TW201326085A - 導電ＳｉＮｘ陶瓷金屬複合材料、其濺射靶及方法 - Google Patents

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Abstract

一種陶瓷複合材料，包含一聚集體化學組成SiNx、其中x係在大約0.2至大約1.30之間，一Si3N4顆粒分散相，以及一摻雜或本質Si的連續相、其中該Si3N4顆粒分散相嵌入該摻雜的或本質的Si連續相中。一種形成陶瓷複合材料的方法，該方法包括：製備一混合物，該混合物包含x wt.%的α-Si3N4、y wt.%的無摻雜的矽、w wt.%的摻雜的矽、以及z wt.%的硼，其中x＞0、y≧0、z≧0、w≧0並且其中若y＞0則z＞0；並且由該混合物形成一生坯。

Description

導電SiN x 陶瓷金屬複合材料，其濺射靶及方法
陶瓷複合材料係由非導電的氮化矽材料結合使整個物品導電的部分材料製成的。
氮化矽(例如Si3N4)塗層類係利用由惰性氣體Ar與一反應性氣體，例如N2或NH3，的一混合物或後兩種氣體的一混合物的完全反應的過程由(摻雜的)Si靶起始典型地進行濺射沈積的。同樣有可能的是將H2加入到該等氣體混合物中的任意一種中。電電漿放電利用中頻AC(MF-AC)典型地進行維持，並且採用一兩平面或二重旋轉的磁控管(針對該技術的習知技術水平：參考文章ATON-Applied Materials(ATON-應用材料))。在此類反應過程中，要求高反應性氣體流量或分壓以便獲得透明(准化學計量的)薄膜。在這種過程中，不僅冷凝在基底上的Si原子與N反應在該基底上形成氮化物分子，而且該靶表面變成氮化的。一完全氮化的靶表面或中毒的表面以比相應的金屬靶低得多的速率進行濺射。因為氮化矽係一電介質，在一定時間之後該靶的電弧擊穿開始發生，甚至帶有一MF-AC放電。用脈衝DC或，甚至更差的，用DC進行濺射將導致甚至更多電弧擊穿發生。這種電弧擊穿顯著地損耗塗層品質，因為它在塗層中產生了針孔。而且，該電弧擊穿引起沈積速率的損失。化學計量的Si3N4 濺射靶能夠以准反應模式進行濺射，並且將非常少量的N2或NH3加入到該濺射氣體中並且產生透明塗層。然而，此類Si3N4靶係非導電的並且要求射頻(RF)功率，即在MHz範圍內的功率。RF濺射過程通常產生一低沈積速率。RF功率還與旋轉磁控管技術不相容。而且高RF功率負荷(幾kW)難以遮罩其他塗布器聚集體，這樣帶此類聚集體的電磁幹擾容易發生。大RF電源單元(功率幾kW)同樣是在市場上不可得的。由此可見，化學計量的Si3N4靶不能解決上面陳述的問題。
一種陶瓷複合材料，包括一聚集體化學組成SiNx、其中x係在大約0.2至大約1.30，一Si3N4顆粒分散相，以及一摻雜的或本質的Si連續相，其中該Si3N4顆粒分散相嵌入該摻雜的或本質的Si連續相中。
一種形成陶瓷複合材料的方法，該方法包括：製備一混合物，該混合物包含x wt.%的α-Si3N4，y wt.%的無摻雜的矽，w wt.%的摻雜的矽，z wt.%的以及硼，其中x>0，y0，z0，w0並且其中若y>0則z>0；並且由該混合物形成一生坯。
一種形成陶瓷材料的方法，該方法包括製備一混合物，該混合物包含x wt.%的α-Si3N4，y wt.%的無摻雜的矽，w wt.%的摻雜的矽，z wt.%的硼，以及v wt%的燒結添加劑，其中x>0，y0，z0，w0並且其中若y>0則z>0 ，並且其中10v0 wt%；並且由該混合物形成一生坯。
詳細說明
本發明的一些實施方式包括一陶瓷複合材料，該陶瓷複合材料包含一聚集體化學組成SiNx，其中x係在大約0.2至大約1.30之間(x以%表示)，一Si3N4顆粒分散相，一摻雜的或本質的Si連續相，其中該Si3N4顆粒分散相嵌入該摻雜的或本質的Si連續相中。
根據某些實施方式，該陶瓷複合材料可以是一濺射靶。在某些實施方式中，該陶瓷複合材料可以是一導電濺射靶。然而，該陶瓷複合材料可以用在任何與濺射相關的過程或機構中。
在某些方面，該陶瓷複合材料可以包括幾種不同的材料、相、或材料種類。
在某些實施方式中，該化學組成可以是一聚集體化學組成SiNx。根據某些實施方式，該陶瓷複合材料可以包含全面的、或全部的幾種相，由此該等相各自都不可以具有所指出的化學組成。在其他一些實施方式中，該等相中的某些或該等相的一子集可以包含該化學組成。
根據某些方面，該陶瓷複合材料可以包含一Si3N4顆粒分散相。在某些實施方式中，在該分散相中，Si3N4顆粒可以遍及該相任意地分佈。在某些實施方式中，該顆粒可以遍及該相均勻地分佈。
根據某些實施方式，該陶瓷複合材料可以包含一 Si3N4顆粒分散相，該等顆粒嵌入在摻雜Si的連續相中，由此該分散相的每一顆粒可以被一連續相包圍。
根據某些實施方式，可能使用或形成一SiNx組分，其中x可能是在大約0.2至大約1.30之間。不希望束縛於任何具體的理論，人們相信，藉由在純惰性氣體(例如氬(Ar)或其他惰性氣體)中，用一濺射靶根據某些實施方式進行濺射時獲得的一薄膜的折射率將隨x上升。若x係1.30，則該惰性氣體濺射沈積的SiNx薄膜的折射率n將接近或高於2.15(在630 nm)。另外，該薄膜的消光係數k將隨著x值上升而下降。然而，該薄膜的該等光學特性(n和k)仍然能夠藉由在該濺射過程中藉由加入額外的氮以及該濺射氣體來調節(下列氣體中的任何一種能夠作為氮源：N2、NH3、前述氣體的混合物以及所提及的氣體的任何一種和H2的混合物)。一濺射靶的該聚集體化學組成可能不會複製在該薄膜中，由於與該電漿中的N2分子再結合，可能失去一些氮。隨著該濺射靶中的x值的上升，該靶可能變成較不導電性的。
例如，如果根據一些實施方式，將90 wt%的Si3N4與10 wt% Si混合，則SiNx應該包含35.95 wt%的N以及64.05 wt%的Si或52.95 at%的N或者x係52.95/47.05=1.126；該化學計量的材料具有x=4/3=1.33。若使用僅僅20 wt%的Si3N4，則x=0.174，遠遠不是化學計量的組成。由此可見這種材料將需要加入許多氮作為反應性氣體以便產生化學計量的氮化物塗層；此類靶將是非常導電的但是 將表現得差不多等同於在一完全的反應濺射過程中的Si靶。
在某些實施方式中，該陶瓷複合材料包含一種例如Si3N4顆粒的分散相。不希望束縛於任何具體的理論，人們相信當用作或者用在一濺射靶中時該材料的組分將產生在該電漿中高動能的一些氮原子，由此可見該等氮原子係高反應性的並且容易與所濺射的一些Si原子反應，而在冷凝時到該基底上。這係不同於起源於在來自氮分子(作為一濺射氣體加入的)的電漿中的氮原子，該等氮原子不會得到/獲得高動能。其結果係，由於缺少表面遷移率，此類氮原子不容易能找到他們在氮化物晶格中的位置。
根據某些實施方式，該陶瓷複合材料包含一摻雜Si的連續相。在一些其他實施方式中，該陶瓷複合材料包含一本質的、無摻雜的Si連續相。不希望束縛於任何具體的理論，該連續相可以將導電性賦予該陶瓷複合材料使得它能用作使用MF-AC、脈衝DC或DC電功率放電的一工業磁控濺射操作中的一濺射靶。該導電陶瓷複合材料的導電率可以取決於該連續相(相對非導電材料如Si3N4分散相)的部分以及該矽連續相的摻雜水平。本質矽通常不具有足夠的導電率以便能夠在一濺射過程中實現除RF以外的任何其他功率放電。在使用摻雜的Si的情況下，在一濺射過程中可以使用MF-AC供電技術。根據某些實施方式，摻雜劑可能是選自第III或IV族(硼、磷、鋁、鎵、砷、銦、銻、鉈、鉍)，但是原則上也是可以使用一些過 渡金屬。在本發明的一實施方式中，該連續矽相係硼或磷摻雜的。
根據某些實施方式，該分散相嵌入該連續相中。例如，該Si3N4顆粒分散相可以嵌入於該摻雜Si的連續相中。可替代地，該Si3N4顆粒分散相可以嵌入在本質的即無摻雜Si的連續相中。不希望束縛於任何具體的理論，人們相信該摻雜Si的連續相可以提供穿過該靶的一導電通道。
根據某些實施方式，矽石顆粒可能用作一燒結添加劑以製備該陶瓷複合材料。不希望束縛於任何具體的理論，當具有一最小5 m2/g的比表面積(藉由BET方法測定的SSA)時並且當以與先質粉末的總重量相比最小為0.05 wt%的量加入時，此類顆粒有助於燒結。因為那些矽石顆粒保持嵌入於該陶瓷複合材料的連續(摻雜的或無摻雜的)矽相中，所以相對於由不採用矽石作為燒結添加劑的實施方式的陶瓷複合材料製成的濺射靶所獲得的薄膜，由這種陶瓷複合材料製成的濺射靶所獲得的薄膜將具有一稍微更低的折射率。人們相信這係因為SiO2具有的折射率n為1.45(在510 nm)。由此可見，為了獲得具有相對高折射率的薄膜(接近2.65)，矽石燒結添加劑的總量可以被保持在5 wt%以下。然而在某些情況下，當要求具有更低折射率的薄膜時，矽石燒結添加劑的量可以增加。
根據某些實施方式，使用矽石作為燒結添加劑中的一種，該添加劑具有由比表面積(SSA)(如BET法所測 定)所確定的一粒徑，該比表面積最大為500 m2/g並且以最大為10 wt%加入。硼還可以作為一燒結添加劑以硼化合物的形式例如氧化硼或硼酸加入。一最大分數2 wt%的Y2O3也可以加入到SiO2中，從而產生SiO2-Y2O3化合物類作為燒結助劑。
因為在該基底上與Si一起冷凝並且與其反應的大部分N從該靶作為具有高動能的N-原子進行濺射，所以可以獲得透明SiNx(：H)塗層，而沒有向該電漿中加入大部分的反應性氣體(N2或NH3或兩者的混合物或該等前面的氣體或氣體混合物中的任何一種以及H2)。在某些實施方式中，該陶瓷複合材料可以具有足夠的用在一脈衝發生器DC或MF-AC准反應過程或用在一DC濺射過程中的導電率。
根據某些實施方式，該摻雜Si的連續相包括穿過該SiNx靶的一導電通道，使得實現了體積電阻率<10 mohm.cm，該體積電阻率係如藉由在帶有一方形的或圓形的橫截面的陶瓷複合材料的小條上使用4個探頭(兩個電流探頭以及兩個電壓探頭)測量的。在其他一些實施方式中，可以實現<5 mohm.cm的體積導電率，在另外的一些其他實施方式中，可以實現<1 Ohm.cm的一體積電阻率。
根據某些方面，該陶瓷複合材料(可以是導電濺射靶)具有足夠的用在一MF-AC(振盪頻率10-200 kHz)中或甚至用在一脈衝DC(脈衝發生頻率1-350 kHz)磁控金屬或反應濺射過程中的導電率。
在一些其他方面，該陶瓷複合材料(可以是一導電濺射靶)具有足夠的用在低功率密度(最大7 W/cm2)的一DC磁控濺射過程中的導電率。
根據某些方面，該陶瓷複合材料可以用於在一些基本上無弧的濺射過程中形成透明SiNx薄膜，SiNx：H和Si3N4薄膜以及透明SiNxOy薄膜。該等薄膜具有一些優點，例如，所獲得的塗層的針孔密度可以減小。塗層還可以具有一改善的透明度(可見光以及NIR內更低的消光係數)以及一更低的表面粗糙度。
該等實施方式的優點中的某些在於透明SiNx(：H)以及其他塗層係藉由與其中金屬Si靶係以反應模式進行濺射的替代的過程相比向該濺射氣體中加入顯著更少的反應性氣體形成的。在後者過程中，根據某些實施方式可能是需要純N2與Ar流的比率典型地是1：1(取決於該功率負荷)。避免，部分地避免的或減少的反應性氣體可以是，例如，N2、NH3、H2、H2O、O2、O3、N2O以及它們的任何混合物。根據某些實施方式對於濺射靶N2：Ar流的上述比例的下降可以取決於在該聚集體SiNx組分中的x，但是它可以是大於50%。
根據某些方面，該陶瓷複合材料可以包括一平面導電濺射靶。在某些實施方式中，該陶瓷複合材料可以包括結合至一背襯板上的一些平面磚。
在一些其他實施方式中，該陶瓷複合材料可以包括一旋轉導電濺射靶。在某些方面，該陶瓷複合材料可以包括 結合至一背襯管上的多個圓柱形的元件。
根據某些實施方式，該陶瓷複合材料(可以是一導電濺射靶)可以具有一高於99.9%的純度(當考慮Si、N以及在某些實施方式中，O作為該陶瓷複合材料的組成元素時)。在其他實施方式中，該純度可以是99.5%以上。然而，其他純度，例如高於99.0%、高於98.5%以及高於98%係某些實施方式所預期的。採用高純度陶瓷複合材料，可以製造出高純度濺射靶，該等濺射靶能夠用在准反應濺射過程中以製備具有高擊穿電壓的電介質薄膜。此類薄膜能夠用作如在薄膜電晶體(TFT)中的柵極電介質。不希望束縛於任何具體的理論，該具有低純度的陶瓷複合材料肯包含來自第IA、IIA、III、V族的過渡金屬類或金屬類，它們能夠作為在矽或矽-化合物中的一摻雜劑或一捕集中心。
根據某些方面，該陶瓷複合材料可以包括一大於其理論密度95%的物理密度(如阿基米德法所測)。在其他實施方式中，該陶瓷複合材料可以包括一大於其理論密度99%的物理密度。一些高密度靶可以引起在高功率下更穩定的濺射過程(更少的電弧擊穿)並且減少由於重沈積作用導致的凝團的形成。
使用MF-AC以及一對金屬旋轉(摻雜的)Si靶以形成SiNx(x大約1.30)塗層的一反應濺射過程可以顯示出非常小的滯後(即在反應性氣體分壓以及放電電壓/沈澱速度之間存在一對一關聯性)。然而可以觀察到前述的參 數與反應性氣體分壓的一強相關性：在純Ar(金屬)模式中放電電壓可以是如>500 V(如在一旋轉靶對上，6.67 kW/m MF-AC，5E-03 mbar)而在中毒模式中，可以測量到僅僅420 V的一放電電壓。這種電壓降可以出現在一相對小的氧分壓範圍內(如3-5E-04 mbar)。使用根據某些實施方式由陶瓷複合材料所制的濺射靶並且取決於它們的導電率以及它們的聚集體組分(在SiNx中的x)，在濺射電壓/沈澱速度與反應性氣體流量分壓之間也可以存在一對一的相關性。儘管如此，該電壓範圍可能是有限的並且當加入反應性氣體時電壓下降可能是較不陡的(即該過渡模式包括一較寬反應性氣體分壓範圍)。
根據某些實施方式，陶瓷複合材料以及它們的一些相關濺射靶可以藉由燒結一粉末混合物而製備，該粉末共混物係精選的，以便產生所指出的微結構，該微結構包含兩個相(摻雜的或無摻雜的矽作為連續相以及Si3N4作為分散相)或者三個相(摻雜的或無摻雜的矽作為連續相以及Si3N4和矽石作為分散相)其中這個或該等分散相具有一最大10 μm、較佳的是最大2 μm的粒徑。該共混物可以包含化學計量的Si3N4粉末，以及摻雜的Si粉或可替代地無摻雜的Si粉和B粉的一混合物。如已經指出的，該共混物可進一步包含燒結添加劑，其中一種可以是具有>5 m2/g的SSA(BET)的矽石顆粒。可以在該共混物中使用從大約20 wt%至90 wt%之間的Si3N4粉末並且該靶的導電率可以取決於該共混物的組成。在某些實施方式中，該 靶的導電率可能很大程度上取決於該共混物的組成。
在某些實施方式中，該導電SiNx靶可以由低成本先質材料(如同在結構陶瓷的製造中使用的那些)生產，所得到的靶可以是相對於習知技術和超高純度摻雜的Si靶以更低成本製備出的。然而對於大多數關注領域的應用可能不要求這種超高純度。
本發明的實施方式還包括一種用於形成陶瓷複合材料的方法，該方法包括製備一混合物，該混合物包含x wt.%的α-Si3N4、y wt.%的無摻雜的矽、w wt.%的摻雜的矽、z wt.%的以及硼，其中x>0、y0、z0、w0並且其中若y>0則z>0，並且由該混合物形成一生坯。根據某些方面，x可以是在大約20 wt.%至大約90 wt.%之間。
在某些實施方式中，該陶瓷複合材料可以是一導電濺射靶。
根據某些實施方式，一燒結助劑可以加入至該混合物中。燒結助劑的實例可以是(但不限於)具有SSA5 m2/g的矽石顆粒，以最小為0.1 wt%並且最大為5 wt%加入。在某些實施方式中，該等添加劑可以從該混合物中去除。在某些實施方式中，該添加劑可以藉由一低熱處理從該混合物中去除。然而，根據某些實施方式，矽石顆粒不能從該生坯中去除並且由此可見可以嵌入於最終的陶瓷中。
根據某些實施方式，含有矽石或其化合物作為燒結助劑的燒結體的含氧量可以藉由在N2氣壓力氣氛中的後熱處理來降低。
根據某些實施方式，可以選擇α-Si3N4，無摻雜的Si和B粉末以便形成該陶瓷複合材料。在某些實施方式中，該α-Si3N4粉末可以具有一球狀形貌。在該等或其他一些實施方式中，該α-Si3N4粉末可以具有SSA=3.5-12 m2/g(BET)與最大為250 ppm的金屬雜質。此類粉末的實例可能是例如來自日本東麗株式會社(Toray Ind.)或來自日本東洋曹達工業株式會社(Toyo Soda Man Co.,Ltd.)。在某些實施方式中，該α-Si3N4粉末可以具有SSA=3.5-12 m2/g(BET)與最大為250 ppm的金屬雜質。在其他一些實施方式中，金屬雜質(最大ppm)可以是最大300 ppm、最大350 ppm、最大200 ppm、最大150 ppm。儘管最大350 ppm範圍內的值可能導致更低品質的靶，但生產成本可能會降低。另一方面，藉由使用最大150 ppm獲得更高品質的靶可能增加該等靶的成本。
在某些實施方式中，製備以上粉末的一共混物。這種共混物可以是藉由例如球磨，以及機械摻混機或類似技術製備的。某些實施方式利用一些技術，例如磨碎機研磨、行星磨、和/或噴射磨以形成一漿料或乾粉共混物。根據某些實施方式該等技術中的一些還可以相結合。該粉末可以在一漿料中共混，或可能進行幹式共混。在漿料加工的情況下，該等粉末在一含有一定量原始粉末的漿料中在水相中連同有機添加劑進行共混。這種漿料可以進行噴霧乾燥以獲得具有所希望的形貌和壓實特性的料粒或團聚體。在幹式共混中，該粉末可以在帶有混合葉片的一機械混合 器或在一球磨機或行星磨機中混合。該共混效果可以藉由加入有機添加劑進行增強以製作具有更好的壓實行為的料粒或團聚體。在某些實施方式中，在該過程的這一階段中可以將燒結助劑加入到該共混物中。
根據某些實施方式，該粉末用有機添加劑例如黏合劑或壓助劑固結成為一生坯。例如，該粉末可以藉由使用冷等靜壓制(CIP)，用典型的大約1000 bar至大約4000 bar的壓力進行大約1至20分鐘而固結成為一生坯。根據某些實施方式，該壓力可以是大約1000 bar，進行大約10 min。根據某些實施方式，該粉末用有機添加劑類例如黏合劑類或壓助劑類固結成為一生坯。例如，為了實現一平面幾何形狀，該粉末可以藉由使用冷的軸向壓制，用典型在15 Mpa至150 Mpa之間的壓力固結成為一生坯，取決於粉末製備。
根據某些實施方式，該等添加劑可能藉由低溫處理該生坯而去除。該熱處理可以在大約室溫與約500℃之間進行，由此該有機添加劑可能從該生坯中去除而不使該生坯開裂。為了藉由熱處理實現這種有機添加劑的去除，該加熱速率可以保持是低的。在某些實施方式中，該加熱速率可以在1-60℃/h之間同時在一氧化氣氛中。
根據某些實施方式，該生坯燒結成為一高密度混合的陶瓷-金屬零件。在某些實施方式中，該燒結可以在一惰性、一還原性氣氛中、在一N2氣壓力氣氛中或在真空中，在大約1400℃時、無論如何在1250℃以上的溫度進 行約8小時。在一些其他實施方式中，該燒結可以在一惰性氣氛中、還原性氣氛中，在一氣體壓力N2氣氛或在真空中，在大於1250℃下進行大約8小時以上。根據某些實施方式，該溫度可以是大約1700℃。可替代地，熱壓或熱等靜壓制可以用作一聯合的固結/燒結技術。
根據某些實施方式，所得到的零件可以加工成最終形狀並且/或者研磨成最終表面光潔度。
在某些實施方式中，可以將一些零件(平面貼磚或圓柱管狀段)結合至一背襯管上以便產生一濺射靶。本領域已知的任何工藝可以用於將該等零件結合至該背襯管中。在某些實施方式中，該背襯管可以是不銹鋼或另一通常的背襯管材料例如鈦。
根據某些實施方式，該陶瓷複合材料和/或導電濺射靶可以在使用熟習該項技術者已知的設備的大面積濺射沈積嘗試(endeavour)中採用的。在某些實施方式中，不希望束縛於任何具體的理論，該陶瓷複合材料可以是適合於大面積塗層(LAC)的，因為LAC可以利用具有大靶的大磁控管。因此，可能需要一高濺射功率。高濺射功率可能產生就電弧擊穿以及塗布不均勻性而言更關鍵的一些濺射過程。在某些實施方式中，該陶瓷複合材料可能導致增加的以上靶的利用，例如70%或以上、例如50%。在某些實施方式中，減少或消除了強硬的凝團的形成並且同樣地增加了靶利用。此外，也可以減少或避免該腔室的連續打開以及該靶的清洗。
本發明的實施方式還包括藉由將如申請專利範圍第1項所述之導電濺射靶磁控濺射於一表面上而形成一塗層的方法。在某些實施方式中，該塗層可以是，例如一透明SiNx或SiNx(：H)或Si3N4或SiOxNy塗層，取決於在濺射沈積中使用的氣體混合物。若僅僅惰性氣體(如Ar)在濺射過程中使用，則可以獲得一薄膜，該薄膜將差不多具有靶材料的化學組成，除由於在該電漿中的複合過程引起的一可能的氮損失之外。
根據某些方面，該塗層係在一MF-AC或脈衝DC反應或准反應磁控濺射過程中形成的。
本發明的實施方式包括一些附加的優點。例如，該導電SiNx靶可能用在光伏打工業上以沈積用於c-Si太陽能電池的SiNx：H減反射(AR)/鈍化塗層。它們可以增加這個產業的生產力(因為該濺射速率係高於在反應模式的摻雜的Si靶的濺射速率)而同時產生具有更好品質的塗層(更少的針孔或其他缺陷)，這因此更好地保護該電池的活性區免於環境的影響。該等靶還可以用於濺射用於TF-Si太陽能電池的SiOxNy(矽氧氮化物)透明阻擋塗層。
不希望束縛於任何具體的理論，人們相信在濺射沈積過程中加入O2和N2可以足以獲得一種氧氮化合物。這種阻擋層(厚度可以是20-100 nm)可以是在沈積一Al：ZnO TCO(前接觸)之前在透明的浮法玻璃上進行濺射沈積的。該阻擋層可以防止金屬原子從該玻璃擴散進入該TCO並且向前至該電池結構的剩餘部分。最終地，c-Si太陽能 電池的某些新的正面鈍化概念係在一更薄的經典的SiNx：H鈍化塗層(70 nm)之下使用一非常薄(<10 nm)的SiOxNy：H鈍化層(直接與Si接觸)。同樣此類SiOxNy：H層可以是根據本發明的實施方式製備的。因為導電SiNx靶的濺射穩定性大大好於它們的活性(中毒)模式的金屬對應物，無缺陷的塗層係可以使用MF-AC或脈衝-DC(或DC-)濺射獲得的，該等塗層可以作為用於AM-LCD的一Si TFT中的柵極電介質。此類柵極電介質目前是用PE-CVD製備的但是可用的技術的沈澱速率係顯著次於濺射沈積的沈積速率。然而，由於在大尺寸濺射源(長度大於1 m)上的EMI遮罩問題，在Si3N4靶上的RF可能不是對於柵極電介質的一種選擇。因為目前大多數生產線係Gen 5或更高(基底在每一維度上大於1 m，從而要求沈積源長度大於1米的沈積源)，所以不能使用RF。
根據某些實施方式，出人意料地發現該等實施方式生產了一透明塗層，該塗層比預期容易實現(高折射率n和低消光係數k)。不希望束縛於任何具體的理論，人們相信與基底表面上的Si反應的N係具有高動能的N，來自該靶並且不是來自該濺射氣中加入的解離的N2(後者是低能的)。
根據某些實施方式，成本將隨著沈澱速度增大而減少，所得塗層的針孔密度將減少，可以獲得具有一更好透明度的塗層(可見光和NIR內更低的消光係數)。本發明的某些實施方式的一些其他優點可以是避免該表面的中 毒，並且同樣地避免由於中毒的靶表面的低沈澱速度、避免電弧擊穿、並且提高表面品質和沈澱速度。
根據本發明的實施方式將一旋轉靶對安裝在Leybold Optics動態線上(in-line)塗布器A600V7中一系列標準旋轉磁控管上(靶長度600 mm)，該等磁控管由來自美國奧瓦通納的濺射部件公司(Sputtering Components Inc.,Owatonna,USA)(SCI)和萊寶光學公司(Leybold Optics)(德累斯頓(Dresden)，D)的磁鐵陳列的端塊組成。該導電陶瓷材料包含B摻雜的Si粉末20 wt%和Si3N4粉末80 wt%的一起始共混物。該靶對使用40 kHz MF-AC在一Ar/N2氣體流量(在氣流中帶20% N2)下在一3.7E-03 mbar的壓力中進行濺射。將一玻璃基底以一連續方式在該成對的磁控管前面供應。對於一8 kW(即13.33 kW/m)的MF-AC功率，實現一典型的50 nm.m/min的動態沈積速率(DDR)(相當於6.25 nm.m/(min.kW)或每kW/m功率載荷3.75 nm.m/min)。在3道次(pass)操作中以2 m/min所獲得的大約80 nm的SiNx塗層係完全透明的(可見光消光係數<1.E-03，可見光(450-750 nm)平均吸收<1.5%)。在633 nm的折射率係大約2.10。
使用兩個B-摻雜的鑄造Si靶在同一MF-AC功率負荷下操作的對比反應過程要求在反應性氣體流中大約60%的N2以獲得具有相當特性的透明塗層並且產生僅僅25 nm.m/min的動態沈澱速度(相當於每kW/m功率負荷1.875 nm.m/min)。
R.Preu等(Proc.16th EU-PVSEC,May 1-5,2000)指出對於在一完全反應過程(目的係製備用於c-Si太陽能電池的SiNx：H鈍化層)中使用MF-AC(40 kHz)以及替代的一些摻雜Si靶的TwinMag的僅僅為35 nm.m/min的DDR。在幾年之後，W.Wolke等，Proc.19th EU-PVSEC,June 7-11,2004,pp.419-422，再次指出40 nm.m/min的DDR，具有在一TwinMag的平面的摻雜的Si靶(長度800 mm)。儘管功率負荷水平沒有在以上出版物中指出，能夠推測的是功率負荷已根據該塗層沈積的優化的經濟性並且產生一穩定過程被選擇。該等資料全部指出一DDR，該DDR顯著低於所報導的使用根據本發明的實施方式的一些靶的DDR。
鑒於以上傳授內容，本發明的實施方式的許多改變和變化係有可能的。因此，應理解的是在所附申請專利範圍的範圍內，本發明係可以進行實施的，除非以其他方式另外確切地說明。本發明係由該申請專利範圍所限定。
可替代地，本發明的一些實施方式可以藉由下列一些條款表示：
1.一種陶瓷材料包含：一SiNx組分，其中x係在大約0.2至大約1.30之間的；一Si3N4顆粒分散相；以及 一Si連續相，其中該Si3N4顆粒分散相嵌入於該Si連續相中。
2.條款1的陶瓷材料，其中該Si連續相包括穿過該陶瓷材料的一導電通道以便實現體積電阻率<10 mohm.cm。
3.條款1中的陶瓷複合材料，其中該陶瓷材料具有足夠的導電率以用在一MF-AC(振盪頻率10-200 kHz)中或者甚至用在一脈衝DC(脈衝頻率1-350 kHz)磁控金屬的或反應濺射過程中。
4.條款1中的陶瓷複合材料，其中該陶瓷材料具有足夠的導電率以用在小於或等於7 W/cm2的一功率密度的在一平面靶的情況下的一DC磁控濺射過程中。
5.條款1的陶瓷複合材料，其中該陶瓷複合材料係一導電濺射靶。
6.條款1的陶瓷材料，其中該陶瓷材料形成透明的SiNx、SiNx：H和Si3N4薄膜以及透明的SiNxOy薄膜。
7.條款6的陶瓷材料，其中該透明SiNx(：H)以及其他塗層類係藉由與其中將一些金屬Si靶以反應模式進行濺射的替代過程相比向該濺射氣體中加入顯著更少量的反應性氣體形成的。
8.條款8的陶瓷材料，其中該反應性氣體係選自下組，該組由N2、NH3、H2、H2O、O2、O3、N2O及其混合物組成。
9.條款1的陶瓷材料，其中該導電濺射靶係一平面 靶。
10.條款1的陶瓷材料，其中該導電濺射靶係一旋轉靶。
11.條款9的陶瓷材料，進一步包括結合至一背襯板的一些平面貼磚。
12.條款10的陶瓷材料，進一步包括結合至一背襯管的多個圓柱形元件。
13.條款10的陶瓷材料，其中該導電濺射靶包括一大於99.9%的化學純度。
14.條款10的陶瓷材料，進一步具有大於其理論密度的97%的一物理密度(如阿基米德方法所測)。
15.條款10的陶瓷材料，進一步包括一大於其理論密度99%的物理密度。
16.一種導電濺射靶包括：一SiNx組分，其中x係在大約0.2至大約1.30之間；並且非導電的Si3N4顆粒嵌入於一導電Si連續相中。
17.一種陶瓷複合材料包括：一聚集體化學組成SiNx，其中x係在大約0.2至大約1.30之間；一Si3N4顆粒分散相；以及一摻雜或本質無摻雜Si的連續相，其中該Si3N4顆粒分散相嵌入該摻雜或本質Si的連續相中。
18.條款17的導電濺射靶，其中該導電濺射靶係一 平面靶。
19.條款17至18中的任意一項的導電濺射靶，其中該導電濺射靶係一旋轉靶。
20.條款17至19中的任意一項的導電濺射靶，進一步包括結合至一背襯板的一些平面貼磚。
21.條款17至20中的任意一項的導電濺射靶，進一步包括結合至一背襯管的多個圓柱形元件。
22.一種形成塗層的方法，該方法包括：藉由將申請專利範圍第1項所述之導電濺射靶磁控濺射到一表面上來形成一塗層。
23.條款22的方法，其中該塗層係一透明SiNx或SiNx(：H)或Si3N4或SiOxNy塗層。
24.條款22或23中任意一項的方法，其中藉由對一濺射靶進行濺射形成一塗層包括在MF-AC或脈衝DC反應或准-反應磁控濺射過程中形成該塗層。
25.條款22至24中任意一項的方法，其中藉由對一濺射靶進行濺射形成一塗層包括在一DC磁控濺射過程中形成該塗層。
26.條款22至25中任意一項的方法，其中形成一塗層包括形成一大面積塗層。
27.一種導電濺射靶包含：一SiNx組分，其中x係在大約0.2至大約1.30；以及嵌入於一Si連續相的非導電Si3N4顆粒。

Claims (26)

  1. 一種陶瓷複合材料包含：一聚集體化學組成SiNx，其中x係在大約0.2至大約1.30之間；一Si3N4顆粒分散相；以及一摻雜或本質無摻雜Si的連續相，其中該Si3N4顆粒分散相嵌入該摻雜或本質Si的連續相中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之陶瓷複合材料，其中該陶瓷複合材料係一導電濺射靶。
  3. 如申請專利範圍第1或2項中任一項所述之陶瓷複合材料，其中該摻雜Si的連續相包括穿過該導電濺射靶的一導電通道以便實現該連續相之體積電阻率<10 mohm.cm。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之陶瓷複合材料，其中該導電濺射靶具有足夠的用在一MF-AC(振盪頻率10-200 kHz)或者甚至用在一脈衝DC(脈衝頻率1-350 kHz)磁控金屬或反應濺射過程中的導電率。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之陶瓷複合材料，其中該導電濺射靶具有足夠的在一平面磁控管的條件下用在一小於或等於7 W/cm2的功率密度的一DC磁控濺射過程中的導電率。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之導電濺射靶，其中該導電濺射靶形成透明SiNx、SiNx：H和Si3N4薄膜以及透明SiNxOy薄膜。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所述之導電濺射靶，其中該透明SiNx(：H)以及其他塗層類係藉由與其中將一些金屬Si靶以反應模式進行濺射之替代過程相比向該濺射氣體中加入顯著更少的反應性氣體形成的。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項所述之導電濺射靶，其中該反應性氣體係選自下組，該組由N2、NH3、H2、H2O、O2、O3、N2O及其混合物組成。
  9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項所述之導電濺射靶，其中該導電濺射靶包括大於99.9%的化學純度。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項所述之導電濺射靶，進一步包括一大於其理論密度的97%的物理密度(如阿基米德方法所測)。
  11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項所述之導電濺射靶，進一步包括一大於其理論密度的99%的物理密度。
  12. 一種形成陶瓷複合材料之方法，該方法包括：製備一混合物，該混合物包含α-Si3N4 x wt.%、無摻雜的矽y wt.%、摻雜的矽w wt.%、以及硼z wt.%，其中x>0、y0、z0、w0並且其中若y>0則z>0；並且由該混合物形成一生坯。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，進一步包括將一或多種燒結添加劑加入到該混合物中。
  14. 如申請專利範圍第12或13項中任一項所述之方法，其中該等燒結添加劑中的一種係矽石粉末。
  15. 如申請專利範圍第12至14項中任一項所述之方法，其中該矽石粉末具有一為最小5 m2/g的比表面積(SSA，如用BET技術所測)並且按總共混物的最小0.1 wt%加入。
  16. 如申請專利範圍第12至15項中任一項所述之方法，進一步包括從該混合物中去除添加劑類。
  17. 如申請專利範圍第12至16項中任一項所述之方法，其中x係在大約20 wt.%至大約90 wt.%之間。
  18. 如申請專利範圍第12至17項中任一項所述之方法，其中該共混物係藉由選自下組的一種工藝以形成一漿料或乾燥粉共混物來製備的，該組由球磨、磨碎機磨、行星磨、機械混合以及噴射磨組成。
  19. 如申請專利範圍第12至18項中任一項所述之方法，其中對該漿料進行噴霧乾燥以獲得適合於冷或熱固結工藝的一乾燥粉末共混物。
  20. 如申請專利範圍第12至19項中任一項所述之方法，其中形成該生坯包括藉由採用冷等靜壓制使該混合物固結成為一生坯。
  21. 如申請專利範圍第12至20項中任一項所述之方法，其中藉由對該生坯之低溫處理去除添加劑類。
  22. 如申請專利範圍第12至21項中任一項所述之方法，進一步包括使該生坯在一惰性或還原氣氛中在1250℃下燒結8小時成為一高密度混合的陶瓷-金屬部件。
  23. 如申請專利範圍第12至22項中任一項所述之方 法，進一步包括藉由採用熱壓或熱等靜壓制使該生坯燒結成為一高密度混合的陶瓷-金屬部件。
  24. 如申請專利範圍第12至23項中任一項所述之方法，進一步包括使該高密度混合的陶瓷-金屬部件結合到一背襯板上。
  25. 如申請專利範圍第12至24項中任一項所述之方法，其中該陶瓷複合材料係一導電濺射靶。
  26. 一種形成塗層之方法，該方法包括：藉由將如申請專利範圍第1項所述之導電濺射靶磁控濺射到一表面上來形成一塗層。
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