TWI607102B - 用於蒸發介電材料之電漿輔助沉積裝置、沉積設備、以及其操作方法 - Google Patents

用於蒸發介電材料之電漿輔助沉積裝置、沉積設備、以及其操作方法 Download PDF

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Description

用於蒸發介電材料之電漿輔助沉積裝置、沉積設備、以 及其操作方法
本發明的實施例係關於蒸發及沉積多元素介電材料，例如鋰鈷氧化物(LiCoO2、LCO)或正磷酸鋰(Li3PO4)，用以沉積鋰磷氮氧化物(LiPON)。本發明的實施例特別係關於蒸發裝置、沉積設備及裝置與設備的操作方法。特定言之，本發明的實施例係關於用於蒸發包含多元素介電材料之材料及沉積材料至基板上的沉積裝置、用於蒸發包含多元素介電材料之材料及沉積材料至基板上的沉積設備和蒸發材料的方法，材料包含多元素介電材料，特別係LCO、Li3PO4或LiPON。
現代薄膜鋰電池通常係在真空腔室中生產，其中基板配有數層，例如包括含鋰介電質。含鋰介電層例如藉由沉積各自材料蒸汽至基板上而形成。由於鋰具高反應性且含鋰化合物亦具高反應性，故需操作及維護此類沉積系統的多個解決措施。例如，在打開真空腔室後，應減少曝露於空氣大 氣的氧化蒸汽(特別係H2O)及接觸人員。
另外，期以高沉積速率蒸發及提升均勻度。過去已佈署許多薄膜沉積系統類型。然利用典型薄膜沉積系統裝置，未能以本申請案所述方式沉積包含含鹼及/或鹼土金屬之介電材料的材料。此係因為此類多元素介電材料需明顯較高的溫度蒸發，而諸如鋰等鹼性材料具高反應性，並會與玻璃和水形成化合物。即使含鋰介電質在室溫下較不具反應性，但含鋰介電質在蒸發期間可能會分解及再度產生反應副產物。因此，期提供沉積系統的內部部件可穩定對抗該等反應物種的裝置。
LCO有意做為高能薄膜電池的電極材料；LiPON因具高離子導電度而有意做為電解質。由於含鋰材料適於生產慢速放電電池和蓄電池，因此受到特別關注。
一般用於介電質、含鋰介電質和其他鹼金屬或鹼土金屬之介電質的沉積系統分別採用濺射源或習知點源基蒸發源和源操作方法。鑒於含Li介電質的高溫及/或Li的反應性，含鋰材料蒸發方法相當具挑戰性，特別係在成本和可製造性方面。然燒結靶材濺射將受限於靶材系統的熱穩定性。此將造成穩定濺射操作的功率密度上限，以致限制沉積速率。
習知多組成介電質(例如含鋰介電質)的蒸發方法以汽相提供此類材料時需要非常高的溫度。另外，一般採用點源的系統要達所需均勻度及擴展成大量製造的可製造性十分複雜，因而深具挑戰性。是以管理材料供應至蒸發源很困難。然此為大量製造及高正常運行時間製造所需。
鑒於上述，提供根據申請專利範圍、且特別係根據申請專利範圍獨立項的沉積裝置、沉積設備和蒸發方法。本發明的其他態樣、優點和特徵在參閱申請專利範圍從屬項、實施方式說明和附圖後將變得更淺顯易懂。
根據一實施例，提供用於蒸發介電材料的沉積裝置。沉積裝置包括蒸汽分配噴淋頭、托座，用以提供介電材料至蒸汽分配噴淋頭中，其中托座具有進料單元，用以饋送介電材料至蒸汽分配噴淋頭、配置以熔化及蒸發蒸汽分配噴淋頭中的介電材料或使蒸汽分配噴淋頭中的介電材料昇華的能源，其中蒸汽分配噴淋頭具有一或更多出口，用以將蒸發的介電材料導向基板，及特別地，能源發射電子或光子，其中電子或光子熔化及蒸發介電材料或使介電材料昇華。裝置進一步包括電漿源，電漿源配置以在蒸汽分配噴淋頭與基板之間提供電漿。
根據另一實施例，提供用於蒸發介電材料以沉積介電材料至基板上的沉積設備。設備包括真空腔室，用以沉積材料至基板上、設於腔室內的基板支撐件和沉積裝置。沉積裝置包括蒸汽分配噴淋頭、托座，用以提供介電材料至蒸汽分配噴淋頭中，其中托座具有進料單元，用以饋送介電材料至蒸汽分配噴淋頭、配置以熔化及蒸發蒸汽分配噴淋頭中的介電材料或使蒸汽分配噴淋頭中的介電材料昇華的能源，其中蒸汽分配噴淋頭具有一或更多出口，用以將蒸發的介電材料導向基板，及特別地，能源發射電子或光子，其中電子或 光子熔化及蒸發介電材料或使介電材料昇華。裝置進一步包括電漿源，電漿源配置以在蒸汽分配噴淋頭與基板之間提供電漿。
根據又一實施例，提供蒸發介電材料的方法，特別係含鋰介電材料。方法包括饋送介電材料至蒸汽分配噴淋頭、液化及蒸發蒸汽分配噴淋頭中的介電材料，或使蒸汽分配噴淋頭中的材料昇華，及特別地，液化及蒸發或昇華包含使電子或光子衝撞介電材料。方法進一步包括將介電材料的蒸汽導向基板。
100‧‧‧腔室主體
102‧‧‧腔壁
104‧‧‧基板
105‧‧‧處理區
106‧‧‧噴淋頭
107‧‧‧基板定位器
108‧‧‧電源
109、122‧‧‧箭頭
120‧‧‧原料
121‧‧‧熔化區
121b‧‧‧蒸汽區/蒸發區
130‧‧‧電漿
218‧‧‧電漿源
300‧‧‧沉積設備
306‧‧‧蒸發裝置
336‧‧‧加熱器
337‧‧‧絕熱區
340‧‧‧電子槍
341‧‧‧電子束
350‧‧‧坩堝
352‧‧‧冷卻元件
360‧‧‧噴嘴
405‧‧‧處理區
440‧‧‧加熱元件
442‧‧‧電源供應器
506、516、606、716‧‧‧噴淋頭
507、517、617、618‧‧‧通道
700‧‧‧沉積設備
718‧‧‧遠端電漿源
800‧‧‧沉積設備
802‧‧‧腔室
804‧‧‧凸緣
814‧‧‧閥單元
822‧‧‧進料單元
830‧‧‧支撐件
832‧‧‧晶圓
902、904、906、908、910‧‧‧步驟
為讓本發明的上述概要特徵更清楚易懂，可配合參考實施例說明。附圖係關於本發明實施例，並且描述如下：
第1圖圖示處理腔室的截面，以說明本發明一實施例。
第2圖圖示另一處理腔室的截面，以說明本發明另一實施例。
第3圖圖示又一處理腔室的截面，以描述本發明又一實施例。
第4圖圖示再一處理腔室的截面，以說明本發明再一實施例。
第5圖圖示根據本發明一實施例，處理腔室中兩個線形噴淋頭的工作面示意圖。
第6圖圖示根據本發明一實施例，處理腔室中兩個線形噴淋頭的工作面示意圖。
第7圖圖示另一處理腔室的截面，以描述本發明另一實施例。
第8圖圖示又一處理腔室的截面，以描述本發明又一實施例。
第9圖為根據本發明一實施例，用於處理基板的操作順序圖。
現將詳述本發明的各種實施例，實施例的一或更多實例乃繪示如附圖。以下圖式說明係以相同的元件符號代表相同的部件。通常，只描述個別實施例的差異。各實例僅為舉例說明本發明，而無意限定本發明。另外，某一實施例部分所示或所述特徵結構當可併入或配合其他實施例使用而得進一步實施例。本發明擬包括該等修改例與變化例。
在以下說明中，第1圖至第9圖圖示各種處理腔室和蒸發介電材料及/或陶瓷的方法，例如含鋰介電材料。特別地，介電材料及/或陶瓷(例如含鋰介電質)相關的腔室和處理方法有益於進行層沉積用於電化學裝置，例如電色窗/裝置和固態薄膜電池。特別地，本文所述實施例可提供大面積塗佈機，更特別係能連續進料者。
根據所述實施例，設備和方法特別有益於蒸發介電材料及/或陶瓷，其中介電材料及/或陶瓷直接提供至噴淋頭，及在噴淋頭中熔化及蒸發，此將詳述於後。如此，可解決一般高溫蒸發介電材料及/或陶瓷所引發的問題。然送入設備及在噴淋頭中蒸發的原料亦可於反應製程中進一步與處理氣體 反應，以提供不同類型的材料層。故原料可為初始介電材料及/或陶瓷。然初始材料亦可為元素或另一非介電化合物。當下游導管數量減少時，設備和方法特別有利於具高蒸發溫度的元素和化合物，此將詳述於後。根據可結合所述其他實施例的所述實施例，使所述介電材料蒸發或昇華，及沉積介電材料至基板。待沉積介電材料可為和待蒸發或昇華材料一樣的介電材料。或者，待蒸發或昇華介電材料如在電漿中經歷反應製程，從而沉積另一介電材料。然亦可藉由使光子或電子衝撞非介電材料或元素，而再進一步於蒸汽分配噴淋頭內蒸發或昇華，以利用或不利用各自反應製程在電漿中沉積預定材料。該等替代例可結合所述裝置、設備和方法實施例。
第1圖及第2圖圖示根據實施例的處理腔室截面。第1圖圖示設備，例如處理腔室主體100，用以如以連續線內電化學裝置(例如固態薄膜電池和電色窗裝置)生產製程處理基板104。處理腔室包括腔壁102。處理區105設於腔室內的基板104與分配噴淋頭106(例如第1圖所示線形噴淋頭106)之間。
基板定位器107能移動或定位基板通往及通過處理區105。在本發明一實施例中，處理腔室垂直處理基板，即如第1圖所示，線形分配噴淋頭106在腔室內呈垂直排列，基板定位器107把基板104支承在垂直處理位置。此排列配置的優點為，處理期間產生的任何微粒將掉落到腔室底部而不會污染基板104。根據典型實施例，基板定位器可為磁軌系統，用以將基板或具一或更多基板置於載具內的載具輸送通 過基板處理系統的一或更多腔室。故根據一些實施例，提供線內處理系統和線內處理方法，其中基板移動經過處理單元，例如根據所述實施例的蒸發裝置。
根據一些實施例，如第1圖所示，設在處理腔室主體100內的線形分配噴淋頭106電氣耦接電源108。如區域121所示，待蒸發材料送入噴淋頭，及在噴淋頭中熔化及蒸發。根據所述實施例，待蒸發材料在蒸汽分配噴淋頭中熔化及蒸發(或昇華)，及經由一或更多各自的蒸汽噴嘴饋送至基板。如第5圖及第6圖所示，噴淋頭(例如線形蒸汽分配噴淋頭)可進一步包含通道，以調節處理區105的蒸發蒸汽通量。此類通道可具各種直徑大小和分布方式。
電源108可為直流(DC)、交流(AC)、脈衝式直流(p-DC)、射頻(RF)、電子迴旋共振(ECR)或微波電源或上述組合物。當處理氣體(即蒸汽)在噴淋頭106中產生及流入處理區105而流向基板104時，電磁功率提供至線形噴淋頭106。此如箭頭109所指示。無論選用何種電源類型，腔室需改造成適於讓電源以產生電漿130的方式，將能量耦合至電漿源。例如，噴淋頭106和基板(或另一對電極)可連接至電源108，腔室主體100可接地。根據可結合所述其他實施例的一些實施例，除連接電源108與電漿源外，還可偏壓基板或各自載具。如此偏壓基板可用於額外加強電漿輔助沉積特性。例如，若如第2圖所示電漿源218設於沉積設備，則可額外提供偏壓。
第2圖圖示產生電漿130的替代或附加實施方式。 電漿源218(例如電漿槍)設於腔室主體100。通常，電漿槍可設置鄰接及/或圍繞處理區105，以於處理區產生電漿130。根據可結合所述其他實施例的典型實施例，電漿源可為DC耦合電漿、感應耦合電漿、電容耦合電漿或上述組合物。電漿可產生做為如直流放電、脈衝式直流放電、RF放電(即兆赫(MHz)範圍)或微波放電(即秭赫(GHz)範圍)。
根據所述實施例，提供沉積源和系統，並以高沉積速率和低製造成本產生均勻的含Li多元素介電材料薄膜。根據可結合所述其他實施例的典型實施例，根據所述實施例的沉積源、根據所述實施例的系統和根據所述實施例的方法可應用到任何需均勻沉積含Li多元素介電材料的領域。例如，材料可為鋰鈷氧化物(LCO)或鋰磷氮氧化物(LiPON)。對應應用例如為電化學裝置，例如電色窗/裝置和固態薄膜電池。在兩種情況下，需大幅降低製造成本，以廣泛推廣技術。
鑒於原料係直接饋送至噴淋頭，如第1圖至第4圖及第7圖至第8圖所示，所述實施例容許使用噴淋頭或分配噴嘴內的原料。故相較於提供昂貴的靶材製造製程(例如用於濺射)，將大幅降低總體裝置製造成本中的材料成本。部分成本撙節來自於改善材料利用率，相較於材料利用率為約20%至75%的靶材，因蒸發只要熔化及蒸發，故材料利用率應為100%。進一步成本撙節來自於蒸發器和蒸發方法的高沉積速率。根據所述實施例，具源技術的特定系統的產量和容量將提高資本投資效率，及降低總體成本(擁有成本；CoO)。由於無功率密度上限，故相較於穩定濺射操作，蒸發可有高 沉積速率。
根據所述實施例，提供用於電漿輔助的噴淋頭基沉積系統和一或更多裝置。藉此，電漿形成可用於誘發待沉積材料於基板上形成正確相。另外，特別係在LCO和LiPON方面，電漿及/或偏壓基板可提供誘導原子表面遷移所需能量，而得密實、平滑形貌和結晶度(就LCO而言)，此有益於製造預定性能和產率的電化學層和裝置。再者，根據所述實施例，提供蒸汽源，此有利於高溫，例如1100℃、1300℃或甚至更高，且可提供高產量製造。例如，根據一些實施例，蒸汽分配噴淋頭經加熱達1100℃至1500℃的溫度，特別係約1300℃。
如第3圖所示，提供沉積設備300。如上所述，設備具有處理腔室主體100，用以如以連續線內電化學裝置(例如固態薄膜電池和電色窗裝置)生產製程處理基板104。處理腔室包括腔壁102。處理區設於腔室內的基板104與分配噴淋頭106(例如第3圖所示線形噴淋頭106)之間。
沉積系統包括蒸發裝置306。蒸發裝置306包括噴淋頭106，噴淋頭例如設在絕熱區337內，如此更容易及均勻加熱蒸汽分配噴淋頭。噴淋頭由加熱器336加熱，例如輻射加熱器。依箭頭122指示提供原料120至噴淋頭。依此，原料送入噴淋頭做為固態材料，此將詳述於後。原料提供至托座，例如坩堝350。坩堝具有冷卻元件352來冷卻坩堝。
根據可結合所述其他實施例的一些實施例，托座可為冷卻坩堝，例如冷卻中空圓柱。若托座為中空圓柱，則可 利用進料單元，饋送、推動及/或使原料鑽縫通過中空圓柱352。如此可連續或擬連續供應原料。
用作所述單元實施例的進料單元以箭頭122表示。進料單元可為致動器、壓力汽缸或任何配置以推動或使材料滑動至蒸汽分配噴淋頭的其他元件。
根據可結合所述其他實施例的進一步實施例，可利用托座中供流體流動的冷卻渠道來冷卻坩堝。流體可為氣體或液體，例如水。再者，亦可以此技術已知的其他冷卻方式提供冷卻單元。
在第3圖所示實施例中，利用電子束基加熱，以熔化及蒸發原料。應理解所述實施例亦可包括用於昇華、而非先熔化、然後蒸發材料的裝置、設備和方法。電子槍340將電子束341引導至坩堝350內的材料上。藉此材料將於坩堝的熔化區121熔化，且材料將於蒸汽區121b蒸發。蒸汽在蒸汽分配器內分配並引導通過噴嘴360而流向基板。根據一些實施例，待沉積材料的蒸汽在沉積至基板104上前，會通過處理區的電漿130。
故根據可結合所述其他實施例的一些實施例，提供電子束基加熱。藉此可誘發快速高溫能力和控制。另外，可免用腔室中從蒸發貯槽到噴淋頭的「下游」導管。
如第4圖所示，提供用於加熱熱加熱元件440或熱加熱方法的替代或附加元件和方法。加熱元件可為電阻熱或輻射熱。加熱元件440連接至電源供應器442，以提供熱能給坩堝350內的材料。根據典型實施例，提供輻射加熱，其中 光子衝撞待熔化及蒸發(或昇華)材料。故可使加熱元件或熱源和待沉積材料用貯槽分開。藉由分開加熱源和貯槽，可更容易管理及維護源。此係因為相較於更換結合式貯槽-加熱單元，更換貯槽或更換加熱單元較為簡單。第4圖所示其他元件對應第1圖至第3圖和第5圖至第8圖(特別係第3圖)所述其他實施例，在此不再贅述。
如第3圖所示，根據所述一些實施例，具電子槍340的電子束蒸發源提供蒸發區121b，使得蒸發區121b和噴淋頭106為部分或在同一封閉區內。如此不需利用加熱的下游導管來「承載」蒸發劑或蒸汽至噴淋頭。就遠端蒸汽產生而言，可提供加熱導管，以免蒸發劑或蒸汽沿著通往沉積區的路徑凝結。如第4圖所示，輻射加熱器或以輻射熱方法加熱前驅物的方法亦提供簡易的蒸發源，例如線形蒸發源。又，蒸發區121b和噴淋頭106為部分或在同一封閉區內。如此亦可免除加熱下游導管。
根據所述實施例，提供第3圖及第4圖所述加熱單元。加熱單元可包含由用於加熱待蒸發材料的輻射加熱器、用於加熱待蒸發材料的電子束槍和用於加熱蒸汽分配噴淋頭的加熱器所組成群組的至少一元件。用於加熱待蒸發材料(即用於熔化及蒸發原料)的加熱單元將發射光子(若為輻射加熱器)或電子(若為電子槍)。光子或電子衝撞後，光子或電子即加熱材料。根據進一步實施例，亦提供利用電加熱器或另一加熱元件來產生熱，以在噴淋頭中熔化及蒸發(或昇華)。例如，坩堝可由流過坩堝的電流或由流過設於坩堝的 電加熱線圈的電流加熱。
鑒於待嵌入蒸發能很少或無限制(相較於如濺射沉積)，所述實施例容許高沉積速率。源進料系統亦認為能連續或擬連續饋送原料，以高度控制蒸發區部件的硬體構造。藉此可良好控制加熱機制和蒸發區，即原料源的頂層或源頂層正上方的區域。
再者，根據所述實施例，提供電漿輔助，以改善一些經加熱及蒸發後會解離成簡單化合物的多元素介電材料及/或陶瓷沉積。亦可依需求提供成長動力調節和表面形貌，即控制表面形貌、膜密度等。使用電漿輔助可加強沉積現象，例如提供平滑且無針孔沉積，此係獲得所述高品質材料層和裝置的要點。
利用電漿輔助沉積來改善成長動力調節以得平滑且無針孔沉積，可降低成本及得到較佳裝置。因平滑及/或無針孔介電沉積有較高產率，故可降低成本。例如，平滑LCO將使LiPON更共形，因而可減少電化學裝置內部短路的風險。另外，沉積較平滑的LiPON及沉積較少針孔的LiPON可減少內部短路的風險。根據另一態樣，具較少針孔的LiPON可降低成本，其中若針孔量減少或針孔消除，則此層可沉積得更薄。減小層厚度可降低此層成本。再者，薄LiPON層有較小內部電阻而有較高功率和充電能力，故可增強性能。再者，此外或或者，相較於濺射，因無靶材製造成本，故成本可降低。據證PE-EBEAM沉積LiPON將造成良好相形成。
根據可結合所述其他實施例的一些實施例，所述蒸 發源和設備可用於蒸發如顯示器或電色窗或鋰電池製造用的大面積基板。根據一些實施例，大面積基板或各具一或更多基板的載具的尺寸可為至少0.67平方公尺(m2)。尺寸通常為約0.67m2(0.73×0.92m-第4.5代)至約8m2，更常為約2m2至約9m2或甚至高達12m2。通常，如本文所述，提供結構、設備(例如陰極組件)和根據所述實施例之方法的基板或載具係大面積基板。例如，大面積基板或載具可為第4.5代(此對應約0.67m2的基板(0.73×0.92m))、第5代(此對應約1.4m2的基板(1.1m×1.3m))、第7.5代(此對應約4.29m2的基板(1.95m×2.2m))、第8.5代(此對應約5.7m2的基板(2.2m×2.5m))或甚至第10代(此對應約8.7m2的基板(2.85m×3.05m))。也可採用更大規模(例如第11代與第12代)的對應基板面積。
第5圖及第6圖圖示根據本發明不同實施例，處理腔室中兩個線形噴淋頭的工作面示意圖。第5圖圖示如第1圖至第4圖所示腔室主體壁面102圍繞線形噴淋頭506、516。在此實施例中，線形蒸汽分配噴淋頭506和如第7圖所述用於遠端產生電漿的線形電漿分配噴淋頭516分別具有通道507、517，通道507、517具相同直徑。在第6圖所示實施例中，線形氣體分配噴淋頭606具有變化直徑的通道617、618，以調節從線形蒸汽分配噴淋頭606至處理區的處理蒸汽通量。可採用其他非圓形截面通道，其中截面圓周或周長大小不盡相同。例如，相較於相同線形氣體分配噴淋頭上的其他方形氣體通道，可使用截面周長較小的方形截面通道。雖然 周長通常係配合非圓形使用，但此亦涵蓋圓形和對應圓周。其他不同形狀和尺寸的氣體通道亦落在本發明實施例的範圍內，一般技術人士將很容易識別。儘管第5圖及第6圖圖示參照第7圖的兩個噴淋頭構造，然根據所述實施例，任何線形氣體分配噴淋頭106亦可用於處理腔室主體100。
第7圖圖示沉積設備700的另一實施例。第1圖至第6圖所述實施例的態樣、特徵結構和細節可結合第7圖所述態樣、特徵結構和細節。該等態樣、特徵結構和細節在此不再贅述。第7圖圖示處理腔室主體100的另一截面。或者或除了根據所述其他實施例所示電漿產生部件的一些實施例以外，第7圖圖示遠端電漿源718。如其他圖式所述，設備包括處理腔室主體100，主體100具有腔壁102。處理區由腔壁102、基板104、線形蒸汽分配噴淋頭106和線形遠端電漿分配噴淋頭716所界定。
基板定位器107協助移動基板104通過處理區405或將基板104定位於處理區405。在本發明一實施例中，處理腔室垂直處理基板，即如第7圖所示，線形蒸汽分配噴淋頭106和線形遠端電漿分配噴淋頭716在腔室內呈垂直排列，基板定位器107把基板104支承在垂直處理位置。遠端電漿源718耦接線形遠端電漿分配噴淋頭716及電氣耦接電源108。
如前所述，電源108可為直流(DC)、交流(AC)、脈衝式直流(p-DC)、射頻(RF)、電子迴旋共振(ECR)或微波電源或上述組合物。如箭頭109所指示，當處理氣體流經遠端電漿源718、通過線形遠端電漿分配噴淋頭716、流 入處理區105而流向基板104時，電磁功率提供至遠端電漿源718。此外，在任一實施例中，可視腔室構造、耦接至腔室的電源類型和源材料類型與待沉積至基板上的預定膜而定，電偏壓基板。
可依據數種方式設置蒸汽分配噴淋頭的出口，出口可彼此獨立設置，或若不互斥，甚至也可部分組合設置。待沉積材料從蒸汽分配噴淋頭106引導通過一或更多各自的蒸汽噴嘴。根據可結合所述其他實施例的一些實施例，蒸發裝置包括噴嘴，用以將蒸汽導向基板。如圖所示，裝置可包括蒸汽分配噴淋頭106，例如具複數個噴嘴360的線形蒸汽分配噴淋頭106。藉由提供線形蒸汽分配噴淋頭112，可提升基板104上的沉積均勻度。然需考量到複數個噴嘴亦會造成對連續及控制材料流向蒸汽分配噴淋頭的要求不斷增加，且需提供系統新材料。因此，經由坩堝直接饋送原料至噴淋頭的進料系統及依箭頭122指示選擇性連續饋送材料據悉特別有益。由於能提供新材料，故可讓蒸發裝置、具根據所述實施例之蒸發裝置的蒸發設備、或具根據所述實施例之蒸發裝置的蒸發系統連續或擬連續操作。
雖然第1圖所示噴淋頭係線形噴淋頭，但其他形狀的噴淋頭亦落在本發明範圍內。噴淋頭形狀取決於腔室類型和基板形狀。例如，就處理圓形基板的腔室而言，例如處理半導體晶圓時，可選用點源(即單一噴嘴)或圓形噴淋頭。處理大矩形基板時，可選用矩形噴淋頭，批次製程亦可使該等噴淋頭形狀類型更合用。就連續線內處理大尺寸矩形或方 形基板而言，可選用線形噴淋頭，以於基板經過噴淋頭時，更好控制處理氣體分布整個基板。故特別係用於線內或動態處理設備時，最好使用線形蒸汽分配噴淋頭。圓形、矩形或二或更多線形蒸汽分配噴淋頭可用於靜態沉積處理各種形狀與尺寸的基板。
根據可結合所述其他實施例的一些實施例，提供如固態形式(例如桿體、粉末或另一固態形式)的材料至噴淋頭。能源將光子或電子引導至材料上，以藉由熔化及蒸發或昇華而於噴淋頭內產生材料蒸汽。應理解所述噴淋頭可具有供給材料於內的封閉區，封閉區具有開口，如此噴淋頭內的壓力將高於噴淋頭外的壓力，例如至少一個數量級。根據可結合所述其他實施例的典型實施例，蒸汽分配噴淋頭可為細長管(例如圓管)或細長立方體(例如以方形噴淋頭為例)。管或立方體在中空體積周圍構成封閉區。就圓形噴淋頭而言，亦可提供具中空體積的圓盤狀圓柱主體。加熱元件可設在各自的上述中空體積中。封閉區提供一或更多出口，用以將蒸汽導向基板。一或更多出口可為噴嘴或設於封閉區的開口。
出口(例如噴嘴360)設於蒸汽分配噴淋頭，用以引導或將介電材料(例如含鋰介電質)導向基板104。根據典型實施例，出口或噴嘴亦可設為蒸汽分配噴淋頭中的開口。另外，就線形蒸汽分配噴淋頭而言，開口或噴嘴例如可排列成一或更多開口或噴嘴直線。就矩形蒸汽分配噴淋頭而言，開口或噴嘴可沿著矩形分布於內。就圓形蒸汽分配噴淋頭而 言，開口或噴嘴可沿著圓形分布於內。通常，開口或噴嘴可分布使蒸汽均勻沉積至基板104上。故開口或噴嘴可至少部分沿著上述形狀之一均勻分布。然為補償形狀周圍的邊緣效應，可改變一些蒸汽分配噴淋頭區域的開口或噴嘴密度，此如第5圖及第6圖所示。
如第8圖所示，提供沉積設備800的進一步實施例。如上所述，設備具有處理腔室主體100，用以如以連續線內電化學裝置生產製程處理基板104。例如，電化學裝置可為固態薄膜電池或電色窗裝置。處理腔室包括腔壁102。處理區設於腔室內的基板104與分配噴淋頭106(例如第3圖所示線形噴淋頭106)之間。根據可結合所述其他實施例的一些實施例，提供內含晶圓832的基板支撐件830。如此例如可進一步提供諸如縫孔等口孔，以氣相沉積至基板上的預定區域。
根據進一步實施例，處理區105的高度可為400mm至2000mm，例如440mm。藉此處理區的高度取決於蒸汽分配噴淋頭的高度及/或蒸汽分配噴淋頭或設於腔室主體100的噴嘴的數量。
又在第8圖所示實施例中，利用電子束基加熱，以熔化及蒸發原料。電子槍340將電子束341引導至坩堝350內的材料上。藉此材料將於坩堝的熔化區121熔化，且材料將於蒸汽區121b蒸發。蒸汽在蒸汽分配器內分配並引導通過噴嘴360而流向基板。根據一些實施例，待沉積材料的蒸汽在沉積至基板104上前，會通過處理區的電漿130。如所述，坩堝係能承受很高溫度的容器或托座。另外，可冷卻坩堝， 且根據所述實施例的坩堝可使材料桿留置於內及通過坩堝。
故根據可結合所述其他實施例的一些實施例，提供電子束基加熱。藉此可誘發快速高溫能力和控制。另外，可免用腔室中從蒸發貯槽到噴淋頭的「下游」導管。又，如第8圖所述加熱裝置可結合第3圖所述態樣。
如第8圖所示，根據所述一些實施例，具電子槍340的電子束蒸發源提供蒸發區121b，使得蒸發區121b和噴淋頭106為部分或在同一封閉區內。如此不需利用加熱的下游導管來「承載」蒸發劑或蒸汽至噴淋頭。藉此可提供遠端蒸汽產生加熱導管，以免蒸發劑或蒸汽沿著通往沉積區的路徑凝結。
根據可結合所述其他實施例的一些實施例，依箭頭122指示提供原料120至噴淋頭。依此，原料送入噴淋頭做為另一腔室802的固態材料。原料提供至坩堝350。坩堝具有冷卻元件352來冷卻坩堝。可經由腔室802的第一閥單元814嵌入待送入腔室及通過冷卻坩堝的材料。關閉閥單元814後，排空腔室802。腔室通常具有真空凸緣804。充分降低腔室802內的壓力後，即可打開連接腔室主體100與另一腔室802的閥單元812，及將原料送入坩堝，以容許連續供應原料。通常，可利用一或更多搬運系統或原料輸送系統，使原料沿著箭頭122或在腔室802內移動，可依設備設計提供搬運系統或原料輸送系統。示例性進料單元如進料單元822所示，進料單元822可朝箭頭122的方向移動材料。進料單元822可設置成軋輥，以移動材料及/或坩堝(未圖示)，或設置成滾輪，滾輪機械接觸坩堝中的螺紋，以朝箭頭122的方向推進坩堝。可 視情況設置齒輪，使材料更好少量移動。另一進料單元實例為致動器，致動器可使腔室802內的後續原料桿往上移動，進而使材料120在腔室主體100內往上滑動或推動。
現將參照第9圖說明操作用於蒸發含Li介電質的沉積裝置和對應沉積設備的實施例。在步驟902中，例如利用或經由坩堝，將待蒸發材料導向蒸汽分配噴淋頭。在步驟904中，在蒸汽分配噴淋頭中熔化及蒸發待蒸發材料。此達成方式例如為衝撞粒子，例如電子或光子。例如，可以熱輻射進行輻射加熱或利用電子束加熱，熔化蒸汽分配噴淋頭中的材料。在步驟906中，引導蒸汽通過蒸汽分配噴淋頭的一或更多出口而流向基板。如步驟908所示，點燃電漿，以在蒸汽分配噴淋頭的出口與基板之間提供電漿區。藉此可提供電漿輔助氣相沉積。視情況而定，亦可提供處理氣體(例如反應處理氣體)至電漿區，以於沉積至基板上前或時，使蒸汽進一步與處理氣體反應。此如選擇性步驟910所示。又或者，如上所述，除產生電漿外，還可偏壓基板或各自載具。如此偏壓基板可用於額外加強電漿輔助沉積特性。
根據可結合所述其他實施例的一些實施例，可藉由蒸發Li3PO4，以沉積含鋰介電膜。反應處理氣體混合物的成分(例如含氮電漿)因離開噴淋頭的蒸汽與處理氣體的氮反應而形成LiPON。另外，根據可結合所述其他實施例的一些實施例，噴淋頭內產生及離開噴淋頭的蒸汽可為元素，例如矽。矽可與氧及/或氮反應而沉積介電層至基板上。
由於有電漿輔助，本發明的實施例亦可改善控制沉 積膜層的表面形貌，以減少及盡可能消除針孔及產生平滑表面。此外，本發明的實施例能增進誘發與現有層或附加共沉積物種形成反應相。再者，該等改善方式可在較低處理溫度下達成。例如，以電漿輔助進行蒸發時，LiCoO2或Li3PO4會解離，因此電漿輔助有益於形成正確相。諸如SiO2、Si3N4、Al2O3等其他材料在其他方面亦受惠於電漿輔助，例如沉積層的結晶度、形貌及/或密度。此亦對LiCoO2和Li3PO4有所助益。
除上述可依個別實施例使用來部分或完全提供的益處外，尚因搬運容易而將改善可製造性。例如，可提供粉末或小片原料至噴淋頭。相較於提供非常大的濺射靶材，根據所述實施例的材料饋送可在無腔室通風孔或減少預防性維護需求的情況下，進一步提供連續進料的可能性。
雖然以上係針對本發明實施例說明，但在不脫離本發明基本範圍的情況下，當可策劃本發明的其他和進一步實施例，因此本發明範圍視後附申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧腔室主體
102‧‧‧腔壁
104‧‧‧基板
106‧‧‧噴淋頭
122‧‧‧箭頭
120‧‧‧原料
121‧‧‧熔化區
121b‧‧‧蒸汽區/蒸發區
130‧‧‧電漿
218‧‧‧電漿源
300‧‧‧沉積設備
306‧‧‧蒸發裝置
336‧‧‧加熱器
337‧‧‧絕熱區
340‧‧‧電子槍
341‧‧‧電子束
350‧‧‧坩堝
352‧‧‧冷卻元件
360‧‧‧噴嘴

Claims (20)

  1. 一種沉積裝置，用以蒸發一介電材料，該裝置包含：一蒸汽分配噴淋頭；一托座，用以提供該介電材料至該蒸汽分配噴淋頭中，其中該托座具有一進料單元，用以饋送該介電材料至該蒸汽分配噴淋頭；一能源，該能源配置以熔化及蒸發該蒸汽分配噴淋頭中的該介電材料，或使該蒸汽分配噴淋頭中的該介電材料昇華，使得該介電材料的蒸汽產生在該蒸汽分配噴淋頭中，其中該蒸汽分配噴淋頭具有一或更多出口，用以將蒸發的該介電材料導向一基板；及一電漿源，該電漿源配置以在該蒸汽分配噴淋頭與該基板之間提供一電漿。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該能源發射多個電子或多個光子，其中該等電子或該等光子熔化及蒸發該介電材料或使該介電材料昇華。
  3. 如請求項1所述之裝置，其中該蒸汽分配噴淋頭係一線形蒸汽分配噴淋頭。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之裝置，其中該蒸汽分配噴淋頭係一細長管或立方體。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之裝置，其中該托座係一坩堝，該坩堝具有多個冷卻元件，用以冷卻該坩堝。
  6. 如請求項1至3中任一項所述之裝置，其中該電漿源係藉由偏壓該蒸汽分配噴淋頭和一對電極而提供。
  7. 如請求項6所述之裝置，其中該一基板支撐件提供做為該對電極。
  8. 如請求項1至3中任一項所述之裝置，其中該電漿源係提供在一處理區，該處理區置於該蒸汽分配噴淋頭與該基板之間。
  9. 如請求項1至3中任一項所述之裝置，其中該電漿源係一遠端電漿源。
  10. 如請求項1至3中任一項所述之裝置，其中該介電材料係Li3PO4或LCO。
  11. 如請求項1至3中任一項所述之裝置，其中該蒸汽分配噴淋頭具有一封閉區和該封閉區中的該一或更多出口，使該噴淋頭內的壓力大於該噴淋頭外的壓力。
  12. 一種沉積設備，用以蒸發一介電材料及沉積一介電材料 至一基板上，該設備包含：一真空腔室，用以沉積該介電材料至該基板上；一基板支撐件，該基板支撐件設在該腔室內；及一如請求項1至11中任一項所述之沉積裝置。
  13. 如請求項12所述之設備，進一步包含：一基板支撐系統，該基板支撐系統設於該真空腔室內，其中該基板支撐系統配置以在該真空腔室中垂直支撐該基板或承載該基板的一載具。
  14. 一種蒸發一介電材料的方法，該方法包含下列步驟：饋送該介電材料至一蒸汽分配噴淋頭；液化及蒸發該蒸汽分配噴淋頭中的該介電材料，或使該蒸汽分配噴淋頭中的該材料昇華，使得該介電材料的蒸汽產生在該蒸汽分配噴淋頭中；及將該介電材料的蒸汽導向一基板。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該介電材料係一含鋰介電材料。
  16. 如請求項14所述之方法，其中該液化及蒸發步驟或該昇華步驟包含使多個電子或多個光子衝撞該介電材料。
  17. 如請求項14所述之方法，其中該蒸汽分配噴淋頭經加熱 達1100℃至1500℃的一溫度。
  18. 如請求項14至17中任一項所述之方法，其中該介電材料係Li3PO4或LCO。
  19. 如請求項14至17中任一項所述之方法，進一步包含：在該蒸汽分配噴淋頭與該基板之間提供一電漿。
  20. 如請求項14至17中任一項所述之方法，其中使多個電子衝撞的該步驟係由一電子槍所提供。
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