CN102826856B - 一种高纯低密度ito靶材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高纯低密度ITO靶材及其制备方法，其纯度大于等于99.99%，相对密度为55%~65%，平均晶粒尺寸≤50微米，该靶材的制备方法包括（1）提供ITO粉末，并将其液压成型为坯件；（2）将坯件置于炉中烧结，炉内真空度为10-4~10-3Pa，首先以50~300℃/h的升温速率升至800℃~900℃，保温4~24小时后，充入氧气，然后以100~400℃/h的升温速率升至900℃~1500℃，保温4~24小时后以20~100℃/h的降温速率降至常温，即得。本发明ITO靶材可以在高温条件下蒸发，而后沉积在玻璃基片上，获得较低电阻率和较高透光率的导电薄膜，甚至可以在有机材料上获得ITO导电膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种
ITO
靶材特别是高纯低密度
ITO
靶材及其制备方法。
背景技术
靶材是三氧化二铟和二氧化锡的混合物，是
ITO
薄膜制备的重要原料。
ITO
靶主要用于
ITO
膜透明导电玻璃的制作，后者是制造平面液晶显示器的主要材料，在电子工业、信息产业方面有着广阔而重要的应用。
日本新金属学会在二十世纪九十年代初期就把
ITO
靶材列为高科技金属材料的第一位。我国在“九五”期间也曾将它作为国家“九五”攻关重点项目进行立项研究，尝试了热压、烧结以及热等静压几种制备方法，但是未能形成大规模的工业化生产。
目前
ITO
靶材的生产工艺和技术设备已较为成熟和稳定，其主要制备方法有热等静压法、真空热压法、常温烧结法、放电等离子烧结法。
（
1
）真空热压法
真空热压是利用热能与机械能将材料陶瓷致密化的工艺，可制备出密度达
91%~96%
的高密度
ITO
陶瓷靶。热压法的工艺流程是利用加热加工模具后，注入试料，以压力将模型固定于加热板，控制试料的熔融温度及时间，以达融化后硬化、冷却，再予以取出模型成品即可。目前国内
ITO
靶材生产厂家普遍采用热压法生产
ITO
靶材，此法生产的
ITO
靶材由于尺寸小、晶粒大小不均匀，只能用于低挡
TN-LCD
、建筑玻璃镀膜和冰柜玻璃镀膜等低端领域。
（
2
）热等静压法
热等静压法
(hot isostatic pressing
，
HIP)
既可以认为是加压下的烧结，也可以认为是高温下的压制。相对于传统的无压烧结而言，热等静压法可以在相对较低的温度下
(
一般约为物料熔点的
0.5~0.7
倍
)
获得完全致密化，而且可以很好地控制组织结构，抑制晶粒生长，获得均匀的、各向同性的组织，可以“净成型”加工成具有一定复杂外形的产品。热等静压工艺是将原料粉末成型以后，以金属或玻璃材料包覆其外，然后再同时加温、加压，使得粉末陶瓷致密化。热等静压法制备
ITO
靶材的工艺流程主要为：将单相的
ITO
固溶体粉末在一定的还原气氛（如
H2
、
N2
与
H2
的混合气体）和温度（
300
～
500
℃）下进行部分还原，还原度控制在
0.02
～
0.2
之间，再用模压或冷等静压以及两者兼用的成型方法（
100
～
300MPa
）将还原后的粉体压制成初坯，将初坯置于不锈钢的包套中并在两者之间辅以隔离材料，然后对包套抽真空并且封口，最后置于热等静压炉中在
800
～
1050
℃，
50
～
200MPa
的压力下进行
2
～
6h
热等静压制备出
ITO
靶材。
热等静压法是国外最常用制备
ITO
溅射靶材的方法，热等静压法的优点是：
(1)
能克服在石墨模具中热压的缺点，不易还原。
(2)
由于制品在加热加压状态下，各个方向同时受压，所制得的产品密度极高
(
几乎达到理论密度
)
，可制成大尺寸产品。
(3)
热等静压强化了压制和烧结过程，降低了烧结温度，避免了晶粒长大，可获得极好的物理力学性能。其缺点是：由于使用均方性气体压力，没有剪应力及模具摩擦力，因此保形性非常优良，但靶材尺寸受设备压力和压缸限制，无法制备大尺寸靶材；设备昂贵，投资成本高；生产效率低，生产成本高，产品竞争力不强。
（
3
）常压烧结法
常压烧结法是上世纪
90
年代初期兴起的一种靶材制备方法，它是采用预压方式
(
或粉浆浇铸方式
)
制备高密度的靶材素坯，在一定气氛和温度下对靶材素坯进行烧结，通过对烧结温度和烧结气氛控制，使靶材素坯晶粒的生长得到有效控制，达到靶材的高致密化及晶粒分布的均匀性。常压烧结法的主要工艺为：将具有一定摇实密度
(Tap
Density)
的
In2O3
粉末与
SnO2
粉末混合，制备成浆料进行粉浆浇铸或者在加入少量成型剂的情况下进行模压或冷等静压
(
成型压力一般为
100
～
300MPa)
或两者兼而用之；用粉浆浇铸或者添加了成型剂的坯料要在
300
～
500
℃的温度范围进行长时间的脱水与脱脂处理，最后在压力至少达到
1atm
的纯氧或空气气氛下进行烧结，烧结的温度为
1450
～
1550
℃，所获得的靶材为单一
ITO
固溶体相，其相对密度为
95%
以上，
ITO
烧结体的晶粒尺寸为
1
～
20
μ
m
，抗弯强度
50
～
200MPa
，靶体的比电阻约为
1
×
10-4Ω
·
cm
，热导率约为
1.5
×
10-2
～
47
×
10-2cal
·
cm-1
·
s-1
。
常压烧结法的主要优点有：靶材尺寸不受设备限制，能生产大尺寸靶材，且设备投入少、生产成本低，生产效率高，靶材性能优良，易实现工业化生产。适合高端显示器用镀膜靶材性能要求。缺点是：该法与其它方法相比是最难烧结的方法，要获得致密的烧结体，往往要提高原料粉末的烧结活性或添加烧结助剂。而活性剂以及烧结助剂很难再从烧结体中去除。对粉末的烧结活性有很高的要求，因此对粉体的形状、粒度以及粒度分布要求较严，为了达到要求一般对粉末进行球磨、气流粉碎以及沉降分级处理。制备的靶材一般较薄，所以对靶材变形的控制要求很严，一般要求有很好的净成型能力。
（
4
）放电等离子烧结
放电等离子烧结
(SPS)
是在脉冲电流作用下，通过样品及间隙的部分电流激活晶粒表面，在孔隙间局部放电，产生等离子体，粉末颗粒表面被活化、发热；同时，通过模具的部分电流加热模具，使模具开始对试样传热，试样温度升高，开始收缩，产生一定密度，并随着温度的升高而增大，直至达到烧结温度后收缩结束，致密度达到最大。与常规烧结方式相比，
SPS
方法具有操作简单、高速烧结、降低烧结温度、再现性高、安全可靠、节省空间、节省能源及成本低等特点。已经被成功地应用于梯度功能材
(FGM)
、金属基复合材料
(MMC)
、纤维增强陶瓷
(FRC)
、纳米材料、多孔材料、磁性材料、金属间化合物和高致密度、细晶粒陶瓷等各种新材料的制备。
SPS
烧结，利用未添加任何烧结助剂的粉体在中性气氛下，在较低的温度下制备元素分布均匀，具有较高致密度和较好热学性能和电学性能的
ITO
靶材。放电等离子烧结
(SPS)
是在脉冲电流作用下，粉末颗粒间放电，产生瞬间高温进行烧结。
与常规烧结方式相比，
SPS
法具有操作简单、高速烧结、再现性高、安全可靠、节省空间、节省能源及成本低等优点。能在很低的烧结温度下，保温很短的时间制备高密度的材料。
综上所述，现有技术的
ITO
靶材的生产工艺都主要旨在制备高密度的材料，而对于如何制备出低密度的
ITO
靶材未有相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可用于
LED
芯片制造行业的高纯低密度
ITO
靶材。
本发明同时还要提供一种可用于
LED
芯片制造行业的高纯低密度
ITO
靶材的制备方法。
为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案是：
一种高纯低密度
ITO
靶材，其纯度大于等于
99.99%
，相对密度为
55%~65%
，平均晶粒尺寸小于等于
50
微米。
优选地，高纯低密度
ITO
靶材的纯度大于等于
99.999%
。
优选地，高纯低密度
ITO
靶材的相对密度为
60%~63%
。
优选地，高纯低密度
ITO
靶材的平均晶粒尺寸小于等于
10
微米。
本发明采取的又一技术方案是：一种上述的高纯低密度
ITO
靶材的制备方法，其包括以下步骤：
（
1
）提供球形和
/
或类球形、粒径为
20~100nm
的
ITO
粉末，并将其液压成型为坯件；
（
2
）将步骤（
1
）所得坯件置于炉中进行烧结，烧结时，炉内真空度为
10-4~10-3Pa
，首先以
50~300
℃
/h
的升温速率将温度升至
800
℃
~900
℃，保温
4~24
小时后，充入氧气，然后以
100~400
℃
/h
的升温速率将温度升至
900
℃
~1500
℃，保温
4~24
小时后以
20~100
℃
/h
的降温速率降至常温，即得所述高纯低密度
ITO
靶材。
优选地，步骤（
1
）中，所述
ITO
粉末的纯度为
99.990%~99.999%
、平均粒径为
20~100nm
。
优选地，步骤（
1
）中，所述液压成型的工作压力为
20~200MPa
。
优选地，步骤（
2
）中，前后二次的升温速率分别为
100~200
℃
/h
。
优选地，步骤（
2
）中，降温速率为
40~60
℃
/h
。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
ITO
靶的理论密度为
7.15g/cm3
。本发明提供的
ITO
靶材，其相对密度低、纯度高，可以在高温条件下蒸发，而后沉积在玻璃基片上，获得较低电阻率和较高透光率的导电薄膜，甚至可以在有机材料上获得
ITO
导电膜。
本发明的制备方法制备出的
ITO
蒸发靶材，其晶粒尺寸细小且成分均匀，相结构单一，在适当条件下，溅射这些靶材能获得性能优良的薄膜，从而提高导电薄膜的透光率及电导率。
附图说明
图
1
为实施例
1
所制备
ITO
蒸发靶材的扫描电镜图；
图
2
为实施例
1
所制备
ITO
蒸发靶材的又一扫描电镜图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细的说明，但本发明不限于以下实施例。
实施例
1
根据本实施例，通过如下步骤制备
ITO
靶材：
（
1
）、以平均粒径为
50nm
，纯度为
99.995%
的类球形
ITO
粉末为原料，通过研磨、筛分的方法去除粉末中的结块后；采用液压机将
ITO
粉末液压成型为坯件，成型使用的压力为
50MPa
；
（
2
）、为保证高温烧结过程中，材料的流动与粘接有序阶段性进行，烧结过程采用多阶段升温加压的方式完成烧结。将压制后的坯件置于炉中进行烧结，烧结时，炉内真空度为
6.0
×
10-4Pa
，以
100
℃
/h
速率将温度升至
800
℃，保温
8
小时后充入
1atm
氧气，然后再以
100
℃
/h
的速率升温至
1500
℃，保温
4
小时，最后以
50
℃
/h
的速率将温度降至常温，即得
ITO
靶材，其纯度为
99.993%
，采用阿基米德测试方法测定的相对密度为约
60%
，对该
ITO
靶材进行扫描电镜测试，结果参见图
1
和图
2
，表明平均晶粒尺寸小于
50
微米。
实施例
2
根据本实施例，通过如下步骤制备
ITO
蒸发靶材：
（
1
）、以平均粒径为
50nm
，纯度为
99.995%
的类球形
ITO
粉末为原料，通过研磨、筛分的方法去除粉末中的结块后；采用液压机将
ITO
粉末液压成型为坯件，成型使用的压力为
50MPa
；
（
2
）、为保证高温烧结过程中，材料的流动与粘接有序阶段性进行，烧结过程采用多阶段升温加压的方式完成烧结。将压制后的坯件置于炉中进行烧结，烧结时，炉内真空度为
6.0
×
10-4Pa
，以
150
℃
/h
速率将温度升至
800
℃，保温
8
小时后充入
1atm
氧气，然后再以
150
℃
/h
的速率升温至
1500
℃，保温
4
小时，最后以
60
℃
/h
的速率将温度降至常温，即得
ITO
靶材，其纯度为
99.992%
，采用阿基米德测试方法测定的相对密度为约
60%
。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1. 一种高纯低密度ITO靶材的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
（1）提供球形和/或类球形、粒径为20~100nm的ITO粉末，并将其液压成型为坯件；
（2）将步骤（1）所得坯件置于炉中进行烧结，烧结时，炉内真空度为10-4~10-3Pa，首先以50~300℃/h的升温速率将温度升至800℃~900℃，保温4~24小时后，充入氧气，然后以100~400℃/h的升温速率将温度升至900℃~1500℃，保温4~24小时后以20~100℃/h的降温速率降至常温，即得所述高纯低密度ITO靶材；
所述的高纯低密度ITO靶材的纯度大于等于99.99%，相对密度为55%~65%，平均晶粒尺寸小于等于50微米。
2. 根据权利要求1所述的高纯低密度ITO靶材的制备方法，其特征在于：纯度大于等于99.999%。
3. 根据权利要求1所述的高纯低密度ITO靶材的制备方法，其特征在于：相对密度为60%~63%。
4. 根据权利要求1所述的高纯低密度ITO靶材的制备方法，其特征在于：平均晶粒尺寸小于等于10微米。
5. 根据权利要求1所述的高纯低密度ITO靶材的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述ITO粉末的纯度为99.990%~99.999%、平均粒径为20~100nm。
6. 根据权利要求1所述的高纯低密度ITO靶材的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述液压成型的工作压力为20~200MPa。
7. 根据权利要求1所述的高纯低密度ITO靶材的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，前后二次的升温速率分别为100~200℃/h。
8. 根据权利要求1所述的高纯低密度ITO靶材的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，降温速率为40~60℃/h。
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2012
- 2012-08-21 CN CN201210297220.6A patent/CN102826856B/zh not_active Expired - Fee Related
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