專利名稱：在工件的輪廓上形成保護(hù)層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在工件(workpiece)的輪廓上形成保護(hù)層(protection layer) 的方法，特別涉及一種以原子層沉積(Atomic Layer Deposition, ALD)制程在 工件的輪廓上形成保護(hù)層的方法。
背景技術(shù)：
一般金屬或合金工件，由于受到外在環(huán)境的侵害，可能會(huì)發(fā)生腐蝕 (corrosion)、沖蝕(erosion)或磨耗(wear)等不愿見(jiàn)到的破壞現(xiàn)象，進(jìn)而影響工 件的使用壽命。
一般而言，在工件的輪廓表面上形成一層保護(hù)層，可以相當(dāng)程度地加強(qiáng) 工件的各種特性，例如，耐腐蝕性(corrosion resistance)、耐沖蝕性(erosion resistance)、而寸磨耗銜wear resistance)、抗疲勞特性(fatigue resistance)…等特
性，進(jìn)而提升工件的使用壽命。此外，形成在工件的輪廓表面上的保護(hù)層也 可改變工件的輪廓表面的特性，例如，絕熱特性(heat insulation)、絕緣特性 (insulation)、親水性(hydrophilic)、疏水性(hydrophobic)、生物親和性 (bioaffinity)、表面色彩等特性。
傳統(tǒng)上，技術(shù)人員常通過(guò)電鍍(plating)、濺鍍(sputtering)、熱浸鍍 (hot-dipping)等方法，在工件的輪廓上形成保護(hù)層。然而，以傳統(tǒng)方法形成 的保護(hù)層常常會(huì)有厚度控制不佳、表面覆蓋能力不足或致密程度不足等缺 點(diǎn)。此類質(zhì)量不佳的保護(hù)層對(duì)在工件使用壽命的提升，并不會(huì)有很大的幫助
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的是提供一種在工件的輪廓上形成保護(hù)層的方法，其利用 原子層沉積制程形成保護(hù)層。借此，可以提供良好的保護(hù)效果，加強(qiáng)工件的 各種特性，進(jìn)而提升工件的使用壽命。
本發(fā)明一較佳實(shí)施例的方法是通過(guò)一原子層沉積(Atomic Layer Deposition, ALD)制程及/或一電漿增強(qiáng)原子層沉積(plasma-enhanced ALD)制 程(或一電漿輔助原子層沉積(plasma-assistedALD)制程)，在工件的輪廓上形 成一無(wú)機(jī)層(inorganic layer),其中所述無(wú)機(jī)層即作為所述保護(hù)層。
因此，本發(fā)明的方法，是利用原子層沉積制程在工件的輪廓上形成保護(hù) 層。借此，可以提供良好的保護(hù)效果，加強(qiáng)工件的各種特性，例如，耐腐蝕 性(corrosion resistance)、 耐沖蝕性(erosion resistance)、 而寸磨耗性(wear resistance).抗疲勞特性(fatigue resistance)等憐性，進(jìn)而提升工件的使用壽命。 此外，本發(fā)明的方法形成在工件的輪廓上的保護(hù)層也可改變工件的輪廓表面 的特性，例如，絕熱特性(heat insulation)、絕緣特性(insulation)、親水性 (hydrophilic)、疏水性(hydr叩hobic)、生物親和性(bioaffmity)、表面色彩等特 性，進(jìn)而讓工件的用途更為廣泛，進(jìn)而提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。


為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下面將結(jié)
合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明
圖1是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的方法的示意圖。
圖2A至圖2D是圖1中無(wú)機(jī)層的組成及其原料的對(duì)照表。 圖3是三種工件的極化曲線圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明一較佳實(shí)施例的方法的示意圖。本發(fā)明一較 佳實(shí)施例的方法是用以在工件10的輪廓12上形成保巧層。工件10可由金 屬及/或合金制成。用以制成工件10的金屬可為鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(A1)、鉻(Cr)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鈷(Co)、鈾(Pt)、鈀(Pd)或金(Au)，但不以此 為限。用以制成工件10的合金可為鎂合金、鋁合金、鈦合金、鉻合金、鎳 合金、銅合金、鈷合金、鉑合金、鈀合金、鐵鎳合金、鐵鉑合金、鎂鋁合金、 鎂鋰合金、鋁鋰合金、不銹鋼、TiNi基記憶合金、TiNiCu基記憶合金、CoCrMo、 TiAlV、鎳基超合金、鈷基超合金或鐵鎳基超合金，但不以此為限。
如圖1所示，將工件10置入設(shè)計(jì)作為執(zhí)行原子層沉積制程的反應(yīng)腔體 (reaction chamber)20內(nèi)。
接著，通過(guò)原子層沉積制程，在工件10的輪廓12上形成無(wú)機(jī)層(inorganic layer)14。所述無(wú)機(jī)層14即作為工件10的保護(hù)層。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，亦可同 時(shí)配合電漿增強(qiáng)原子層沉積制程或電漿輔助原子層沉積制程，在工件10的 輪廓12上形成無(wú)機(jī)層14，通過(guò)將部分原料離子化的方式來(lái)降低制程溫度， 以提高制程的質(zhì)量。須注意的是，原子層沉積制程又名原子層磊晶(Atomic Layer Epitaxy, ALE)制程或原子層化學(xué)氣相沉積(Atomic Layer Chemical Vapor Deposition, ALCVD)，上述制程實(shí)際上為同一種制程。
在此實(shí)施例中，所述無(wú)機(jī)層14可在完成沉積后進(jìn)一步在范圍從IO(TC至 1500 °C中的溫度下進(jìn)行退火處理(annealing)。
請(qǐng)參閱圖2A至圖2D，圖2A至圖2D是圖1中無(wú)機(jī)層14的組成及其原 料的對(duì)照表。在此實(shí)施例中，無(wú)機(jī)層14的組成可為A1203、 A1N、 A1P、 AlAs、 AlxTiYOz、 AlxCrYOz、 AlxZrYOz、 AlxHfYOz、 BixTiYOz、 BaS、 BaTi03、 CdS、 CdSe、 CdTe、 CaS、 CaF2、 CuGaS2、 CoO、 Co304、 Ce02、 Cu20、 CuO、 FeO、 GaN、 GaAs、 GaP、 Ga203、 Ge02、 HfG2、 Hf3N4、 HgTe、 InP、 InAs、 ln203、 In2S3、固、LaA103、 La2S3、 La202S、 La203、 La2Co03、 La2Ni03、 La2Mn03、 MoN、 Mo2N、 Mo02、 MgO、 MnOx、 NiO、 NbN、 Nb205、 PbS、 Pt02、 Si3N4、 Si02、 SiC、 Sn02、 Sb205、 SrO、 SrC03、 SrTi03、 SrS、 SrS10cSex、 SrF2、 Ta205、 TaOxNY、 Ta3N5、 TaN、 TixZrYOz、 Ti02、 TiN、 TixSiYNz、 TiHfYOz、 W03、 W2N、 Y203、 Y202S、 ZnSj-xSex、 ZnO、 ZnS、 ZnSe、 ZnTe、 ZnS、.xSex、 ZnF2、 Zr02、 Zr3N4、 ZrxSiYOz或其它類似化合物，或?yàn)樯鲜龌衔锏幕旌衔?mixture),但不以此為限。無(wú)機(jī)層14的組成及其原料的對(duì)照表是如圖2A至 圖2D所示。
如圖 2A至圖 2D所示的對(duì)照表中，thd 是指 2,2,6，6，-tetramethyl-3,5-heptanediode。堿土族以及yttrium thd復(fù)合物可能包含 中性加成物(adduct)或可能經(jīng)過(guò)小程度的低聚合處理(oligomerized)。如圖2A 至圖2D所示的對(duì)照表中，acac是指acetyl acetonate， JPr是指CH(CH3)2， Me是指CH3， tBu是指C(CH3)3， apo是指2國(guó)amino誦pent-2-en-4-onato， dmg 是指 dimethylglyoximato ， (Bu'O)3SiOH 是指 tris(yeW-butoxy)silanol (((CH3)3CO)3SiOH) ， La(iprAMD)3 是 指 tris(N,N ， -diisopropylacetamidinato)lanthanum。
如圖1所示，以通過(guò)原子層沉積制程生成氧化鋁原子層為例，說(shuō)明原子
層沉積制程。在一個(gè)原子層沉積的周期內(nèi)的反應(yīng)步驟可分成四個(gè)部分
1. 利用載送氣體22將H20分子24導(dǎo)入反應(yīng)腔體20中，H20分子24 在進(jìn)入反應(yīng)腔體20后會(huì)吸附在工件10的輪廓12表面，在工件10的輪廓12 表面吸附單一層O-H鍵結(jié)。
2. 通入載送氣體22且利用幫浦(pump)28將多余未吸附在基材10的H20 分子24抽走。
3. 利用載送氣體22將TMA(Trimethylaluminum)分子26導(dǎo)入反應(yīng)腔體 20中，與原本吸附在工件10的輪廓12表面的單一層O-H鍵結(jié)，在工件IO 的輪廓12上反應(yīng)形成單一層的Al-0鍵結(jié)，副產(chǎn)物為有機(jī)分子。
4. 通入載送氣體22且利用幫浦28,帶走多余的TMA分子26以及反應(yīng) 產(chǎn)生的有機(jī)分子副產(chǎn)物。
其中載送氣體22可以采用高純度的氬氣或氮?dú)?。以上四個(gè)步驟稱為一 個(gè)原子層沉積的周期(ALD cycle), —個(gè)原子層沉積的周期可以在工件10的 輪廓12的全部表面上成長(zhǎng)單一原子層厚度的薄膜，此特性稱為『自限成膜』 (self-limiting),此特性使得原子層沉積在控制薄膜厚度上，精準(zhǔn)度可達(dá)一個(gè) 原子層(one monolayer)。利用控制原子層沉積的周期次數(shù)即可精準(zhǔn)地控制薄膜的厚度。
在此較佳實(shí)施例中，制程溫度設(shè)定范圍可從室溫至60(TC。值得注意的 是，由于制程溫度較低，可以減少高溫造成的設(shè)備故障及/或損壞，進(jìn)而提高 制程可靠度以及設(shè)備妥善率。
通過(guò)原子層沉積制程形成的無(wú)機(jī)層具有下列優(yōu)點(diǎn)
1. 極高的表面覆蓋能力。
2. 精密的厚度控制，精密度可達(dá)一個(gè)原子層。
3. 材料缺陷密度低，無(wú)孔洞結(jié)構(gòu)。
4. 材料成長(zhǎng)溫度較低。
5. 精準(zhǔn)的材料成分的控制。
6. 原料均勻度要求低。
7. 制程穩(wěn)定度與重復(fù)度極高。
請(qǐng)參閱圖3，圖3是三種工件的極化曲線圖。工件A(未顯示)、工件B(未 顯示)以及工件C(未顯示)皆為以鎂合金制成的工件。工件A具有通過(guò)原子層 沉積制程形成的lOOnm厚度的氧化鋁保護(hù)層。工件B具有通過(guò)原子層沉積 制程形成的50nm厚度的氧化鋁保護(hù)層。工件C不具有保護(hù)層。如圖3所示， 工件A的腐蝕電位大于工件B的腐蝕電位，前二者的腐蝕電位又大于不具 有保護(hù)層的工件C的腐蝕電位。再者，工件A的腐蝕電流小于工件B的腐 蝕電流，前二者的腐蝕電流又小于不具有保護(hù)層的工件C的腐蝕電流。以此 可判斷，具有氧化鋁保護(hù)層的工件A以及工件B的耐腐蝕性，比不具有保 護(hù)層的工件C要好上許多。由此可見(jiàn)，通過(guò)原子層沉積制程形成的保護(hù)層， 對(duì)工件具有相當(dāng)程度的保護(hù)作用。
相較在現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的制造工件的方法，是利用原子層沉積制程在 工件的輪廓上形成保護(hù)層。通過(guò)原子層沉積制程形成的保護(hù)層具有極高的表 面覆蓋能力、精密的厚度控制、低材料缺陷密度、精準(zhǔn)的材料成分控制、原 料均勻度要求低以及制程穩(wěn)定度與重復(fù)度極高等優(yōu)點(diǎn)。借此，可以提供良好 的保護(hù)效果，加強(qiáng)工件的各種特性，例如，耐腐蝕性(corrosion resistance)、耐沖蝕性(erosion resistance)、耐磨耗性(wear resistance)、抗疲勞特性(fatigue resistance)等特性，進(jìn)而提升工件的使用壽命。此外，根據(jù)本發(fā)明的方法形成 在工件的輪廓表面上的保護(hù)層也可改變工件的輪廓表面的特性，例如，絕熱 特性(heat insulation)、絕緣特性(insulation)、親水性(hydrophilic)、疏水性 (hydrophobic^生物親和性(bioaffinity)、表面色彩等特性，進(jìn)而讓工件的用 途更為廣泛，進(jìn)而提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
以上己對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行了具體說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于所述 實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出種種 的等同的變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限 定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種在一工件的一輪廓上形成一保護(hù)層的方法，其特征在于，所述工件由至少一金屬及/或至少一合金制成，所述方法包含下列步驟通過(guò)一原子層沉積制程及/或一電漿增強(qiáng)原子層沉積制程，在所述工件的所述輪廓上形成一無(wú)機(jī)層，其中所述無(wú)機(jī)層即作為所述保護(hù)層。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)層是在范圍從室溫至60(TC中的一制程溫度下形成。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)層在完成沉積后進(jìn)一步在范圍從IO(TC至150(TC中的一溫度下進(jìn)行退火處理。
4、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述至少一金屬包含選自 由鎂、鈦、鋁、鉻、鐵、鎳、銅、鈷、鉑、鈀以及金所組成的一群組中的其 中一個(gè)。
5、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述至少一合金包含選自 由鎂合金、鋁合金、鈦合金、鉻合金、鎳合金、銅合金、鈷合金、鉑合金、 鈀合金、鐵鎳合金、鐵鉑合金、鎂鋁合金、鎂鋰合金、鋁鋰合金、不銹鋼、TiNi基記憶合金、TiNiCu基記憶合金、CoCrMo、 TiAlV、鎳基超合金、鈷 基超合金以及鐵鎳基超合金所組成的一群組中的其中一個(gè)。
6、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)層的組成包含選 自由八1203、 A1N、 A1P、 AlAs、 AlxTiYOz、 AlxCrYOz、 AlxZrYOz、 AlxHfYOz、 BixTiYOz、 BaS、 BaTi03、 CdS、 CdSe、 CdTe、 CaS、 CaF2、 CuGaS2、 CoO、 Co304、 Ce02、 Cu20、 CuO、 FeO、 GaN、 GaAs、 GaP、 Ga203、 Ge02、 Hf02、 Hf3N4、 HgTe、 InP、 InAs、 ln203、 In2S3、 InN、 LaA103、 La2S3、 La202S、 La203、 La2Co03、 La2Ni03、 La2Mn03、 MoN、 Mo2N、 Mo02、 MgO、 MnOx、 NiO、 NbN、 Nb2Os、 PbS、 Pt02、 Si3N4、 Si02、 SiC、 Sn02、 Sb205、 SrO、 SrC03、 SrTi03、 SrS、 SrS10cSex、 SrF2、 Ta205、 TaOxNY、 Ta3N5、 TaN、 TixZrYOz、Ti02、 TiN、 TixSiYNz、 TiHfYOz、 W03、 W2N、 Y203、 Y202S、 ZnSuxSex、 ZnO、 ZnS、 ZnSe、 ZnTe、 ZnS!'xSex、 ZnF2、 Zr02、 Zr3N4以及ZrxSiYOz所 組成的一群組中的至少其中一個(gè)。
7、 一種在一工件的一輪廓上形成一保護(hù)層的方法，其特征在于，所述 工件由至少一金屬及/或至少一合金制成，所述方法包含下列步驟通過(guò)一原子層沉積制程及/或一電漿輔助原子層沉積制程，在所述工件的 所述輪廓上形成一無(wú)機(jī)層，其中所述無(wú)機(jī)層即作為所述保護(hù)層。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)層是在范圍從室 溫至60(TC中的一制程溫度下形成。
9、 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)層在完成沉積后 進(jìn)一步在范圍從IOO'C至150(TC中的一溫度下進(jìn)行退火處理。
10、 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述至少一金屬包含選自 由鎂、鈦、鋁、鉻、鐵、鎳、銅、鈷、鉑、鈀以及金所組成的一群組中的其 中—個(gè)。
11、 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述至少一合金包含選自 由鎂合金、鋁合金、鈦合金、鉻合金、鎳合金、銅合金、鈷合金、鉑合金、 鈀合金、鐵鎳合金、鐵鉑合金、鎂鋁合金、鎂鋰合金、鋁鋰合金、不銹鋼、 TiNi基記憶合金、TiNiCu基記憶合金、CoCrMo、 TiAlV、鎳基超合金、鈷 基超合金、鐵鎳基超合金所組成的一群組中的其中一個(gè)。
12、 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)層的組成包含選 自由A1203、 A1N、 A1P、 AlAs、 AlxTiYOz、 AlxCrYOz、 AlxZrYOz、 AlxHfYOz、 BixTiYOz、 BaS、 BaTi03、 CdS、 CdSe、 CdTe、 CaS、 CaF2、 CuGaS2、 CoO、 Co304、 Ce02、 Cu20、 CuO、 FeO、 GaN、 GaAs、 GaP、 Ga203、 Ge02、 Hf02、 Hf3N4、 HgTe、 InP、 InAs、 ln203、 In2S3、 InN、 LaA103、 La2S3、 La202S、 La203、 La2Co03、 La2Ni03、 La2Mn03、 MoN、 Mo2N、 Mo02、 MgO、 MnOx、 NiO、 NbN、 Nb205、 PbS、 Pt02、 Si3N4、 Si02、 SiC、 Sn02、 Sb205、 SrO、 SrC03、 SrTi03、 SrS、 SrS10cSex、 SrF2、 Ta205、 TaOxNY、 Ta3N5、 TaN、 TixZrYOz、Ti02、 TiN、 TixSiYNz、 TiHfYOz、 W03、 W2N、 Y203、 Y202S、 ZnS10(Sex、 ZnO、 ZnS、 ZnSe、 ZnTe、 ZnS!國(guó)xSex、 ZnF2、 Zr02、 Zi^N4以及ZrxSiyOz所 組成的一群組中的至少其中一個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在一工件的一輪廓上形成一保護(hù)層的方法。所述工件由至少一金屬及/或至少一合金制成。本發(fā)明的方法是通過(guò)一原子層沉積制程及/或一電漿增強(qiáng)原子層沉積制程(或一電漿輔助原子層沉積制程)，在所述工件的所述輪廓上形成一無(wú)機(jī)層，其中所述無(wú)機(jī)層即作為所述保護(hù)層。
文檔編號(hào)C23C16/56GK101418435SQ20071016691
公開(kāi)日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2007年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者林新智, 陳敏璋 申請(qǐng)人:林新智;陳敏璋