無針孔介電薄膜制造方法
【專利摘要】一種沉積介電薄膜的方法可包括以下步驟：沉積薄介電層；停止沉積介電層，以及改變腔室中的氣體（如果需要）；在基板附近誘導(dǎo)和維持等離子體，以提供對所沉積的介電層的離子轟擊；以及重復(fù)所述沉積、停止、以及誘導(dǎo)和維持步驟，直到沉積了所需厚度的電介質(zhì)為止。這種方法的一種變體可包括以下步驟來代替所述重復(fù)步驟：沉積較低品質(zhì)的厚介電層；沉積高品質(zhì)的薄介電層；停止沉積介電層，以及改變腔室中的氣體（如果需要）；以及在基板附近誘導(dǎo)和維持等離子體，以提供對所沉積的介電層的離子轟擊。所述厚介電層可以比所述薄介電層更快速地沉積。
【專利說明】無針孔介電薄膜制造
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求享有在2011年6月17日提交的美國臨時申請第61/498，480號的權(quán)益，所述美國臨時申請以引用方式全部并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明的實(shí)施方式通常涉及薄膜沉積，并且更具體來說涉及用于減少介電薄膜中針孔(pinhole)的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0004]存在許多包括多個導(dǎo)電層-例如,薄膜電池(thin film batteries;TFBs^EIi
變色(electoochromic)裝置之間的介電膜的薄膜裝置。關(guān)于這些裝置，所述介電膜中的針孔可能會損害裝置功能。例如，所述介電膜中的針孔可能會降低所述裝置的擊穿電壓，或者更糟地還會導(dǎo)致各導(dǎo)電層之間的短路以及致使所述裝置變得無效。
[0005]圖1圖示典型的薄膜電池(thin film battery;TFB)的剖面圖。將TFB裝置結(jié)構(gòu)100所具有的陽極集電器(anode current collector) 103和陰極集電器102 (cathodecurrent collector)形成在基板101上,接著形成陰極104、電解質(zhì)105和陽極106 ;但是也可以將所述裝置制造成具有顛倒次序的所述陰極、電解質(zhì)和陽極。此外，可以分別沉積陰極集電器(cathode current collector ；CCC)和陽極集電器(anode current collector ；ACC)。例如，可以在沉積所述陰極之前沉積CCC，以及可以在沉積所述電解質(zhì)之后沉積ACC。可以用封裝(encapsulation)層107覆蓋所述裝置，以保護(hù)環(huán)境敏感層免受氧化劑影響。可參看例如 N.J.Dudney, Materials Science and Engineering (《材料科學(xué)與工程》)B116，(2005)245-249。應(yīng)注意在圖1所示的TFB裝置中組成層不是按比例繪制的。
[0006]在諸如圖1所示的裝置結(jié)構(gòu)之類的典型的TFB裝置結(jié)構(gòu)中，所述電解質(zhì)——諸如鋰磷氮氧化物(LiPON)之類的介電材料——是夾在兩個電極——陽極與陰極之間。用于沉積LiPON的傳統(tǒng)方法是:在N2環(huán)境中進(jìn)行對Li3PO4祀的物理氣相沉積(physical vapordeposition;PVD)射頻(radio frequency; RF)派射。然而，由于LiPON膜中的針孔,該沉積工藝可能會導(dǎo)致非常顯著的產(chǎn)率損耗(yield loss)，并且隨著在濺射期間所應(yīng)用的射頻功率的增加，針孔密度也會增加。一種最小化針孔的方法涉及沉積較厚的LiPON膜——通常是一到兩微米厚一以及當(dāng)所述陰極具有不良的表面形態(tài)時，所述LiPON的厚度可能還需要更大。然而，這對于去除針孔仍然不是完全有效的，并且由于較低的產(chǎn)量和所耗費(fèi)材料的更昂貴開銷，這會增加所述工藝步驟的成本。
[0007]另一種最小化介電薄膜中針孔的方法是:在沉積期間增加基板溫度，以便增加原子的表面遷移率。然而， 這種方法不適用于諸如LiPON之類的材料，因?yàn)門FB需要LiPON的“非晶”相，而實(shí)質(zhì)上增加LiPON的表面遷移率所需的溫度導(dǎo)致不希望的LiPON晶化。這種方法同樣也不適用于滲透阻擋(permeation barrier)層，因?yàn)楦叩阶阋允闺娊橘|(zhì)的表面遷移率增加的溫度負(fù)面地影響聚合物平坦化層。[0008]此外，對于諸如滲透阻擋層(多個重復(fù)的介電層和平坦化聚合物膜)之類的薄膜結(jié)構(gòu)，介電膜中的針孔可能會損害所述薄膜結(jié)構(gòu)的功能。例如，所述介電膜中的針孔可能會輕易地產(chǎn)生貫穿滲透阻擋層的孔。
[0009]無疑地，存在對可以低成本地提供具有較低針孔密度的介電薄膜的沉積工藝和設(shè)備的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明一般涉及針孔密度的降低和改良介電材料薄膜的表面形態(tài)。本發(fā)明通常可應(yīng)用于真空沉積的介電薄膜、與所使用的具體真空沉積技術(shù)無關(guān)，并且還可以應(yīng)用于非真空沉積的薄膜。作為具體實(shí)例，本文描述了用于濺射沉積低針孔密度的LiPON的方法，LiPON是在薄膜電化學(xué)裝置(諸如電變色(electrochromic;EC)裝置和TFB)中使用的電介質(zhì)、電解質(zhì)材料。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，一種沉積介電薄膜的方法可包括以下步驟:沉積薄介電層；停止沉積介電層，以及改變腔室中的氣體(如果需要)；在基板附近誘導(dǎo)和維持等離子體，以提供對所沉積的介電層的離子轟擊；以及重復(fù)所述沉積、停止和誘導(dǎo)步驟，直到沉積了所需厚度的電介質(zhì)為止。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施方式，一種沉積介電薄膜的方法可包括以下步驟:沉積高品質(zhì)的薄介電層；停止沉積介電層，以及改變腔室中的氣體(如果需要)；在基板附近誘導(dǎo)和維持等離子體，以提供對所沉積的介電層的離子轟擊；沉積較低品質(zhì)的厚介電層；沉積高品質(zhì)的薄介電層；停止沉積介電層，以及改變腔室中的氣體(如果需要)；以及在基板附近誘導(dǎo)和維持等離子體，以提供對所沉積的介電層的離子轟擊。所述厚介電層可以比所述薄介電層更快速地沉積。
[0013]此外，本發(fā)明描述了配置用于執(zhí)行上述方法的工具。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]在結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的特定實(shí)施方式的以下描述之后，本發(fā)明的這些及其他方面和特征將變得對本領(lǐng)域中的那些普通技術(shù)人員顯而易見，在這些附圖中:
[0015]圖1是薄膜電池的剖面圖；
[0016]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的沉積系統(tǒng)的示意圖；
[0017]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式用于沉積LiPON薄膜的流程圖；
[0018]圖4是根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式用于沉積LiPON薄膜的流程圖；
[0019]圖5A、5B和5C是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式在沉積工藝的僅等離子體部分期間去除針孔的示意圖；
[0020]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的薄膜沉積群集工具(cluster tool)的示意圖；
[0021]圖7是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式具有多個串聯(lián)(in-line)工具的薄膜沉積系統(tǒng)的代表圖；以及
[0022]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的串聯(lián)沉積工具的代表圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0023]現(xiàn)將參照圖式詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，這些實(shí)施方式提供作為本發(fā)明的說明性實(shí)例，以便本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明。本文所提供的圖式包括裝置和裝置工藝流程的代表圖，這些代表圖并未按比例繪制。應(yīng)注意，以下圖式和實(shí)例并不意圖將本發(fā)明的范圍限制為單一實(shí)施方式，而是經(jīng)由互換一些或者所有所描述或圖示的元件，其他實(shí)施方式也是可能的。此外，其中本發(fā)明的某些元件可以使用已知部件部分或完全地實(shí)施，將僅描述此類已知部件中理解本發(fā)明所必需的部分,并且將省略對此類已知部件的其他部分的詳細(xì)描述，以免模糊本發(fā)明。在本說明書中，說明單一部件的實(shí)施方式不應(yīng)視為限制；更確切地，本發(fā)明意圖包括包含多個相同部件的其他實(shí)施方式，并且反之亦然，除非本文以其他方式明確地說明。此外，本 申請人:并不打算將本說明書或要求保護(hù)的范圍中的任何術(shù)語歸于罕見的或特殊的含義，除非文中明確地闡述為是罕見的或特殊的含義。此外，本發(fā)明包括在本文以舉例方式提到的所述已知部件的現(xiàn)在和將來的已知的等同物。
[0024]本發(fā)明通常可應(yīng)用于減少介電薄膜中的針孔。雖然工藝的具體實(shí)例提供為用于沉積LiPON薄膜，但是本發(fā)明的工藝可應(yīng)用于沉積其他介電薄膜，諸如Si02、Al203、Zr02、Si3N4、Si0N、Ti02等。此外，雖然所述在氮環(huán)境中進(jìn)行Li3PO4靶的PVD RF濺射的具體實(shí)例是設(shè)置用于LiPON，但是本發(fā)明的所述方法與介電薄層的具體沉積方法無關(guān)——本發(fā)明的用于減少針孔的方法通?？蓱?yīng)用于真空沉積薄膜，并且還可以應(yīng)用于非真空沉積的薄膜，例如濕法加工的薄膜。
[0025]圖2圖示沉積工具200的實(shí)例的示意圖，所述沉積工具200配置用于根據(jù)本發(fā)明的沉積方法。所述沉積工具200包括真空腔室201、濺射靶202、基板204和基板底座205。對于LiPON沉積，所述靶202可以是Li3PO4,以及適當(dāng)?shù)幕?04可以是硅、硅上氮化硅、玻璃、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate;PET)、云母、金屬箔等等,其中已經(jīng)沉積和圖案化集電器層和陰極層。見圖1。所述腔室201具有真空泵系統(tǒng)206和工藝氣體傳送系統(tǒng)207。多個電源連接到所述靶。每個靶電源具有匹配網(wǎng)絡(luò)，所述匹配網(wǎng)絡(luò)用于控制射頻(RF)電源。使用濾波器以使得能夠使用在不同頻率操作的兩個電源，其中所述濾波器起著用以保護(hù)在較低頻率操作的靶電源不會由于較高的頻率而受損的作用。類似地，多個電源連接到所述基板。連接到所述基板的每個電源具有匹配網(wǎng)絡(luò)，所述匹配網(wǎng)絡(luò)用于控制射頻(RF)電源。使用濾波器以使得能夠使用在不同頻率操作的兩個電源，其中所述濾波器起著用以保護(hù)在較低頻率操作、連接到所述基板的電源不會由于較高的頻率而受損的作用。
[0026]依據(jù)所使用的等離子體針孔減少技術(shù)和沉積類型，連接到基板的所述電源中的一或更多個電源可以是直流(DC)源、脈沖DC(pulSed DC;pDC)源、RF源等等。類似地，所述革巴電源中的一或更多個可以是DC源、pDC源、RF源等等。所述電源(power source;PS)的結(jié)構(gòu)和使用的一些實(shí)例在下表I中提供。此外，在由Kwak等人提交的美國專利申請公開案第2009/0288943號(所述專利申請公開案以引用方式全部并入本文)中所描述的組合電源的原理和結(jié)構(gòu)可以用于根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的薄膜的沉積；例如，除了 RF電源以外的電源的組合在提供所沉積膜中減少的針孔密度方面可以是有效的。此外，可以在沉積期間加熱所述基板。
[0027]表I
【權(quán)利要求】
1.一種沉積介電膜的方法，包含: 在基板上沉積第一介電材料層； 在沉積所述第一介電材料層之后，誘導(dǎo)和維持所述基板之上的等離子體，以提供對所述第一介電材料層的離子轟擊；以及 重復(fù)所述沉積、及誘導(dǎo)和維持步驟，直到沉積了預(yù)定厚度的介電材料為止。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述介電材料是LiPON。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第一介電材料層的厚度小于200nm。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述沉積是在工藝腔室中的真空沉積。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含:在所述誘導(dǎo)和維持步驟之前改變所述工藝腔室中的所述工藝氣體。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述真空沉積步驟包括:在氬環(huán)境中濺射Li3P04。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含:在所述誘導(dǎo)步驟之前將氮?dú)庖胨龉に嚽皇摇?br> 8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述第一介電材料層的厚度小于200nm。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述真空沉積步驟包括:濺射所述介電材料，所述濺射步驟包括將第一頻率的射頻功率和第二頻率的射頻功率同時應(yīng)用到一濺射靶。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述真空沉積步驟包括:應(yīng)用偏壓到所述基板。
11.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述真空沉積步驟包括:在氮和氬環(huán)境中濺射Li3PO4O
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述誘導(dǎo)和維持步驟期間加熱所述基板。
13.—種沉積介電膜的方法，所述方法包含: 在工藝腔室中將第一介電材料層真空沉積在基板上； 在真空沉積所述第一介電材料層之后，誘導(dǎo)和維持所述基板之上的等離子體，以提供對所述第一介電材料層的離子轟擊；和 將第二介電材料層真空沉積到經(jīng)離子轟擊的所述第一介電材料層上； 在真空沉積所述第二介電材料層之后，誘導(dǎo)和維持所述基板之上的等離子體，以提供對所述第二介電材料層的離子轟擊； 其中所述第二介電材料層比所述第一介電材料層更厚。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中比所述第一介電材料層更快速地沉積所述第二介電材料層。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中使用同一濺射靶真空沉積所述第一介電材料層和所述第二介電材料層。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述介電材料是LiPON。
17.—種沉積介電膜的方法,所述方法包含: 在工藝腔室中將第一介電材料層真空沉積在基板上； 在真空沉積所述第一介電材料層之后，誘導(dǎo)和維持所述基板之上的等離子體，以提供對所述第一介電材料層的離子轟擊；和 將第二介電材料層真空沉積到經(jīng)離子轟擊的所述第一介電材料層上； 在所述工藝腔室中將第三介電材料層真空沉積到所述第二介電材料層上；在真空沉積所述第三介電材料層之后，誘導(dǎo)和維持所述基板之上的等離子體，以提供對所述第三介電材料層的離子轟擊； 其中所述第二介電材料層比所述第一介電材料層和所述第三介電材料層更厚。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中使用同一濺射靶真空沉積所述第一介電材料層、所述第二介電材料層和所述第三介電材料層。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述介電材料是LiPON。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中比所述第一介電材料層和所述第三介電材料層更快速地沉積所述第二介電材料層。
【文檔編號】H01M14/00GK103608966SQ201280029540
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月17日
【發(fā)明者】沖·蔣, 秉圣·利奧·郭 申請人:應(yīng)用材料公司