KR20080044267A - ＳｉＯｘ:Ｓｉ 복합재 조성물 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

실리콘 산화물 및 전기 도전성 도핑된 실리콘 재료는 SiO_X의 특성을 나타내지만 Si의 존재로 인해 전기 도전성을 갖는 SiO_X:Si 복합재를 산출하도록 보호성 환경에서 소결된다. 이러한 복합재는 터치 스크린 애플리케이션용 실리콘 산화물 박막, LCD 디스플레이내의 배리어 박막 및 광범위한 애플리케이션에 사용되는 광학 박막을 생성하기 위해 DC 및/또는 AC 스퍼터링 프로세스용 타겟과 같이 많은 곳에 사용될 수 있다.

SiOx:Si 기재 복합재, SiOx, 도전성, 비산화 분위기, 소결, 저항

Description

ＳｉＯｘ:Ｓｉ 복합재 조성물 및 그 제조 방법{SiOx: Si COMPOSITE MATERIAL COMPOSITIONS AND METHODS OF MAKING SAME}

본 발명은 전체 조성물을 전기 도전하도록 하는 재료의 프랙션과 조합된, 주로 비도전성 실리콘 산화물로 구성된 재료 조성물에 관한 것이다.

관련 기술

이러한 재료 조성물에 대한 한가지 중요한 상업적 적용은 박막 기술이다. 많은 구조적, 자동, 집적 회로, 평면 디스플레이 및 광학 디바이스는 SiO₂와 같은 실리콘 산화물(SiO_X)의 박막을 필요로 한다.

이러한 박막을 생성하기 위한 주요 방법중 하나는 무선 주파수 스퍼터링으로 알려진 물리적 증착 공정이다. 이러한 방법은 이산화규소 박막 코팅의 생성을 위한 소스 재료로서 비도전성 이산화규소 재료를 사용한다. 보통 13.56MHz의 고주파수 ac-전압이 타겟에 용량적으로 인가된다. 하나의 상태에서, 플라즈마의 가스 이온은 타겟쪽으로 가속화되고 이 타겟의 표면에서의 재료가 가스 이온과의 충돌의 결과로서 분리되도록 한다. 다른 상태에서, 타겟 표면상의 전하는 아무런 스퍼터링이 이러한 주기적 페이즈 동안 일어나지 않는 결과로서 중성화된다. 이러한 방 법이 적합한 이산화규소 박막 코팅을 생성하지만, 이산화규소 박막 코팅의 형성을 위한 낮은 데포지션 레이트, 고가이고 복잡한 고주파수 전원의 사용을 필요로 하는 제한성 및, 이러한 방법으로 생성될 수 있는 이산화규소 코팅의 불균일성의 고db 제한성을 가지고 있다.

직류(DC), 펄싱된 DC 또는 중간 내지 낮은 주파수 교류(AC) 스퍼터링 프로세스는 이러한 제한성을 가지고 있지 않다. 그러나, DC 및 AC 프로세스는 이산화규소 코팅에 대한 소스 재료로서 실리콘을 사용하는 것이 필요하다. 데포지션 소스 재료로서 실리콘을 사용하기 위해서는, 실리콘이 붕소, 비소와 같은 적합한 도판트로써 도핑하거나 소량의 알루미늄 또는 다른 적합한 금속의 추가함으로써 충분히 도전성이 되어야 한다. DC 또는 AC 스퍼터링을 통해 이산화규소 박막을 생성하기 위해 이러한 실리콘 타겟을 사용하는 것은 또한 다량의 산호가 스퍼터링 프로세스에 도입되는 것을 필요로 한다. 최종 프로세스는 반응 스퍼터링으로서 불린다. 산th는 이산화규소를 산출하기 위해 스퍼터링 프로세스 동안 실리콘과 반응한다. 이산화규소 막을 생성하는 것은 보통 산소 가스 압력이 진공실내의 전체 가스압의 30-50%가 될 것을 필요로 한다. 이것은 동일한 진공 용기를 사용하여 배치될 수 있는 다른 스퍼터링된 박막에 필요한 산소와 비교하여 산소 요구량에 있어서 상당한 프로세스 미스매치를 유발할 수 있다. 또한 진공실내의 상당한 산소의 존재는 실리콘과의 충돌을 통해 데포지션 속도를 감소시킨다. 또한, 실리콘 또는 Si:Al 타겟으로부터 DC 또는 AC 스퍼터링에 의해 제조된 이산화규소 박막은 일반적으로 반응성 데포지션의 특징의 결과로서 충분히 조밀하고 결정화되지 않아서 많은 반도 체, 평면 및 광전자 애플리케이션에 적합하다. 이러한 반응성 프로세스에 의해 생성된 이산화규소 조합물은 보통 비도전성 이산화규소 타겟의 RF 스퍼터링에 의해 생성된 것과 비교하여 덜 유용한 광학, 기계적 그리고 화학적 내구성 특성을 나타낸다.

본 발명의 목적은 실리콘 산화물 기재 재료 조성물 (보통 SiO_X 형태를 가지고 있다)이 전기 도전성을 갖도록 충분한 양의 실리콘을 포함하는 실리콘 산화물 기재 재료 조성물을 제조하는 것이다. 본 발명의 SiO_X:Si 재료 조성물은 전기 도전성 SiO_X 기재 재료를 청구하는 임의의 응용에 적합하다. 이러한 용도의 하나는 데포지션 프로세스 동안 적은 양의 O₂가 추가된 고품질의 SiO_X 박막 코팅을 제조하기 위해 (DC펄싱을 포함하는) DC 또는 AC 스퍼터링 프로세스에서 사용하기 위한 타겟 재료로서 사용되는 것이다. 그 이유는 상기 타겟 재료에 SiO_X의 존재는 용기내의 산소의 소스로서의 기능을 갖고 그래서 반응성 스퍼터링 DC 또는 AC 프로세스 동안 보통 상기 용기내에 공급될 필요가 있는 산소 기체의 양을 감소시키게 되기 때문이다. 이로 인해 DC 및 AC 스퍼터링의 생산율이 보다 작은 생산율 및 보다 비싼 RF 스퍼터링 방법에 의해 생성되는 것과 동등할 수 있는 특성을 갖는 SiO_X 코팅을 생성하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 SiO_X:Si 재료는 전체 SiO_X 기재 조성물을 전기 도전성을 갖도록 하기 위해 상기 재료를 물리적으로 결합시키는 방식으로 도핑되어 SiO_X와 조합된 일정 양의 Si와 비도전성 SiO_X의 구성 재료로 구성되어 있다. 일부 실시예에서, Si 구성요소의 양보다 적은 양으로 하나 이상의 금속을 추가할 수 있다. 이러한 재료 조성물은 절연 이산화규소로 주로 구성되었지만 실리콘 산화물의 많은 다른 진성 재료 특성을 유지하면서 양호한 전기 도전성을 나타낸다. 이러한 재료는 플레이트, 로드(rod) 및 튜브와 같은 고체 벌크 형태로 제조될 수 있다. 또한, 이러한 벌크 재료는 다양한 아티클의 제조의 형성에서 다른 재료와 또는 단독으로 사용되기 위해 벌크 재료의 도전성 특성을 나타내는 파우더 형태로 감소(또는 재연마)될 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 목적은 절연 SiO_X 재료로 주로 구성되어 있지만 Si 재료의 존재로 인해 양호한 전기 도전성을 갖는 SiO_X:Si 조성물 재료를 생성하는 것이다. 이러한 재료는 SiO_X의 광학, 열, 기계적 또는 화학적 특성을 필요로 하지만 전기 도전성 역시 필요한 많은 분야에 적용될 수 있다. 이러한 재료의 전자 특성은 전기 도전성 도핑된 Si, SiO_X의 구성비에 기초하여 조정될 수 있고 일부 실시예에서는 작은 부분의 다양한 금속에 기초하여 조정될 수 있다.

다른 특징에 따라, 이러한 도전성 Si:SiO_X 재료의 입자는 전기 도전성 또는 다른 유용한 특성을 제공하거나 강화시키기 위해 다른 재료에 혼합되거나 추가될 수 있다.

본 발명의 여러 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조할 때 보다 용이하게 이해될 것이다.

도 1은 Si:SiO_X 재료로 제조된 아티클의 개략도,

도 2는 상기 재료의 추가 상세를 도시하는 개략도, 및

도 3은 상기 재료의 입자 형태의 버전을 도시한 도면.

바람직한 실시예의 상세한 설명

본 발명은 스타팅 재료의 선택 및 이들 스타팅 재료가 조성물을 형성하기 위해 조합되는 프로세스에 의해 도전성으로 만들어지는 산화규소:규소(SiO_X:Si) 재료 조성물의 형성에 관한 것이다.

본 발명의 기본 원리에 따라, 상기 프로세스는 실질상 비도전성인 산화규소, SiO_X 파우더(예를 들어, 이산화규소 파우더)에 의해 시작한다. SiO_X 파우더는 상기 프로세스 동안 실질상 산화에 대해 Si를 보호하고 전체 조성물은 SiO_X 및 Si 재료의 각각의 특징을 보존하면서 도전성이 되도록 하는 방식으로 전기 도전성 Si 재료와 결합된다.

본 발명에 의해 고려되는 한 접근법은 도전성 Si 파우더 및 이산화규소의 블렌드에 의해 시작된다. 이 블렌딩된 파우더는 실리콘 산화물과 유사한 성질을 갖지만 낮은 저항을 갖는 아티클을 형성하기 위해 조밀화되고 소결되어서, 많은 응용 분야에서 사용된다. 예를 들어, 이러한 재료를 위한 한가지 특정 사용은 DC 또는 AC 박막 스퍼터링 프로세스에서 사용하기 적합한 스퍼터링 타겟으로서 사용되는 것이다.

본 발명의 이러한 제1 바람직한 실시예에 따라, 파우더 블렌드의 도전성 실리콘 컴포넌트는 분쇄된 후에 (붕소 p형 도핑 실리콘과 같은) 도핑된 실리콘을 파우더로 연마함으로써 준비된다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 실리콘 재료의 도핑은 실리콘의 비정질 단상 또는 다상 정질을 성장시키거나 성형하기 전에 적합한 n 또는 p 도판트를 용융된 실리콘에 첨가함으로써 달성될 수 있다. 이러한 도판트 전자의 농도 및 불균일성은 실리콘의 특정 전기 특성을 결정한다.

다양한 접근법이 도전성 실리콘 및 실리콘 산화물의 입자를 블렌딩하도록 채용될 수 있고 최종 생산물의 전기 도전성 특성 또는 저항을 변경하기 위해, 도핑된 실리콘 입자에 대한 실리콘 산화물의 비 및 입자의 크기에서 변화가 있을 수 있다. 제1 바람직한 실시예에서, 베이스 실리콘 산화물 파우더의 조성물은 무게에서 50% 보다 크고 도전성 실리콘 파우더의 조성물은 무게에서 10%보다 크고 실리콘 산화물은 파우더 블렌드의 대부분을 구성하는 것이 바람직하다. 바람직한 프로세스에 따라, 파우더는 블렌딩된 파우더의 평균 입자 크기가 5㎛ 미만으로 감소될 때까지 밀링 미디어와 같은 지르코니아 볼을 사용하여 포트내에 함께 블렌딩될 수 있다. 일단 파우더가 충분히 블렌딩되었다면, 금속 함유 유닛내에 놓인 후에 진공 상태하에서 가열되어 잔류 습기를 제거하는 것이 바람직하다. 습기를 제거하기 위해 가열한 후에, 용기 유닛은 비워지고 실링된 후에 열간 등방가압 챔버내에 놓인 후에 실 리콘 산화물 및 도핑된 실리콘 입자를 밀집화하고 소결하기에 충분한 온도 및 압력으로 가열된다. 이러한 목적을 위해, 컨테이너는 열간 등방 가압 성형(hot isostatic press) 환경의 압력 및 열을 견딜 수 있으면서 상기 압력 및 열에서 유연하게 흘러 상기 컨테이너내의 파우더 재료를 강화하고 밀집화하는 것이 바람직하다. 일단 밀집화되면, 실리콘 산화물 도핑된 실리콘 재료의 최종 아티클은 컨테이너로부터 제거된다. 최종 조성물은 적어도 이론적인 밀도의 90%로, 바람직하게는 적어도 완전 이론적인 밀도의 95% 및 보다 더 바람직하게는 완전 이론 밀도의 99%보다 크게 밀집화되는 것이 바람직하다. 바람직한 프로세스에 따라, 파우더는 20 kpsi를 초과하는 압력하에서 그리고 1200 내지 1450℃ 사이의 온도에서 열간 등방 압력(HIP)을 받는다. 보다 구체적으로, 바람직한 프로세스는 진공 상태하에서 1000℃로의 열간 등방 가압 성형 가열후에, 1200 내지 1350℃ 사이로 온도를 증가시키면서 20kpsi보다 크게 압력을 점진적으로 인가하는 단계를 포함한다. 본 발명의 다른 특징에 따라, 최종 소결된 아티클(10)은 200Ωㆍcm보다 작은 저항 값을 갖는다. 이 아티클 또는 타겟은 150Ωㆍcm 미만의 저항을 보다 바람직하게는 20Ωㆍcm 미만의 저항을 그리고 보다 바람직하게는 10Ωㆍcm 이하의 저항을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명에 의해 고려되는 저항의 범위는 약 10Ωㆍcm 이하 내지 약 200Ωㆍcm 의 범위내에 있다.

도 1은 본 발명의 재료로 제조된 아티클(10)을 대략적으로 도시하고 있다.

도 2는 비도전성 실리콘 산화물이 전기 도전성 실리콘의 웹내에 존재하는 재료 구조의 상세부를 대략적으로 도시하고 있다. 도전성 실리콘은 전체 재료를 도 전성으로 만드는 도전성 웹으로서 기능한다.

도 3은 입자 형태의 재료의 버전을 도시한다. 이러한 재료는 상술된 프로세스로부터 산출된 소결된 SiO_X:Si 재료를 재연마함으로써 준비될 수 있거나, 상기 프로세스내의 용융된 Si를 산화되지 않도록 하면서, Si가 SiO_X 입자로써 적어도 부분적으로 코팅하고 연합하도록 하기 위해 아르곤과 같은 보호성 비산화 분위기에서 용융된 전기 도전성 Si로써 SiO_X 입자가 코팅되는 프로세스에 의해 직접 입자 형태로 형성될 수 있다. 최종 조성물 입자는 다른 그러한 입자와 혼합될 수 있고 및/또는 일정 양의 코팅되지 않은 실리콘 산화물 입자와 블렌딩되고 이후에 소결되어 아티클을 형성할 수 있다. 도전성 조성물 입자의 양은 요구되는 전기 도전성 특성을 달성하는데 필요한 양일 것이다. 예를 들어, 본 발명은 소결된 재료의 벌크를 통해 도전성 경로를 제공하기 위해 충분한 조성물 입자가 존재한다는 것을 고려하고 있다.

일단 아티클이 준비되면, 실리콘 산화물 코팅을 생성하기 위한 직류(DC) 또는 저주파수 내지 중간 주파수 교류(AC) 스퍼터링 프로세스에서의 타겟과 같은 다수의 상이한 애플리케이션에서 사용될 수 있다.

본 발명은 다양한 제조 방법이 상술된 동일한 요구가능한 특성 및 특징을 산출하는 재료를 준비하도록 사용될 수 있다는 것을 고려하고 있다. 이러한 대안의 방법은 열간 등방가압 성형과 함께 또는 고온가압성형 없이 사용될 수 있다. 이러한 추가 프로세스는 Si의 산화를 배제하기 위해 불활성 가스 분위기내의 SiO_X 재료 상으로의 진공 플라즈마 스프레잉; 도전성 네트워크를 산출하기 위해 SiO_X 그레인의 존재하에서 상기 블렌드의 Si 그레인을 연결하기 위한 상기 재료의 진공 주조("용융 주조"); 불활성 가스 분위기내의 상기 재료의 진공 열간 성형; 및 불활성 가스 마이크로웨이브 용융 및 응고를 포함한다.

본 발명은 또한 이산화규소의 함께 Si를 도전성으로 하기 위한 다양한 후처리 방법을 고려하고 있다. 이러한 경우에, Si는 초기에 비도전성인 상태에서, 파우더 형태로 단독으로 있거나 재연마된 파우더 형태로 SiO_X와 결합된다. 실리콘을 도전성으로 만들기 위한 대안의 방법은 비소, AsH₃ 조성물과 같은 가스를 사용하는 비산소 분위기내의 열 가스 확산에 의한다. 또 다른 방법은 붕소와 같은 도판트에 의한 이온 주입이다. 또한 비소, 갈륨 또는 인과 같은 도판트가 재연마된 비도전성 Si:SiO_X 파우더에 파우더 형태로 추가된 후에 산소가 아닌 분위기에서 소결될 수도 있다. 초기에 비도전성인 Si의 후처리 도핑에 대한 또 다른 방법은 Al, Mg, Sn, In, Mn, Zn, Bi, Cd, Se 및/또는 Ga와 같은 금속 파우더를 재연마된 비도전성 Si:SiO_X 파우더와 혼합하고 비 산소 분위기에서 소결하는 것이다.

본 발명의 많은 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위내에서, 구체적으로 기술된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 청구범위에 의해 정의된다.

Claims (20)

1. SiO_X 기재 복합재에 있어서,

   도전성 Si 재료의 이산 영역과 결합된 SiO_X 재료의 영역을 포함하고, 상기 SiO_X 재료는 상기 SiO_X 기재 복합재의 무게의 약 50% 내지 약 80% 사이의 양만큼 존재하는 것을 특징으로 하는 SiO_X 기재 복합재.
2. 제1항에 있어서, 상기 복합재는 파우더 형태인 것을 특징으로 하는 SiO_X 기재 복합재.
3. 제2항에 있어서, 상기 복합재는 다른 재료와 혼합되는 것을 특징으로 하는 SiO_X 기재 복합재.
4. 제3항에 있어서, 상기 다른 재료는 SiO₂를 포함하는 것을 특징으로 하는 SiO_X 기재 복합재.
5. 제2항에 있어서, 상기 조성물의 SiO_X 입자의 적어도 일부는 실질상 전기 도 전성 Si 재료에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 SiO_X 기재 복합재.
6. 제1항에 있어서, 상기 복합재는 소결되는 것을 특징으로 하는 SiO_X 기재 복합재.
7. 제6항에 있어서, 상기 소결된 복합재는 약 200 Ωㆍcm 이하의 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 SiO_X 기재 복합재.
8. 제6항에 있어서, 상기 소결된 복합재는 약 20 Ωㆍcm 이하의 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 SiO_X 기재 복합재.
9. 제6항에 있어서, 상기 소결된 복합재는 약 10 Ωㆍcm 이하의 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 SiO_X 기재 복합재.
10. 제6항에 있어서, 상기 소결된 복합재는 완전 이론적 밀도의 적어도 90%로 밀집되는 것을 특징으로 하는 SiO_X 기재 복합재.
11. 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법에 있어서,

    SiO_X 파우더를 준비하는 단계; 및

    상기 SiO_X 파우더에 도전성 Si 재료를 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법.
12. 제11항에 있어서, 도전성 Si는 SiO_X 입자로 액체, 기체 또는 반고체 형태중 하나의 형태로 적용되는 것을 특징으로 하는 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 SiO_X 파우더에 상기 Si 재료를 결합시키는 단계는 비산화 환경에서 수행되어 상기 Si를 상기 프로세스의 산화로부터 보호하는 것을 특징으로 하는 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법.
14. 제11항에 있어서, 상기 SiO_X 파우더는 상기 조성물의 무게의 약 50% 내지 약 80% 사이의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법.
15. 제11항에 있어서, 결합 단계 전에, 상기 Si 재료가 먼저 파우더 형태로 준비되고 상기 SiO_X 파워더와 블렌딩되고 그후에 비산화 환경에서 컴팩팅되고 소결되는 것을 특징으로 하는 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 컴팩팅되고 소결된 복합재는 완전 이론적인 밀도의 적어도 90%의 밀도로 형성되는 것을 특징으로 하는 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법.
17. 제11항에 있어서, 상기 복합재는 약 200 Ωㆍcm의 저항으로 형성되는 것을 특징으로 하는 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법.
18. 제11항에 있어서, 상기 복합재는 약 20 Ωㆍcm의 저항으로 형성되는 것을 특징으로 하는 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법.
19. 제11항에 있어서, 상기 복합재는 약 10 Ωㆍcm의 저항으로 형성되는 것을 특징으로 하는 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법.
20. 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법에 있어서,

    SiO_X 파우더를 준비하는 단계; 및

    SiO_X 재료에 Si 재료를 결합시키고 상기 Si 재료를 도핑하여 도전성을 갖도 록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 SiO_X 기재 복합재의 제조 방법.

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