无针孔介电薄膜制造方法
【专利摘要】一种沉积介电薄膜的方法可包括以下步骤：沉积薄介电层；停止沉积介电层，以及改变腔室中的气体（如果需要）；在基板附近诱导和维持等离子体，以提供对所沉积的介电层的离子轰击；以及重复所述沉积、停止、以及诱导和维持步骤，直到沉积了所需厚度的电介质为止。这种方法的一种变体可包括以下步骤来代替所述重复步骤：沉积较低品质的厚介电层；沉积高品质的薄介电层；停止沉积介电层，以及改变腔室中的气体（如果需要）；以及在基板附近诱导和维持等离子体，以提供对所沉积的介电层的离子轰击。所述厚介电层可以比所述薄介电层更快速地沉积。
【专利说明】无针孔介电薄膜制造
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有在2011年6月17日提交的美国临时申请第61/498，480号的权益，所述美国临时申请以引用方式全部并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明的实施方式通常涉及薄膜沉积，并且更具体来说涉及用于减少介电薄膜中针孔(pinhole)的方法和设备。
【背景技术】
[0004]存在许多包括多个导电层-例如,薄膜电池(thin film batteries;TFBs^EIi
变色(electoochromic)装置之间的介电膜的薄膜装置。关于这些装置，所述介电膜中的针孔可能会损害装置功能。例如，所述介电膜中的针孔可能会降低所述装置的击穿电压，或者更糟地还会导致各导电层之间的短路以及致使所述装置变得无效。
[0005]图1图示典型的薄膜电池(thin film battery;TFB)的剖面图。将TFB装置结构100所具有的阳极集电器(anode current collector) 103和阴极集电器102 (cathodecurrent collector)形成在基板101上,接着形成阴极104、电解质105和阳极106 ;但是也可以将所述装置制造成具有颠倒次序的所述阴极、电解质和阳极。此外，可以分别沉积阴极集电器(cathode current collector ；CCC)和阳极集电器(anode current collector ；ACC)。例如，可以在沉积所述阴极之前沉积CCC，以及可以在沉积所述电解质之后沉积ACC。可以用封装(encapsulation)层107覆盖所述装置，以保护环境敏感层免受氧化剂影响。可参看例如 N.J.Dudney, Materials Science and Engineering (《材料科学与工程》)B116，(2005)245-249。应注意在图1所示的TFB装置中组成层不是按比例绘制的。
[0006]在诸如图1所示的装置结构之类的典型的TFB装置结构中，所述电解质——诸如锂磷氮氧化物(LiPON)之类的介电材料——是夹在两个电极——阳极与阴极之间。用于沉积LiPON的传统方法是:在N2环境中进行对Li3PO4祀的物理气相沉积(physical vapordeposition;PVD)射频(radio frequency; RF)派射。然而，由于LiPON膜中的针孔,该沉积工艺可能会导致非常显着的产率损耗(yield loss)，并且随着在溅射期间所应用的射频功率的增加，针孔密度也会增加。一种最小化针孔的方法涉及沉积较厚的LiPON膜——通常是一到两微米厚一以及当所述阴极具有不良的表面形态时，所述LiPON的厚度可能还需要更大。然而，这对于去除针孔仍然不是完全有效的，并且由于较低的产量和所耗费材料的更昂贵开销，这会增加所述工艺步骤的成本。
[0007]另一种最小化介电薄膜中针孔的方法是:在沉积期间增加基板温度，以便增加原子的表面迁移率。然而， 这种方法不适用于诸如LiPON之类的材料，因为TFB需要LiPON的“非晶”相，而实质上增加LiPON的表面迁移率所需的温度导致不希望的LiPON晶化。这种方法同样也不适用于渗透阻挡(permeation barrier)层，因为高到足以使电介质的表面迁移率增加的温度负面地影响聚合物平坦化层。[0008]此外，对于诸如渗透阻挡层(多个重复的介电层和平坦化聚合物膜)之类的薄膜结构，介电膜中的针孔可能会损害所述薄膜结构的功能。例如，所述介电膜中的针孔可能会轻易地产生贯穿渗透阻挡层的孔。
[0009]无疑地，存在对可以低成本地提供具有较低针孔密度的介电薄膜的沉积工艺和设备的需求。
【发明内容】
[0010]本发明一般涉及针孔密度的降低和改良介电材料薄膜的表面形态。本发明通常可应用于真空沉积的介电薄膜、与所使用的具体真空沉积技术无关，并且还可以应用于非真空沉积的薄膜。作为具体实例，本文描述了用于溅射沉积低针孔密度的LiPON的方法，LiPON是在薄膜电化学装置(诸如电变色(electrochromic;EC)装置和TFB)中使用的电介质、电解质材料。
[0011]根据本发明的一些实施方式，一种沉积介电薄膜的方法可包括以下步骤:沉积薄介电层；停止沉积介电层，以及改变腔室中的气体(如果需要)；在基板附近诱导和维持等离子体，以提供对所沉积的介电层的离子轰击；以及重复所述沉积、停止和诱导步骤，直到沉积了所需厚度的电介质为止。
[0012]根据本发明的另一些实施方式，一种沉积介电薄膜的方法可包括以下步骤:沉积高品质的薄介电层；停止沉积介电层，以及改变腔室中的气体(如果需要)；在基板附近诱导和维持等离子体，以提供对所沉积的介电层的离子轰击；沉积较低品质的厚介电层；沉积高品质的薄介电层；停止沉积介电层，以及改变腔室中的气体(如果需要)；以及在基板附近诱导和维持等离子体，以提供对所沉积的介电层的离子轰击。所述厚介电层可以比所述薄介电层更快速地沉积。
[0013]此外，本发明描述了配置用于执行上述方法的工具。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]在结合附图阅读本发明的特定实施方式的以下描述之后，本发明的这些及其他方面和特征将变得对本领域中的那些普通技术人员显而易见，在这些附图中:
[0015]图1是薄膜电池的剖面图；
[0016]图2是根据本发明的一些实施方式的沉积系统的示意图；
[0017]图3是根据本发明的一些实施方式用于沉积LiPON薄膜的流程图；
[0018]图4是根据本发明的其他实施方式用于沉积LiPON薄膜的流程图；
[0019]图5A、5B和5C是根据本发明的一些实施方式在沉积工艺的仅等离子体部分期间去除针孔的示意图；
[0020]图6是根据本发明的一些实施方式的薄膜沉积群集工具(cluster tool)的示意图；
[0021]图7是根据本发明的一些实施方式具有多个串联(in-line)工具的薄膜沉积系统的代表图；以及
[0022]图8是根据本发明的一些实施方式的串联沉积工具的代表图。【具体实施方式】
[0023]现将参照图式详细描述本发明的实施方式，这些实施方式提供作为本发明的说明性实例，以便本领域技术人员能够实践本发明。本文所提供的图式包括装置和装置工艺流程的代表图，这些代表图并未按比例绘制。应注意，以下图式和实例并不意图将本发明的范围限制为单一实施方式，而是经由互换一些或者所有所描述或图示的元件，其他实施方式也是可能的。此外，其中本发明的某些元件可以使用已知部件部分或完全地实施，将仅描述此类已知部件中理解本发明所必需的部分,并且将省略对此类已知部件的其他部分的详细描述，以免模糊本发明。在本说明书中，说明单一部件的实施方式不应视为限制；更确切地，本发明意图包括包含多个相同部件的其他实施方式，并且反之亦然，除非本文以其他方式明确地说明。此外，本 申请人:并不打算将本说明书或要求保护的范围中的任何术语归于罕见的或特殊的含义，除非文中明确地阐述为是罕见的或特殊的含义。此外，本发明包括在本文以举例方式提到的所述已知部件的现在和将来的已知的等同物。
[0024]本发明通常可应用于减少介电薄膜中的针孔。虽然工艺的具体实例提供为用于沉积LiPON薄膜，但是本发明的工艺可应用于沉积其他介电薄膜，诸如Si02、Al203、Zr02、Si3N4、Si0N、Ti02等。此外，虽然所述在氮环境中进行Li3PO4靶的PVD RF溅射的具体实例是设置用于LiPON，但是本发明的所述方法与介电薄层的具体沉积方法无关——本发明的用于减少针孔的方法通常可应用于真空沉积薄膜，并且还可以应用于非真空沉积的薄膜，例如湿法加工的薄膜。
[0025]图2图示沉积工具200的实例的示意图，所述沉积工具200配置用于根据本发明的沉积方法。所述沉积工具200包括真空腔室201、溅射靶202、基板204和基板底座205。对于LiPON沉积，所述靶202可以是Li3PO4,以及适当的基板204可以是硅、硅上氮化硅、玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate;PET)、云母、金属箔等等,其中已经沉积和图案化集电器层和阴极层。见图1。所述腔室201具有真空泵系统206和工艺气体传送系统207。多个电源连接到所述靶。每个靶电源具有匹配网络，所述匹配网络用于控制射频(RF)电源。使用滤波器以使得能够使用在不同频率操作的两个电源，其中所述滤波器起着用以保护在较低频率操作的靶电源不会由于较高的频率而受损的作用。类似地，多个电源连接到所述基板。连接到所述基板的每个电源具有匹配网络，所述匹配网络用于控制射频(RF)电源。使用滤波器以使得能够使用在不同频率操作的两个电源，其中所述滤波器起着用以保护在较低频率操作、连接到所述基板的电源不会由于较高的频率而受损的作用。
[0026]依据所使用的等离子体针孔减少技术和沉积类型，连接到基板的所述电源中的一或更多个电源可以是直流(DC)源、脉冲DC(pulSed DC;pDC)源、RF源等等。类似地，所述革巴电源中的一或更多个可以是DC源、pDC源、RF源等等。所述电源(power source;PS)的结构和使用的一些实例在下表I中提供。此外，在由Kwak等人提交的美国专利申请公开案第2009/0288943号(所述专利申请公开案以引用方式全部并入本文)中所描述的组合电源的原理和结构可以用于根据本发明的一些实施方式的薄膜的沉积；例如，除了 RF电源以外的电源的组合在提供所沉积膜中减少的针孔密度方面可以是有效的。此外，可以在沉积期间加热所述基板。
[0027]表I
【权利要求】
1.一种沉积介电膜的方法，包含: 在基板上沉积第一介电材料层； 在沉积所述第一介电材料层之后，诱导和维持所述基板之上的等离子体，以提供对所述第一介电材料层的离子轰击；以及 重复所述沉积、及诱导和维持步骤，直到沉积了预定厚度的介电材料为止。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述介电材料是LiPON。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一介电材料层的厚度小于200nm。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述沉积是在工艺腔室中的真空沉积。
5.如权利要求4所述的方法，所述方法进一步包含:在所述诱导和维持步骤之前改变所述工艺腔室中的所述工艺气体。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述真空沉积步骤包括:在氩环境中溅射Li3P04。
7.如权利要求6所述的方法，所述方法进一步包含:在所述诱导步骤之前将氮气引入所述工艺腔室。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述第一介电材料层的厚度小于200nm。
9.如权利要求4所述的方法，其中所述真空沉积步骤包括:溅射所述介电材料，所述溅射步骤包括将第一频率的射频功率和第二频率的射频功率同时应用到一溅射靶。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述真空沉积步骤包括:应用偏压到所述基板。
11.如权利要求4所述的方法，其中所述真空沉积步骤包括:在氮和氩环境中溅射Li3PO4O
12.如权利要求1所述的方法，其中在所述诱导和维持步骤期间加热所述基板。
13.—种沉积介电膜的方法，所述方法包含: 在工艺腔室中将第一介电材料层真空沉积在基板上； 在真空沉积所述第一介电材料层之后，诱导和维持所述基板之上的等离子体，以提供对所述第一介电材料层的离子轰击；和 将第二介电材料层真空沉积到经离子轰击的所述第一介电材料层上； 在真空沉积所述第二介电材料层之后，诱导和维持所述基板之上的等离子体，以提供对所述第二介电材料层的离子轰击； 其中所述第二介电材料层比所述第一介电材料层更厚。
14.如权利要求13所述的方法，其中比所述第一介电材料层更快速地沉积所述第二介电材料层。
15.如权利要求13所述的方法，其中使用同一溅射靶真空沉积所述第一介电材料层和所述第二介电材料层。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述介电材料是LiPON。
17.—种沉积介电膜的方法,所述方法包含: 在工艺腔室中将第一介电材料层真空沉积在基板上； 在真空沉积所述第一介电材料层之后，诱导和维持所述基板之上的等离子体，以提供对所述第一介电材料层的离子轰击；和 将第二介电材料层真空沉积到经离子轰击的所述第一介电材料层上； 在所述工艺腔室中将第三介电材料层真空沉积到所述第二介电材料层上；在真空沉积所述第三介电材料层之后，诱导和维持所述基板之上的等离子体，以提供对所述第三介电材料层的离子轰击； 其中所述第二介电材料层比所述第一介电材料层和所述第三介电材料层更厚。
18.如权利要求17所述的方法，其中使用同一溅射靶真空沉积所述第一介电材料层、所述第二介电材料层和所述第三介电材料层。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述介电材料是LiPON。
20.如权利要求17所述的方法，其中比所述第一介电材料层和所述第三介电材料层更快速地沉积所述第二介电材料层。
【文档编号】H01M14/00GK103608966SQ201280029540
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年6月14日 优先权日:2011年6月17日
【发明者】冲·蒋, 秉圣·利奥·郭 申请人:应用材料公司