SiO_x:Si合成材料複合物及其製造方法

2023-05-24 02:27:06 1

專利名稱：SiOx:Si合成材料複合物及其製造方法
SiOx:Si合成材料複合物及其製造方法技術領域[OOOl]本發明涉及主要由非導電氧化矽材料組成的材料複合物，該氧化矽與使該整體複合物導電的部份材料結合。
技術背景
這種材料複合物的一種重要的商業應用是薄膜技術。很多建築、汽車、 集成電路、平板顯示器和光學設備需要矽氧化物(SiOx)的薄膜，如Si02。
—種用於製造這種薄膜的主要方法是通過稱為射頻濺射的物理氣象沉 積工藝。這個方法是用非導電的二氧化矽材料作為生成該二氧化矽薄膜塗層 的源材料。高頻ac電壓，通常為13.56MHz電容性地施加到該靶材上。在一 個相位中，等離子的氣體離子向該靶材加速並且導致在該靶材表面的材料由 於該氣體離子轟擊而脫離。在另一個相位中，在靶材表面的電荷被中和，從 而在這個周期性相位期限間沒有濺射發生。儘管這個方法產生了合適的二氧 化矽薄膜塗層，但是其局限性在於要求使用昂貴和複雜的高頻電源，該Si02 薄膜塗層結構的低沉積率以及用這種方法產生的Si02塗層所具有的固有的 均一性受到限制。
直流(DC),脈衝DC或中低頻交流(AC)濺射工藝沒有這樣的限制。 然而，DC和AC工藝要求使用矽作為Si02塗層的源材料。為了利用矽作為 沉積源材料，必須通過摻入合適的摻雜物，如硼、砷，或者通過添加少量的 鋁或其他合適金屬而使其足夠導電。為了採用這種矽靶材通過DC或AC濺 射來產生Si02薄膜，還要求將大量的氧氣引入該濺射工藝中。所得到的工藝 稱為反應性濺射。氧氣在該濺射工藝過程中與矽反應以生成Si02。為了生成Si02膜通常要求02氣體壓力為該真空室中總的氣體壓力的30-50°/。。相比於 可能使用相同的真空容器沉積的其它濺射薄膜的要求，這可能導致在氧氣需求方面明顯的方法失配。在該真空室中存在的大量的02也通過與該矽的碰撞而減緩沉積率。另外，由於反應沉積的特性，由矽或Si: A1耙材通過DC和 AC濺射得到的Si02膜通常缺乏足夠的密度和透明度以使它們適於許多半導 體、平板和光電子應用。由這種反應性工藝製造的SiOj莫的複合物成分與那 些由非導電Si02靶材RF濺射製造的相比，通常表現出較低的可用的光學、
本發明的一個目的是製造氧化矽基材複合物(通式為SiOx)，其包括足 夠數量的矽以使該複合物導電。本發明的該SiOx:Si材料複合物適於任何需 要導電的SiOx基材的應用。基中一種應用是作為用在DC (包括DC脈衝) 或AC濺射工藝中的靶材，以在沉積過程中只需添加少量02製造高質量SiOx 薄膜塗層，因為在該靶材中存在的Si02作為容器中的一個氧氣源，因此減 少通常在反應性濺射DC或AC處理過程中需要輸入該容器的通常的氧氣量。 這使得用來製造SiOx塗層的DC和AC濺射的生產效率和低效和高成本的 RF濺射方法製造塗層的效率相同。
本發明的SiOx: Si材料由非導電的SiOx組分材料和一定量的Si組成， 這些矽以物理結合這些材料的方式與該SiOx摻雜並結合以使整個SiOx基材 複合物導電。在一些實施例中，可以添加一種或多種比該Si組分數量少的金 屬。這些材料組分儘管主要由絕緣的二氧化矽組成，但在其保持很多二氧化 矽固有的材料特性的同時還表現出良好的導電性。這些材料可由固體塊一如 板、棒和管制造。另外，這些塊材可以弄碎(或研磨)成粉末形態，利用這些 粉末保持塊材的導電性，以在各種製成品的形成中單獨或者與其他材料一起 使用。
因此，本發明的一個目標是製造複合SiOx: Si材料，該材料儘管主要 由絕緣SiOx材料組成，但是由於Si材料的存在而具有良好的導電性。該材 料可以用在許多應用中，這些應用需要SiOx的光學、熱、機械或化學屬性， 但是還需要可用的導電性。該材料電氣特性可基於摻雜導電的Si、 Si02以及 在一些實施例中少量各種金屬的組分的比例而得到調整。發明內容
根據進一步的方面，這個導電Si:SiOx材料的微粒可添加到其他材料或與之混合以提供或者增強導電性或其他有用的屬性。


當結合下面的詳細描述和附圖考慮時，本發明的這些和其他特徵以及 優點將變得更容易理解，其中[OOIO]圖1是由Si:SiOx材料組成的物品的示意性說明。 [OOll]圖2是示出該材料進一步特徵的示意性說明；以及
圖3是該材料微粒形態圖。
具體實施方式
本發明指複合的氧化矽:矽(SiOx:Si)材料的形成，通過選擇和處理初 始材料使它們結合形成複合物，從而致使該材料導電。
根據本發明的基本原理，該工藝開始於氧化矽SiOx粉末(例如，Si02 粉末)，其本身基本上是不導電的，但是其與導電的Si以這種方式結合即 保護Si防止大量氧化同時將其與Si02材料結合以使整個複合物導電，同時 分別保留Si02和Si材料的特性。
本發明所設想的一種方法開始於Si02和導電Si粉末的混合。壓實並燒 結該混合的粉末以形成一種屬性類似於氧化矽但是具有低電阻率的製品，並 因此可用在許多應用中。例如，這樣一種材料的一個特別的用途是作為適於 用在DC或AC薄膜濺射工藝中的濺射靶材。
根據本發明的第一當前優選實施例，通過將摻雜的矽(如硼P型摻雜 矽)粉碎然後研磨成粉末來製備該粉末混合物的導電的矽成分。如本領域的 技術人員所公知的，可通過在無定型的單晶或者多晶矽形成或澆鑄之前向熔 融的矽增加合適的n或p摻雜物而可實現矽材料的慘雜。這些摻雜物原子的 濃度和均勻性確定了矽的特殊的電學特性。
本發明可應用多種方法混合二氧化矽和導電矽的微粒，這些微粒的尺 寸和二氧化矽與摻雜的矽微粒的比率可以變化以改變最終產品的導電性或電阻率。在當前第一優選實施例中，基礎二氧化矽粉末成分的重量超過50%， 以及導電矽粉末成分的重量大於10%， 二氧化矽優選地構成粉末混合物的多 數。根據當前優選的方法，這些粉末可在坩堝中混合在一起，使用氧化鋯球 作為研磨介質，直到這些混合粉末的微粒平均尺寸減小到小於5pm。 一旦粉 末充分混合，優選地設在金屬密封容器中中，然後在真空狀態下加熱以消除 殘餘的水分。在加熱驅除水分後，對該密封容器中排氣並密封，然後將其設 在熱等靜壓室內，繼而加熱至足夠的溫度和壓力以使該二氧化矽和摻雜矽微 粒緻密及燒結。為此，該容器優選地能夠經受該熱等靜壓環境的熱量和壓力， 但是在該溫度和壓力下塑性流動，從而鞏固並壓實該容器內的粉末材料。一 旦壓實，將所得到的二氧化矽摻雜矽材料的製品從該容器中移除。所得到的 複合物優選地壓實至理論密度的至少90%，優選地是完全理論密度的至少 95%，更優選地是大於完全理論密度的99%。根據優選的方法，該粉末經受 溫度在1200到145(TC之間以及壓力超過20kpsi的熱等靜壓(fflP)。更特別 地，該優選的方法包括在真空狀態下加熱至IOO(TC的熱等靜壓，然後逐漸使 壓力超過20kpsi同時將溫度增加到1200到135(TC之間。根據本發明進一步 的特徵，所得到的燒結的製品10的電阻率值小於200acm。優選的是，製品 或靶材的電阻小於150n.cm，更優的小於20Q.cm，進一步更優選地是10Q.cm 或者更低。所以，本發明設想的電阻率的範圍是在大約10Q.cm或更小到大 約200n.cm的範圍內。[OOIS]圖1示意性地說明了由該創新性材料組成的製品10。圖2示意性地說 明了該材料的詳細結構，其中非導電氧化矽存在於導電矽網中。該導電矽充 當導電的網，使整個材料導電。
圖3示出該材料的微粒形態。該材料可以通過重新研磨由上述過程得 到的燒結的SiOx:Si材料來準備，或者可通過一種方法直接以微粒形式形成， 該方法中，SiOx微粒在保護性非氧化氣氛如氬氣中塗以熔化的導電Si以使 該Si至少部份塗覆並與SiOx微粒結合，同時在該過程中保護該融化的Si不 被氧化。所得到的複合物微粒可與其他這樣的微粒混合和/或與許多的無塗層 二氧化矽微粒混合，並且之後燒結以形成製品。導電複合物微粒的量是獲得7期望的導電性能所需要的量。例如，本發明可以有充足的複合物微粒以提供 穿過燒結材料塊的導電路徑。
—旦準備好該製品，其可用在許多不同的領域中，例如在直流(DC) 或低中頻交流(AC)濺射工藝中用來形成氧化矽塗層的靶材。
本發明設想可使用多種製造方法來準備該材料，產生相同的上述期望 特性和屬性。這些可選的方法可利用熱等靜壓或不利用熱等靜壓。這些額外 的工藝包括惰性氣氛中Si材料真空等離子噴塗到SiOx材料上以預防Si氧 化；在有SiOx顆粒存在的情況下，真空鑄造("瑢鑄")這些材料以連接該混合物的Si顆粒從而產生導電的網絡；在惰性氣氛中真空熱壓該材料；以及惰性氣體微波融化和凝固。
本發明還可採用多種後處理方法，用於在伴隨有Si02的情況下使該Si 導電。在這種情況下，Si單獨地為粉末狀態或者以重新研磨的粉末狀態與 SiOx結合，Si最初為非導電的。 一個用於使矽導電的可選的方法是通過使用 一種氣體，如胂，AsH3複合物在無氧環境中進行熱氣擴散。另一種方法是 利用如硼的摻雜物進行離子注入。還可將如胂、鎵或磷的摻雜物可以粉末形 態添加到重新研磨的非導電Si:SiOx粉末中，並然後在無氧環境中燒結。還 有另一種方法來後處理初始非導電的Si的摻雜是將如Al、 Mg、 Sn、 In、 Mn、 Zn、 Bi、 Cd、 Se和/或Ga的金屬粉末與重新研磨的非導電的Si:SiOx粉末混 合，並然後在無氧環境中燒結。'
顯然，按照上面的教導，本發明的許多修改和變化是可能的。所以， 可以理解的是在所附權利要求的範圍內，本發明可以不同於具體描述的方式 來實現。本發明由這些權利要求定義。
權利要求
1、一種複合SiOx基材，包括SiOx材料區域與不連續的導電Si材料區域結合，其中該SiOx材料佔該複合物重量的50％到80％之間。
2、 根據權利要求1所述的材料
3、 根據權利要求2所述的材料
4、 根據權利要求3所述的材料
5、 根據權利要求2所述的材料， 份用該導電的Si材料塗覆。
6、 根據權利要求1所述的材料
7、 根據權利要求6所述的材料， Q-cm或更少。
8、 根據權利要求6所述的材料 n-cm或更少。
9、 根據權利要求6所述的材料 Q.cm或更少。
10、 根據權利要求6所述的材料，其中該燒結的複合物被壓實到完全理 論密度的至少90%。
11、 一種製備導電SiOx基的複合材料的方法，包括 準備SiOx粉末；以及將導電Si材料與該SiOx材料結合。
12、 根據權利要求11所述的方法，其中該導電Si以液體、氣體或半固 體形態應用於該SiOx微粒。
13、 根據權利要求11所述的方法，其中將該Si材料與該SiOx材料結合 的步驟在非氧化環境中執行，從而防止Si在該過程中被氧化。
14、 根據權利要求ll所述的方法，其中SiOx粉末的量佔該複合物重量 的50%到80%。，其中該複合材料為粉末形態。，其中該複合材料與另一種材料混合。，其中該另一種材料包括Si02。'其中該複合物的SiOx粉末的至少一部，其中該複合材料被燒結。 其中該燒結的複合材料的電阻率為200，其中該燒結的複合材料的電阻率為20 ，其中該燒結的複合材料的電阻率為10
15、 根據權利要求11所述的方法，其中在結合之前，Si材料先準備為 粉末形態，並於該SiOx粉末混合，之後在非氧化環境中壓實和燒結。
16、 根據權利要求15所述的方法，其中形成的壓實和燒結的複合材料的 密度為完全理論密度的至少90%。
17、 根據權利要求11所述的方法，其中形成的該複合材料的電阻率為 200 Q'cm或更少。
18、根據權利要求11所述的方法，其中形成的該複合材料的電阻率為 20Q，cm或更少。
19、 根據權利要求11所述的方法，其中形成的該複合材料的電阻率為 10acm或更少。
20、 一種製備導電SiOx基複合材料的方法，包括準備SiOx粉末；以及將Si材料與該SiOx材料結合，並且摻雜該Si材料以使其導電。
全文摘要
本發明採用氧化矽材料和導電的摻雜矽材料在保護性環境中燒結以產生複合的SiOx:Si材料，其表現出SiOx的特性，並且其由於存在Si而導電。這樣一種複合材料有許多用途，如用作DC和/或AC濺射工藝中的靶材以產生用於觸控螢幕應用中的氧化矽薄膜，LCD顯示器的阻擋薄膜和用在各種應用中的光學薄膜。
文檔編號C23C14/34GK101405426SQ200680036102
公開日2009年4月8日 申請日期2006年8月11日 優先權日2005年8月11日
發明者利·Q·周, 戴維·E·史蒂文森 申請人:溫特克光電公司