitenwände 36b&sub3;, 36b&sub4;, die aus geeignetem leitendem Maschenmaterial, wie z.B. rostfreiem Maschenstahl, gebildet sind, ein. Die Rohrabschnitte 36c&sub1; und 36c&sub2; weisen darin ausgebildete Öffnungslöcher (nicht dargestellt) auf, die auf die entsprechende breitere Seitenwand 36b&sub1; bzw. 36b&sub2; ausgerichtet sind. Das Ausgangsgas wird aus den Löchern der zweiästigen Rohrabschnitte 36c&sub1; und 36c&sub2; ausgestoßen und dann wird das ausgestoßene Gas durch die breiteren Seitenwände 36b&sub1; und 36b&sub2; in einen Raum, der durch die Seitenwände 36b&sub1;, 36b&sub2;, 36b&sub3; und 36b&sub4; definiert ist, eingeleitet. Folglich kann das Plasma hoher Dichte in dem durch die Seitenwände 36b&sub1;, 36b&sub2;, 36b&sub3; und 36b&sub4; definierten Raum in derselben Weise wie in dem Hohlraum 20c erhalten werden.
Figur 3 stellt eine Abänderung der Vorrichtung 10 zur Dünnfilmbildung, wie in Fig. 1 dargestellt, dar. In Fig. 3 werden die denen der Fig. 1 ähnlichen Merkmale durch dieselben Bezugszeichen angezeigt. Die abgeänderte Vorrichtung ist die gleiche wie in Fig. 1, außer daß eine Gleichspannungsquelle 30' anstelle des Sperrkondensators 30 zum Vorspannen des Potentials der ersten Elektrode 20 zur negativen Seite hin verwendet wird.
Figur 4 stellt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die allgemein der Vorrichtung 10 zur Dünnfilmbildung gleicht, wie in Fig. 1 dargestellt. In Fig. 4 werden die denen der Fig. 1 ähnlichen Merkmale durch dieselben Bezugszeichen angezeigt. In der zweiten Ausführungsform von Fig. 4 umfaßt die erste Elektrode 20, anstatt den Hohlraum 20c in dem aufrechten Abschnitt 20b der ersten Elektrode 20 zu bilden, ein zylindrisches Maschenelement 20f, das aus rostfreiem Maschenstahl gebildet ist und an dem flachen Abschnitt so 20a befestigt ist, daß es daran aufgehängt ist. Der aufrechte Abschnitt 20b ist an der Deckenwand des Reaktorgefäßes 12 in derselben Weise wie in Fig. 1 befestigt und ist über die Impedanzanpassungsbox 28 und den Sperrkondensator 30 an die elektrische HF-Quelle 26 angeschlossen. Das Einlaßrohr 18 zur Ausgangsgaszuführung ist durch die Seitenwand des Reaktorgefäßes 12 hindurch verlängert und ist an ein ringförmiges Rohr 18a, das das zylindrische Maschenelement 20f umgibt, angeschlossen. Das ringförmige Rohr 18a weist eine Mehrzahl von Öffnungslöchern (nicht dargestellt) auf, die in dessen innerem peripherem Wandabschnitt ausgebildet sind, so daß das Ausgangsgas unter einem Winkel von 350 gegen die Horizontale nach unten aus den Löchern ausgestoßen wird. Das ausgestoßene Ausgangsgas wird in einen Innenraum des zylindrischen Maschenelements 20f durch dessen Maschenwand eingeleitet. Demgemäß kann das Plasma hoher Dichte, wie in Fig. 4 durch die verengten Teilungslinien dargestellt, in dem Raum des zylindrischen Maschenelements 20f in derselben Weise wie in dem Hohlraum 20c erhalten werden. Andererseits wird das Plasma geringer Dichte in der Außenzone des zylindrischen Maschenelements 20f erzeugt, wie durch die aufgeweiteten Teilungslinien in Fig. 4 dargestellt.
Um eine tatsächliche Bildung eines hydrierten amorphen Silizium(a-Si:H)-Dünnfilms auf einem geeigneten Substrat zu zeigen, wurde eine Vorrichtung zur Dünnfilmbildung entsprechend der zweiten Ausführungsform von Fig. 4 zusammengebaut.
Die zusammengebaute Vorrichtung wies die folgenden Kennzeichen auf:
(A) Durchmesser der zylindrischen Masche (20f) : 50 mm
(B) Höhe der zylindrischen Masche (20f) : 25 mm
(C) Abstand zwischen erster und zweiter Elektrode (20, 22) : 35 mm
(D) Abstand zwischen Entladungsoberfläche der ersten Elektrode (20) und den Löchern für das Ausgangsgas : 15 mm
(E) Durchmesser der zweiten Elektrode (22) : 100 mm
Die tatsächliche Dünnfilmbildung wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
(A) Ausgangsgas Si&sub2;H&sub6;
(B) Durchflußrate des Ausgangsgases : 2,0 sccm
(C) Druck des Ausgangsgases : 8 Pa (0,06 Torr)
(D) Leistung der HF-Quelle : 5,0 W
(E) Substrattemperatur : 230ºC
Es wurde beobachtet, daß die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit 0,87 nm/s betrug und daß der Prozentsatz des Ausgangsgasverbrauchs 18% betrug. Auch zeigte der fertiggestellte hydrierte amorphe Silizium(a-Si:H)-Dünnfilm im Dunkeln einen Widerstand von 3,7 x 10&sup7; Ω cm und zeigte unter Bestrahlung mit einer weißen Lampe (1 mW/cm²) einen Widerstand von 2,0 x 10¹&sup4; Ω cm. Weiterhin wurde kein hochmolekulares Pulver (SinHm) während des Betriebs erzeugt.
Die Bildung eines anderen hydrierten amorphen Silizium(a- Si:H)-Dünnfilms wurde tatsächlich unter denselben Bedingungen durchgeführt, außer daß das zylindrische Maschenelement aus der obigen Vorrichtung weggelassen wurde. Diese Vorrichtung entspricht einer herkömmlichen Plasma-unterstützten HF-Entladungs-CVD-Vorrichtung. Es wurde beobachtet, daß die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit 1. 0,3 nm/s [Anm.: vermutlich richtig: 1,3 Å/s = 0,13 nm/s; siehe A-Publikation] war und daß der Prozentsatz des Ausgangsgasverbrauchs ungefähr 3% betrug.
Ein Vergleich der obigen Ergebnisse beweist, daß sowohl die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit als auch der Prozentsatz des Ausgangsgasverbrauchs beträchtlich durch die vorliegende Erfindung erhöht werden.
Figur 5 stellt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die im wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 10 zur Dünnfilmbildung ähnlich ist. In Fig. 5 tragen die denen der Fig. 1 ähnlichen Merkmale dieselben Bezugs Zeichen und die denen der Fig. 1 entsprechenden Merkmale tragen gleiche, mit einem Apostroph versehene Bezugszeichen. Die dritte Ausführungsform ist zur Bildung eines Dünnfilms auf einem verhältnismäßig langen Substrat S angepaßt.
In der dritten Ausführungsform ist das Reaktorgefäß 12 in einer zylindrischen Gestalt gebaut und ist in Fig. 5 durch die Phantomlinie dargestellt. Die erste und zweite Elektrode 20 und 22 sind vertikal und gegenüberliegend angeordnet und werden in geeigneter Weise von dem Reaktorgefäß 12 getragen. Der Abschnitt 20b, der aus dem flachen Abschnitt 20a herausragt, weist den Hohlraum 20c auf, der sich vertikal entlang dessen Längsachse erstreckt. Zusätzlich zum Hohlraum 20c weist der herausragende Abschnitt 20b auch eine darin ausgebildete längliche Kammer 14' auf, die sich vertikal zusammen mit dem Hohlraum 20c erstreckt und durch die Löcher 20e, die zwischen der länglichen Kammer 14' und dem Hohlraum 20c ausgebildet sind, in Verbindung mit dem Hohlraum 20c steht. Das Einlaßrohr 18 zur Ausgangsgaszuführung ist durch den zylindrischen Seitenwandabschnitt des Reaktorgefäßes 12 hindurch verlängert und an den herausragenden Abschnitt 20b der ersten Elektrode 20 derart angeschlossen, daß das Einlaßrohr 18 in Verbindung mit der länglichen Kammer 14' steht. Das Einlaßrohr 18 ist auch aus einem geeigneten leitenden Material gebildet und über die Impedanzanpassungsbox 28 und den Sperrkondensator 30 an die elektrische HF- Quelle 26 angeschlossen. Ein Auslaßrohr 16' ist an den zylindrischen Seitenwandabschnitt des Reaktorgefäßes 12 angeschlossen, so daß es mit dem Reaktorgefäß verbunden ist, und das äußere Ende des Auslaßrohrs ist an eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) angeschlossen. Das durch das Einlaßrohr 18 zugeführte Ausgangsgas wird einmal in die längliche Kammer eingeleitet und wird dann aus den Löchern 20e in den Hohlraum 20c ausgestoßen. Demgemäß kann das Plasma hoher Dichte in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform von Fig. 1 im Hohlraum 20c erhalten werden.
Es wurde auch tatsächlich eine Vorrichtung zur Dünnfilmbildung entsprechend der dritten Ausführungsform von Fig. 5 zusammengebaut, und es wurde eine Bildung eines hydrierten amorphen Silizium(a-Si:H)-Dünnfilms auf einem geeigneten Substrat durchgeführt.
Die zusammengebaute Vorrichtung wies die folgenden Eigenschaften auf:
(A) Entladungsfläche der ersten Elektrode (20) : 464x136 mm
(B) Länge l des Hohlraums (20c) : 462 mm
(C) Breite w des Hohlraums (20c) : 8 mm
(D) Tiefe d des Hohlraums (20c) : 28 mm
(E) Abstand der Löcher (20e) : 40 mm
(F) Durchmesser der Löcher (20e) : 2 mm
(G) Abstand zwischen erster und zweiter Elektrode (20, 22) : 23 mm
Man beachte, daß in der zusammengebauten Vorrichtung die erste Elektrode, abgesehen von deren Entladungsoberfläche, mit einem Schutzschild bedeckt ist, so daß eine Entladung nur zwischen der ersten und zweiten Elektrode erfolgt.
Die tatsächliche Dünnfilmbildung wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
(A) Ausgangsgas Si&sub2;H&sub6;
(B) Durchflußrate des Ausgangsgases : 50 sccm
(C) Druck im Reaktorgefäß : 9,3 Pa (0,07 Torr)
(D) Leistung der HF-Quelle : 100 W
(E) Substrat : Quarz
(F) Substrattemperatur : 270ºC
Es wurde beobachtet, daß die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit 2,55 nm/s betrug. Auch zeigte der fertiggestellte hydrierte amorphe Silizium-Dünnfilm (a-Si:H) im Dunkeln einen Widerstand von 6,9 x 10¹&sup0; Ω cm, und er zeigte unter Bestrahlung mit einer weißen Lampe (1 mW/cm²) einen Widerstand von 8,6 x 10&sup6; Ω cm. Weiterhin wurde während des Betriebs kein hochmolekulares Pulver (SinHm) erzeugt.
Die Bildung eines anderen hydrierten amorphen Silizium(a- Si:H)-Dünnfilms wurde tatsächlich unter den gleichen Bedingungen durchgeführt, außer daß anstelle der Entladungselektrode mit dem Hohlraum eine Entladungselektrode ohne einen Hohlraum verwendet wurde. Diese Vorrichtung entspricht einer herkömmlichen Plasma-unterstützten HF-Entladungs-CVD- Vorrichtung. Es wurde beobachtet, daß die Dünnfilm- Wachstumsgeschwindigkeit 1,38 nm/s betrug. Auch zeigte der fertiggestellte hydrierte amorphe Silizium( a-Si:H)-Dünnfilm im Dunkeln einen Widerstand von 3,0 x 10¹&sup0; Ω cm, und er zeigte unter Bestrahlung mit einer weißen Lampe (1 mW/cm²) einen Widerstand von 3,2 x 10&sup6; Ω cm. Weiterhin wurde kein hochmolekulares Pulver (SinHm) während des Betriebs erzeugt.
Wie durch einen Vergleich der obigen Ergebnisse ersichtlich ist, wurde die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit durch die vorliegende Erfindung beträchtlich erhöht.
Auch wurde der gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltene a- Si:H-Dünnfilm unter Verwendung eines Fourier-Transform- Infrarotspektrometers bezüglich seines Wasserstoffgehalts und der Anzahl von Silizium-Wasserstoff-Bindungen beurteilt. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt, in welcher die Kennlinie die Absorptionsspektren darstellt, die von der Streckschwingungsmode von Si-H herrühren. Aus der Kennlinie von Fig. 6 wurde herausgefunden, daß der Wasserstoffgehalt 8,7 at% betrug und der erhaltene a-Si:H-Dünnfilm Si-Hm (m ≥ 2) einschloß. Es wurde jedoch gefunden, daß der Gehalt an Si-H&sub3; und (-SiH&sub2;-)n, der eine Photoleitfähigkeit des a-Si:H- Dünnfilm verschlechtert, gering war.
Weiterhin wurde bei der Vorrichtung zur Dünnfilmbildung gemäß der dritten Ausführungsform (Fig. 5) die Beziehung zwischen einer Plasmastabilität und einem Potential der Entladungselektrode bezüglich jedem von Monosilan SiH&sub4;, Disilan Si&sub2;H&sub6;, Argon Ar, Helium He, Wasserstoff H&sub2; und deren Mischungen, die als Entladungsgas verwendet wurden, untersucht. Als Ergebnis davon beobachtete man, daß sich ein Druckbereich des Entladungsgases, ein Leistungsbereich der elektrischen HF-Quelle und eine Durchflußrate des Entladungsgases für eine Stabilisierung des erzeugten Plasmas gemäß der Art des verwendeten Entladungsgases änderten, aber im allgemeinen wurden die folgenden Befunde erhalten:
1) Wenn ein leuchtendes Plasma stabil über dem Hohlraum erzeugt wird, ändert sich ein Potential der Entladungselektrode wie in Figuren 7(a) und 7(b) dargestellt. Diese Wellenformen entsprechen im wesentlichen der ursprünglichen Wellenform der elektrischen HF-Quelle.
2) Wenn ein leuchtendes Plasma teilweise in dem Hohlraum erzeugt wird, d.h. wenn das erzeugte Plasma ein dunkles Gebiet einschließt, ändert sich ein Potential der Entladungselektrode wie in Figur 7(c) dargestellt. Diese Wellenform von Fig. 7(c) ist im Vergleich zu der ursprünglichen Wellenform der ektrischen HF-Quelle einer gewissen Störung unterworfen.
3) Wenn ein dunkles Gebiet des erzeugten Plasmas so geändert wird, daß es über eine relativ lange Zeitspanne abwechselnd verbreitert und verengt wird, wird die Wellenform von Fig. 7(b) als Antwort auf die abwechselnde Änderung des dunklen Gebiets nach oben und nach unten verschoben.
4) Obwohl das Plasma instabil erzeugt wird, erscheint die Störung der Wellenform wie in Fig. 7(c) dargestellt nicht, abhängig von den Erfordernissen der Entladung.
Aus den oben dargestellten Ergebnissen kann man verstehen, daß, wenn ein Potential der Entladungselektrode stark zur negativen Seite hin vorgespannt ist, die Plasmaerzeugung instabil wird. Demgemäß ist es während der Bildung eines Dünnfilms notwendig, das Potential der Entladungselektrode wie in den Figuren 7(a) und 7(b) dargestellt aufrechtzuerhalten.
Die Figuren 8(a) und 8(b) zeigen eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen der Vorrichtung 10 zur Dünnfilmbildung ähnlich ist, wie in Fig. 1 dargestellt. In den Figuren 8(a) und 8(b) tragen die denen der Fig. 1 ähnlichen Merkmale dasselbe Bezugszeichen und die denen der Fig. 1 entsprechenden Merkmale tragen gleiche, mit einem Apostroph versehene Bezugszeichen. Die vierte Ausführungsform ist zur Herstellung einer im elektrophotographischen Bereich verwendeten Photorezeptortrommel angepaßt.
In der vierten Ausführungsform ist das Reaktorgefäß 12 in einer zylindrischen Gestalt gebaut und wird durch die Phantomlinie in Fig. 8(a) dargestellt. Die erste Elektrode 20 ist konzentrisch im Innern des zylindrischen Reaktorgefäßes 12 angeordnet. Wie in den Figuren 8(a) und 8(b) dargestellt, weist die Elektrode 20 eine Doppelwandbauweise mit einer inneren ringförmigen Kammer auf. D.h. die Elektrode 12 umfaßt einen äußeren zylindrischen Wandabschnitt 208a, einen inneren zylindrischen Wandabschnitt 208b und zwei ringförmige Stirnwandabschnitte 208c ein, durch die die innere ringförmige Kammer definiert ist. Der innere zylindrische Wandabschnitt 208b weist zwei Hohlräume oder langgestreckte Nuten 208d auf, die darin ausgebildet sind und einander diametral gegenüberliegen und die sich entlang dessen Erzeugender erstrecken. Jede der Nuten 208d weist einen Bodenwandabschnitt auf, durch den ein Teil jeder Nut definiert ist und in dem eine Mehrzahl von Öffnungslöchern 208e ausgebildet sind, wie in Fig. 8(b) dargestellt. Diese Öffnungslöcher 208e sind untereinander in gerader Linie entlang der Längsachse jeder Nut 208d ausgerichtet.
In der vierten Ausführungsform ist das Einlaßrohr 18 zur Zuführung eines Ausgangsgases durch den zylindrischen Seitenwandabschnitt des Reaktorgefäßes 12 hindurch verlängert und ist an den äußeren zylindrischen Seitenwandabschnitt 208a der ersten Elektrode 20 derart angeschlossen, daß das Einlaßrohr 18 in Verbindung mit der inneren ringförmigen Kammer der ersten Elektrode 20 steht. Das Einlaßrohr 18 ist auch aus einem geeigneten leitenden Material gebildet und ist über die Impedanzanpassungsbox 28 und den Sperrkondensator 30 an die elektrische HF-Quelle 26 angeschlossen. Ein Auslaßrohr 16' ist an den zylindrischen Seitenwandabschnitt des Reaktorgefäßes 12 angeschlossen, so daß es in Verbindung mit dem Reaktorgefäß 12 steht, und das äußere Ende des Auslaßrohrs ist an eine Vakuumpumpe (nicht dargestellt) angeschlossen.
In der vierten Ausführungsform dient ein Substrat per se als geerdete Elektrode. Beispielsweise kann das Substrat einen Aluminiumtrommelformling D umfassen, der konzentrisch innerhalb der zylindrischen Entladungselektrode 20 angeordnet ist und der um deren Längsachse rotiert werden kann. Insbesondere ist ein geeigneter Elektromotor 38 unterhalb des Reaktorgefäßes 12 angeordnet, so daß eine Ausgangswelle 38a des Motors 38 durch den Boden des Reaktorgefäßes 12 entlang dessen Längsachse verlängert ist, und die Ausgangswelle 38a des Motors 38 ist mit einem hülsenähnlichen Träger 40 für den Trommelformling D versehen, wobei ein Durchmesser des Trägers 40 der gleiche wie der des Trommelformlings D ist. Der Träger 40 ist so angepaßt, daß er mit einem hülsenähnlichen Klammerbauteil 42 zusammenwirkt, so daß der Trommelformling D auf dem Träger 40 durch das Klammerbauteil 42 befestigt ist, wobei ein Durchmesser des Klammerbauteils 42 auch der gleiche wie der des Trommelformlings D ist. Der Träger 40 und das Klammerbauteil 42 sind aus einem geeigneten leitenden Material gebildet, so daß der Träger 40 und das Klammerbauteil 42 auch einen Teil der geerdeten Elektrode bilden. Wie in Fig. 8(a) dargestellt, sind der Träger 40, der Trommelformling D und die Klammer 42 durch die Welle 38a des Motors 38 geerdet. Weiterhin bildet sowohl der Träger 40 als auch das Klammerbauteil 42 einen vom Trommelformling D aus verlängerten zylindrischen Oberflächenabschnitt, wodurch ein ausgezeichneter Dünnfilm auf den Stirnseiten des Trommelformlings D gebildet werden kann. Die Heizvorrichtung 25 zur Erwärmung des Substrats oder des Trommelformlings D umfaßt ein schraubenförmiges Widerstandelement, das sich durch den Trommelformling D erstreckt.
Um ein Potential der Entladungselektrode 20 zur negativen Seite hin vorzuspannen, muß eine Entladungsfläche der ersten Elektrode 20, d.h. eine Umfangsfläche des inneren zylindrischen Wandabschnitts 208b, größer als eine Umfangsfläche des Trommelformlings D sein (einschließlich des Trägers 40 und der Klammer 21). Demgemäß ist in der vierten Ausführungsform ein Paar gebogener Schutzschild-Plattenelemente 44 teilweise an der Umfangsfläche des inneren zylindrischen Wandabschnitts 208b der ersten Elektrode 20 angebracht, wobei jedes der Schutzschildelemente 44 geerdet ist. Wie in den Figuren 8(a) und 8(b) dargestellt, sind die Schutzschild- Plattenelemente 44 im Innern der Entladungselektrode 20 diametral angeordnet, so daß sie sich nahe deren inneren Wandoberfläche befinden, wodurch die Entladungsoberfläche eingeschränkt werden kann, so daß das Potential der Entladungselektrode 20 zur negativen Seite hin vorgespannt ist.
Im Betrieb wird das durch das Einlaßrohr 18 zugeführte Ausgangsgas einmal in die innere ringförmige Kammer der ersten Elektrode 20 eingeleitet und wird dann aus den Löchern 208e in den Hohlraum 208d ausgestoßen. Demgemäß kann das Plasma hoher Dichte in dem Hohlraum 208d in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform von Fig. 1 erhalten werden. Während des Betriebs wird der Trommelformling D durch den Motor 38 gedreht, wodurch ein dünner Film, wie z.B. ein photoempfindlicher Film, gleichförmig auf dem Trommelformling D gebildet werden kann.
Weiterhin wurde eine Vorrichtung zur Dünnfilmbildung entsprechend der vierten Ausführungsform der Figuren 8(a) und 8(b) tatsächlich zusammengebaut, und eine Bildung eines B (Bor)-dotierten a-Si:H-Dünnfilms wurde auf einem Aluminiumtrommelformling durchgeführt.
Die zusammengebaute Vorrichtung wies die folgenden Merkmale auf:
(A) Länge des Hohlraums (208d) : 468 mm
(B) Breite des Hohlraums (208d) : 10 mm
(C) Tiefe des Hohlraums (208d) : 20 mm
(D) Bogenförmige Breite der Schutzschildplatte (44) : 45 mm
Man beachte, daß in der zusammengebauten Vorrichtung die Entladungselektrode (20) mit vier in regelmäßigen Zwischenräumen angeordneten Hohlräumen (208d) versehen ist, die vier Schutzschildplatten (44) zwischen den vier Hohlräumen (208d) angeordnet sind und die äußere Oberfläche und die ringförmigen Stirnflächen mit einem Schutzschild aus rostfreiem Stahl bedeckt sind.
Die tatsächliche Dünnfilmbildung wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
(A) Durchflußrate des Ausgangsgases : 100 sccm
(B) Druck im Reaktorgefäß : 6,7 Pa (0,05 Torr)
(C) Leistung der HF-Quelle : 300 W
(D) Temperatur des Trommelformlings : 250ºC
Man beachte, daß als Ausgangsgas ein Disilan(Si&sub2;H&sub6;)-Gas, welchem ein mit einem Helium(He)-Gas verdünntes Diboran (B&sub2;H&sub6;)-Gas zugefügt war, verwendet wurde und für eine Beurteilung eines fertiggestellten B-dotierten a-Si:H-Dünnfilms ein Probensubstrat aus Quarz an einem Teil des Trommelformlings befestigt wurde, von dem ein Teil des Formlingmaterials entfernt war.
Es wurde beobachtet, daß die Wachstumsgeschwindigkeit des B- dotierten a-Si:H-Dünnfilms 2,9 nm/s war und daß der Prozentsatz des Ausgangsgasverbrauchs 19% war. Auch zeigte der fertiggestellte B-dotierte a-Si:H-Dünnfilm im Dunkeln einen Widerstand von 1,3 x 10¹¹ Ω cm und zeigte unter Bestrahlung mit einer weißen Lampe einen Widerstand von 1,3 x 10&sup7; Ω cm. Demgemäß ist die hergestellte Trommel als eine Photorezeptortrommel im elektrophotographischen Bereich verwendbar.
Die Figuren 9(a) und 9(b) zeigen eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im allgemeinen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 10 zur Dünnfilmbildung ähnlich ist. In den Figuren 9(a) und 9(b) werden die denen der Fig. 1 ähnlichen Merkmale durch dieselben Bezugszeichen angezeigt und die denen der Fig. 1 entsprechenden Merkmale tragen gleiche, mit einem Apostroph versehene Bezugszeichen.
In der fünften Ausführungsform umfaßt die Entladungselek trode 20 drei Entladungselektrodenelemente 209a, die nebeneinander oberhalb der geerdeten Elektrode 22 angeordnet sind. Wie in Fig. 9(b) dargestellt, weist jedes der Entladungselektrodenelemente 209a eine längliche rechteckige parallelepipedartige Gestalt auf und weist einen Hohlraum oder eine Nut 209c, (der) die darin ausgebildet ist, auf, (der) die sich entlang deren Längsachse erstreckt. Eine Mehrzahl von Öffnungslöchern 209c sind in einem länglichen Boden der Nut 209b gebildet, so daß sie längs untereinander in gerader Linie ausgerichtet sind. Man beachte, daß die geerdete Elektrode 22 im wesentlichen identisch mit derjenigen von Fig. 1 ist.
Das Einlaßrohr 18 zur Zuführung eines Ausgangsgases ist durch die Decke des Reaktorgefäßes 12 hindurch verlängert und ist an eine Verteilerleitung 14a' angeschlossen, die drei längliche Eingangsöffnungen 14' aufweist, von denen sich jede im wesentlichen mit der Nut 209b zusammen erstreckt. Die Entladungselektrodenelemente 209a sind an der Verteilerleitung 14a' befestigt, so daß die Eingangsöffnungen 14' durch die jeweiligen Entladungselektrodenelemente 209a verschlossen werden, wie in Fig. 9(a) dargestellt, und zwar so, daß jede Eingangsöffnung 14' in Verbindung mit der Nut 209b des entsprechenden Elektrodenelements 209a durch dessen Öffnungslöcher 209c steht. Das Einlaßrohr 18 und die Verteilerleitung 14a' sind aus einem geeigneten leitenden Material gebildet und sind über die Impedanzanpassungsbox 28 und den Sperrkondensator 30 an die elektrische HF-Quelle 26 angeschlossen. Die Verteilerleitung 14a' ist mit Schutzschildelementen 24' bedeckt, so daß eine Entladung nur zwischen den Entladungselektrodenelementen 209a und der geerdeten Elektrode 22 stattfindet.
Im Betrieb wird das durch das Einlaßrohr 18 zugeführte Ausgangsgas einmal in die Verteilerleitung 14a' eingeleitet und wird dann aus den Öffnungslöchern 209c in die Hohlräume oder Nuten 209b durch die Eingangsöf fnungen 14' ausgestoßen. Demgemäß kann das Plasma hoher Dichte in jedem der Hohlräume 209d in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform von Fig. 1 erhalten werden.
Gemäß der fünften Ausführungsform der Figuren 9(a) und 9(b) ist die Vorrichtung mit mehr als einer Plasmazone hoher Dichte im Innern des Reaktorgefäßes versehen, wodurch die Bildung eines Dünnfilms gleichförmig über eine ausgedehntere Fläche durchgeführt werden kann.
Weiterhin wurde eine Vorrichtung zur Dünnfilmbildung entsprechend der fünften Ausführungsform der Figuren 9(a) und 9(b) tatsächlich zusainmengebaut, und es wurde die Bildung eines hydrierten amorphen Silizium(a-Si:H)-Dünnfilms auf einer Mehrzahl von Substraten durchgeführt.
Die zusammengebaute Vorrichtung wies die folgenden Merkmale auf:
(A) Länge des Entladungselektrodenelements (209a) : 170 mm
(B) Breite des Entladungselektrodenelements (209a) : 50 mm
(C) Dicke des Entladungselektrodenelements (209a) : 35 mm
(D) Länge des Hohlraums (209b) : 150 mm
(E) Breite des Hohlraums (209b) : 10 mm
(F) Tiefe des Hohlraums (209b) : 30 mm
(G) Durchmesser des Lochs (209c) : 1,5 mm
(H) Abstand der Löcher (209c) : 20 mm
(I) Anzahl der Löcher (209c) : 7
(J) Abstand der Entladungselektrodenelemente (209a) : 30 mm
Die tatsächliche Dünnfilmbildung wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
(A) Ausgangsgas : SiH&sub4;
(B) Durchflußrate des Ausgangsgases : 20 sccm
(C) Druck innerhalb des Reaktorgefäßes : 67 Pa (0,5 Torr)
(D) HF-Quellenleistung : 40 W
(F) Substrat : Quarz
(G) Größe des Substrats : 40 x 40 mm
(H) Anzahl der Substrate : 16
(I) Substrattemperatur : 250ºC
(J) Betriebsdauer : 20 min
Man beachte, daß während des Betriebs ein wie in Fig. 10 dargestelltes Potential der Entladungselektrode beobachtet wurde.
Es wurde beobachtet, daß eine durchschnittliche Dicke des hergestellten a-Si:H-Dünnfilms 2,09 um betrug und daß eine Streuung der Dicke ± 0,22 um betrug. Demgemäß beträgt die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit durchschnittlich 6,26 um/h und die Streuung beträgt 8%. Es wurde auch beobachtet, daß ein Prozentsatz des Ausgangsgasverbrauchs etwa 26% betrug. Man beachte, daß Fig. 11 eine Dickenverteilung des gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Dünnfilms darstellt.
Eine andere Bildung eines Dünnfilms (a-Si:H) wurde tatsächlich unter denselben Bedingungen in einer herkömmlichen Vorrichtung durchgeführt. Es wurde beobachtet, daß die Wachstumsgeschwindigkeit des hergestellten Dünnfilms durchschnittlich 2,56 um/h betrug, daß die Streuung maximal ungefähr 50% betrug und daß der Prozentsatz des Ausgangsgasverbrauchs ungefähr 10% betrug. Man beachte, daß Fig. 12 eine Dickenverteilung des gemäß der herkömmlichen Vorrichtung hergestellten Dünnfilms darstellt.
Ein Vergleich der obigen Resultate beweist, daß sowohl die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit als auch der Prozentsatz des Ausgangsgasverbrauchs durch die vorliegende Erfindung beträchtlich verbessert werden.
Beide hergestellten Dünnfilme wurden auch bezüglich eines Photo- und Dunkelwiderstands-Verhältnisses ( d/ p) ausgewertet. Hierin: d ist ein Dunkelwiderstand und p ist ein Widerstand unter Bestrahlung mit einer weißen Lampe (1 mW/cm²). Wenn diese Dünnfilme als Photoleiter für eine Solarzelle, eine Photorezeptortrommel oder dergleichen verwendet werden, ist das Widerstandsverhältnis ( d/ p) einer der wichtigen Faktoren. Die Ergebnisse der Auswertung waren wie folgt:
Erfindung: 4,6 ≤ Log( d/ p) ≤ 4,9
Stand der Technik: 4,7 ≤ Log( d/ p) ≤ 5,1
Die Figuren 13(a) und 13(b) stellen eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die ähnlich der in den Figuren 8(a) und 8(b) dargestellten Vorrichtung zur Dünnfilmbildung ist. In den Figuren 13(a) und 13(b) tragen die denen der Figuren 8(a) und 8(b) ähnlichen Merkmale dieselben Bezugszeichen.
In der sechsten Ausführungsform umfaßt die Entladungselektrode 20 zwei identische Entladungselektrodenelemente 2013a, die im Innern des Reaktorgefäßes diametral angeordnet sind. Jedes der Entladungselektrodenelemente 2013a ist eine Hohlkonstruktion, die einen sektorförmigen Querschnitt aufweist, wie in Fig. 13(a) dargestellt, und eine in deren zylindrischem Innenwandabschnitt ausgebildete zentrale Vertiefung 2013b aufweist, die sich längs der Längsachse des Reaktorgefäßes 12 erstreckt. Die zentrale Vertiefung 2013b weist einen im allgemeinen T-förmigen Querschnitt auf, wobei deren Querträgerabschnitt ein darin angeordnetes Schutzschildplattenelement 2013c aufweist, wodurch jedes der Elektrodenelemente 2013c faktisch in zwei Entladungselektrodenabschnitte 2013a' eingeteilt ist. Jeder der Entladungselektrodenabschnitte 2013a' weist einen Hohlraum oder eine Nut 2013e auf, (der) die in deren zylindrischem Innenwandabschnitt, der sich längs der Längsachse des Reaktorgefäßes 12 erstreckt, ausgebildet ist. Wie in Fig. 13(b) dargestellt, ist eine Mehrzahl von Öffnungslöchern 2013f in dem Boden jeder Nut 2013e gebildet und längs untereinander in gerader Linie ausgerichtet. Wie in den Figuren 13(a) und 13(b) dargestellt, sind die Seitenflächen der Entladungselektrodenelemente 2013a mit Schutzschildplattenelementen 46 bedeckt, und die Stirnflächen der Entladungselektrodenelemente 2013a sind mit Schutzschildelementen 48 bedeckt. Wie in Fig. 13(a) dargestellt, weist jedes der Entladungselektrodenelemente 2013a ein Einlaßrohr 18' auf, das aus deren zylindrischem Außenwandabschnitt herausragt und durch den zylindrischen Seitenwandabschnitt des Reaktorgefäßes 12 hindurch verlängert ist. Die Einlaßrohre 18' sind über die Impedanzanpassungsbox 28 und den Sperrkondensator 28 an die elektrische HF-Quelle 26 angeschlossen.
In der sechsten Ausführungsform der Figuren 13(a) und 13(b) kann wie in der vierten Ausführungsform der Figuren 8(a) und 8(b) die geerdete Elektrode einen Aluminiumtrommelformling D umfassen. Der Trommelformling D kann in derselben Weise wie in den Figuren 8(a) und 8(b) an die zentrale Stelle im Innern des Reaktorgefäßes 12 gesetzt werden.
Im Betrieb wird das von jedem Einlaßrohr 18' zugeführte Ausgangsgas einmal in die entsprechende Elektrode 2013a eingeführt und wird dann aus den Öffnungslöchern 2013f in deren Hohlräume 2013e ausgestoßen. Demgemäß kann das Plasma hoher Dichte in jedem der Hohlräume 2013e in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform von Fig. 1 erhalten werden.
Weiterhin wurde eine Vorrichtung zur Dünnfilmherstellung entsprechend der sechsten Ausführungsform der Figuren 9(a) und 9(b) tatsächlich zusammengebaut, und es wurde eine Bildung eines p-Typ a-Si:H-Dünnfilms auf einem Aluminiumtrommelformling durchgeführt.
Die zusammengebaute Vorrichtung wies die folgenden Merkmale auf:
(A) Höhe der Sektorelektrode (2013a) : 560 mm
(B) Höhe der zentralen Vertiefung (2013b) : 560 mm
(C) Breite der zentralen Vertiefung (2013b) : 14 mm
(D) Tiefe der zentralen Vertiefung (2013b) bis zum Schutzschild (2013c) : 21,5 mm
(E) Länge des Hohlraums (2013e) : 400 mm
(F) Breite des Hohlraums (2013e) : 14 mm
(G) Tiefe des Hohlraums (2013e) : 20 mm
(H) Abstand zwischen Trommelformling (D) und Sektorelektrode (2013a) : 20 mm
Die tatsächliche Dünnfilmbildung wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
(A) Ausgangsgas Si&sub2;H&sub6;
(B) Durchflußrate des Ausgangsgases : 100 sccm
(C) Dotiergas (verdünnt mit Helium: 1000 ppm) : B&sub2;H&sub6;
(D) Durchflußrate des Ausgangsgases : 100 sccm
(E) Druck im Reaktorgefäß : 27 Pa (0,2 Torr)
(F) HF-Quellenleistung : 250 W
(G) Temperatur des Trommelformlings : 300ºC
(H) Betriebsdauer : 20 min
Während des Betriebs wurde ein wie in Fig. 14 dargestelltes Entladungselektrodenpotential beobachtet. Auch wies eine Dicke des hergestellten p-Typ a-Si:H-Dünnfilms eine Eigenschaft wie in Fig. 15 dargestellt auf. Man beachte, daß kein hochmolekulares Pulver während des Betriebs erzeugt wurde.
Figur 16 stellt eine siebente Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die im wesentlichen ähnlich der Dünnfilmvorrichtung 10 von Fig. 1 ist. In Fig. 16 sind die denen der Fig. 1 ähnlichen Merkmale durch dieselben Bezugszeichen angezeigt, und die denen der Fig. 1 entsprechenden Merkmale tragen gleiche, mit einem Apostroph versehene Bezugszeichen.
In der siebenten Ausführungsform umfaßt die Entladungselektrode 20 ein allgemein rechteckiges parallelepipedförmiges Elektrodenelement 2016a, das sich vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Das Entladungselektrodenelement 2016a umfaßt einen Deckenwandabschnitt 2016a&sub1;, einen Bodenwandabschnitt 2616a&sub2;, Seitenwandabschnitte 2016a&sub3; und Stirnwandabschnitte (nicht dargestellt), die aus einem geeigneten leitenden Material, wie z.B. rostfreiem Stahl, gebildet sind.
Das Entladungselektrodenelement 2016a weist ein Einlaßrohr 18' auf, das integral aus dessen Deckenwandabschnitt 2016a&sub1; herausragt, wobei das Einlaßrohr 18' durch einen Deckenwandabschnitt 1216a des Reaktorgefäßes 12 ausgedehnt ist und mit ihm über ein zwischengeschaltetes Isolatorelement 23' verbunden ist (teilweise veranschaulicht), so daß die Entladungselektrode 2013a an dem Deckenwandabschnitt 1216 des Reaktorgefäßes 12 aufgehängt ist. Wie in Fig. 16 dargestellt, ist eine O-Ringdichtung 50 an dem Einlaßrohr 18' bei dem in dem Deckenwandabschnitt 1216a zum Hindurchführen des Einlaßrohrs 18' gebildeten Durchgangsloch angebracht, was eine luftdichte Dichtung zwischen dem Einlaßrohr 18' und dem Durchgangsloch für dieses zur Folge hat. Das Einlaßrohr 18' ist zu einer Ausgangsgasquelle (nicht dargestellt) geführt und über die Impedanzanpassungsbox 28 und den Sperrkondensator 30 an die elektrische HF-Quelle 26 angeschlossen.
Die Entladungselektrodenelemente 2016a werden, abgesehen von ihrem Bodenwandabschnitt 2616a&sub2;, vom Schutzschild 24 abgedeckt, wobei eine Außenoberfläche des Bodenwandabschnitts 2616a&sub2; als eine Entladungsfläche dient. Der Schutzschild 24 ist an dem Deckenwandabschnitt 1216a des Reaktorgefäßes 12 aufgehängt. Ein Isolatorelement 52 ist zwischen dem Schutzschild 24 und den Oberflächen des abzuschirmenden Elektrodenelements 2016a angelegt, um jeglichen Kontakt dazwischen zu verhindern.
Die geerdete Elektrode 22, die im wesentlichen die gleiche ist wie in Fig. 1, ist am Boden 1216b installiert, und ein Substrat S wird auf die geerdete Elektrode 22 gelegt. Obwohl nicht veranschaulicht, ist eine geeignete elektrische Heizvorrichtung zur Erwärmung des Substrats in die geerdete Elektrode 22 eingebaut. Ein Auslaßrohr 16' ragt aus dem Boden 1216b heraus und ist zum Anschluß an eine geeignete Vakuumpumpe (nicht dargestellt) angepaßt.
Die Entladungselektrode 2016a weist einen Hohlraum oder eine Nut 2016b auf, (der) die in deren Bodenwandabschnitt 2016a&sub2; ausgebildet ist. Die Nut 2016b erstreckt sich längs der Längsachse des Entladungselektrodenelements 2016a und eine Mehrzahl von Öffnungslöchern 2016c sind in einem Boden der Nut 2016b so ausgebildet, daß sie untereinander in gerader Linie längs deren Längsachse ausgerichtet sind, wodurch die Nut 2016b mit der Innenkammer des Entladungselektrodenelements 2016a in Verbindung steht. Die siebente Ausführungsform von Fig. 16 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung der Nut 2016b durch gegenüberliegende Vorsprünge 2016d, die sich von gegenüberliegenden Rändern erstrecken, durch welche die Auslaßöffnung der Nut 2016b definiert wird, begrenzt ist. Ein Zwischenraum a zwischen den gegenüberliegenden Vorsprüngen 2016d wird in Übereinstimmung mit Faktoren, wie z.B. der Art des verwendeten Ausgangsgases, dem Druck innerhalb des Reaktorgefäßes 12 und dergleichen, geeignet ausgewählt, so daß eine Entladung zwischen den gegenüberliegenden Vorsprüngen 2016d auftreten kann. D.h. der Zwischenraum a kann nicht so verengt werden, daß keine Entladung darin auftritt.
Im Betrieb wird das Ausgangsgas durch das Einlaßrohr 18' in die Innenkammer des Entladungselektrodenelements 2016a zugeführt und wird dann durch die Öffnungslöcher 2016c in den Hohlraum oder die Nut 2016 eingeführt. Demgemäß kann die Plasmazone hoher Dichte in dem Hohlraum 2016b in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform von Fig. 1 erhalten werden. Gemäß der siebenten Ausführungsform von Fig. 16 kann die Plasmadichte jedoch weiter erhöht werden, weil Elektronen, die durch die Dissoziation der Ausgangsgasmoleküle und durch Stöße zwischen Ionen und den Nutoberflächen verursacht werden, in der Nut 2016b durch die gegenüberliegenden Vorsprünge 2016d eingeschlossen werden können. Insbesondere werden, wie im vorstehenden erwähnt, die Elektronen in dem Hohlraum oder der Nut zwischen den Nutseitenflächen (siehe Pfeil A in Fig. 16) schnell in Schwingungen versetzt, so daß sie, wenn die Elektronen aus der Nut 2016b entweichen, schräg gegen eine Ebene des Öffnungauslasses der Nut 2016b (siehe Pfeil B in Fig. 16) laufen. Demgemäß sind die gegenüberliegenden Vorsprünge 2016d imstande, die Elektronen effektiv in der Nut einzuschließen. Andererseits ist die aus den Ausgangsgasmolekülen dissoziierte aktive Spezies im Vergleich zu den Elektronen sehr schwer, so daß die aktive Spezies durch die Auslaßöffnung der Nut 2016b hindurchtreten kann, ohne einer aktiven elektrischen Einwirkung (siehe Pfeil C in Fig. 16) zu unterliegen. Kurzum, gemäß der siebenten Ausführungsform können das Dünnfilmwachstum und die Ausgangsgasverbrauchsrate weiter gefördert werden.
Die Figuren 17(a) und 17(b) stellen eine achte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die der vierten Erfindung der Figuren 8(a) und 8(b) ähnlich ist, aber das Merkmal der siebten Ausführungsform, wie oben erwähnt, darin enthalten aufweist. In den Figuren 17(a) und 17(b) sind die denen der Figuren 8(a) und 8(b) ähnlichen Merkmale mit denselben Bezugszeichen angezeigt.
In der achten Ausführungsform umfaßt die Entladungselektrode 20 ein doppelwandiges zylindrisches Elektrodenelement 2017a, das konzentrisch im Innern des zylindrischen Reaktorgefäßes 12 angeordnet ist und einen zylindrischen Innenwandabschnitt 2017a&sub1;, einen zylindrischen Außenwandabschnitt 2017a&sub2; und ringförmige Stirnwandabschnitte 2017a&sub3; (Fig. 17(b)) umfaßt. Diese Wandabschnitte definieren eine ringförmige Kammer 2017b' und sind aus einem geeigneten leitenden Material, wie z.B. rostfreiem Stahl, gebildet. Das Entladungselektrodenelement 2017a weist ein Einlaßrohr 18' auf, das integral aus dessen Außenwandabschnitt 2017a&sub2; herausragt, wobei das Einlaßrohr 18' über ein zwischengeschaltetes Isolatorelement 23' durch den äußeren Wandabschnitt 2017a&sub2; des Reaktorgefäßes 12 hindurch verlängert und mit diesem verbunden ist. Das Einlaßrohr 18' ist zu einer Ausgangsgasquelle (nicht dargestellt) geführt und ist über die Impedanzanpassungsbox 528 und den Sperrkondensator 30 an die HF-Quelle 26 angeschlossen.
Die ringförmigen Stirnwandabschnitte 2017a&sub3; des Entladungselektrodenelements 2017a sind mit zwei ringförmigen Schutzschildplatten 24' bedeckt, die integral mit der zylindrischen Innenwandoberfläche des Reaktorgefäßes 12 verbunden sind. In dieser Ausführungsform dient die zylindrische Seitenwand des Reaktorgefäßes 12 als Schutzschild für den zylindrischen Außenwandabschnitt 2017a&sub2; des Elektrodenelements 2017a, da sie nahe beeinander angeordnet sind. Das Entladungselektrodenelernent 2017a weist vier Hohlräume oder Nuten 2017b auf, die in dessen zylindrischem Innenwandabschnitt 2017a&sub1;, der sich längs der Längsachse des Reaktorgefäßes 12 erstreckt, ausgebildet sind. Wie in Fig. 17(b) dargestellt, ist eine Mehrzahl von Öffnungslöchern 2017c in dem Boden jeder Nut 2017c so ausgebildet, daß sie längs untereinander in gerader Linie ausgerichtet sind. Eine längliche Auslaßöffnung jeder Nut 2017c wird durch gegenüberliegende Vorsprünge 2017d, die sich von gegenüberliegenden Rändern aus erstrecken, durch welche die Auslaßöffnung der Nut 2017c definiert ist, begrenzt, wodurch die Elektronen in der Nut 2017c, wie in der siebenten Ausführungsform von Fig. 16 erwähnt, eingeschlossen werden können. Ein Auslaßrohr 16' ragt aus der zylindrischen Außenwand des Reaktorgefäßes 12 heraus und ist so angepaßt, daß es durch ein verstellbares Ventil 54 mit einer geeigneten Vakuumpumpe (nicht dargestellt) verbindbar ist.
Die geerdete Elektrode 22 umfaßt ein trommelähnliches Elektrodenelement 2217, das konzentrisch im Inneren des doppelwandigen zylindrischen Elektrodenelements 2017a angeordnet ist und aus einem geeigneten leitenden Material, wie z.B. Aluminium, gebildet ist. Das geerdete trommelähnliche Elektrodenelement 2217 kann in derselben Weise wie in der vierten Ausführungsform der Figuren 8(a) und 8(b) getragen werden. D.h. das trommelähnliche Elektrodenelement 2217 ist durch das hülsenähnliche Klammerbauteil 42 auf dem hülsenähnlichen Träger 40 befestigt und wird durch einen geeigneten Motor (nicht dargestellt) gedreht. In dieser Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Substraten S abnehmbar an dem trommelähnlichen Elektrodenelement 2217 an vorbestimmten Stellen, wo ein Teil dessen Materials entfernt ist, befestigt. Wie in Fig. 17(b) dargestellt, ist ein Paar kleiner plattenähnlicher Halter 56 an jedem der Bereiche, wo Material entfernt ist, zur Befestigung der Substrate S befestigt, so daß das Paar plattenähnlicher Halter 56 teilweise mit dem entsprechenden Bereich überlappt und ein Paar von Kanälen zum Halten des Substrats S bildet.
Wie in Fig. 17(a) dargestellt, sind die vier gebogenen Schutzschild-Plattenelemente 44 teilweise an den zylindrischen Innenwandoberflächen des Entladungselektrodenelements 2017a angebracht, so daß sie diametral in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, wodurch die Entladungsfläche begrenzt ist, so daß ein Potential der Entladungselektrode 20 zur negativen Seite hin vorgespannt werden kann.
Im Betrieb wird das Ausgangsgas durch das Einlaßrohr 18' der ringförmigen Kammer 2017b' des Entladungselektrodenelements 2017a zugeführt und wird dann durch die Öffnungslöcher 2017c in den Hohlraum oder die Nut 2017b eingeführt. Demgemäß kann in den Hohlräumen 2017b eine Plasmazone höherer Dichte in derselben Weise wie in der siebenten Ausführungsform von Fig. 16 erhalten werden.
Eine Vorrichtung zur Dünnfilmbildung entsprechend der achten Ausführungsform der Figuren 17(a) und 17(b) wurde tatsächlich Zusammengebaut, und es wurde eine Bildung eines a-Si:H- Dünnfilms auf Substraten durchgeführt.
Die Zusammengebaute Vorrichtung wies die folgenden Merkmale auf:
(A) Breite des Hohlraums (2017b) : 7 mm
(B) Tiefe des Hohlraums (2017b) : 30 mm
Man beachte, daß in der Zusammengebauten Vorrichtung eine überstehende Länge der gegenüberliegenden Vorsprünge (2017d) in Sprüngen geändert wurde:
Dünnfilmbildungen wurden unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
(A) Leistung der HF-Quelle : 300 W
(B) Druck innerhalb des Reaktorgefäßes : 6,7 Pa (50 mTorr)
Auch wurden als Ausgangsgas ein Si&sub2;H&sub6;-Gas und ein Gasgemisch von Si&sub2;H&sub6; und He (1 : 1) verwendet. Eine Durchflußrate des Si&sub2;H&sub6;-Gases war 100 sccm und eine Durchf lußrate des Gasgemisches von Si&sub2;H&sub6; und He war 200 sccm. Als überstehende Länge der gegenüberliegenden Vorsprünge (2017d) wurden drei Längen von 0 mm, 1,0 mm und 1,5 mm ausgewählt.
Die hergestellten a-Si:H-Dünnfilme wurden bezüglich der Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit ausgewertet, und die Ergebnisse sind in Fig. 18 dargestellt. Wie aus Fig. 18 ersichtlich, ist die Dünnfilm-Bildungsgeschwindigkeit maximal, wenn die überstehende Länge X 1,5 mm beträgt, und die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit wird bemerkenswert verringert, wenn die überstehende Länge X 2,0 mm beträgt. Dies bedeutet, daß die Auslaßöffnung des Hohlraums zu sehr beschränkt ist und die Entladung folglich nur mit Mühe eintreten kann.
Fig. 19 stellt eine neunte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die im wesentlichen in der gleichen Weise wie die siebente Ausführungsform von Fig. 16 aufgebaut ist, abgesehen von einem Teil davon. Insbesondere unterscheiden sich beide Ausführungsformen voneinander nur dadurch, daß in der siebenten Ausführungsform von Fig. 16 die gegenüberliegenden Vorsprünge 2016d zum Einschließen der Elektronen in den Hohlraum 2016b verwendet werden, wohingegen in dieser neunten Ausführungsform für denselben Zweck Magnetelemente 58 verwendet werden. Demgemäß werden in Fig. 19 dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 16 verwendet, um dieselben Elemente anzuzeigen. Die Magnetelemente 58 sind in der Innenkammer des Entladungselektrodenelements 2016a angeordnet, so daß sie die Auslaßöffnung des Hohlraums 2016b umgeben, wodurch die Elektronen im Inneren des Hohlraums 2016b der Lorentzkraft unterliegen und darin eingeschlossen werden. Weiterhin sind die Elektronen aufgrund der Magnetelemente 58 einer spiralförmigen Bewegung unterworfen, so daß die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen den Elektronen und Ausgangsgasmolekülen weiter erhöht werden kann, wodurch die Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit und der Prozentsatz des Ausgangsgasverbrauchs beträchtlich erhöht werden können.
Die Figuren 20(a) und (b) stellen eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die im wesentlichen in der gleichen Weise wie die achte Ausführungsform der Figuren 17(a) und 17(b) aufgebaut ist, abgesehen von einem Teil davon. Insbesondere unterscheiden sich beide Ausführungsformen voneinander nur dadurch, daß in der achten Ausführungsform der Figuren 17(a) und 17(b) die gegenüberliegenden Vorsprünge 2017d zum Einschließen der Elektronen in den Hohlräumen 2017b verwendet werden, wohingegen in dieser zehnten Ausführungsform Magnetelemente 60 für denselben Zweck verwendet werden. Demgemäß werden in der Fig. 20 dieselben Bezugszeichen wie in den Figuren 17(a) und 17(b) verwendet, um dieselben Elemente anzuzeigen. Die Magnetelemente 60 sind in der inneren Ringkammer 2017b' des Entladungselektrodenelements 2017a angeordnet, so daß sie die Auslaßöffnung jedes Hohlraums 2017b umgeben.
Eine Vorrichtung zur Dünnfilmbildung entsprechend der achten Ausführungsform der Figuren 20(a) und 20(b) wurde tatsächlich Zusammengebaut, und es wurde eine Bildung eines a-Si:H- Dünnfilms auf Substraten durchgeführt.
Die Zusammengebaute Vorrichtung wies die folgenden Kennzeichen auf:
(A) Breite des Hohlraums (2017b) : 8mm
(B) Tiefe des Hohlraums (2017b) : 30 mm
Eine Dünnfilmbildung wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
(A) Leistung der HF-Quelle : 800 W
(B) Druck im Reaktorgefäß : 6,7 Pa (50 mTorr)
Auch wurde als das Ausgangsgas ein Si&sub2;H&sub6;-Gas und ein Gasgemisch von Si&sub2;H&sub6; und He (1:1) verwendet. Eine Durchflußrate des Si&sub2;H&sub6;-Gases war 100 sccm und eine Durchflußrate des Gasgemisches von Si&sub2;H&sub6; und He war 200 sccm.
Die Bildung eines anderen Dünnfilms wurde unter den gleichen Bedingungen wie oben erwähnt durchgeführt, abgesehen davon, daß die Magnetelemente (60) nicht verwendet wurden.
Die hergestellten a-Si:H-Dünnfilme wurden bezüglich der Dünnfilm-Wachstumsgeschwindigkeit ausgewertet, und die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt: magnetisch nicht-magnetisch
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besonders in bezug auf eine a-Si:H-Dünnfilmbildung erläutert sind, kann die vorliegende Erfindung offensichlich auf eine Bildung einer anderen Art von Dünnfilm, wie z.B. a-SiC:H, a-SiGe:H, a-SiN:H, mikrokristallisiertem Silizium, a-C:H, S1-xNx (0 < x < 1), Si1-xOx (0 < x < 1 ), W&sub2;Si&sub3;, BN, B&sub4;C, SiC und dergleichen, angewandt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Bildung eines Dünnfilms auf einem Substrat, umfassend:

ein Reaktorgefäß (12);

eine erste Elektrode (20; 32; 34) und eine zweite Elektrode (22), die gegenüberliegend innerhalb des Reaktorgefäßes angeordnet sind;

eine Einleitungsvorrichtung (14, 18) zum Einleiten eines Ausgangsgases in das Reaktorgefäß durch einen Hohlraum (20c) der ersten Elektrode (20; 32; 34);

eine Schaltkreisvorrichtung, die eine elektrische Hochfrequenzquelle (26) zum Anlegen einer Hochfrequenzspannung zwischen der ersten Elektrode (20) und der zweiten Elektrode (22) umfaßt, um dazwischen eine Plasmaentladungszone zur Dissoziierung des Ausgangsgases zu erzeugen;

wobei die Schaltkreisvorrichtung so angeordnet ist, daß die erste Elektrode (20; 32; 34) als Entladungselektrode dient und die zweite Elektrode (22) geerdet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode Wände umfaßt, die den Hohlraum (20c) mit einem Auslaß definieren, der zur zweiten Elektrode hin geöffnet ist, und

die Schaltkreisvorrichtung weiterhin eine Vorspannungsvorrichtung (30; 30') zum Vorspannen des Potentials der ersten Elektrode zur negativen Seite hin umfaßt, wodurch ein Plasma hoher Dichte in dem Hohlraum (20c) erzeugt wird, und die Dissoziation von dahinein eingeleitetem Ausgangsgas erleichtert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Vorspannungsvorrichtung einen Sperrkondensator (30) umfaßt, der in die Schaltkreisvorrichtung inkorporiert ist, und die erste Elektrode (20; 32; 34) eine Entladungsfläche aufweist, die kleiner als eine Fläche der zweiten Elektrode (22) ist, die der Entladungsfläche der ersten Elektrode gegenüberliegt.

53. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Vorspannungsvorrichtung eine Gleichspannungsquelle (30') umfaßt, die in der Schaltkreisvorrichtung inkorporiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der der Hohlraum (20c) der ersten Elektrode (20) darin derart ausgebildet ist, daß deren Material entfernt ist, wobei die Einleitungsvorrichtung wenigstens ein Öffnungsloch (20e) aufweist, das in einem Boden des Hohlraums (20c) zum Ausstoßen des Ausgangsgases durch dasselbe hindurch ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der der Hohlraum der ersten Elektrode (32) durch Anbringen eines Hülsenelements (32c) an der ersten Elektrode gebildet ist, wobei die Einleitungsvorrichtung ein Öffnungsloch aufweist, das in der ersten Elektrode zum Ausstoßen des Ausgangsgases durch dasselbe ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der der Hohlraum der ersten Elektrode durch ein leitendes Maschenelement (36b) definiert ist, das an der ersten Elektrode angebracht ist, wobei die Einleitungsvorrichtung ein Rohrelement (36c1, 36c2) umfaßt, welches das leitende Maschenelement umgibt und welches eine Mehrzahl von Öffnungslöchern, die zum Ausstoßen des Ausgangsgases durch dieselben und in den Hohlraum darin ausgebildet sind, aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die erste Elektrode (20) eine Hohlkonstruktion aufweist, in der eine Innenkammer als Sammelkammer für das Ausgangsgas ausgebildet ist, wobei der Hohlraum der ersten Elektrode als Nut (208d) ausgebildet ist, die in eine Wand von der Hohlkonstruktion eingelassen ist, wobei die Einleitungsvorrichtung mindestens ein Öffnungsloch (208e) aufweist, das in einem Boden der Nut zur Kommunikation zwischen der Sammelkammer und der Nut ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die erste Elektrode (20) wenigstens zwei Elektrodenelemente (2013a) umfaßt, wobei jedes eine sektorförmige Hohlkonstruktion aufweist, die zweite Elektrode als ein trommelförmiges Element ausgebildet ist und so angepaßt ist, daß sie gedreht werden kann, die sektorförmigen Elektrodenelemente in Umfangsrichtung und konzentrisch in regelmäßigen Abständen um das trommelförmige Element herum angeordnet sind, jedes der sektorförmigen Elektrodenelemente mindestens einen Hohlraum aufweist, der als Nut (2013e) in eine Innenwand von deren Hohlkonstruktion eingelassen ist, und die Einleitungsvorrichtung mindestens ein Öffnungsloch aufweist, das in einem Boden der Nut zum Ausstoßen des Ausgangsgases durch dasselbe ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die erste Elektrode (20) eine ringförmige Hohlkonstruktion (2017a1, 2017a2) aufweist, wobei die zweite Elektrode (22) als trommelförmiges Element (2217) ausgebildet ist und so angepaßt ist, daß sie gedreht werden kann, die zweite Elektrode in Umfangsrichtung und konzentrisch innerhalb der ringförmigen Hohlkonstruktion der ersten Elektrode angeordnet ist, der Hohlraum der ersten Elektrode als wenigstens eine Nut (2017b) ausgebildet ist, die in eine Innenwand von deren Hohlkonstruktion eingelassen ist, die Einleitungsvorrichtung wenigstens ein Öffnungsloch (2O17c) aufweist, das in einem Boden der Nut zum Ausstoßen des Ausgangsgases durch dasselbe gebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die erste Elektrode (20) mehr als ein Entladungselektrodenelement (209a) umfaßt, jedes der Entadungselektrodenelemente einen Hohlraum (209b) aufweist, der darin derart ausgebildet ist, daß dessen Material entfernt ist, die Einleitungsvorrichtung mindestens ein Öffnungsloch aufweist, das in einem Boden des Hohlraums jedes Entladungselektrodenelements zum Ausstoßen des Ausgangsgases darin ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Auslaßöffnung des Hohlraums der ersten Elektrode (20), die zu der zweiten Elektrode (22) hin geöffnet ist, durch gegenüberliegende Vorsprünge (2016d), die als Teil der ersten Elektrode ausgebildet sind, begrenzt ist, wodurch die in dem Plasma hoher Dichte, das in dem Hohlraum (2016b) erzeugt wird, enthaltenen Elektronen darin eingeschlossen werden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die erste Elektrode (20) mindestens ein Magnetelement (60) umfaßt, das so angeordnet ist, daß es die Auslaßöffnung von deren Hohlraum umgibt, und zu der zweiten Elektrode (22) hin geöffnet ist, wodurch die in dem Plasma hoher Dichte, das in dem Hohlraum erzeugt wird, enthaltenen Elektronen nicht nur darin eingeschlossen werden können, sondern auch aufgrund der Anwesenheit des Magnetelements einer Spinbewegung unterworfen werden können.