(b) HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine Plasma-CVD (chemische
Gasphasenabscheidung)-Anlage, die geeignet ist für die Herstellung
dünner Schichten mit grober Fläche, die in verschiedenen
elektronischen Bauelementen wie amorphen
Silizim-Sonnenenergiezellen, Dünnschicht-Halbleitern, optischen Sensoren und
Schutzschichten für Halbleiter verwendet werden.
2. Beschreibung der verwandten Technik
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Mit Bezug auf FIG. 7 wird eine herkömmliche Plasma-CVD-
Anlage beschrieben, die für die Herstellung dünner, amorpher
Silizimschichten mit großer Fläche verwendet worden ist.
Diese Technologie ist zum Beispiel in der japanischen
Patentanmeldung Nr. 106314/1986 (61-106314) als bekannt
offenbart.
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Elektroden 2, 3 sind parallel zueinander in einem
Reaktionsbehälter 1 für die Erzeugung von Glimmentladungsplasma
angeordnet. Elektrischer Strom mit einer Netzfrequenz von zum
Beispiel 60 Hz wird diesen Elektroden 2, 3 von einer
Niederfrequenz-Stromversorgung 4 zugeführt. Es kann auch eine
Gleichstrom- bzw. Hochfrequenz-Stromversorgung verwendet
werden. Eine Spule 5 ist um den Reaktionsbehälter 1
gewickelt, und Wechselstrom wird von einer
Wechselstromversorgung 6 zugeführt. Eine Gasmischung aus, zum Beispiel,
Monosilan und Argon wird dem Reaktionsbehälter 1 von einem
(nicht dargestellten) Zylinder über ein Einlaßrohr 7
zugeführt. Das Gas im Reaktionsbehälter 1 wird über ein
Ablaßrohr 8 mittels einer Vakuumpumpe 9 abgeführt. Ein Substrat
10 ist außerhalb des durch die Elektroden 2, 3 gebildeten
Entladungsraumes angeordnet und durch eine geeignete
Einrichtung in der zu den Flächen der Elektroden 2, 3
senkrechten Richtung gehalten.
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Bei Verwendung dieser Anlage kann eine dünne Schicht
folgendermaßen hergestellt werden. Die Vakuumpumpe 9 wird für die
Entfernung von Gas aus dem Reaktionsbehälter 1 betrieben.
Durch das Einlaßrohr 7 für Reaktionsgas wird eine Mischung
aus zum Beispiel Monosilan und Argon zugeführt. Der Druck
innerhalb des Reaktionsbehälters 1 wird auf 6,65 Pa (0,05
Torr) bis 66,5 Pa (0,5 Torr) gehalten, und an die Elektroden
2, 3 wird von der Niederfrequenz-Stromversorgung 4
elektrische Spannung angelegt. Glimmentladungsplasma wird erzeugt.
Eine Wechselstromspannung von, zum Beispiel, 100Hz wird an
die Spule 5 angelegt, um ein Magnetfeld B in der Richtung zu
erzeugen, die senkrecht zu dem zwischen den Elektroden 2, 3
erzeugten elektrischen Feld E ist. Die magnetische
Strömungsdichte in diesem Magnetfeld kann ungefähr 10 Gauß
betragen.
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Von dem durch das Einlaßrohr 7 für Reaktionsgas zugeführten
Gas wird Monosilan durch das zwischen den Elektroden 2, 3
erzeugte Glimmentladungsplasma zersetzt. Als Ergebnis treten
Silizium(Si)-Radikale auf und haften an der Oberfläche des
Substrats 10, um eine dünne Schicht zu bilden.
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Geladene Teilchen, wie Argon-Ione, nehmen die sogenannte
E B-Driftbewegung aufgrund der Coulomb-Kraft F&sub1; = q E und
der Lorentz-Kraft F&sub2; = q(V B) an, wobei V die
Geschwindigkeit eines geladenen Teilchens ist. Die geladenen Teilchen
erhalten durch diesen E B-Drift eine Anfangsgeschwindigkeit
und fliegen in die zu den Elektroden 2,3 senkrechte Richtung
zum Substrat 10 hin. Jedoch folgen die geladenen Teilchen im
Entladungsraum, in dem die Wirkung des elektrischen Feldes
zwischen den Elektroden 2, 3 gering ist, einer
Larmor-Flugbahn aufgrund der Zyklotronbewegung, die durch das durch die
Spule 5 erzeugte Magnetfeld B bewirkt ist. Daher treffen die
geladenen Teilchen, wie z.B. Argonione, kaum direkt auf das
Substrat 10 auf.
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Die Silizium(Si)-Radikale, die elektrisch neutral sind
werden vom Magnetfeld B nicht beeinflußt und weichen von der
vorstehend genannten Flugbahn der geladenen Teilchen ab, um
das Substrat 10 zu erreichen und bilden eine dünne amorphe
Schicht auf dessen Oberfläche. Da die Si-Radikale mit den
entlang der Larmor-Flugbahn fliegenden geladenen Teilchen
kollidieren, wird die dünne amorphe Schicht nicht nur vor
den Elektroden 2, 3, sondern auch in Bereichen links und
rechts davon gebildet. Da darüberhinaus das Magnetfeld B
durch die Wechselstromversorgung 6 verändert wird, kann die
dünne amorphe Schicht auf der Oberfläche des Substrats 10
gleichmäßig ausgebildet werden. Da ferner die Elektroden 2,
3 lang sein können, solange sie in den Reaktionsbehälter 1
passen, selbst, wenn das Substrat 10 lang ist, kann die
dünne amorphe Schicht gleichmäßig auf dessen Oberfläche
ausgebildet werden.
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Gemäß der vorstehend beschriebenen herkömmlichen Vorrichtung
kann eine Schicht auf einer großen Fläche durch Erzeugen
eines Magnetfeldes B in der zum elektrischen Entladungsfeld
E zwischen den Glimmentladungsplasma erzeugenden Elektroden
mühelos gebildet werden. Diese Vorrichtung weist jedoch die
folgenden Probleme auf.
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(1) Wenn eine Schicht mit großer Fläche gebildet wird,
müssen die Elektroden lang sein. Um stabiles Plasma unter
Verwendung von langen Elektroden zu erzeugen, sollte die
Frequenz der Stromversorgung so niedrig wie möglich sein.
Daher wird eine Stromversorgung mit einer Frequenz von
mehreren 10 bis mehreren 100Hz verwendet. Jedoch spielen
unter den Bedingungen, bei denen die Frequenz niedrig wird
und der Ionentransport während einer Halbwelle den Abstand
zwischen den Elektroden überschreitet, von der negativen
Elektrode (Kathode) aufgrund von Kollisionen zwischen den
Ionen entladene Sekundärelektronen beim Aufrechterhalten
des Plasmas in der gleichen Weise wie bei der
Gleichstromentladung eine wichtige Rolle. Wenn eine Schicht auf den
Elektroden gebildet wird und die Elektroden durch die
Schicht isoliert werden, findet daher in dem isolierten
Bereich keine Entladung statt. In diesem Fall müssen die
Oberflächen der Elektroden immer saubergehalten werden. Es sind
daher lästige Tätigkeiten erforderlich, wie das sehr häufige
Auswechseln und Reinigen der Elektroden, und das ist ein
Grund für höhere Kosten.
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(2) Wenn eine Hochfrequenz-Plasmaquelle von, zum Beispiel,
13,56MHz für eine Minderung des vorstehend genannten
Nachteils (1) verwendet wird, werden die von der Elektrode
entladenen Sekundärelektronen für die Aufrechterhaltung der
Entladung unwichtig. Selbst, wenn ein Nichtleiter wie eine
Schicht, auf der Elektrode vorhanden ist, bildet sich
zwischen den Elektroden immer noch Glimmentladung. Wenn die
verwendeten Elektroden allerdings lang sind, fließt aufgrund
des Skin-Effekts bei hoher Frequenz der größte Teil des
elektrischen Stromes in der Oberfläche (ungefähr 0,01 mm)
und dadurch nimmt der elektrische Widerstand zu. Zum
Beispiel, wenn die Elektrode 1m lang oder länger ist, tritt
eine gewisse Spannungsverteilung auf den Elektroden auf und
es gibt kein einheitliches Plasma. Betrachtet man dies im
Hinblick auf einen verteilungskonstanten Schaltkreis, kann
dies wie in FIG. 8 dargestellt sein. In FIG. 8 stellt x den
Abstand in Längsrichtung der Elektrode dar. Wenn der
Widerstand R pro Längeneinheit der Elektrode so groß ist, daß er
im Vergleich mit der Impedanz Z&sub1;, Z&sub2;, ..., Zn des
Entladungsbereiches nicht ignoriert werden kann, tritt in der
Elektrode eine Spannungsverteilung auf. Wird eine
Hochfrequenz-Stromversorgung verwendet, ist es daher sehr schwierig
und bei praktischen Anwendungen bisher nicht möglich, eine
Schicht mit großer Fläche zu bilden.
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(3) Gemäß den vorstehenden Verfahren (1) und (2) ist es
äußerst schwierig, wenn eine dünne amorphe Silizium-Schicht
von 50 cm x 50 cm oder mehr erzeugt wird, die Verteilung der
Schichtdicke innerhalb von +/-10% zu halten und die
Geschwindigkeit der Schichtbildung bei 1Å/Sekunde oder mehr
aufrechtzuerhalten.
(c) ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei einer Plasma-CVD-Anlage, die einen Reaktionsbehälter,
eine Einrichtung zum Einführen eines Reaktionsgases in den
Reaktionsbehälter und zum Abführen des Reaktionsgases davon,
im Reaktionsbehälter angeordnete Entladungselektroden, eine
Stromversorgung für die Versorgung der Entladungselektroden
mit elektrischem Strom zur Glimmentladung, so daß eine dünne
amorphe Schicht auf einer Oberfläche eines Substrats, das
sich im Reaktionsbehälter befindet, gebildet werden kann,
ist die Plasma-CVD-Anlage dieser Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß die Entladungselektroden durch eine ebene
Spulenelektrode ausgebildet sind, die durch abwechselndes
Biegen einer einzelnen Leitung in eine U-Form erstellt worden
ist, und daß das Substrat im wesentlichen parallel mit der
Entladungselektrode gehalten wird.
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Bei dieser Erfindung weist eine Stromversorgung, welche die
Entladungselektrode mit elektrischem Strom zur
Glimmentladung versorgt, vorzugsweise eine hohe Frequenz von zum
Beispiel 13,56MHz auf.
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Bei dieser Erfindung sollte der Abstand zwischen den
benachbarten Leitungselementen in der im Zickzack verlaufenden
ebenen Spulenelektrode vorzugsweise 50 mm oder weniger
betragen. Übersteigt dieser Abstand 50 mm, beträgt die
Verteilung der Schichtdicke des amorphen Siliziums, das auf der
Substratoberfläche gebildet ist, +/-30% oder mehr, und dies
ist nicht erstrebenswert.
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Bei dieser Erfindung wird es vorgezogen, eine
Impedanz-Anpassungsschaltung mit Spulen und Kondensatoren zwischen der
Stromversorgung und der im Zickzack verlaufenden ebenen
Spulenelektrode anzuordnen, wenn die Elektrode mit elektrischem
Strom für die Erzeugung von Plasma gespeist wird.
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Bei dieser Erfindung wird es vorgezogen, eine Spule zum
Erzeugen eines Magnetfeldes B in der zum elektrischen Feld E,
das zwischen den Elektrodenelementen erzeugt worden ist,
senkrechten Richtung anzuordnen, so daß die Spule die
Entladungselektrode umgibt, sowie eine Stromversorgung, welche
die Spule zum Erzeugen des Magnetfeldes mit elektrischem
Strom versorgt, so daß das Magnetfeld das Plasma rüttelt. Es
ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, das Plasma durch
das Magnetfeld rütteln zu lassen.
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Anstelle einer Vielzahl herkömmlicher, paralleler, ebener
Elektroden ist bei dieser Erfindung eine im Zickzack
verlaufende ebene Spulenelektrode, die durch abwechselndes Biegen
einer einzelnen Leitung in eine U-Form erstellt worden ist,
im Reaktionsbehälter vorgesehen, so daß das elektrische Feld
um die Elektrode stärker und die Intensitätsverteilung
dieses Feldes gleichmäßig wird. Wird zum Beispiel SiH&sub4;-Gas als
Reaktionsgas verwendet, wird die Stärke der
SiH-Lichtemission (Lichtemission bei einer Wellenlänge von 414 nm)
gleichmäßig.
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Daher weist die auf der Substratoberfläche gebildete amorphe
Silizium-Schicht im wesentlichen einheitliche Dicke auf, und
die Schicht kann bei hohen Geschwindigkeiten gebildet
werden. Daher ist die erfindungsgemäße Plasma-CVD-Anlage für
die Herstellung einer dünnen amorphen Schicht, die eine
große Fläche hat, geeignet. Da die im Zickzack verlaufende
ebene Spulenelektrode eine Art Antenne ist, sollte ihre
Länge l das folgende Verhältnis bezüglich der Wellenlänge λ
für die Frequenz der Stromversorgung erfüllen;
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1 < λ/4.
(d) KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG(EN)
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FIG. 1 ist eine Darstellung des Aufbaus der Plasma-CVD-
Anlage in der erfindungsgemäßen Ausführungsform im
Querschnitt;
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FIG. 2 ist eine Draufsicht auf die im Zickzack verlaufende
ebene Spulenelektrode, die in der vorstehend genannten
Plasma-CVD-Anlage verwendet wird;
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FIG. 3 ist eine Ansicht im Querschnitt entlang der Linie
III-III in FIG. 2;
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FIG. 4 ist ein Diagramm, das die Anordnung der Elektrode und
des Substrats in der vorstehend genannten Plasma-CVD-Anlage
darstellt;
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FIG. 5 ist eine beschreibende Zeichnung der Verteilung der
Stärke der SiH-Emission nahe der Elektrode in der
erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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FIG. 6 ist eine graphische Darstellung des Vehältnisses
zwischen dem Abstand zwischen den benachbarten Leitungen in
der im Zickzack verlaufenden ebenen Spulenelektrode und der
Verteilung der Schichtdicke amorphen Siliziums;
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FIG. 7 ist eine Querschnittsansicht des Aufbaus einer
herkömmlichen Plasma-CVD-Anlage: und
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FIG. 8 erläutert Probleme im Zusammenhang mit herkömmlichen
Plasma-CVD-Anlagen.
(e) GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Es wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit Bezug auf
die Zeichnungen beschrieben.
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FIG. 1 zeigt im Querschnitt den Aufbau einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Plasma-CVD-Anlage. Gleiche Teile wie
in FIG. 7 weisen die gleichen Bezugsziffern auf. Eine im
Zickzack verlaufende ebene Spulenelektrode 11 ist im
Reaktionsbehälter 1 zum Erzeugen von Glimmentladungsplasma
angeordnet. Diese im Zickzack verlaufende ebene Spulenelektrode
11 weist, wie in FIG. 2 und 3 dargestellt, einen Aufbau auf,
der durch abwechselndes Biegen einer einzelnen Leitung in
eine U-Form erreicht wird. Strom mit einer Frequenz von, zum
Beispiel, 13,56MHz wird Stromanschlußstellen 11a, 11b auf
der im Zickzack verlaufenden ebenen Spulenelektrode 11 über
eine Impedanz-Anpassungsschaltung 12 zugeführt. Um den
Reaktionsbehälter 1 ist eine Spule 5 angeordnet, und der Spule
wird von einer Wechselstromquelle 6 elektrischer Strom
zugeführt. Diese Stromquelle kann auch eine Gleichstromquelle
sein. Bei dieser Ausführungsform wird ein Magnetfeld von 50
bis 120 Gauß von der Spule 5 erzeugt. Von einem (nicht
dargestellten) Zylinder wird eine Gasmischung aus, zum
Beispiel, Monosilan und Argon dem Reaktionsbehälter 1 durch ein
Gaseinlaßrohr 7 zugeführt. Das im Reaktionsbehälter 1
vorhandene Gas wird von einer Vakuumpumpe 9 durch ein Ablaßrohr
8 abgeführt. Das Substrat 10 wird parallel zur im Zickzack
verlaufenden ebenen Spulenelektrode 11 angeordnet und auf
einem, in den Zeichnungen nicht dargestellten Substratträger
gehalten.
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Bei Verwendung dieser Anlage wird eine dünne Schicht gemäß
der nachfolgenden Vorgehensweise erzeugt. Das Gas im
Reaktionsbehälter 1 wird durch Betreiben der Vakuumpumpe 9
abgeführt. Eine Gasmischung aus, zum Beispiel, Monosilan und
Argon wird in Größenordnungen von 100 bis 200cm³/Min. durch
das Einlaßrohr 7 für Reaktionsgas zugeführt. Der Druck im
Reaktionsbehälter 1 wird auf 6,65 Pa (0,05 Torr) bis 66,5 Pa
(0,5 Torr) gehalten, und elektrische Spannung wird an die im
Zickzack verlaufende ebene Spulenelektrode 11 von der
Hochfrequenz-Stromversorgung 14 durch die
Impedanz-Anpassungsschaltung 12 angelegt. Dann tritt Glimmentladungsplasma um
die Elektrode 11 auf. Die Lichtemission wird durch ein
optisches Filter beobachtet, das nur Licht mit einer Wellenlänge
von ungefähr 414nm durchläßt. Ergebnisse wie in FIG. 5
dargestellt werden erreicht. Die Stärke der Emission zwischen
der Elektrode 11 und dem Substrat 10 ist mehr oder weniger
konstant. Dies läßt daraus folgern, daß die Verteilung der
Schichtdicke einer dünnen amorphen Silizium-Schicht, die and
der Oberfläche des Substrats 10 haftet, einheitlich ist.
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Die Verteilung der Schichtdicke der dünnen amorphen
Silizium-Schicht hängt von der Strömungsrate des Reaktionsgases,
dem Druck, der Konzentration von SiH&sub4; und elektrischem Strom
sowie vom Abstand zwischen den benachbarten Leitungen in der
im Zickzack verlaufenden ebenen Spulenelektrode 11 ab.
Versuche der Schichtbildung wurden unter den folgenden
Bedingungen durchgeführt.
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Substratmaterial: Glas
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Substratfläche: 50cm x 50cm
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Art des Reaktionsgases: wasserstoffverdünntes
20%-iges SiH&sub4;
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Strömungsrate des
Reaktionsgases: 100cm³/Min.
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Druck im
Reaktionsbhälter: 39,9 Pa (0,2 Torr)
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Hochfrequenzstrom: 150W
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Der Abstand zwischen den benachbarten Leitungen in der im
Zickzack verlaufenden ebenen Spulenelektrode 11 war auf 5mm
bis 45mm eingestellt. Dann wurden dünne Schichten mit einer
durchschnittlichen Dicke von 5000Å gebildet. Das Verhältnis
zwischen dem Abstand zwischen den benachbarten Leitungen und
der Verteilung der Schichtdicke ist in FIG. 6 dargestellt.
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Wie in FIG. 6 gezeigt, betrug die Verteilung der
Schichtdicke, ohne Anlage eines Magnetfeldes, +/-20% oder weniger,
wenn der Abstand zwischen den Leitungen 30mm oder weniger
betrug. Wurde andererseits ein magnetisches Wechselfeld
(eine Sinuswelle einer Frequenz von 10 Hz) von +/-80 Gauß
angelegt, stellte sich heraus, daß die Verteilung der
Schichtdicke verglichen mit den Fällen ohne Magnetfeld
besser war.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird die im Zickzack
verlaufende ebene Spulenelektrode 11 als Entladungselektrode
verwendet, und Hochfrequenz-Stromversorgung von 13,56MHz wird als
Stromversorgung zur Erzeugung von Plasma verwendet, und in
der zum elektrischen Feld senkrechten Richtung wird ein
Magnetfeld angelegt, so daß amorphe Silizium-Schichten mit
einer großen Fläche mit einer derart hohen Geschwindigkeit
wie 3 bis 5Å/Sek. erzeugt werden können.
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Wie vorstehend beschrieben wird nach der Erfindung unter
Verwendung einer im Zickzack verlaufenden ebenen
Spulenelektrode als Entladungselektrode die elektrische Feldstärke in
der Umgebung der Elektrode stärker und gleichmäßiger, und
folglich können dünne, großflächige Schichten aus amorphem
Silizium bei großer Geschwindigkeit hergestellt werden.
Daher ist diese Erfindung industriell nützlich und wertvoll
für die Herstellung von, zum Beispiel, amorphen Silizium-
Solarzellen, Dünnschicht-Halbleitern, optischen Sensoren und
Schutzschichten für Haltleiter.