Synthesis of Lithium Phosphorus Oxynitride (LiPON) Thin Films by Li3PO4 Anodic Evaporation in Nitrogen Plasma of a Low-Pressure Arc Discharge

Abstract

Thin amorphous films of LiPON solid electrolyte were prepared by anodic evaporation of lithium orthophosphate Li3PO4 in an arc discharge with a self-heating hollow cathode at a nitrogen pressure of 1 Pa. Distribution of the arc current between two electrodes having an anode potential provided independent control of the evaporation rate of Li3PO4 and the density of nitrogen plasma. Stabilization of the evaporation rate was achieved using a crucible with multi-aperture cover having floating potential. The existence of a threshold value of discharge current (40 A) has been established, which, upon reaching ionic conductivity over 10−8 S/cm, appears in the films. Probe diagnostics of discharge plasma were carried out. It has been shown that heating the films during deposition by plasma radiation to a temperature of 200 °C is not an impediment to achieving high ionic conductivity of the films. Dense uniform films of LiPON thickness 1 mm with ionic conductivity up to 1 × 10−6 S/cm at a deposition rate of 4 nm/min are obtained.

Высокоскоростной синтез тонких пленок LiPON термическим испарением Li3PO4 в азотной плазме

“…Электродная система устройства для осаждения тонких пленок LiPON испарением Li3PO4 в плазме дуги низкого давления (N2, 1 Па) подробно описана [7]. Система содержит самонакаливаемый полый катод 1 из TiN, через который прокачивался N2 (90 sccm), водоохлаждаемый анод 2, помещенный внутрь цилиндрического экранирующего электрода 3, через полость которого в разрядный промежуток подавался N2 (100-150 см 3 /мин), и графитовый тигель 4 (Рис.1).…”

“…Расстояние между тиглем и держателем образов 5 составляло ~100 мм. Основное отличие описываемого устройства [7] заключается в том, что для нагрева тигля до температуры испарения Li3PO4 используется вспомогательный разряд между прямонакальным термоэмиссионным катодом 5 и тиглем 1, локализованный в объеме, ограниченном экраном 7. Нагрев тигля в основном разряде приводил к диссоциации и ионизации молекул Li3PO4 вследствие интенсивного взаимодействия паров с быстрыми электронами вблизи поверхности расплава.…”

“…Другой недостаток этого метода заключался в нестабильности процесса испарения Li3PO4 из-за взаимосвязи между параметрами плазмы, составом парогазовой среды и мощностью нагрева тигля. Меры по разделению потока паров и потока электронов с помощью неэквипотенциального тигля оказались недостаточными [7]. Для увеличения концентрации атомарного азота в плазме используется геометрическое сжатие столба дуги в прианодной области, через которую в разрядный промежуток подается N2.…”

“…Анодным испарением Li3PO4 в азотной плазме дуги низкого давления были получены пленки LiPON с ионной проводимостью до 1·10 -6 (Ом·cм) -1 при скорости осаждения до 4 нм/мин [7]. В отличие от слаботочного метода магнетронного распыления в процессе анодного испарения имеет место интенсивное взаимодействие пара и плотного потока электронов, нагревающих тигель, вблизи поверхности расплава.…”

Diagnostics of a low-pressure arc plasma (N2, 0.1–1 Pa) in the mode of aluminum anodic evaporation

“…To obtain binary coatings by reactive evaporation, arcs with a self-heating hollow cathode (SHC) are used, which are able to function stably for a long time under conditions of pumping an inert gas (or N2) through the cathode cavity and supplying the reaction gas to the discharge gap [2], both in continuous and pulse-periodic (10-1000 Hz, 10-100 ms) modes [3]. Oxide [4], nitride [5], and composite [6] coatings are obtained by reaction anode evaporation in a discharge with SHC at a rate of more than 1 μm/h.…”