[发明专利]无针孔介电薄膜制造

说明书

相关申请的交叉引用

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

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

存在许多包括多个导电层——例如，薄膜电池（thin film batteries;TFBs）和电变色(electrochromic)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。

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(cathode current 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。

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靶的物理气相沉积(physical vapor deposition;PVD)射频(radio frequency;RF)溅射。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——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。

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。

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。

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

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。

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。