TW509660B - Method for fabricating silicon oxynitride - Google Patents

Description

509660 Λ7 Β7 五、發明説明（ 經濟部中央標準局貞工消费合作社印製 發明領域： 本發明係關於摻雜氮之矽石，其稱為矽羥基腈(silic〇n oxynitride)或SiOxNy。特別地，本發明亦關於使用矽氨烷 或矽氧烷啟始原料來形成摻雜氮之矽石。 發明背景： 矽羥基腈已廣泛地使用於各種應用中。改變矽羥基腈 折射率於廣泛範圍内之能力使得該材料在光學應用上深具 吸引力。純Si〇2之折射率為1.46,以及Si3N4折射率為2·ι 。因此摻雜氮之矽石折射率能夠變化於146至21範圍内 。除此，摻雜氮之矽石光學波導有助於防止紫外線對波導 之損壞，其將導致並不想要之損失。 在光學波導應用中，矽羥基腈藉由電漿或非電漿CVD法 使用矽烷及/或氨氣體製造出。對於光學應用，使用氨為並 不想要的因為氨含有氫，以及所形成合成矽羥基腈可能含 有部份氫，其顯著地將使波導產生損耗。 除此，矽烷原料必需非常小心地處理，由於當空氣加入 矽觥抢閉容器内將產生劇烈之反應。矽烷通常使用於半導 體基質上以形成薄膜，其需要沉積具有良好特性之薄膜以 作為半導體應用。在製造半導體薄膜時，薄臈特性較沉積 速率更為重要。在製造光學組件中，大量的原料 速 地製造出，製造光學組件例如為辨波導 較半 導體_之_速較躲速。 積嫌+ 倾基腈能夠藉由有機金偏化物例如為 水解或熱解製造出。不過，使_b物為不利的，因為這些 午 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1" 509660 本紙張/ A7 B7 五、發明説明（7 ) 原料水解以及熱解將產生氣氣或強酸副產物，鹽酸(hci)。 鹽酸不但對許纽積基質以及反應設财_，同時亦對 外界環境具有危害性。 除此，使用傳統之外侧汽相沉積(_)法難以製造大量 矽羥基腈以及波導預製件，其將使沉積材料暴露於空氣中 。在使用傳統OVD法形成矽羥基腈時所遭遇到困難在於當 處理過程時系統暴露於空氣，氧原子優先地鍵結至矽原; 而優先於氮原子，其將形成矽石而非矽羥基腈。 在一般OVD處理過程中，運載氣體形成氣泡通過液態有 含矽化合物。所形成氣態化合物藉由運載氣體傳送至燃燒 器，其中蒸汽氣流與天然氣以及氧氣燃燒於燃燒器火焰中 。在傳統OVD處理過程中存在氧氣將氣態反應劑轉化為其 氧化物，離開燃燒器開口以形成一股揮發性氣體以及微細 分離球狀賴粒之粉塵，該粉塵將沉積於基質上形成多孔性 整體或粉塵預製件，例如為矽石粉塵。

Blackwell等人之美國第5152819號專利說明在〇VD處 理過程使用不含鹵化物含矽化合物包含八甲基環四石夕氧燒 以製造出高純度熔融矽石玻璃，該專利之說明在此加入作 為參考。八甲基環四矽氨烧[(CH3)2SiNH]4在此以OMCTSZ 表示，在室溫下為白色固體以及沸點為225°C。在美國第51 52819號專利中所說明OVD處理法，其使用OMCTSZ作為原料 以製造純矽石粉塵，在粉塵中氮含量小於〇. 01%。 鑑於在製造矽羥基腈時所遭遇之困難，存在一項需求 以尋求一種製造矽羥基腈之方法，該方法將避免先前所提 尺度適州中國國家檑準（CNS〉八4規格（210 X 297公修） 5 (請先閱讀背面之注意事項#填¾本I)

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五、發明説明（3 及之問題。特別是，t要-種製造石夕經基腈之方法，其並不 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本页) 丨會包含部伤氫。除此，亦需要提供一種處理過程，其將避免 氧原子優先地鍵結至矽原子，其將產生非常純的矽石。 發明大要： . 我們發現一種製造矽羥基腈之方法，其包含下列步驟： 提供氣體化合物氣流，該化合物由包含矽氧烷以及矽氨烷 種類選取出。依據本發明方法作為’處理化合物之一項範例 ，固態八甲基環四矽氨烷(0MCTSZ)被加熱，優先地溫度在 130 C至225。(：將使0MCTSZ成為液態，及蒸汽氣流能夠藉由 :將惰性運載氣體形成氣泡通過〇MCTSZ液體以形成氣態 丨0MCTSZ氣態氣流。氣態矽氨烷氣流傳送至密閉反應位置， 其加熱至溫度為至少5〇〇°C,優先地界於7〇〇°c至900°C範圍 内，在該處氣流被轉化為矽羥基腈顆粒，其含氮量大於〇. 1% 重量比。' 在本發明另外一項中，反應位置處存在之氧含量嚴袼 地加以限制以防止純矽石產生以及促使矽羥基腈之形成。 經濟部中央標準局—工消资合作社印製 :優先地，在反應位置處之氧氣含量藉由控制密閉反應位置 中氧氣部份壓力而限制為非常低之含量。在反應位置存在 之氧氣含量決定於本發明方法形成矽羥基腈最終產物所需 :要之組成份。氣態矽氨烷氣流在加熱反應位置形成矽羥基 腈。在另外一個實施例中，氣態矽氨烷氣體之氣流能夠與 含石夕化合物之氣態氣流例如為矽羥基腈結合。 因而，本發明提供一種方法以製造矽羥基腈，其並不包 含氫，以及提供一種方法在0VD處理過程中防止氧原子優先 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4规2丨0X^7公釐） 509660 ___ 137 五、發明説明（午） 經濟、-^ί^^標準局負工合作社印製 A7 地與矽原子鍵結。本發明其他特性以及優點在下列說明中 揭示出，其部份由說明變為清楚，或藉由實施本發明而了解 。人們了解下列一般說明以及詳細說明為範例性以及作為 申請專利範圍之更進一步說明。 詳細說明： 現在詳細地對本發明優先實施例說明。本發明提供一 種使用矽氨烷或矽氧烷啟始材料製造矽羥基腈之方法。 本發明提供一種製造矽羥基腈之方法，其包含步驟為 提供矽氧烷或矽氨烷蒸汽氣流以及傳送氣態氣流至密閉反 應位置，其加熱至溫度至少為500°C。當使用於該應用中， 所謂π矽氨纟完”係指含有一，種或多種矽氮鍵有機矽氮化合物 ，其包含氨基矽氨烷，線性矽氨烷，以及環矽氧烷，其中氮原 子以及單一元素或多個元素基鍵結至石夕原子。本發明令所 謂"矽氧燒11為含有[Ο-Si-N]單元之化合物，其包含線性或 環矽氧烷。許多矽氨烷以及矽氧烷能夠使用於本發明方法 中，包含聚矽氨烷以及聚矽氧烷。 傳送氣態矽氨烷或矽氧烷氣流至反應位置能夠藉由使 用惰性運載氣體例如為氮氣，氬氣或氦氣達成。在反應位 置處存在氧氣含量嚴格限制以防止矽石之形成。在反應位 置處氧氣含量藉由控制密閉反應位置中氧氣部份壓力而加 以限制。 ， 在範例性實施例中，氣態矽氨烷氣流藉由加熱固態八 甲基環四矽氨貌(0MCTSZ)以產生0MCTSZ液體。固態0MCTSZ 應該加熱至至少12(TC，優先地加熱至14(TC將0MCTSZ熔融 本紙張尺度i⑽巾f_家椋^TCNS)八视格公雜j (請先閲讀背而之注意事項孙填寫本頁)

509660 A7 137 經濟部中央標準居貞.工消費合作社印11 五'發明説明（y) 為液態。固態OMCTSZ能夠容納於容器中及利用適當加熱源 例如加熱板，油浴，或加熱帶加熱。本發明方法可更進一步 包含將惰性氣體形成氣泡通過0MCTSZ液體以產生〇]〇%氣 流。如本發明說明書中所謂"惰性氣體》係指非反應性氣體 ，例如為氬氣，氮氣，或氦氣。氣態0MCTSZ再傳送至密閉反 應位置加熱為700°C至800°C，其中氧氣含量嚴格地加以控 制以促使SiOxNy顆粒之形成，其氮含量大於〇· 重量比。 希閉反應位置能夠為熔融砍石管件。管件可放置於高 溫爐中對反應位置加熱，或由加熱元件或火焰圍繞著。藉 由密閉管件，能夠控婦件喊氣數量。氣_CTSZ氣體 能夠藉由流量控制器傳送至管件中。 在反應位置中存在氧氣能夠藉由數種方法加以控制。 ，，，籍由流量控制器傳送氧氣至反應位置能夠促使控制 取終雜巾之含氧量。在反應位置處限制氧氣 存在量將促财錄腈戦以及防止财^戦。由本發 明處理過_狀_基腈組成份_依據材料最終所需 要之用途加以變化。材料能|纟使用作為光學波導應用，及 在石夕殘基腈組成份情數量將蚊於波導光學特性例如為 折射率分佈。對於任何所需要組成份，霞^ 氣流以及氧氣最佳«能觸由實驗決定出。 在反應位置氧氣存在量能_由單純地將反應位置密 在密閉管件令而加以限制，以及允許與管件内側大 =予ϋ‘氣發生反應。因而，為了形成Si⑽，並不需要供 您壬何氧乳至反應管件。例如，在一個試驗操作中，固態/、

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509660 A7 五、發明説明（6 ) -------J—管衣—丨 Γ請先間讀背而之注意事if再填¾本頁) 0MCTSZ加熱至133°C以形成0MCTSZ液體，以及2〇 〇標準立方 公分每分鐘氮氣形成氣泡通過液體以形成汽化〇MCTSZ氣流 ° 0MCTSZ氣流傳送至反應位置，該位置為加熱至之碎 石管件。並無氧氣加入反應位置，以及最終所形成Si⑽材 料包含25. 84%之氧，其由化學分析之電子能譜術測定出。 如先前所提及，本發明方法所製造出矽羥基腈能夠使 用作為光學波導。如先前所說明，Si3N4折射率高於8丨〇2折 射率。藉由將矽石波導摻雜氮以形成Si〇xNy可形成波導心 蕊，矽石包層能夠加於其上面以形成光學波導。在心蕊材 料内所含氮氣含量決定於波導所需要之折射率分佈。 假如需要情況下，氣態矽氨烷或矽氧烷之反應系統能 夠與含有機材料例如為八甲基環四矽氨烷之反應氣流結合 ，其傳送至反應位置以產生另外一種矽石原料。光學波導 預製件能夠使用本發明方法製造出，其中矽羥基腈沉積在 熔融矽石管件内側。因而，沉積矽羥基腈材料形成心蕊區 域，其折射率高於包層區域，其包含石夕石管件管壁。 經濟部中央標準局買工消费合作社印製 假如依據本發明形成之材料被使用作為波導，接績形 成波導毛胚之處理過程為依循業界所實施之過程。在傳統 實施過程中，光學波導製造為三個步驟之處理過程。目前 最常使用處理過程包含沉積處理過程，其中毛胚藉由化學 汽相沉積法例如為〇VD，MCVD，AVD或PCVD製造出。光纖製造 處理過程第二階段通常包含在氦氣/氯氣中對毛胚進行熱 處理以達到完全固結。毛胚第三階段為抽拉為波導，例如 為波導纖維。 才人適用中國國表標準（CNS ) Λ4規格（η以μ秘 °1 ' 509660 Λ7 B7 五、發明説明（7 ) ·. 熟知此技術者能夠依據本發明作出各種變化及改變， 但是並不會脫離本發明之精神及範圍。而這些變化及改變 均包含於本發明申請專利範圍内。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS )八4规格（2〗〇Χ2π公釐) /0

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局負工消f合作社印製 Λ8 B8 C8 D8 1. 一種製造賴基腈之方法，其包含下列步驟： 提供-種氣態氣流化合物，其由魏烧以及魏燒種類 選取出； .< 提供密閉反應位置，其加熱至溫度至 。c · 限制反應位置處存在之含氧量；以及〜 ’ 將氣態氣流傳送至反應位置以形成石夕絲膀，其含氮量 大於0.1%重量比。 2. 依射請專利顧第丨項之方法，其切魏為聚錢貌 3. 依據申料娜Μ 2項之綠，其中財魏為環聚石夕 氮烷。 4·依據申請專利||圍第3項之方法，其中環聚石夕氨燒為八甲 基環四矽氨烷。 5.依據申請專利範圍第4項之方法，其中提供氣態氣流之步 驟更進一步包含下列步肆： 對固態八甲基環四矽氨烷加熱以產生八甲基環四矽氨烷 液體；以及將惰性氣體形成氣泡通過八甲基環四矽氨烷液70 體以形成氣態八甲基環四矽氨烷氣流。 6·依據申請專利範圍第5項之方法，其中運載氣體由氮氣， 氬氣以及氦氣種類選取出。 ’ 7·依據申請專利範圍第6項之方法，其中反應位置加熱至溫 度為70(TC 至80(TC 〇 8·依據申請專利範圍第7項之方法，其中固態八甲基環四矽 氨烷加熱至溫度為13(TC至225X：。 9·依據申請專利範圍第8項之方法，其中密閉反應位置為熔 本紙成尺度適州屮剛’:心標半（CNS ) 规格（ (請先閱讀背而之注意事項再填寫本Ji)

   509660 A8 B8 C8 D8 10* 六、申請專利範園 融石夕石管件。 10.依據申請專利範吗第9項之方法，其中更進一步包含將 八甲基環四矽氨烷氣流與含矽化合物蒸汽氣流混合。 ]^—·裝一丨 (請先閱讀背而之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（21 OX 297公釐）