專利名稱：SiO_x:Si復(fù)合物及其制造方法
SiOx:Si復(fù)合物及其制造方法發(fā)明領(lǐng)域 本發(fā)明涉及由材料復(fù)合物制成的制品，其中材料復(fù)合物以電絕緣氧化硅 材料為主要成分、結(jié)合少量使整個物質(zhì)導(dǎo)電的材料。
背景技術(shù)：
這種材料復(fù)合物的一種重要的商業(yè)應(yīng)用是薄膜技術(shù)。很多建筑、汽車、 集成電路、平板顯示器以及光學(xué)裝置均需要硅氧化物SiOx,例如二氧化硅 (Si02)薄膜。生產(chǎn)這種薄膜的基本方法之一是物理汽相沉積法，已知如射頻(RF)濺 射。該方法采用非導(dǎo)電的二氧化硅材料作為產(chǎn)生二氧化硅薄膜涂層的源材料。 高頻交流電壓，典型地為13.65MHz的高頻交流電壓，電容性地應(yīng)用于該靶 材。在一個相位上，該等離子體的氣體離子向靶材加速，在該氣體離子的轟 擊下，導(dǎo)致該靶材表面的材料脫離。在另一相位上，靶材表面上的電荷被中 和，致使周期性相位期間不會發(fā)生濺射。雖然該方法產(chǎn)生了合適的二氧化硅 薄膜涂層，但其具有各種局限性，例如需要使用昂貴復(fù)雜的高頻電源，形成Si02薄膜涂層的沉積率低，該方法能夠產(chǎn)生的Si02涂層的均勻性也有其固有限制。直流(DC)，包括脈沖直流，或中低頻交流濺射方法，沒有這些局限性。 然而，直流和交流方法要求將硅作為Si02涂層的源材料。采用硅作為沉積源 材料，必須通過摻雜適當(dāng)?shù)膿诫s物例如硼或者通過加入少量鋁或其他適合的 金屬，使其具有足夠的導(dǎo)電性能。同時采用這種硅靶材通過直流或交流濺射產(chǎn)生Si02薄膜還需要在濺射過程中引入大量的氧。該合成過程通常被稱為反應(yīng)濺射。濺射期間氧與硅反應(yīng)產(chǎn)生Si02。產(chǎn)生Si02膜通常要求真空室中02 氣壓為總氣壓的30-50%。與采用相同真空容器沉積形成其他濺射薄膜的要求相比，在需氧量方面，這一點(diǎn)會導(dǎo)致明顯的方法失配。真空室中明顯存在的 02通過與濺射材料撞擊進(jìn)一步導(dǎo)致沉積速度陣低。此外，由于反應(yīng)沉積所具有的特性，導(dǎo)致通過硅或Si:Al靶材直流和交流濺射制成的Si02膜一般缺乏 足夠的密度和透明度來滿足許多半導(dǎo)體、平板或光電應(yīng)用的需要。通過這種 反應(yīng)過程得到的Si02膜復(fù)合物與非導(dǎo)體Si02耙材通過射頻濺射產(chǎn)生的Si〇2 膜復(fù)合物相比，光學(xué)、機(jī)械以及化學(xué)穩(wěn)定性較差。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于采用SiOx基材料復(fù)合物制造制品，該SiOx基材料復(fù) 合物包含充足的硅以使該復(fù)合物導(dǎo)電。本發(fā)明的SiOx:Si材料復(fù)合物適合要 求導(dǎo)電SiOx基材料的任何應(yīng)用。一種此類應(yīng)用是作為耙材用于直流或交流濺 射處理以產(chǎn)生高質(zhì)量SiOx薄膜涂層，沉積過程中只需加入少量02，這是由 于耙材中SiOx作為容器中氧的來源，減少了反應(yīng)濺射直流或交流處理中通常 需饋入容器中的氧氣的量。這使得用于產(chǎn)生SiOx涂層的直流和交流濺射的生 產(chǎn)效率與低效但高成本的射頻濺射方法的生產(chǎn)效率相同。本發(fā)明的SiOx:Si材料由電絕緣SiOx和大量摻雜并與SiOx結(jié)合的硅的組 成材料構(gòu)成，這些材料物理結(jié)合以使SiOx基材料復(fù)合物導(dǎo)電。在一些實施例 中，可以附加數(shù)量上少于Si成分的一種或多種金屬。這些材料復(fù)合物，雖然 初始由絕緣二氧化硅構(gòu)成，但呈現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性能，并保持了許多二氧化 硅其他固有的材料性能。這些材料可制成固體塊形式，例如盤、桿或管。另 外，這些塊材料可減小至粉末形式，這些粉末保留塊材料的導(dǎo)電性能，可單 獨(dú)使用；或者與其他材料一起以制造各種制品的形式使用。因此，本發(fā)明的目的在于采用復(fù)合SiOx:Si材料制造制品，雖然該SiOx:Si 材料初始由絕緣SiOx材料組成，但由于Si材料的存在而具有良好的導(dǎo)電性。 該材料可用于許多需要SiOx的光、熱、機(jī)械或化學(xué)性能同時又要求具有導(dǎo)電 性的場合。該材料的電性能可根據(jù)導(dǎo)電摻雜Si、 SiOx以及一些實施例中少量 的各種金屬成分的比例來進(jìn)行調(diào)整。


為便于理解本發(fā)明的特征及優(yōu)點(diǎn)，以下結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明 進(jìn)行詳細(xì)描述，其中圖i是Si:SiOx材料制成的制品的示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明涉及復(fù)合硅氧化物硅(SiOx:Si)材料制成制品的方法，通過原 材料的選擇以及將這些原材料結(jié)合制成復(fù)合物的方法使得這些復(fù)合SiOx:Si 材料具有導(dǎo)電性。根據(jù)本發(fā)明的基本原理，該方法開始于SiOx粉末，該粉末自身基本電絕 緣，但以防止Si被實質(zhì)氧化的方式結(jié)合導(dǎo)電的Si。在將Si結(jié)合至SiOx材料 時，使得整個復(fù)合材料導(dǎo)電并保持SiOx和Si材料各自的特性。Si形成穿過Si:SiOx材料塊的三維網(wǎng)或者柵格，建立導(dǎo)電路徑。因此， 這些相互連接的硅顆粒在絕緣SiOx顆粒存在的情況下作為導(dǎo)電晶格存在，這 些SiOx顆粒結(jié)合Si顆粒，使得整個材料導(dǎo)電，但仍保持SiOx材料所需的光 學(xué)特性。本發(fā)明設(shè)想一種方法以SiOx (例如Si02)和導(dǎo)電Si粉末的混合開始。 該混合粉末被壓實并熔化形成具有類似硅氧化物的性能但電阻率低的制品， 這種制品在許多應(yīng)用領(lǐng)域被稱為導(dǎo)電玻璃制品。例如，這種材料的一種特殊 用途是作為濺射靶材，適用于直流或交流薄膜濺射過程。根據(jù)本發(fā)明該第一當(dāng)前較佳實施例，粉末混合的導(dǎo)電硅成分通過將摻雜 硅晶體壓碎并碾磨成粉末(例如硼P型摻雜硅)得到。如本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員所知，在產(chǎn)生單晶硅和多晶硅之前，先在熔化的硅中加入適合的n或p 摻雜劑，即可實現(xiàn)硅材料摻雜。摻雜劑原子的濃度及均勻性決定硅所特有的 電性能。本發(fā)明設(shè)想可采用各種方法將硅氧化物和導(dǎo)電硅的顆粒混合，且顆粒的 尺寸和硅氧化物與摻雜硅顆粒的比例可變，以改變最終產(chǎn)品的導(dǎo)電性能和電 阻率。在第一當(dāng)前較佳實施例中，基礎(chǔ)硅氧化物粉末的重量百分比大于50%，導(dǎo)電硅粉末的重量百分比大于10%，硅氧化物優(yōu)選為構(gòu)成粉末混合物的主要 成分。根據(jù)一當(dāng)前較佳方法，釆用氧化鋯球作為研磨介質(zhì)，在坩堝中將上述粉末混合在一起，直到混合粉末的粒度小于5jLim。 一旦將粉末充分混合，則 優(yōu)選將其放置于金屬密封容器中并在真空條件下加熱，以去除殘留的濕氣。 加熱去濕之后，優(yōu)選將密封容器密封并放置于熱等靜壓室中，加熱至足夠高 的溫度和壓力以使硅氧化物和摻雜硅顆粒致密并熔化。為達(dá)到此目的，該密 封容器優(yōu)選能夠承受熱等靜壓環(huán)境的熱度及壓力，但在該熱度和壓力下可塑 性流動，以壓實該容器中所含粉末材料并使其致密。 一旦密度增加，則將該 硅氧化物-摻雜硅材料的最終熔化、致密制品從容器中移除。最終得到的復(fù)合 物優(yōu)選壓實至理論密度的至少90%，優(yōu)選整個理論密度的至少95%，更優(yōu)選 大于整個理論密度的99%。根據(jù)優(yōu)選的方法，粉末承受1200-1450°C溫度下 的熱等靜壓(HIP)以及大于20kpsi的壓力。更特別地是，該方法包括在真 空環(huán)境下熱等靜壓加熱至1000QC，然后逐漸采用大于20kpsi的壓力而將溫度 增加至1200-1350。C。根據(jù)本發(fā)明的另一個特點(diǎn)，最終得到的燒結(jié)、熔融顆 粒的電阻率值小于200Q'cm。優(yōu)選該制品或靶材的電阻率低于150&cm，更 優(yōu)選低于2(K^cm，進(jìn)一步優(yōu)選為lOQ.cm或低于10Q，cm。因此，本發(fā)明預(yù) 期的電阻率的范圍為大約10Q*cm或小于約200Q*cm的范圍。該材料可通過再次研磨由上述方法獲得的熔結(jié)SiOx:Si材料而制備，之 后，可通過各種方法，例如在硅不會被氧化的保護(hù)氣氛下壓實并燒結(jié)，形成 制品。作為選擇，該SiOx:Si材料可通過以下方法以特定形式直接形成在 保護(hù)性的無氧化的氣氛一如氬氣下用熔化的導(dǎo)電硅涂覆SiOx顆粒，使得硅充 分包裹SiOx顆粒，同時防止熔化的硅在該過程中被氧化。所得到的復(fù)合顆粒 可與其他這種顆?；旌虾?或與大量未涂覆的硅氧化物顆?；旌?，隨后燒結(jié)形 成制品。該導(dǎo)電復(fù)合顆粒的量為獲得所需導(dǎo)電性能所需的量。例如，本發(fā)明 預(yù)期有足夠的復(fù)合顆粒以提供穿過該燒結(jié)材料塊的導(dǎo)電路徑。一旦將該制品制備好，其可應(yīng)用于大量不同的領(lǐng)域，例如作為直流或低 中頻交流濺射過程中用于產(chǎn)生硅氧化物涂層的靶材。本發(fā)明設(shè)想可采用各種制造方法制備該材料，均能產(chǎn)生同樣的上述優(yōu)良特征和性能。這些可選方法使用時可配合或者不配合熱等靜壓。這些附加方法包括采用真空等離子噴霧在惰性氣體環(huán)境下將硅材料噴于SiOx材料上，避免Si氧化；將該材料真空鑄造("熔鑄")以在SiOx顆粒存在的狀況下連接 混合物中的硅顆粒，產(chǎn)生導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；在惰性氣體環(huán)境中將所述材料真空 熱壓；以及惰性氣體微波熔化及凝固。本發(fā)明同時設(shè)想可采用各種后處理方法，在SiOx存在的狀況下使Si導(dǎo) 電。這種情況下，僅硅為粉末形式，或者以重新研磨的粉末形式與SiOx混合 為一體，初始狀態(tài)下硅是絕緣的。 一種可選的用于使硅導(dǎo)電的方法是在非氧 化環(huán)境下采用氣體例如胂、三氫化砷混合物進(jìn)行熱氣擴(kuò)散。另一方法是摻雜 物例如硼的離子注入。還可預(yù)期在重新研磨的絕緣Si:SiOx粉末中，以粉末 形式加入摻雜物例如砷、鎵或磷，隨后在非氧化環(huán)境下燒結(jié)。還有另一種初 始絕緣硅后處理摻雜的方法是將金屬粉末例如鋁、鎂、錫、銦、錳、鋅、鉍、 鎘、硒和/或鎵與重新研磨的非導(dǎo)體Si:SiOx粉末混合，隨后在非氧化環(huán)境下燒結(jié)。本發(fā)明還設(shè)想可在Si:SiOx中加入附加金屬，以控制最終的性能。例如， 為了提高密度，可加入鋁、鎂、錫、銦、鋅、鉍、鍶、鎘、硒和/或鎵。為了 提高延展性，可加入鋁、鎂、錫、銦、鋅、鎵、硒和/或鎘。為了改變Si:SiOx 材料的折射率，可加入鋁和/或鍶。為了提高韌性，可加入鋁、鎂和/或硒。 每種情況下，Si:SiOx基材料本身是導(dǎo)電的。很明顯，根據(jù)以上描述可以對本發(fā)明做各種改變和修改。因此，可以理 解，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以采用其他方式實施，而不限于上 述說明書中所描述。本發(fā)明由權(quán)利要求界定。
權(quán)利要求
1、一種制品，包括硅氧化物和導(dǎo)電硅彼此結(jié)合而成的組合物。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制品，其特征在于，所述硅氧化物包括Si02。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于，所述硅氧化物在所述組合 物中的重量百分比為至少50%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制品，其特征在于，所述硅氧化物顆粒在所述 組合物中的重量百分比為不超過80%。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制品，其特征在于，所述制品的電阻率為200Q cm或小于200Q*cm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制品，其特征在于，所述制品的電阻率為20n .cm或小于20Q'cm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制品，其特征在于，所述制品的電阻率為10Q 'cm或小于10Q.cm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制品，其特征在于，所述組合物被壓實至整個 理論密度的至少70%。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制品，其特征在于，所述組合物被壓實至整個 理論密度的至少90%。
10、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制品，其特征在于，除伴隨的雜質(zhì)之外，所述組合物本質(zhì)上沒有任何其他材料。
11、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制品，其特征在于，所述組合物包括選自鋁、 鎂、錫、銦、錳、鋅、鉍、鍶、鎘、硒和鎵中的至少一種金屬附加材料。
12、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制品，其特征在于，所述組合物被壓實并燒 結(jié)至密度為整個理論密度的至少90%，電阻率為200Q*cm或小于200Q*cm。
13、 一種制品，包括硅氧化物、硅和使所述硅導(dǎo)電的摻雜物的組合物。
14、 一種制造制品的方法，包括以產(chǎn)生電阻率為200Q*cm或小于200Q .cm的復(fù)合材料的方式，制備導(dǎo)電硅的相互連接的顆粒，該顆粒結(jié)合加入導(dǎo) 電硅顆粒中的硅氧化物顆粒。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，包括將所述復(fù)合材料壓 實至整個理論密度的至少90%。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，包括提供初始為粉末形 式的硅以及初始為粉末形式的SiOx。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，包括使硅和SiOx粉末 的尺寸定為小于約5(im。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，包括提供相對含量的硅 和SiOx顆粒的初始混合物，使得SiOx粉末在所述混合物中的重量百分比為 至少50%。
19、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，包括提供相對含量的硅 和SiOx顆粒的初始混合物，使得SiOx粉末在所述混合物中的重量百分比為 至少50%但不超過80%。
20、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的制品，其特征在于，包括加入選自鋁、鎂、 錫、銦、錳、鋅、鉍、鍶、鎘、硒和鎵中的至少一種金屬附加材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制品，由硅氧化物和導(dǎo)電的摻雜的硅材料制成，兩者在保護(hù)性的環(huán)境中結(jié)合以形成SiO_X:Si材料的復(fù)合物，該復(fù)合物呈現(xiàn)出SiO_X的特性，還由于Si的存在而具導(dǎo)電性。由這種復(fù)合材料制成的制品有很多用途，例如作為直流或交流濺射過程中用于生產(chǎn)硅氧化物薄膜的靶材，用于觸摸屏，LCD顯示屏的格柵薄膜和用在很多領(lǐng)域的光學(xué)薄膜。
文檔編號C23C14/14GK101278068SQ200680036012
公開日2008年10月1日 申請日期2006年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日
發(fā)明者利·Q·周, 戴維·E·史蒂文森 申請人:溫特克光電公司