[发明专利]用于蒸发介电材料的等离子体增强沉积装置、沉积设备以及其操作方法

说明书

技术领域

本发明的实施方式涉及多元素介电材料的蒸发及沉积，所述多元素介电材料比如锂钴氧化物(LiCoO₂、LCO)或用于沉积锂磷氮氧化物(LiPON)的磷酸锂(Li₃PO₄)。本发明的实施方式尤其涉及蒸发装置、沉积设备及操作所述装置与设备的方法。特定而言，本发明的实施方式涉及用于蒸发包含多元素介电材料的材料及用于沉积材料于基板上的沉积装置、用于蒸发包含多元素介电材料的材料及用于沉积材料于基板上的沉积设备和蒸发包含多元素介电材料的材料的方法，所述多元素介电材料尤其是LCO、Li₃PO₄或LiPON。

背景技术

现代薄膜锂电池通常在真空腔室中生产，其中基板提供有数层，例如包括含锂电介质。含锂介电层例如通过沉积各材料的蒸汽于基板上而形成。由于锂具有高反应性且含锂化合物亦会是反应性的，故需提供多种措施以操作及维护此类沉积系统。例如，在打开真空腔室后，应将暴露于空气环境的氧化蒸汽(特别是H₂O)及接触人员减至最少。

另外，期望高沉积速率蒸发及提高均匀度。过去已利用许多类型的薄膜沉积系统。然而，利用典型薄膜沉积系统装置，未能以本申请中描述的方式沉积包含含碱和/或碱土金属的介电材料的材料。这是因为此类多元素介电材料需明显较高的蒸发温度，而诸如锂之类的基础材料具有高反应性，并会与玻璃和水形成化合物。即使含锂电介质在室温下较不具有反应性，但含锂电介质在蒸发期间可能会分解并再度产生反应性副产物。因此，期望提供装置，其中沉积系统的内部部件相对于这些反应性物种稳定。

LCO能够被考虑做为能量密集(energy-dense)薄膜电池的电极材料；LiPON因其高离子传导性而能够被考虑做为电解质。由于含锂材料适于生产慢速放电电池和蓄电池，因此受到特别关注。

用于电介质、含锂电介质和其他碱金属或碱土金属的电介质的常用沉积系统分别采用溅射源或习用的基于点源的蒸发源和所述源的操作方法。鉴于含Li电介质的高温和/或Li的反应性，含锂材料的蒸发方法具有挑战性，特别是在成本和可制造性方面。然而，烧结靶材的溅射将受限于靶材系统的热稳定性。这会造成稳定溅射操作的功率密度上限，以致限制沉积速率。

习用的多组分电介质(例如含锂电介质)的蒸发方法以汽相提供此类材料时需要非常高的温度。另外，一般采用点源的系统要达到所需均匀度及扩展成大量制造的可制造性十分复杂，因而深具挑战性。由此，解决将材料供给成蒸发源的需要是挑战性的。然而，这是大量制造及长正常运行时间制造所必需的。

发明内容

鉴于上述内容，提供根据权利要求、且特别根据独立权利要求的沉积装置、沉积设备和蒸发方法。本发明的其他方面、优点和特征在参阅从属权利要求、说明书和附图后将变得更浅显易懂。

根据一个实施方式，提供用于蒸发介电材料的沉积装置。所述沉积装置包括：蒸汽分布喷头；保持器，所述保持器用于提供介电材料于蒸汽分配喷头中，其中所述保持器具有进给单元，用于进给介电材料至蒸汽分配喷头；能源，所述能源配置成用于熔化及蒸发蒸汽分配喷头中的介电材料或使蒸汽分配喷头中的介电材料升华，其中蒸汽分配喷头具有一或更多出口，用于将蒸发的介电材料导向基板，及特别地，其中能源发射电子或光子，其中所述电子或光子熔化及蒸发介电材料或使介电材料升华。所述装置进一步包括等离子体源，所述等离子体源配置成用于在蒸汽分配喷头与基板之间提供等离子体。

根据另一实施方式，提供用于蒸发介电材料以用于沉积介电材料于基板上的沉积设备。所述设备包括用于沉积材料于基板上的真空腔室、提供于腔室内的基板支撑件和沉积装置。所述沉积装置包括：蒸汽分配喷头；保持器，所述保持器用于提供介电材料于蒸汽分配喷头中，其中所述保持器具有进给单元，用于进给介电材料至蒸汽分配喷头；能源，所述能源配置成用于熔化及蒸发蒸汽分配喷头中的介电材料或使蒸汽分配喷头中的介电材料升华，其中所述蒸汽分配喷头具有一或更多出口，用于将蒸发的介电材料导向基板，及特别地，其中所述能源发射电子或光子，其中所述电子或光子熔化及蒸发介电材料或使介电材料升华。所述装置进一步包括等离子体源，所述等离子体源配置成用于在蒸汽分配喷头与基板之间提供等离子体。