TW200428491A - A dielectric barrier film - Google Patents
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200428491 ⑴ 玖、發明說明 相關申請案 本發明日円’求由 Richard E. Demaray 與 Mukundan 仏1^11111^11在2 0 0 3年,二月27曰提出申請的美國臨時申 請案第6 0/4 5 1,1 7 8號,「介電障壁膜」,的優先權,該申 請案以其全文倂入本文中供參考之用。 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於介電障壁膜,特別是由用於光學、電氣 及磨損裝置的高密度光學材料層形成的介電障壁膜。 【先前技術】 在充當有機發光二極體(OLED)及其他光學或光電裝 置的保護層方面,介電障壁膜變得越來越重要ό典型地, /Ί Μ〖早壁膜乃具有適當的電氣、物理及光學性質的沈積薄 膜,能保護並增進其他裝置的作業性。例如,觸控式螢幕 顯不器需要光學透明的保護層以防止大氣污染並防止物理 磨損。 有許多可用以形成此介電層的薄膜沈積技術,包括某 些離子致密化(den sifi cat ion)的方式或基材偏壓致密化的 方式。此緻密化方法能消除柱狀薄膜結構,該柱狀薄膜結 搆爲真空沈積化學氣相沈積(CVD)或物理氣相沈積(pvD) 簿膜的典型結構。咸知此等緻密化可藉著在沈積時安排用 以「轟擊」薄膜的第二離子源而_到。參見,例如,w. -4- (2) (2)200428491
Essinger在科學設備槪觀,第63卷,第11至5127頁(1992 年)發表的「以離子束協助薄膜沈積用的離子源」。另外 參見,H r v 〇 j e Z 〇 r c等人在1 9 9 8年’第4 1屆技術硏討會議 程,第2U至20頁,真空塗布器協會議程中發表的內.容, 該內容討論對於電子束蒸發膜而言暴露於溼氣底下對波長 位移的影響。特別是,Zorc等人證實與在25 t時暴露於 3 0%溼度之後以定向離子束來源沈積的電子束薄膜相比, 對於電子束蒸發薄膜的波長位移存在因數1 5或諸如此類的 改良。 D.E. Morton等人示範由二氧化矽與二氧化鈦的交錯 層組成的介電寬帶通濾波器,用「冷陰極離子源」產生以 提供1由充當低折射率材料的二氧化砂與二氧化欽 '五氧 化鈦或五氧化鈮之中任.一組成的緻密光學薄膜之溼氣穩定 的堆疊物」爲目的之氧離子以沈積二氧化矽與二氧化鈦的 交錯層。D.E· Morton等人在1 99 8年,四月1 8至23曰,第 4 1屆技術硏討會,真空塗布器協會議程中發表的內容。以 沈積在仕5疋轉板上的基材上之單一介電層的光學性能測 量日守’由D.E· Morton等人說明的結果指出在室溫時對溼 度的抗性可達到]00 %溼度。Morton等人以6樣品測試光學 消光係數,介於0.1室1 . 6 ρρί之間,表示該介電層內有顯 著的缺陷濃度或吸收中心。此外,M〇rt〇n等人並未記載 離子束能量在134與63 2伏特之間且離子束電流達5安培之, 溥膜厚度或搏g吴厚度均勻性。因此μ 〇 r t 〇 n等人並未說明 能用於光學裝置充當良好障壁層之薄膜。 .5 . (3) (3)200428491 自給偏壓物理氣相沈積,例如離子塗布或活化反應性 沈積,乃眾所周知能提供硬質耐磨損塗層的方法。然而, 此等塗層係以數百伏特偏壓沈積並形成穿透表面處理,該 離子流會穿透表面與基材反應,或該離子有助於達到減少 薄膜管柱體結構的目的。已有人使用「經濾波的陰極真空 弧」(FCVA 參考資料-h 11 p : / / w w w · n a η 〇 f i 1 m - s y s t e m s . c 〇 m / eng/ fcva— technology.htm)而僅以離子流形成緻密薄膜。 在此例中,由磁性段由中性蒸氣產生並分離出離子,所以 僅有含正電荷的物種會撞到基材。偏壓可預先設定以獲得 介於約5 0至數百伏特之範圍內的平均轉動能。較低的離子 能量由於攫取及導引含有用的空間電荷密度的低能量離子 流的問題而未曾記載。儘管在高離子能量時濺鍍相當粗糙 ’但氧化鋁之硬質保護層及碳四面體等其他材料皆可利用 此方法沈積在市售工具水準的切削機具與花鑽頭上。由於 目匕塗布物種會限制離卞流’所以塗布速率低,最佳或最硬 的碳膜以最低的沈積速率,例如,在直徑達1 2,,的基材上 每秒鐘〇.3奈米,沈積。 對單一薄膜而言,藉由將沈積溫度提高到2 3 0 °C以上 ’由F C V A沈積的氧化鋅在6 〇 〇奈米波長時的穿透率將可 由室溫時約5 0 %提高至8 〇 %以上,在沈積溫度爲.4 3 〇艽且基 材偏壓不大於約5 0伏特時在6 0 〇奈米的最佳穿透率爲約 9 0。/。’這表示利用熱退火方法修補離子對薄膜引起的損壞 。以2 0 0伏特偏壓進行f C V A沈積時穿透率會降得更低。 經結果顯示以此方式沈積的F C V A薄膜爲多晶系的。再者 (4) (4)200428491 ,要有效形成光學障壁層,缺陷結構太大。此外,結晶性 薄膜的離子濺鍍與晶體定向有關,由晶體定向主導表面粗 縫度。保護層內形成的缺陷結構會使該層的光學品質劣化 ’另外也供給大氣中的污染透過該層擴散的途徑,而折損 該層的保護性質。 在離子偏壓或自給偏壓能超過數電子伏特的例子中, 離子參與偏壓過程的轉動能超過該薄膜的化學鍵結能。參 與的離子可向前對現有的薄膜散射或對現有的薄膜濺射。 同樣地,參與的離子會吸收至成長中的薄膜內或也會由薄 膜表面散射出來。現有薄膜的濺射及現有薄膜的散射由水 平算起入射角宜爲約4 5。。在大部分的離子塗布法中,離 子束都依普通入射角導向要塗布的表面。然而,以超過化 學閾値的離子能進行,特別是以超過2 〇伏特或諸如此等之 能量進行時,由於離子能超過化學鍵結能,所以會對該薄 膜或該基材產生顯著的損害,造成粗糙度、光學吸收及缺 陷。 在F CV A法的例子中,粗糙度爲薄膜厚度的遞增函數 ,由5 0奈米薄膜約0.2奈米的粗糙度遞增爲4 0 0奈米銅膜約 0 · 3奈米的粗稳度衣不由自給偏壓的入射銅離子之差異縣 鍍將導致多晶系銅表面的實質粗糙化。此薄膜將可使光線 散射,特別是在二不同折射率層之間的界面處。由FCV A 法並無法得到障壁性質或介電性質。 以離子束沈積介電體時,經沈積薄膜的帶電也是特殊 的問題。迄今,仍未顯示有低溫介電體,也沒有離子束介 (5) (5)200428491 電體能提供電晶體閘層所需的電氣品質。離子束將帶電的 離子嵌入薄膜內,導致大的負平坦帶電壓及場無法在約 4 5 0 °C以下的溫度時鈍化。介電層的表面電荷會導致電容 緩慢累積,防止電晶體應用的尖銳開端。因此,尙無人提 出低溫電晶體應用,或在此同時已知之已沈積低溫介電體 ,無論偏壓或無偏壓型。 因此,需要高品質、緻密的介電層作爲光學、電氣及 其他用途的障壁層。 【發明內容】 根據本發明,提出由脈衝、偏壓寬面積沈積法沈積的 金屬氧化物材料層所形成的介電堆疊物。根據本發明的介 電堆疊物係由至少一高度緻密化的金屬氧化物層形成,該 金屬氧化物含有小於每平方公分1個之可透過缺陷濃度。 由此方法形成的介電堆疊物係經緻密化成超低缺陷濃度, 而能提供充當下方結構之對抗物理磨損及大氣污染的保護 層之優異性能。 根據本發明某些形態之介電堆疊物可包括任何數目的 個別層。在某些具體例中,可排列由金屬氧化物材料構成 之低與高折射率層的交錯層以形成光學裝置的抗反射塗層 或反射塗層。在此具體例中,根據本發明的介電堆疊物能 提供保護功能並成爲該裝置的功能性零件。 在本發明某些具體例中,根據本發明的介電堆疊物可 用於共振腔增強型LED應用當中,或用於形成電晶體結 (6) (6)200428491 構的保護。 本發明的此寺及其他具體例將進一步對照以下的圖式 討論並解釋如下。 【實施方式】 由Demaray等人在2〇〇1年,七月1〇日提出申請,發明 名稱爲「平面光學裝置及其製造方法」的申請案序號 09/903,05 0(‘05 0申請案),讓渡予本發明之相词受讓人, 中有討論到氧化物薄膜的RF濺鍍,該申請案以其全文倂 入本文以供篸考之用。再考,在2 〇 〇 2年,三月i 6日提出申 請’申請案序號10/1 01 341,讓渡予本發明之相同受讓人 ’申有#論到Hj用於根據本發明之反應器中的標祀,該申 g靑案以其全文倂入本文以供參考之用。在2002年,三月Γ6 曰提出申請的美國申請案序號i 0 /1 〇丨8 6 3中進一步討論以 脈衝的、偏壓的方法沈積氧化物的方法(後文中表示「脈 衝的、偏壓的方法」,該申請案以其全文倂入本文以供參 考之用。 第]A及1 B圖說明用於濺鍍由根據本發明之標靶〗2構 成的材料之反應器裝置1 0。有某些具體例中,裝置〗〇可, 例如5由加州,聖塔克拉拉市,A p p 1 i e d K 〇 m a t s u的八1<.丁-1 600 PVD (400 X 5 00 mm基材尺寸)系統改造,或由 A p p 1 i e d K 〇 m a t s u 的 A K T - 4 3 0 0 P V D ( 6 0 0 X 7 2 0 ra m 基材 尺寸)系統改造而成。該AKT-] 600反應器,例如,含三或 四個由真空運輸室連結的沈積室。此等A K T P V D反應器 (7) (7)200428491 可加以改善’使得在沈積原料薄膜時’以脈衝式D C電源 供至標靶,並以RF電源供至基材。 裝置1 〇包括透過濾波器1 5電性耦合至脈衝式DC電源 供應器1 4的標靶1 2。有某些具體例中,標靶1 2爲寬面積濺 鍍源標靶,其提供在基材1 6上沈積用的沈積材料。將基材 16平行並相對於標靶12而放置。在標靶12上施加電力時, 以標靶1 2作爲陰極且同樣稱之爲陰極。對標靶1 2施加電力 ,標靶12下將會產生電漿53。以磁鐵20掃描標靶12的頂部 。基材1 6乃透過絕緣體5 4電容耦合至電極1 7。電極1 7可耦 合至R F電源供應器。 以裝置1 0執行時,對於脈衝式反應性直流磁控管濺鍍 而言,電源供應器 1 4供應至標靶1 2的電源之極性會在負 電位勢與正電位勢之間變動。在正電位勢期間,標靶1 2表 面的絕緣層會放電並防止電弧現象。爲獲得無電弧的沈積 ,脈衝頻率將超過臨界頻率,該臨界頻率端視標靶材料、 陰極電流及逆轉時間而定。高品質氧化物薄膜可在裝置10 中使用反應性脈衝式DC磁控管濺鍍而完成。 脈衝式DC電源供應器1 4可爲任何脈衝式DC電源供 應器,例如由 Advanced Energy股份有限公司製造的AE Pinnacle p]us 10K。關此實施例供應器,可以0與3 5 0 KHz 之間的頻率供應高達1 〇 kW的脈衝式DC電源。逆轉電壓 爲負標的電壓的1 0%。利用其他的電源供應器也可達到不 同的功率特性、頻率特性及逆轉電壓百分比。作用於電源 供應器1 4的具體例的逆轉時間可調整於〇與5 μι之間。 -10- (8) (8)200428491 濾波器15能防止電源供應器18耦合至脈衝式DC電源 供應器1 4內而產生的偏壓功率。有某些具體例中,電源供 應器1 8爲2 Μ H z RF電源供應器,且,例如,可爲ΕΝ I, Colorado Springs公司製造的Nova-25電源供應器。 因此,濾波器1 5爲2 MHz帶拒濾波器。有某些具體例 中,該濾波器的帶寬可爲約1〇〇 kHz。因此,濾波器15能 防止來自偏壓功率的2 Μ Η z功率施於基材1 6而損壞電源供 應器1 8 〇 然而,RF與脈衝式D C沈積薄膜皆全完全緻密,頂 多具有管柱體結構。由於該結構造成的散射損失,使此等 管柱體結構對於光波導應用而言係不利的。沈積時在晶健 1 6上施加RF偏壓可藉由能量強大的離子轟衝而變得緻密 並實質上消除管柱結構。 在AΚΤ- 1 600爲主的系統中,例如,標靶〗2可含約 675·70 X 58 2.48乘以4 mm的作用尺寸,俾於尺寸約4 0 0 X 5 0 0 mm的基材16上沈積薄膜。基材16的溫度可保持在_5〇 °C與5 00 °C之間。標靶12與基材16之間的距離可爲約3與約 9 cm之間。加工氣體以高達約·2〇{) seem的速率通入裝置 1 0的沈積室內’伺時將裝置】〇之沈積室內的壓力保持在約 〇 . 7與6毫托耳之間。磁鐵2 〇能針對標靶】2的平面提供強度 在約4 0 0與約6 0 0高斯之間的磁場並以低於約2 〇至3 〇秒,單 次掃描的速率跨越標靶]2而移動。有某些使用A K T 1 6 0 0 反應器的具體例中,磁鐵2 〇可爲尺寸約1 5 0 m m乘以6 0 0 mm的競賽跑道形磁鐵。 _ 11 - (9) (9)200428491 第2A圖顯示可作爲障壁層之介電堆疊物120的具體例 。介電堆疊物1 2 〇包括多重層1 0 1、1 0 2、1 0 3、1 0 4和1 0 5, 其中各層皆利用美國專利申請案序號10/1 01,863中說明的 沈積方法,如以上在裝置1 〇中大體上說明的方式沈積。大 體而言,介電堆疊物1 20可包括任何層數。在此說明的障 壁堆疊物120之特定實施例有五層,層101、102、103、 ]0 4和1 〇 5。在第2 A圖所示的介電堆疊物1 2 0係由二氧化鈦 (T i Ο 2 )等高折射率材料形成。層1 0 2和1 0 4可由二氧化矽 (Si02)等低折射率材料形成,該二氧化矽可能摻雜有氧化 鋁(例如,以陽離子百分比計,92%二氧化矽和8%氧化鋁) 。障壁堆疊物1 2 0可直接沈積在基材1 0 0上,如第2 A圖所 示,或沈積在層上’如第2D圖所示。層107爲欲防止 大氣污染或物理損害的層,並可包括光學或電氣裝置或另 一層。基材1 〇 〇爲其上形成層1 0 7或介電堆疊物1 2 0的基材 。有某些具體例中,基材1 0 0也可提供障壁以防層1 〇 7之大 氣污染。 表1說明某些根據本發明的介電堆疊物1 2 0實施例之沈 積參數。如以上說明的’用美國專利申請案序號 1 0/ 1 0 1,8 6 3中進一步說明的偏壓型脈衝式DC反應性掃描 磁控管PVD方法,以 AKT 4 3 00 PVD系統形成表1中說 明之各堆疊物〗2 0,該專利申請案在先前已倂入以供參考 。再者,如上述對照第1 A和1 B圖的裝置! 〇可與晶片傳輸 室(load]ock chamber)、氣體逸散室一起裝在AKT 4300 PVD系統中,並可裝設電漿遮蔽體或遮蔽加熱器。如第 -12- (10) (10)200428491 2A圖所示,用於此等實施例的介電堆疊物120包括5層-3層二氧化鈦的交錯層與2層二氧化矽/三氧化二鋁(以陽離 子濃度計92%/8%)。 直接在基材]〇〇上沈積用於表1中所示之各堆疊物的介 電堆疊物120。首先將用於所形成之各堆疊物的基材100置 於裝置1 0的晶片傳輸室內。將裝置1 0的晶片傳輸室泵抽至 約2 X 1CT6托耳的基底壓力。然後將基材1〇〇薄片,該薄片 可能爲玻璃或塑膠,轉運至裝置1 0的加熱室並保持在約 3 〇〇 °C之溫度約20分鐘使基材1 〇〇已累積的溼氣逸散。對於 聚合物爲主的基材而言,例如,可免除預熱步驟,並可不 使用裝置10的基材加熱器和遮蔽加熱器。表1的基材欄顯 示沈積法中使用的基材10 0組成。 在表1說明的堆疊物1至6各個當中,介電堆疊物1 2 0的 組成皆爲Ti02/92-8/Ti 02/92 - 8/Ti02,表示第2A圖所示的 層101、103和105爲丁丨02層,而第2A圖所示的層102和].〇4 爲Si02/Al2 03 (以陽離子濃度計92%/8%)。,以.Ti02沈積法 欄所示的參數沈積Ti02層。該方法詳細內容以標的功率/ 偏壓功率/脈衝頻率/空氣流/氧氣流/沈積時間加以說明。 標的功率表示施於裝置〗〇的標靶〗2之功率。偏壓功率表示 偏壓產生器1 8供至電極17的功率,用基材1 〇 〇代替第1 A圖 所示的基材1 6裝在電極1 7上並電容耦合至電極1 7。然後以 標準立方公分/分鐘(s c c m )爲單元說明通過基材1 〇 0的空氣 流與氧氣流。最後得到沈積時間。例如,利用約7 kW的 標的RF功率,配合約2 00 W的偏壓功率,約2 00 KHz的 -13- (11) (11)200428491 脈衝頻率’約6 0 s c c m的氬氣流速’約9 0 s c c m的氧氣流 速,及約9 5 0秒沈積時間沈積用於表1中說明之堆疊物編號 1的丁丨02層。根據Ti02沈積方法欄中說明的方法沈積之典 型T i 0 2層的量測厚度示於表1的T i 0 2量測厚度欄中。 同樣地,用於沈積表1所示各介電堆疊物1 2 0的二氧化 石夕/氧化鋁層的沈稹參數示於二氧化砂/氧化銘(9 2 / 8 )沈積 方法欄中。如所示,用於表1所示堆疊物編號1至6之二氧 化矽/氧化鋁層當中的各層以陽離子濃度計爲約92 %二氧化 矽與約8 %氧化鋁。例如,在表1說明的堆疊物編號1中, 對標靶1 2施加約3 k W功率而沈積二氧化砂/氧化鋁層,對 電極】7施加的偏壓功率爲約2 00 W,脈衝式DC電源供應 器14的頻率爲約200 kHz,氬氣流速爲約85 scrcm,氧氣流 速爲約90 seem,而沈積時間爲約1,005秒。 在表1說明的堆疊物各層當中,將脈衝式D C電源供 應器]4的逆轉時間固定於約2.3微秒。標靶1 2.與基材1 0.0之 間的間距爲約60 mm,而磁鐵20與標靶12之間的間距爲約 4至5 mm。基材100的溫度爲約20CTC,並將裝置1〇的遮蔽 加熱器設成約2 5 0 °C。將磁鐵20的原點偏移量.設成約20 ηι ηι且掃描長度爲約9 8 0 m m。在沈積T i 0 2層時,裝置1 0沈 積室內部的電漿5 3中的總壓力爲約5至6 mT。在沈積二氧 化矽/氧化鋁層時,裝置1 〇沈積室內部的電漿5 3中的總壓 力爲約8至9 m T。 ^ 14- (12)200428491 二氧化矽/氧化鋁(92-8)量測厚度(A) 980 〇 Os 1000 1000 1 000 1000 二氧化矽/氧化鋁 (92-8)沈積方法 3KW/200W/200K Hz/85 氬/90 氧 /1005 3KW/200W/200K Hz/85 氬/90 氧 /1006 3KW/200W/200K Hz/85 氬/90 氧 /1025 3KW/200W/200K Hz/85 氬/90 氧 /1025 3KW/200W/200K Hz/85 氬/90 氧 /1025 3KW/200W/200K Hz/85 氬/90 氧 /1025 Ti02量測 厚度(A) 580 510 550 550 550 550 丁丨02沈積方法 7KW/200W/200 KHz/60 氬/90 氧 /950 秒 7KW/200W/200 KHz/60 氬/90 氧 /83 5 秒 7KW/200W/200 KHz/60 氬/90 氧 /901 秒 7KW/200W/200 KHz/60 氬/90 氧 /901 秒 7KW/200W/200 KHz/60 氬/90 氧 /901 秒 7KW/200W/200 KHz/60 氬/90 氧 /901 秒 堆疊層組成 Ti02/92-8/Ti02/92- 8/Ti02 Ti02/92-8/Ti02/92- 8/Ti02 Ti02/92-8/Ti02/92- 8/Ti02 Ti02/92-8/Ti02/92- 8/Ti02 Ti02/92-8/Ti02/92-8 Ti02/92-8/Ti02/92- 8/T1O2 基材 ^ T a $ ic Eg S ^ ^ S T a f dc Eg ^ Μ Έ: IV ^ m & fr ^ ^ IV ^ z ^ ^ i m m 4片顯微鏡 玻片 β躍 S ^ ^ ^ m m _ =«: 一 (N ΓΊ 寸
-15 - (13) (13)200428491 在根據本發明的障壁堆疊物中,藉由先前在美國專利 申I靑条序號1 0 /1 0 1,8 6 3的脈衝式、偏壓沈積方法中說明的 方法’以一或多反應性濺鍍的薄膜層沈積而成障壁層。該 脈衝式、偏壓沈積方法結合具無管柱狀缺陷之獨特緻密形 態的光學品質真空薄膜,該光學品質真空薄膜一般皆爲均 勻度在每百萬份中數份的水準並控制光折射率及雙折射的 無偏壓型真空薄膜。以極高解析度的橢球儀也可證實可沈 積得到跨越可見光和近紅外線區域的消光係數爲零,且均 勻度在每百萬份中數份的等級而能提供完美透明度之廣範 圍薄膜折射率。由於高度緻密化及低缺陷濃度的結果,藉 由蒸氣滲透法測量可證實此等極透明的薄膜也能提供對進 入內部的溼氣以優異的擴散障壁保護。最後,由相同的薄 膜可證實在高電壓應力作用之下,會有遠更高的介電損耗 ’也可得到低缺陷量的結果。 第8圖顯示長時間暴露在高溼度、高溫環境之後的樣 品。在第8圖所示的樣品中,在已經沈積在4 ”砂晶圓.土的 反應性鋁層上沈積約200 nm的Ti02。使樣品保持在約8 5 °C而相對溼度爲約100%的沈積中約5 00小時。由第8圖可 見到,並未見到晶圓上有缺陷,這表示下方的的反應性鋁 層得到高度的保護。 第9圖顯示長時間暴露在高溼度、高溫環境之後之含 根據本發明之二氧化矽/氧化鋁層的樣品。在第9圖所示的 樣品中,在4 ”矽晶圓上沈積約1 〇 n m的鋁。在鋁上沈積約 1 〇〇 nm的二氧化矽/氧化鋁。然後將該樣品置於約]23 C含 -16- (14) (14)200428491 有約3.5 atm飽和水蒸氣的壓力鍋中約ι6〇小時。再次地, 並未見到晶圓上有缺陷,這表示下方的的反應性鋁層得到 高度的保護。 利用先前說明的方法沈積經選擇的金屬氧化物薄膜, 由數十奈米至1 5微米以上,不僅能充當薄膜而不爲溼氣和 化學渗透所影響’而作爲光學、電氣及/或磨損層或裝置 時’也可提供保護予下層或保護裝置不受進入內部的氣體 或溼氣所影響,爲各別層及裝置提供實質的製造及環境的 極限。本發明的方法已經以寬面積玻璃和金屬基材,以及 塑膠等低溫材料加以證實。 再回到第2 A圖,在基材1 〇 〇上沈積介電堆疊物丨2 〇。 基材】00可任意爲玻璃、塑膠、金屬或半導體基材。介電 堆疊物1 2 0的層厚可加以變化以形成抗反射塗層或反射塗 層。第2 B圖顯示沈積在介電堆疊物]2 0上的透明導電層 106。透明導電層106可爲,例如,銦的薄氧化物層。第2C 圖說明以介電堆疊物1 2 0沈積於基材1 0 0的頂表面與底表面 之基材]〇〇。第2C圖中顯示的特定實施例包括以層〗〇ι、 102、103、104和105沈積在基材100的頂表面之介電堆疊 物120具體例,以及介電堆疊物120另一具體例,如第2C 圖所示該介電堆疊物120以層108、109、1.10、in和112沈 積於基材1 〇 〇的底表面。再者,層1 〇 8、1 1 〇和π 2可爲根據 本發明之高折射率層(例如Ti〇2層),而層1 09和1 ] 1可爲二 氧化矽/氧化鋁層等較低折射率層。由表1可見到介電堆疊 物I 2 0的沈積參數實施例。 -17 - (15) (15)200428491 如第2D圖所示介電堆疊物120係用於保護層]〇7。層 1 〇 7爲任何應以透明障壁層加以保護的材料層。例如,層 1 〇7可爲鋁或硼等反應性金屬,層1 07可爲導電性透明氧化 物等脆性層,或者層1 0 7可包括主動的光學或電氣裝置。 如以上討論的,介電堆疊物1 2 0各層皆可提供保護,防止 大氣污染物入侵,並防止層1 0 7受到物理損壞。有某些具 體例中,預定介電堆疊物120之介電層(例如第2D圖所示 的層101、102、103、104和105)的層厚以形成在特定波長 時爲透明或反射性的薄膜。熟於此藝之士皆可決定介電堆 疊物1 2 0中個別薄膜的厚度以形成介電堆疊物1 2 0的反射性 或抗反射薄膜。有某些具體例中,層1 0 7爲鋁或硼等金屬 ,而第2D圖所示的裝置將形成高度安定的鏡面。第2E圖 顯示保護層】〇 7的介電堆疊物12 0,其中層1 0 7已經沈積在 基材1 0 0上。再者,透明導電層1 0 6再沈積在介電堆疊物 ].2 0上。第2F圖顯示第二障壁堆疊物120沈積在基材1()〇底 表面上的結構。 儘管第2A至2D圖顯示各種含五層的障壁堆.疊物120 之架構與用途,但大體而言,根據本發明的障壁堆疊物 1 2 0可由任何數目的障壁層構成。各障壁層利用美國專利 申請案序號1 0/ 1 0 1,8 63中說明的脈衝式、偏壓沈積方法加 以沈積而形成具有極低缺陷濃度的材料之高度緻密化層。 第3圖顯示利用根據本發明之介電堆疊物之另一結構 3 2 1。如第3圖所示,結構3 2 I包括沈積在基材3 1 6上的介電 堆疊物3 1 5。基材3 ] 6可由,例如,玻璃或塑膠材料形成。 ~ 18 * (16) (16)200428491 在介電堆疊物3 1 5上沈積透明導電層3 1 4 ’例如氧化銦錫。 層3 1 3可爲電致發光層,例如,摻磷的氧化物或氟化物材 料或有機發光聚合物、OLED(光學發光二極體)或聚合物 堆疊物。在接近層3 1 3那一側沈積金屬層3 1 2,該金屬層 3】2可摻雜鈣或硼。第二介電堆疊物3 1 7可於基材3 1 6底部 形成。 第3圖中說明的結構3 2 1爲微腔增強型LED的實施例 ,以介電堆疊物3 1 5和3 1 7保護,以免受到可由擴散進入基 材3 1 6的水和反應性氣體所影響。若層3 1 2爲金屬層,在層 3 1 2與介電堆疊物3 1 5之間形成微腔。介電堆疊物3 1 5可阻 擋由電致發光層3 1 3發出的光線。在充當陽極的透明導電 層3 1 4與充當陽極的導電層3 1 2之間施加電壓而造成層3 1 3 電性偏離時層3 1 3就會發光。可設置介電堆疊物3 1 5和介電 堆疊物3 1 7的層以包含層3 1 7與金屬層3 1 2之間的層3 ] 3發出 的光線’形成標準具排列俾沿著基材3 1 6引導光線。此外 ’可設置介電堆疊物3 1 7以傳送層3 1 3產生的光線,藉以形 成光線實質上垂直於基材3 1 6發出的監視器配置。 第4圖顯示根據本發明的底部閘極電晶體結構4 2 2的實 施例。在基材41 6上形成電晶體結構422,該基材41 6可爲 塑膠或玻璃材料。如第4圖說明的具體例中,在基材]16的 頂表回上沈積根據本發明的介電堆疊物4 1 5,並在基材]]6 的底表面上沈積根據本發明的第二介電堆疊物4〗7。如以 上討論的,介電堆疊物4]7和4〗5可各別包括高折射率和低 折射率介電材料層。該高折射率和低折射率介電材料,例 •19- (17) (17)200428491 如以上說明的τ 1 0 2和二氧化矽/氧化鋁層,各別含有低電 壓平坦帶和低表面缺陷,因此適用於薄膜電晶體結構。在 障壁堆疊物5上沈積半導體層423並加以圖案化。半導體 層4 2 3可爲矽、鍺等半導體,或可爲氧化鋅或聚合物材料 。層424和4 2 5會形成與半導體層42 3相接觸的源層和汲層 。層426可由高介電常數的材料形成,如形成介電堆疊物 4 1 5和4 1 7並在此討論之任何介電層,例如以在此說明的方 法沈積的商介電強度T i Ο 2材料。層4 2 7爲中間層且層4 2 8 爲閘極金屬。 第5圖顯示頂部閘極電晶體裝置529的賓施例。在基材 5 1 6工形成電晶體結構5 2 9以免基材5 1 6受到大氣污染(例如 水或氣體)與物理磨損的影響,以及介電堆疊物5 ;[ 5與5 ! 7 的磨損。由以上討論介電堆疊物1 2 0時之一或更多層光學 材料形成介電堆疊物515與517。在介電堆疊物515上沈積 閘層5 3 0。層5 3 0可爲銘或鉻等金屬層。在層5 3 〇上沈積閘 極氧化物層531。半導體層5 3 2可相似於第4圖的層423。層 5 3 3與5 3 4分別地爲源層與汲層,與第4圖的層424與4 2 8相 似’益可由,例如,導電性金屬、導電性氧化物或導電性 聚合物構成。 第6圖顯示具有如第3圖說明的微腔增強型LED結構 3 2 1之另一結構6 3 3實施例,該結構6 3 3以第2 A至2 F圖所 不者之類的結構6 2 2加以覆蓋並保護。如第6圖所示,結構 3 2 1中的層3 ;! 4、3 ] 4與3〗2都已經圖案化。以介電堆疊物 6 18與62 0沈積在基材61 9之相反側的結構62 2可獨立地形成 -20- (18) (18)200428491 。如說明第2A至2F圖的介電堆疊物120時的方式形成介 電堆疊物6 1 8與6 1 9。然後使結構6 2 2在結構3 2 1上環氧化以 密封並保護結構3 2 1。環氧層可爲,例如,e V A環氧樹脂 〇 第7圖顯示具有第3圖說明之微腔增強型l E D結構3 2 1 實施例之另--結構7 0 0,該結構70 〇以第2 a至2 F圖所示的 結構62 3加以覆蓋並保護。覆蓋結構6 2 3包括經環氧化而黏 至裝置321的基材619,而基材619有介電堆疊物620沈積。 第】1圖說明由根據本發明之介電堆疊物收集到的傳輸 數據。用以攫取第1 1圖中獲得的數據之度量衡量設備爲 Perkin Elmer λ-6光譜儀。測量4樣品且各樣品如以上討論 爲丁 i 〇 2 / 9 2 - 8的5層堆疊物。2樣品有相同的厚度層(5 5 m 的Ti 〇 2和1 〇 〇 nm的9 2 - 8 )。可見到二不同試驗幾乎相周的 傳輸光譜,證實沈積方法的可重複性。第三實施例有不同 的厚度設定使傳輸光譜偏向監色。第四實施例在第三實施 例之後產生,維持在8 5 / 8 5 ( 8 5 °C 8 5 %溼度)的試驗條件之下 1 2 0小時。TJJ見到溼度與熱對於該鏡面堆疊物的傳輸特性 並無顯著衝擊,再度證實此介電堆疊物充當保護層的功能 〇 第]〇圖顯示根據本發明之不範介電堆疊物的截面 SEM圖式。再次顯示五層丁⑴2/二氧化矽-氧化鋁堆疊物含 厚度5 5 0 n m的T i Ο 2層及9 7 〇 n m的二氧化砂-氧化銘(9 2 - 8 ) 〇 經顯示離子偏壓薄膜在朝向提供能保護電子與光學薄 - 21 - (16) 200428491 膜,例如光電伏特薄膜、半 別是利用摻雜鈣或其他極具 濕或反應性材料之有機發光 面已有顯著的進展。然而, 數偏壓方法,經濾波的陰極 方法,皆含有大於約每平方 方法在高電壓時使用高濺鍍 無疑地,有顆粒存在表示水 散。另外,由 FCVAC方法 及形態,也會衝擊透明度與 膜可能自加工室遮蔽體剝落 巨大靜電場牽引至薄膜表靣 薄膜的外貌都無法覆蓋大於 比薄膜厚度大數倍的顆粒, 粒缺陷密度也會決定針孔密 所造成的缺陷。 根據本發明的介電堆疊 面,與薄膜厚度無關且與非 關,代表對於偏壓障壁薄膜 力。少有需要對水分及氧氣 ,OLED顯示器,可容忍每 的方法中,已能沈積薄到2 . 該薄膜具有平均約0.2 nm的 無損壞的方法以及能表現出 導體薄膜與電致發光薄膜,特 反應性的金屬之電極及其他吸 二極體,的適當障壁之目標方 至今記載用以生產薄膜的大多 真空電弧塗布技術或FC VAC 公分1個缺陷的顆粒密度。此 速率可能會造成表面粗糙化。 蒸氣或氧氣可透過缺陷進行擴 形成的表面粗糙度會衝擊應力 折射率的均勻性。經濺鍍的薄 ,或由存在於離子束方法中的 。無論任何情況,因爲有許多 薄膜厚度的顆粒,而留下尺寸 所以大於薄膜厚度之顆粒的顆 度或其他由薄膜之不連續沈積 物,其具有極細的平滑薄膜表 零但不可測的薄膜透明度也無 缺陷水準和障壁保護有新的能 有介電障壁保護的產品,例如 平方公分有一缺陷。在本發明 5奈米且厚到]5微米的薄膜, 平均表面粗糙度,這表示的是 像不定形薄膜之均勻度而滿足 -22- (20) (20)200428491 所有薄膜厚度的光學品質表面。 經顯示根據本發明的介電層能保護鋁的超薄反應性金 屬薄膜,在純水蒸氣壓力3 · 5大氣壓時,從12 5至2 5 0 °C的 水蒸氣之熱氧化下達數百個小時而不見1 0 0 m m矽晶圓上 有缺陷。因此,顯然如本揭示內容中說明的氧化鈦與矽酸 鋁薄膜二者皆能供給反應性薄膜以長時期的保護,有高達 一或二晶圓的面積皆無針孔。在1 0 0 m m晶圓上的保護性 介電障壁層中有一針孔,該晶圓的面積約7 5平方公分,得 換算成每平方公分約〇 . 〇 1 3 3個的針孔密度。因爲有二晶圓 ,一者含矽酸鋁而一者含氧化鈦障壁介電塗層都沒有不合 格之處,總面積爲150平方公分。若此二晶圓上有1缺陷_, 缺陷密度就是每平方公分〇 . 〇 〇 6 6 6個。然而,因爲此晶圓 都沒有缺陷,所以單由二晶圓的結果並無法測得貫際的缺 陷密度。實際的缺陷密度低於每平方公分〇·013 3個。 由以上揭示的內容能提供本發明各種不同的具體體。 然而,普通熟習本技藝者皆明瞭由所討論的特定具體例之 修飾及變化,所欲乃將其全都納入本揭示內容的範圍及精 神以內。基此,本發明僅爲以下的申請專利範圍所限° 【圖式簡單說明】 第】A及〗B圖說明用以沈積根據本發明之障壁層薄膜 的沈積裝置。 第2 A、2B、2C、2D、2D及2F圖說明含根據本發明 之介電堆疊物的裝直之實施例。 ‘ -23 — (21) 200428491 第3圖顯示利用根據本發明之介電堆疊物的微腔增強 型LED結構。 第4圖顯示含根據本發明之介電堆疊物的底部閘極電 晶體裝置。 第5圖顯示含根據本發明之介電堆疊物的頂部閘極電 晶體裝置。 第6圖顯示第3圖所示再以介電堆疊物結構保護之類似 的微腔增強型LED結構之一實施例。 第7圖顯示第3圖所示再以介電堆疊物結構保護之類似· 的微腔增強型LED結構之另一賓施例。 第8圖顯示經長時間暴露於高溼、高溫環境之後再沈 積在反應性銘層上之二氧化鈦薄膜的實施例。 第9圖顯示經長時間暴露於高溼、高溫環境之後再沈 積在反應性鋁層上之二氧化矽/氧化鋁薄膜的賓施.例。 第1 〇圖顯示根據本發明之介電堆疊物截面的S EM照 片。 第Η圖顯示根據本發明的介電堆疊物之不同實施例的 穿透率對波長的曲線。 在此圖式當中,具有相同標號的元件具有相同或類似 的功能。 [圖號說明] ]0 反應器裝置 12 標靶 -24- (22) 脈衝式直流電源供應器 濾波器 基材 電極 射頻電源供應器 磁鐵 電漿
電漿 絕緣體 基材 層 層 層 層 層
透明導電層 層 層 層 層 層 層 基材 介電堆疊物 -25- (23) 金屬層 電致發光層 透明導電層 介電堆疊物 基材 第二介電堆疊物 微腔增強型LED結構 介電堆疊物 Φ 基材 第二介電堆疊物 底部閘極電晶體結構 層 層 層 層 層 ⑩ 層 介電堆疊物 基材 介電堆疊物 頂部閘極電晶體裝置 閘層 閘極氧化物層 半導體層 -26- (24) 層 層 介電堆疊物 基材 介電堆疊物 環氧層 結構
覆蓋結構 結構 結構
-27-
Claims (1)
- 200428491 ⑴ -拾、申請專利範圍 1.一種介電堆疊物,其包含: 至少一高度緻密化金屬氧化物層,該金屬氧化物層具 有低於每平方公分1個之可滲透缺陷濃度。 2 .如申請專利範圍第1項之堆疊物,其中該堆疊物不 會遭滲透而受到環境污染的影響。 3 .如申請專利範圍第1項之堆疊物,其中該堆疊物能 對抗物理磨損。 φ 4 .如申請專利範圍第1項之堆疊物,其中該堆疊物爲 抗反射塗層。 5 .如申請專利範圍第1項之堆疊物,其中該堆疊物爲 反射性塗層。 y 6 . —種介電層,其包含: 以脈衝式直流電、基材偏壓物理氣相沈積方法沈積在 基材上的緻密化不定形介電層, 其中該緻密化不定形介電層爲障壁層。 · 7 .如申請專利範圍第6項之介電層,其中以寬面櫝標 靶進行沈積。 8. 如申請專利範圍第6項之介電層,其中該障壁層同 樣也是光學層。 9. 如申請專利範圍第8項之介電層,其中該障壁層包 括Ti02層。 10. 如申請專利範圍第8項之介電層,其中該障壁層包 括氧化鋁/二氧化矽層。 -28- (2) (2)200428491 1 1 .如申請專利範圍第6項之介電層,其中該障壁層同 樣也是電氣層。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項之介電層,其中該障壁層 包括電阻層。 13.如申請專利範圍第12項之介電層,其中該電容層 爲T:i02層。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之介電層,其中該電容層 爲氧化鋁/二氧化矽層。 · 1 5 .如申請專利範圍第:i 1項之介電層,其中該障壁層 包括阻抗層。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之介電層,其中該阻抗層 爲銦-錫金屬或氧化物。 1 7 .如申請專利範圍第6項之介電層,其中該阻障層包 括硏磨層。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之介電層,其中該硏磨層 爲Ti02層。 1 9 /如申請專利範圍第1 7項之介電層,其中該硏磨層 爲氧化鋸/二氧化砂。 2 0.如申請.專利範圍第6項之介電層,其中該介電膜爲 Ti〇2。 .21 .如申請專利範圍第6項之介電層,其中用以形成該 介電膜之標靶具有92 %鋁及8 %矽之濃度。 22 .如申請專利範圍第6項之介電層,其中該介電膜具 有低於約每平方公分]個之可滲透缺陷濃度。 -29 - (3) 200428491 2 3 .如申請專利範圍第6項之介電層,其中水蒸氣傳輸 速率低於約 1 X 1 0 ·2 g / m 2 / d a y。 2 4 .如申請專利範圍第6項之介電層,其中在連續薄膜 中的光學衰減率低於約0.1 dB/cm。 2 5 .如申請專利範圍第6項之介電層,其中該障壁層具 有低於約5 0 0 n m之厚度。2 6 .如申請專利範圍第2 5項之介電層,其中水蒸氣傳 輸速率低於約lxlO·2 gm/m2/day。 2 7 ·如申請專利範圍第6項之介電層,其中該障壁層厚 度低於約1微米且水蒸氣傳輸速率低於約1 X 1 〇·2 g m / m / d a y 〇 2 8 .如申請專利範圍第6項之介電層,其中以該障壁層 作爲薄膜電晶體之閘極氧化物。 2 9.—種形成阻障層的方法,其包含: 提供基材;以脈衝式直流電、偏壓、寬標靶之物理氣相沈積方法 在該基材上沈積高度緻密化、不定形的介電材料。 3 0 .如申請專利範圍第2 9項之方法,其中該介電材料 係由包含92 %鋁和8 %矽之標靶形成。 3 1 ·如申請專利範圍第2 9項之方法,其中該介電材料 係由包含鈦之標靶形成。 •30-
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