专利名称：具有高熔点保护层的金属丝结构及其制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有高熔点保护层的金属丝结构及其制法。
背景技术：
现有的热丝化学气相沉积法(Hot Wire Chemical Vapor Deposition, 或简 称HWCVD)，以及电浆增强型化学式气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor. Deposition,或简称PECVD)，均已广泛的应用于各类薄膜制程中，包括半导体制程、液 晶面板、太阳能板制程等，以便在一基板上形成一薄膜，此薄膜可为非晶硅(Amorphous Silicon,或简称a-Si)或是其它成份的薄膜(视供入的反应气体而定)。PECVD的主要缺点为低沉积速率、低生产率、沉积时间长、成本高。而 HWCVD的缺点包括自由基浓度控制不易、灯丝温度不易控制、低薄膜质量。请参阅图1，此为现有的结合热丝化学气相沉积法与电浆增强型化 学式气相沉积 的混合型化学气相沉积法(专利公开号WO 2009/2009499)。其中，一封闭反应室810包 括一反应空间820、一电浆产生装置830、一热丝装置840、一基板850、一基板承载组 件860、一加热器870、一基板移入部875及一基板移出部880。该电浆产生装置830是 用以产生一气态化学物的电浆激化(plasma-excited)原子，而该热丝装置840用以产生一 气态化学物的热激化(thermally-excited)原子。举例来说，该反应空间820可通入一氢气 (H2)与硅烷(SiH4)气体的混合气，比例为1 100，该热丝装置840是加热至1850°C， 而该电浆产生装置830是对该基板产生每IOOcm2有25瓦的能量，该加热器870是保持在 400°C。借此，同时利用合热丝化学气相沉积法与电浆增强型化学式气相沉积两种机制， 而在该基板850上产生一非晶硅薄膜。请参阅图2，此为另一现有热丝化学气相沉积法(Hot Wire ChemicalVapor Deposition,或简称HWCVD)的技术(专利公开号EP1986242A2)，其主要构造包括一 反应室91、一供气部92、一直流电源93、一触媒热丝94、一排气阀95、一载台96及一 加热器97。此载台96上设有一底层920，可被该加热器97加热，而该底层920上则逐 渐形成一薄膜910。然而，对于上述两现有技术，此热丝装置840与触媒热丝94均为纯钨制成的细 丝结构，当反应空间820及该反应室91内充入硅烷(SiH4)气体时，一旦热丝装置840或 触媒热丝94的温度未达硅的熔点(约1410°C )时，气体就和此热丝装置840或触媒热丝 94接触，将会造成气体不能完全产生分解反应而残留于该热丝装置840或触媒热丝94的 表面，亦即形成硅化物，例如硅化钨(tungsten silicide)，造成灯丝电阻率改变。若以触媒 热丝94为例，图3A及图3B分别为触媒热丝94的表面未形成硅化物及已形成硅化物的 外观图，而图4A及图4B分别为触媒热丝94的表面未形成硅化物及已形成硅化物的局部 放大剖视的示意图。其中，可明显看出，当触媒热丝94的表面上形成硅化物941时，由 于触媒热丝94的表面在未工作时为常温，而工作时是1850°C的高温，此硅化物941易因 热胀冷缩而形成许多裂纹942，此外，当该硅化物941整个包住该触媒热丝94时，此触媒热丝94的功能也将丧失，严重影响整个热丝化学气相沉积的进行。因此，如何避免钨丝(不论是热丝装置840或是触媒热丝94)由常温升至1850°C 的高温时，不会与供入的气体反应产生硅化物，一直是各界研究的目标。因此，有必要研发新产品，以解决上述缺点及问题。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题在于，克服现有技术存在的上述缺陷，而提供 一种具有高熔点保护层的金属丝结构及其制法，其兼具无硅化物的产生及可达到保护效 果等优点及功效，用以解决现有技术会产生硅化物，进而影响触媒功能等问题。
本发明解决上述问题的技术手段是提供一种具有高熔点保护层的金属丝结构， 其包括一核心部，其为细丝状，其材质是金属；一保护层，其材质是金属碳化物、金属氮化物其中之一，该保护层通过放电反 应的镀覆过程，在5000°c以上温度使得该保护层逐渐结合于该核心部外表面至一预定的 保护层厚度，而完全包覆住该核心部。本发明又提供一种具有高熔点保护层的金属丝结构制法，其包括下列步骤准备步骤准备一核心部及一放电设备，该核心部为细丝状，其材质是金属； 该放电设备具有一电源的正极、一电源的负极、一放电反应槽、一放电加工媒介、一电 极固定部及一放电反应元件；该放电加工媒介置于该放电反应槽中，该电极固定部固定 该核心部且该核心部连接至该电源的负极，该放电反应元件为金属且该放电反应元件连 接至该电源的正极，该核心部与该放电反应元件间具有一预定的放电间隙，且该放电间 隙充满该放电加工媒介；又，该放电加工媒介包括碳原子、氮原子其中之一；放电步骤该放电设备进行放电，使得该核心部与该放电反应元件间产生放电 过程，此放电过程的局部温度高于5000°C以上，使得核心部的金属原子会四散撞击至该 放电反应元件的外表面，同时该放电反应元件的金属原子会与放电加工媒介中的原子结 合并四散撞击至该核心部的外表面，进而在该核心部外表面逐形成一保护层；完成步骤制成一种具有高熔点保护层的金属丝结构，其包括一核心部，其为细丝状，其材质是金属；一保护层，其材质是金属碳化物、金属氮化物其中之一，该保护层通过放电反 应的镀覆过程，在高于5000°C以上温度使得该保护层逐渐结合于该核心部外表面至一预 定的保护层厚度，而完全包覆住该核心部。本发明的有益效果是，其兼具无硅化物的产生及可达到保护效果等优点及功 效，用以解决现有技术会产生硅化物，进而影响触媒功能等问题。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是第一种现有技术的示意2是第二种现有技术的示意3A是现有触媒热丝的表面未形成硅化物的外观示意3B是现有触媒热丝的表面已形成硅化物的外观示意图 图4A是现有触媒热丝的表面未形成硅化物的局部放大剖视的示意图 图4B是现有触媒热丝的表面已形成硅化物的局部放大剖视的示意图 图5是本发明的结构示意图 图6是本发明的方法流程图 图7是本发明的加工系统的示意图 图8是图7所示部位的局部放大示意图 图9A是本发明的放电过程一的示意图 图9B是本发明的放电过程二的示意图 图9C是本发明的放电过程三的示意图
图10是将本发明的结构应用于一热丝化学气相沉积设备的示意图 图11是将本发明的结构应用于一热丝化学气相沉积设备的另一示意图 图12是将本发明的结构应用于一热丝化学气相沉积设备的局部放大示意图 图13是一般钨丝的外观示意图 图14是本发明的外观示意图 图15是本发明的局部放大示意图 图16是本发明的保护层的EDS分析的示意图 图17是一般钨丝加热至600°C的示意图 图18是本发明加热至600°C的示意图 图中标号说明
100具有高熔点保护层的金属丝结构
20核心部 11准备步骤 13完成步骤 41电源的正极 43放电反应槽 45电极固定部 S放电间隙 Al第一点 A3 点 A5第五点 A7第七点 A9第九点 All第十一点 A13第十三点 Bl第一位置 B3第三位置 B5第五位置 B7第七位置
30保护层 12放电步骤 40放电设备 42电源的负极 44放电加工媒介 46放电反应元件
A2 _ 点 A4第四点 A6第陆点 A8第八点 AlO第十点 A12第十二点 A14第十四点 B2第二位置 B4第四位置 B6第六位置 B8第八位置
B9第九位置 BlO第十位置Bll第i^一位置 B12第十二位置B13第十三位置 B14第十四位置810封闭反应室 820反应空间830电浆产生装置 840热丝装置850基板860基板承载组件870加热器 875基板移入部880基板移出部 91反应室92供气部 93直流电源94触媒热丝 95排气阀96载台97加热器920底层910薄膜
具体实施例方式本发明是为一种具有高熔点保护层的金属丝结构及其制法，如图5所示，关于 本发明的具有高熔点保护层的金属丝结构100，其包括一核心部20，其为细丝状，其材质是金属；一保护层30，其材质是金属碳化物、金属氮化物其中之一，该保护层30通过放 电反应的镀覆过程，在5000°C以上温度使得该保护层30逐渐结合于该核心部20外表面至 一预定的保护层厚度，而完全包覆住该核心部20 ；又，该核心部20的截面形状是圆形 (如图5所示)、矩形、扁条状或其它几合图形。请参阅图6，关于本发明的方法部分，其包括下列步骤准备步骤11:准备一核心部20及一放电设备40，该核心部20为细丝状，其材 质是金属；该放电设备40具有一电源的正极41、一电源的负极42、一放电反应槽43、 一放电加工媒介44、一电极固定部45及一放电反应元件46 ；该放电加工媒介44置于该 放电反应槽43中，该电极固定部45固定该核心部20且该核心部20连接至该电源的负极 42，该放电反应元件46为金属且该放电反应元件46连接至该电源的正极41，该核心部 20与该放电反应元件46间具有一预定的放电间隙S，且该放电间隙S充满该放电加工媒 介44;又，该放电加工媒介44包括碳原子、氮原子其中之一；放电步骤12 该放电设备40进行放电，使得该核心部20与该放电反应元件46 间产生放电过程，参阅图9A、图9B及图9C，此放电过程的局部温度高于5000°C以上， 使得核心部20的金属原子会四散撞击至该放电反应元件46的外表面，同时该放电反应元 件46的金属原子会与放电加工媒介44中的原子(即碳原子或氮原子)结合并四散撞击至 该核心部20的外表面，进而在该核心部20外表面逐形成一保护层30 ；完成步骤13 制成一种具有高熔点保护层的金属丝结构100，其包括一核心部20，其为细丝状，其材质是金属；一保护层30，其材质是金属碳化物、金属氮化物其中之一，该保护层30通过放 电反应的镀覆过程，在高于5000°C以上温度使得该保护层30逐渐结合于该核心部20外表 面至一预定的保护层厚度，而完全包覆住该核心部20。
更详细的说，该核心部20的材质为钨(W)、钼(Pt)、钯(Pd)、钼(Mo)、钛 (Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、铬(Cr)、锰(Mn)或上述金属的合金，而保 护层30的材质可为钨(W)、钼(Pt)、钯(Pd)、钼(Mo)、钛(Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、 钴(Co)、镍(Ni)、铬(Cr)、锰(Mn)、含钨合金、含钼合金、含钯合金、含钼合金、含 钛合金、含铌合金、含钽合金、含钴合金、含镍合金、含铬合金、含锰合金等金属碳化 物或金属氮化物其中之一(例如碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、氮化钛(TiN)、碳化钨 (WC)、碳化铬(CrC)等)。另外，该核心部20与该保护层30是选用热膨胀系数相近的材质，避免受 热膨胀的程度不同而影响结合关系，例如当该核心部20为钨时，其膨胀系数约为 4.6 (IO-V0C),则该保护层30的材质，可选用碳化钨(WC)或碳化钛，碳化钨的热膨胀系 数约为3.7至5.7，碳化钛的热膨胀系数约为5.5，使该核心部20与该保护层30的热膨胀 系数相近。假设该放电反应元件46材质为钛，而该放电加工媒介44为一含有碳原子的液 体；本发明的关键特征在于利用放电机制，在放电时产生5000°C以上的温度，使得放电 反应元件46的钛原子与该放电加工媒介44中的碳原子化合成为碳化钛，并撞击至该电极 (假设材质为钨)上，并紧密的键结于电极上，逐渐形成一薄的碳化钛保护层，且此属于 原子与原子间的键结，因此结合的紧密度极佳。换言之，当使用本发明的具有高熔点保 护层的金属丝结构100时(假设该核心部20的材质为钨)，通电后此钨丝的工作温度约 为1850°C 2100°C，远低于此碳化钛保护层的生成温度，所以，此碳化钛保护层不会再 和反应气体(例如硅烷或氢气)反应，亦不会再产生硅化物。当然，放电加工过程中， 该放电加工媒介44亦可为一含有氮原子的气体(如氮气，N2),使钛原子与氮原子化合成 为氮化钛(TiN)，并撞击至该电极上，并紧密的键结于电极上，逐渐形成一薄的氮化钛保 护层。另外，在进行放电加工后形成一具有高熔点保护层的金属丝结构100。本发明是可使用于一热丝化学气相沉积法的设备中(即将现有技术的触媒热丝 94更换为本发明的具有高熔点保护层的金属丝结构100)，如图10、图11及图12所示， 当该反应室91内充入硅烷(SiH4)气体(如图中的箭头)且该核心部20的温度未达硅的 熔点(约1410°C )时，该保护层30是保护该核心部20而不与气体接触(该保护层30的 熔点是高于5000°C以上)，解决现有技术气体不能完全产生分解反应而残留于该触媒热 丝94的表面(亦即形成硅化物)的缺点。关于本发明的成品的应用领域，是列举下列两应用例作为说明应用一将本发明的具有高熔点保护层的金属丝结构加热，并使通过该保护层 30表面的反应气体被加热产生游离基，进行硅(Si)、铝(Al)、氮化钛(TiN)等材料表 面及铜膜(即Cu膜)等阻碍膜清洁化的技术应用。而反应气体可使用从氢(H2)、氨 (NH3)、硅烷(SiH4)、联氨(NH2NH2)及水(H2O)气体所构成的群组中选择一种(含)以 上的气体。例如反应气体为氢气(H2)或水蒸气(H2O)时可生成H原子游离基，反应气 体为氨(NH3)时可生成NH和NH2原子游离基。应用二 将本发明的具有高熔点保护层的金属丝结构加热，并让通过金属 丝表面的反应气体(例如CH4)被加热产生游离基(C原子等)进行类钻碳(DLC，Diamond-Like Carbon)的镀膜。关于本发明的实际测试结果，说明如下如图13及图14所示，其分别为一般钨丝的外观示意图及本发明的外观示意图， 而图15是本发明的局部放大示意图，图15中明显的观察出，本发明具有2至3μιη的保 护层30。请参阅图16，其是为该保护层30的EDS (能量散布分析仪，EnergyDispersive
Spectrometer)分析，其中，碳原子67%，钛原子3%，钨原子30%，证实该保护层30的 批覆效果。在硬度方面，利用维氏硬度量测的结果显示，一般钨丝为HV400，而本发明则 提升至HV700，有助于钢性的提升；关于加热方面，一般钨丝在通电(直流电压)加热 至600°C时，即软化下垂(如图17所示)，而本发明加热至600°C时，则无下垂现象(如 图18所示)。另外，请参照下列的第一表与图17 (第一表的位置编号是对应图17中的位置编 号第一点Al至第十四点A14)，其是为一般钨丝的温度分布情形，由此可知，在均温方 面，一般钨丝的高低温分布极不平均(高温集中在右边)；请参照下列第二表及图18 (第 二表的位置编号是对应图18中的位置编号第一位置Bl至第十四位置B14)，其是为本发 明的温度分布情形，由此可知，在均温方面，本发明具有较平均的温度分布。第一表一般钨丝的温度分布表
权利要求
1.一种具有高熔点保护层的金属丝结构，其特征在于，包括一核心部，其为细丝状，其材质是金属；一保护层，其材质是金属碳化物、金属氮化物其中之一，该保护层通过放电反应的 镀覆过程，在5000°c以上温度使得该保护层逐渐结合于该核心部外表面至一预定的保护 层厚度，而完全包覆住该核心部。
2.—种具有高熔点保护层的金属丝结构制法，其特征在于，包括下列步骤准备步骤准备一核心部及一放电设备，该核心部为细丝状，其材质是金属；该放 电设备具有一电源的正极、一电源的负极、一放电反应槽、一放电加工媒介、一电极固 定部及一放电反应元件；该放电加工媒介置于该放电反应槽中，该电极固定部固定该核 心部且该核心部连接至该电源的负极，该放电反应元件为金属且该放电反应元件是连接 至该电源的正极，该核心部与该放电反应元件间具有一预定的放电间隙，且该放电间隙 充满该放电加工媒介；又，该放电加工媒介包括碳原子、氮原子其中之一；放电步骤该放电设备进行放电，使得该核心部与该放电反应元件间产生放电过 程，此放电过程的局部温度高于5000°C以上，使得核心部的金属原子会四散撞击至该放 电反应元件的外表面，同时该放电反应元件的金属原子会与放电加工媒介中的原子结合 并四散撞击至该核心部的外表面，进而在该核心部外表面逐形成一保护层；完成步骤制成一种具有高熔点保护层的金属丝结构，其包括一核心部，其为细丝状，其材质是金属；一保护层，其材质是金属碳化物、金属氮化物其中之一，该保护层通过放电反应的 镀覆过程，在高于5000°C以上温度使得该保护层逐渐结合于该核心部外表面至一预定的 保护层厚度，而完全包覆住该核心部。
3.根据权利要求1所述的具有高熔点保护层的金属丝结构，其特征在于所述核 心部的材质为钨、钼、钯、钼、钛、铌、钽、钴、镍、铬、锰、含钨合金、含钼合金、 含钯合金、含钼合金、含钛合金、含铌合金、含钽合金、含钴合金、含镍合金、含铬合 金、含锰合金其中之一。
4.根据权利要求2所述的具有高熔点保护层的金属丝结构制法，其特征在于所 述放电反应元件的材质为钨、钼、钯、钼、钛、铌、钽、钴、镍、铬、锰、含钨合金、 含钼合金、含钯合金、含钼合金、含钛合金、含铌合金、含钽合金、含钴合金、含镍合 金、含铬合金及含锰合金其中之一。
5.根据权利要求1所述的具有高熔点保护层的金属丝结构，其特征在于所述保护 层的材质为钨、钼、钯、钼、钛、铌、钽、钴、镍、铬、锰、含钨合金、含钼合金、含 钯合金、含钼合金、含钛合金、含铌合金、含钽合金、含钴合金、含镍合金、含铬合金 及含锰合金的金属碳化物其中之一。
6.根据权利要求1所述的具有高熔点保护层的金属丝结构，其特征在于所述保护 层的材质为钨、钼、钯、钼、钛、铌、钽、钴、镍、铬、锰、含钨合金、含钼合金、含 钯合金、含钼合金、含钛合金、含铌合金、含钽合金、含钴合金、含镍合金、含铬合金 及含锰合金的金属氮化物其中之一。
全文摘要
一种具有高熔点保护层的金属丝结构及其制法，其结构包括一核心部及一保护层，该核心部的材质是金属，该保护层的材质为金属碳化物或金属氮化合物；其制法包括下列步骤准备步骤、放电步骤及完成步骤，该保护层通过放电反应的镀覆过程，在5000℃以上温度使得该保护层逐渐结合于该核心部外表面至一预定的保护层厚度，而完全包覆住该核心部；故，本发明是兼具无硅化物的产生及可达到保护效果等优点及功效。
文档编号C23C16/44GK102021574SQ20091017030
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者林茂城, 郭佳笼 申请人:东捷科技股份有限公司