CN101209927A - 导电氧化物陶瓷溅射靶材的热压制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导电氧化物陶瓷溅射靶材的热压制备方法，通过在金属氧化物粉体原料中加入所述金属氧化物对应的金属粉并与之充分混合，或在靶材的制备过程中向保护气氛中充入H₂气，使得靶材原位一次合成，即靶材材料的被还原与靶材成型烧结是同时进行的，简化了靶材制备的工艺流程；并通过控制金属粉加入量或保护气氛中H₂的流量比例，可以控制成型靶材的电阻率，可以满足不同靶材的制备要求。

Description

导电氧化物陶瓷溅射靶材的热压制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电氧化物陶瓷溅射靶材的热压制备方法。

背景技术

陶瓷的成型制备方法很多，  如无压烧结、注浆成型、热压烧结、热等静压烧结等等，无压烧结易于产生变形、靶材微观结构不均匀、成品率低；注浆成型由于需要大量的粘结剂，易于造成杂质污染，而且成型后的脱脂过程容易造成靶材变形或开裂，从而降低成品率；热等静压是制备高质量陶瓷的好方法，它在工业化制备ITO靶材方面取得了比较好的成功，但热等静压成本太高，而且在制备薄的靶材时易于产生变形；热压烧结也是制备陶瓷应用广泛的一种方法，其特点是工艺简单，能快速致密化，所以能制备密度高、晶粒细的产品，而且成本较低、成品率高。溅射镀膜需要的靶材种类繁多，而热压工艺灵活性较大，是最佳选择。

图1是陶瓷溅射靶材的热压工艺的设备示意图，热压工艺的基本原理为，将粉体原料装入模具，在真空或气氛保护条件下，将系统加热到一定的温度，通过施加一定的压力实现靶材材料的致密化。

氧化物在光学薄膜中有广泛的应用，如TiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅等等，它们都是性能优良的高折射率材料。氧化物陶瓷一般是介电材料，通常情况下，它们都是电的绝缘体。如果用上述材料制成的靶材进行溅射镀膜，都是采用射频离子束溅射沉积的方法。但射频溅射存在两个缺陷：1)对电源要求高，射频设备成本比较高；2)射频溅射沉积薄膜时沉积速率很低。如能提高溅射速率，将大大提高生产效率，降低生产成本。采用直流磁控溅射就是实现高沉积速率的方法。但直流磁控溅射需要靶材是电的良导体。

上述稀有金属氧化物材料都有一个共性，即当化学分子式中的氧部分缺失时，其陶瓷体都能成为电的良导体。在薄膜沉积时，通过氧的注入，得到氧使得薄膜的化学成分又恢复成原来化学计量比的膜层。

发明内容

本发明的目的是提供一种导电氧化物陶瓷溅射靶材的热压制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种导电氧化物陶瓷溅射靶材的热压制备方法，在金属氧化物粉体原料中加入所述金属氧化物对应的金属粉并与之充分混合，或在靶材的制备过程中向保护气氛中充入H₂气。

所述方法具体为：

方案1，包括如下步骤：

1)称取制作靶材的金属氧化物粉体原料和与之相应的金属粉；

2)将上述两种粉体用球磨的方法混合；

3)选用高强石墨模具，采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内粉体堆积高度均匀；

4)将模具放进上加压的分体式热压炉中，准备热压；

5)热压并采取保护气氛，在温度950℃～1100℃、压力15～40MPa环境下保温保压40min，直至靶材相对密度达到设计值；

6)采用附加保压工艺保压：维持原温度压力不变，恒温恒压下继续保温15～30min后，卸压。

方案2，包括如下步骤

1)称取制作靶材的粉体原料；

2)选用高强石墨模具，采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内粉体堆积高度均匀；

3)将模具放进上加压的分体式热压炉中，准备热压；

4)热压并采取保护气氛，并在保护气氛中注入H₂，在温度950℃～1100℃、压力15～40MPa环境下保温保压40min，直至靶材相对密度达到设计值；

5)采用附加保压工艺保压：维持原温度压力不变，恒温恒压下继续保温15～30min后，卸压。

所述保护气氛为真空或充入保护性气体，所述保护性气体为氮气、氩气类惰性气体。

所述方法通过对粉体原料中金属粉加入量或保护气氛中H₂的流量比例的控制，可以控制成型靶材的电阻率。

本发明通过在粉体原料中加入金属粉和在保护分为中注入H₂使得靶材原位一次合成，即靶材材料的被还原与靶材成型烧结是同时进行的，简化了靶材制备的工艺流程；并通过控制金属粉加入量或保护气氛中H₂的流量比例，可以控制靶材的电阻率，可以满足不同靶材的制备要求。

附图说明

图1是陶瓷溅射靶材的热压工艺的设备示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的方法做进一步详细的说明。

图1是陶瓷溅射靶材的热压工艺的设备示意图，该设备由炉体及压机组成，炉体包括加热室3及冷水循环单元1，真空系统单元2和电源及测温单元7，加热体6位于加热室3的围侧，粉体原料8置于模具5中，加压可以采用上加压或下加压，上加压通过压机的上压头4施加压力，下压头9固定，下加压通过压机的下压头9施加压力，上压头4固定，实际使用中多采用上加压的方式。

实施例一：10″TiO_2-x靶材的制备

1)称取纯度为99.99％、D₅₀为3～5μm的TiO₂粉体原料2000g；

2)称取纯度为99.8％、D₅₀为3～5μm的金属Ti粉原料110g；

3)采用球磨的方法将上述两种粉体混合，混合时间为2小时；

4)选用直径为260mm的高强石墨模具；

5)采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内粉体堆积高度均匀，测定最终粉体堆积高度；

6)将模具放进分体式炉体、上加压的热压炉中，准备热压；

7)热压工艺为：Ar保护，靶材设计相对密度RD≥90％，在温度950℃～1100℃、压力15～40MPa下保温保压40min，靶材相对密度达到设计值；

8)采用附加保压工艺保压：维持原温度压力不变，恒温恒压下继续保温15～30min后，卸压。

通过本实施例制备的靶材，采用阿基米德法测定整体靶材的密度，其相对密度为92％；XRD分析表明，靶材化学分子式为Ti₃O₅，即TiO_2-x，x＝0.33；用四点探针电导率测定仪测得靶材的电阻率为4.5Ω·cm。

实施例二：10″TiO_2-x靶材的制备

1)称取纯度为99.99％、D₅₀为3～5μm的TiO₂粉体原料2000g；

2)称取纯度为99.8％、D₅₀为3～5μm的金属Ti粉原料210g；

3)采用球磨的方法将上述两种粉体混合，混合时间为2小时；

4)选用直径为260mm的高强石墨模具；

5)采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内粉体堆积高度均匀，测定最终粉体堆积高度；

6)将模具放进分体式炉体、上加压的热压炉中，准备热压；

7)热压工艺为：Ar保护，靶材设计相对密度RD≥90％，在温度950℃～1100℃、压力15～40MPa下保温保压40min，靶材相对密度达到设计值；

8)采用附加保压工艺保压：维持原温度压力不变，恒温恒压下继续保温15～30min后，卸压。

通过本实施例制备的靶材，采用阿基米德法测定整体靶材的密度，其相对密度为91％；XRD分析表明，靶材化学分子式为Ti₂O₃，即TiO_2-x，x＝0.5；用四点探针电导率测定仪测得靶材的电阻率为0.8Ω·cm。

实施例三：10″TiO_2-x靶材的制备

1)称取纯度为99.99％、D₅₀为3～5μm的TiO₂粉体原料2000g；

2)称取纯度为99.8％、D₅₀为3～5μm的金属Ti粉原料460g；

3)采用球磨的方法将上述两种粉体混合，混合时间为2小时；

4)选用直径为260mm的高强石墨模具；

5)采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内粉体堆积高度均匀，测定最终粉体堆积高度；

6)将模具放进分体式炉体、上加压的热压炉中，准备热压。；

7)热压工艺为：Ar保护，靶材设计相对密度RD≥90％，在温度950℃～1100℃、压力15～40MPa下保温保压40min，靶材相对密度达到设计值；

8)采用附加保压工艺保压：维持原温度压力不变，恒温恒压下继续保温15～30min后，卸压。

通过本实施例制备的靶材，采用阿基米德法测定整体靶材的密度，其相对密度为97％；XRD分析表明，靶材化学分子式为TiO，即TiO_2-x，x＝1.0；用四点探针电导率测定仪测得靶材的电阻率为＜10^-4Ω·cm。

实施例四：10″ZrO_2-x靶材的制备

1)称取纯度为99.99％、D₅₀为3～5μm的ZrO₂粉体原料2000g；

2)称取纯度为99.8％、D₅₀为3～5μm的金属Zr粉原料165g；

3)采用球磨的方法将上述两种粉体混合，混合时间为2小时；

4)选用直径为260mm的高强石墨模具；

5)采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内粉体堆积高度均匀，测定最终粉体堆积高度；

6)将模具放进分体式炉体、上加压的热压炉中，准备热压；

7)热压工艺为：Ar保护，靶材设计相对密度RD≥90％，在温度950℃～1100℃、压力15～40MPa下保温保压40min，靶材相对密度达到设计值；

8)采用附加保压工艺保压：维持原温度压力不变，恒温恒压下继续保温15～30min后，卸压。

通过本实施例制备的靶材，采用阿基米德法测定整体靶材的密度，其相对密度为93％；XRD分析表明，靶材化学分子式为Zr₃O₅，即ZrO_2-x，x＝0.33；用四点探针电导率测定仪测得靶材的电阻率为2.2Ω·cm。

实施例五：10″Nb₂O_5-x靶材的制备

1)称取纯度为99.99％、D₅₀为3～5μm的Nb₂O₅粉体原料2000g；

2)称取纯度为99.8％、D₅₀为3～5μm的金属Nb粉原料165g；

3)采用球磨的方法将上述两种粉体混合，混合时间为2小时；

4)选用直径为260mm的高强石墨模具；

5)采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内粉体堆积高度均匀，测定最终粉体堆积高度；

6)将模具放进分体式炉体、上加压的热压炉中，准备热压；

7)热压工艺为：Ar保护，靶材设计相对密度RD≥90％，在温度950℃～1400℃、压力15～40MPa下保温保压40min，靶材相对密度达到设计值；

8)采用附加保压工艺保压：维持原温度压力不变，恒温恒压下继续保温15～30min后，卸压。

通过本实施例制备的靶材，采用阿基米德法测定整体靶材的密度，其相对密度为93％；XRD分析表明，靶材化学分子式为NbO₂，即Nb₂O_5-x，x＝0.33；用四点探针电导率测定仪测得靶材的电阻率为2.2Ω·cm。

实施例六：10″TiO_2-x靶材的制备

1)称取纯度为99.99％、D₅₀为3～5μm的TiO₂粉体原料2000g；

2)选用直径为260mm的高强石墨模具；

3)采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内粉体堆积高度均匀，测定最终粉体堆积高度；

4)将模具放进分体式炉体、上加压的热压炉中，准备热压；

5)热压工艺为：H₂气氛，往Ar气氛中注入H₂，二者体积流量比为H₂/Ar＝1/100，靶材设计相对密度RD≥90％，在温度950℃～1100℃、压力15～40MPa下保温保压40min，靶材相对密度达到设计值；

6)采用附加保压工艺保压：维持原温度压力不变，恒温恒压下继续保温15～30min后，卸压。

通过本实施例制备的靶材，采用阿基米德法测定整体靶材的密度，其相对密度为94％；XRD分析表明，靶材化学分子式为TiO_1.96，即TiO_2-x，x＝0.04；用四点探针电导率测定仪测得靶材的电阻率为36Ω·cm。

实施例七：10″Nb₂O_5-x靶材的制备

1)称取纯度为99.99％、D₅₀为3～5μm的Nb₂O₅粉体原料2000g；

2)采用球磨的方法将上述两种粉体混合，混合时间为2小时；

3)选用直径为260mm的高强石墨模具；

4)采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内粉体堆积高度均匀，测定最终粉体堆积高度；

5)将模具放进分体式炉体、上加压的热压炉中，准备热压；

6)热压工艺为：H₂气氛，往Ar气氛中注入H₂，二者体积流量比为H₂/Ar＝1/100，靶材设计相对密度RD≥90％，在温度950℃～1400℃、压力15～40MPa下保温保压40min，靶材相对密度达到设计值；

7)采用附加保压工艺保压：维持原温度压力不变，恒温恒压下继续保温15～30min后，卸压。

通过本实施例制备的靶材，采用阿基米德法测定整体靶材的密度，其相对密度为95％；XRD分析表明，靶材化学分子式为Nb₂O_4.83，即Nb₂O_5-x，x＝0.17；用四点探针电导率测定仪测得靶材的电阻率为8.6Ω·cm。

Claims (5)

1.一种导电氧化物陶瓷溅射靶材的热压制备方法，其特征在于，在金属氧化物粉体原料中加入所述金属氧化物对应的金属粉并与之充分混合，或在靶材的制备过程中向保护气氛中充入H₂气。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法通过对粉体原料中金属粉加入量或保护气氛中H₂的流量比例的控制，可以控制成型靶材的电阻率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法的一种方案包括如下步骤：

1)称取制作靶材的金属氧化物粉体原料和与之相应的金属粉；

2)将上述两种粉体用球磨的方法混合；

3)选用高强石墨模具，采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内粉体堆积高度均匀；

4)将模具放进上加压的分体式热压炉中，准备热压；

5)热压并采取保护气氛，在温度950℃～1100℃、压力15～40MPa环境下保温保压40min，直至靶材相对密度达到设计值；

6)采用附加保压工艺保压：维持原温度压力不变，恒温恒压下继续保温15～30min后，卸压。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法的另一种方案包括如下步骤：

1)称取制作靶材的粉体原料；

2)选用高强石墨模具，采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内粉体堆积高度均匀；

3)将模具放进上加压的分体式热压炉中，准备热压；

4)热压并采取保护气氛，并在保护气氛中注入H₂，在温度950℃～1100℃、压力15～40MPa环境下保温保压40min，直至靶材相对密度达到设计值；

5)采用附加保压工艺保压：维持原温度压力不变，恒温恒压下继续保温15～30min后，卸压。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述保护气氛为真空或充入保护性气体，所述保护性气体为氮气或氩气类惰性气体。

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