CN112939576A - 一种igzo粉体、靶材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGZO粉体的制备方法，属于工业材料制备领域。本发明所述IGZO粉体制备方法中，选用特定具有分散及粘连功能的助剂与氧化物原料直接混合后，先经超声处理再研磨，既保障了粘结效果及最终产品的颗粒均一性；同时利用超声振动处理提高浆料的均匀性，避免了传统固相法中较长的研磨时间引起分散剂失效造成的团聚现象，或者粉体颗粒表面由于长时间的机械摩擦而引发稳定性降低等问题。该方法所用助剂种类少，引入杂质元素少，可降低产品的缺陷。本发明还公开了所述方法制备的IGZO粉体，该材料稳定性及均匀性高。本发明还公开了一种由所述IGZO粉体制备的IGZO靶材及其制备方法，所得IGZO靶材密度及纯度高，缺陷少，可用于工业高性能IGZO薄膜的制备中。
Description
技术领域
本发明涉及工业材料制备领域，具体涉及一种IGZO粉体及其制备方法。
背景技术
氧化物半导体薄膜具有高电子迁移率、高透光率和低生长温度的优异特性，有望取代传统硅基薄膜晶体管成为下一代技术驱动器件。其中，非晶态IGZO(铟镓锌氧化物)薄膜时已知氧化物半导体薄膜中最优异的材料之一，而这种材料在制备过程中需要使用高品质IGZO粉体及其制备的靶材。
现有技术中，IGZO粉体的主要制备方法包括固态反应法及化学沉淀法：(1)固态反应法主要是将三种纯氧化物原料粉体直接混合研磨后高温烧结，该方法虽然简单易施行，但由于其机械混合研磨的均匀程度有限，需要长时间大功率进行球磨或研磨，且依然容易造成粉体在混合掺杂过程不均匀，导致其最终制备的靶材的凸起物增加或密度不均，最终影响IGZO薄膜的镀膜效果；(2)化学沉淀法则是将铟、镓和锌三种金属盐溶液混合，以沉淀剂引发得到共沉淀前驱体，最终烧结得到粉体。这种方法相比固态反应法得到的产品更加均匀，但因三种金属离子的离子半径差距大，价态不一，造成掺杂离子与氧化锌间的固溶度低，其反应条件苛刻，工艺控制难度大。
综上所述，IGZO粉体的现有制备方法均存在着一定的缺陷，需要探索一种工艺控制难度低，制备产品均匀性和稳定性高的IGZO粉体制备方法。
发明内容
基于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供了一种IGZO粉体的制备方法。该方法操作步骤简单，制备耗时短，制备得到的产品掺杂分散均匀，无团聚现象且稳定性高。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种IGZO粉体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化铟、氧化镓及氧化锌粉体混合后得到混合粉体，将混合粉体加入分散粘结剂水溶液中混合均匀，得浆料A；所述分散粘结剂水溶液中含有分散剂和粘结剂；所述分散剂包括聚乙烯吡络烷酮、聚羧酸系化合物、聚乙烯酸盐中的至少一种，所述粘结剂包括聚乙烯醇、聚乙二醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸盐中的至少一种；
(2)将步骤(1)所得浆料A依次进行超声处理及研磨后，加入消泡剂继续搅拌均匀，喷雾造粒，即得所述IGZO粉体。
本发明所述IGZO粉体的制备方法中，选用特定具有分散及粘连功能的助剂与氧化物原料直接混合后，先经超声处理再研磨，既将粘连剂成分充分包裹在颗粒表面，保障粘结效果及最终产品的颗粒均一性；同时利用超声振动处理提高浆料的均匀性，有效缩短了后续研磨的过程，避免了传统固相法中较长的研磨时间引起分散剂失效造成的团聚现象，或者粉体颗粒表面由于长时间的机械摩擦而引发稳定性降低等问题，保证了粉体的稳定性。所述制备方法所述助剂种类少，引入杂质元素少，可有效降低产品的缺陷及提高其密度。
优选地，步骤(1)所述氧化铟、氧化镓及氧化锌粉体三者的质量比为45.11:28.76:26.29。
所述掺杂含量比例制备得到的IGZO粉体及后续得到的靶材均匀性及致密度高，烧结过程中粉体稳定且造成的挥发损失较少。
更优选地，所述氧化铟、氧化镓及氧化锌粉体的平均粒度为120～300nm。
所述均一尺寸下的原料粉体更有利于保障其混合研磨处理后分散混合均匀，掺杂程度高且磨碎后粉体的比表面积较大，更有利于避免后续靶材烧结时不会出现凸起物。
优选地，步骤(1)所述混合粉体、分散剂及粘结剂三者的质量之比为1:0.001～0.05:0.01～0.08。
在研磨前将特定含量的分散剂及粘结剂与原料粉体进行混合，缩短了研磨时间，不仅避免了传统固相法长时间研磨导致粘结剂及分散剂的失效，同时可保障两种功能剂均匀包裹在每一粒颗粒的表面，提高材料的分散性、均匀性及稳定性；所述比例是本申请发明人经过多次筛选确定，该比例优选可有效节省分散剂及粘结剂的用量，降低产品生产成本的同时避免引入过多元素杂质。
更优选地，所述浆料A的固体质量百分含量为50～70％。
所述比例下的浆料在进行后续超声及研磨处理时可充分分散各粉体，避免因固体含量过高造成的粉体团聚或含量过低造成的粉体过于分散，研磨效率低的问题。
优选地，所述超声处理的时间为10～80min，超声的频率为25～130kHz。
所述频率下对前驱体浆料进行超声处理，可有效提高浆料中粉体的分散性，促进粉体及功能助剂微观上的结合，避免粉体在研磨过程中出现团聚或稳定性降低的问题，同时缩短了原本后续所需研磨的时间，提高了研磨的效率。
优选地，步骤(2)所述研磨的转速为800～1200rpm，研磨后的粉体D50＝0.1～0.5μm，D90＝0.1～1.5μm。
在该研磨速率下粉体可不断实现混合及细化粒径，而所得研磨后的粉体均匀性高，后续造粒及烧结制备靶材时不会出现传统方法造成的颗粒差异缺陷。
优选地，所述消泡剂包括聚二甲基硅氧烷、聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚、正丁醇中的至少一种。
所述消泡剂的种类稳定性高，不影响与原浆料组分匹配，经后续处理时不会发生副反应，同时亲水延伸性极强，可有效应用于雾化前的消泡处理。
本发明的另一目的还在于提供所述IGZO粉体的制备方法制备的IGZO粉体材料，该材料均匀性高，稳定性强。
本发明的再一目的在于提供一种IGZO靶材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将本发明所述IGZO粉体依次经过筛、加压成型、煅烧后，即得所述IGZO靶材。
本发明所述IGZO靶材的制备方法操作步骤简单，可实现工业化大规模生产。
本发明的再一目的在于提供所述IGZO靶材的制备方法制备得到的IGZO靶材，所述IGZO靶材密度及纯度高，质地均匀，可有效用于工业高性能IGZO薄膜的制备中。
本发明的有益效果在于，本发明提供了一种IGZO粉体的制备方法，所述制备方法中，选用特定具有分散及粘连功能的助剂与氧化物原料直接混合后，先经超声处理再研磨，既将粘连剂成分充分包裹在颗粒表面，保障粘结效果及最终产品的颗粒均一性；同时利用超声振动处理提高浆料的均匀性，有效缩短了后续研磨的过程，避免了传统固相法中较长的研磨时间引起分散剂失效造成的团聚现象，或者粉体颗粒表面由于长时间的机械摩擦而引发稳定性降低等问题，保证了粉体的稳定性。所述制备方法所述助剂种类少，引入杂质元素少，可有效降低产品的缺陷及提高其密度。本发明还提供了所述IGZO粉体的制备方法制备的IGZO粉体材料，该材料相比现有产品其稳定性及均匀性更高。本发明还提供了一种由所述IGZO粉体制备的IGZO靶材及其制备方法，所述制备方法操作步骤简单，可实现工业化大规模生产，所得IGZO靶材密度及纯度高，缺陷少，可有效运用于工业高性能IGZO薄膜的制备中。
附图说明
图1为本发明所述IGZO粉体及靶材的制备流程示意图；
图2为本发明实施例1所述IGZO粉体制备浆料的粒径分布图；
图3为本发明对比例1所述IGZO粉体制备浆料的粒径分布图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例及对比例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施所设计的实验试剂及仪器，除非特别说明，均为常用的普通试剂及仪器。
实施例1
本发明所述IGZO粉体及靶材的制备方法的一种实施例，如图1所示，包括以下步骤：
(1)将45.11kg氧化铟、28.76kg氧化镓及26.29kg氧化锌粉体混合后得到混合粉体，将混合粉体加入分散粘结剂水溶液中混合均匀，得固含量为62.5％的浆料A；所述分散粘结剂水溶液的质量为60kg，含有0.7kg分散剂和3kg粘结剂；所述分散剂为聚乙烯吡络烷酮，所述粘结剂包括2.9kg聚乙烯醇和0.1kg聚乙二醇；所述氧化铟粉体的平均粒度尺寸为150nm，氧化镓粉体的平均粒度尺寸为150nm，氧化锌粉体平均粒度尺寸为120nm；
(2)将步骤(1)所得浆料A依次进行在60kHz的超声仪中超声处理30min及在1000rpm转速的砂磨机中研磨3h后，浆料的粒度D50＜0.5μm，D90＜1μm，加入数滴消泡剂正丁醇继续搅拌均匀，入并流式喷雾干燥塔进行喷雾造粒，即得所述IGZO粉体。
(3)将IGZO粉体过筛后，经过干压和冷等静压成型后，通入氧气气氛进行常压烧结，即得IGZO靶材。
实施例2
本发明所述IGZO粉体及靶材的制备方法的一种实施例，包括以下步骤：
(1)将45.11kg氧化铟、28.76kg氧化镓及26.29kg氧化锌粉体混合后得到混合粉体，将混合粉体加入分散粘结剂水溶液中混合均匀，得固含量为62.5％的浆料A；所述分散粘结剂水溶液的质量为60kg，含有0.7kg分散剂和3kg粘结剂；所述分散剂为聚乙烯吡络烷酮，所述粘结剂包括2.9kg聚乙烯醇和0.1kg聚乙二醇；所述氧化铟粉体的平均粒度尺寸为150nm，氧化镓粉体的平均粒度尺寸为150nm，氧化锌粉体平均粒度尺寸为120nm；
(2)将步骤(1)所得浆料A依次进行在40kHz的超声仪中超声处理30min及在1000rpm转速的砂磨机中研磨3h后，浆料的粒度D50＜0.5μm，D90＜1μm，加入数滴消泡剂正丁醇继续搅拌均匀，入并流式喷雾干燥塔进行喷雾造粒，即得所述IGZO粉体。
(3)将IGZO粉体过筛后，经过干压和冷等静压后，通入氧气气氛进行常压烧结，即得IGZO靶材。
实施例3
本发明所述IGZO粉体及靶材的制备方法的一种实施例，包括以下步骤：
(1)将45.11kg氧化铟、28.76kg氧化镓及26.29kg氧化锌粉体混合后得到混合粉体，将混合粉体加入分散粘结剂水溶液中混合均匀，得固含量为62.5％的浆料A；所述分散粘结剂水溶液的质量为60kg，含有0.7kg分散剂和3kg粘结剂；所述分散剂为聚乙烯吡络烷酮，所述粘结剂包括2.9kg聚乙烯醇和0.1kg聚乙二醇；所述氧化铟粉体的平均粒度尺寸为150nm，氧化镓粉体的平均粒度尺寸为150nm，氧化锌粉体平均粒度尺寸为120nm；
(2)将步骤(1)所得浆料A依次进行在80kHz的超声仪中超声处理30min及在1000rpm转速的砂磨机中研磨3h后，浆料的粒度D50＜0.5μm，D90＜1μm，加入数滴消泡剂正丁醇继续搅拌均匀，入并流式喷雾干燥塔进行喷雾造粒，即得所述IGZO粉体。
(3)将IGZO粉体过筛后，经过干压和冷等静压后，通入氧气气氛进行常压烧结，即得IGZO靶材。
对比例1
本发明所述IGZO粉体及靶材的制备方法的一种对比例，包括以下步骤：
(1)将45.11kg氧化铟、28.76kg氧化镓及26.29kg氧化锌粉体混合后得到混合粉体，将混合粉体加入分散粘结剂水溶液中混合均匀，得固含量为62.5％的浆料A；所述分散粘结剂水溶液的质量为60kg，含有0.7kg分散剂和3kg粘结剂；所述分散剂为聚乙烯吡络烷酮，所述粘结剂包括2.9kg聚乙烯醇和0.1kg聚乙二醇；所述氧化铟粉体的平均粒度尺寸为150nm，氧化镓粉体的平均粒度尺寸为10nm，氧化锌粉体平均粒度尺寸为120nm；
(2)将步骤(1)所得浆料A在1000rpm转速的砂磨机中研磨6h后，浆料的粒度D50＜0.5μm，D90＜1μm，加入数滴消泡剂正丁醇继续搅拌均匀，入并流式喷雾干燥塔进行喷雾造粒，即得所述IGZO粉体。
(3)将IGZO粉体过筛后，经过干压和冷等静压后，通入氧气气氛进行常压烧结，即得IGZO靶材。
对比例2
本对比例与实施例1的差别仅在于，所述分散剂和粘结剂在研磨阶段再加入浆料中。
对比例3
本对比例与实施例1的差别仅在于，所述超声处理的时间为5min。
对比例4
本对比例与实施例1的差别仅在于，所述粘结剂的添加量为0.5kg。
为验证本发明所述IGZO粉体制备方法的优越性，将实施例1及对比例1中在砂磨机研磨后的浆料进行粒度分布测试，结果如图2和图3所示，对实施例1～3及对比例1～3所得产品进行BET测试，对最终制备的靶材进行密度测试，结果如表1所示。经过长时间的研磨后，浆料中的分散剂失效，颗粒发生团聚现象，致使对比例1所得浆料即使经历多一倍时间的机械研磨其颗粒均匀性依然不如实施例1所得产品，同时粉体颗粒的比表面积变小，随着之也会造成IGZO靶材密度的下降；对比例2所得浆料因粘结剂及分散剂未进行超声分散处理，其颗粒均匀性依然较差；对比例3产品处理步骤虽然与实施例相同，但超声处理时间过短，产品均匀度不足；对比例4所得产品的加工助剂含量不足，其同样导致产品颗粒分布不均从而发生团聚，比表面积变小。相比之下，实施例1～3所得IGZO粉体比表面积均较大，制备的靶材密度较高；不同的制备参数其得到的产品理化性质也存在差异，以实施例1产品性质最佳。
表1
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种IGZO粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氧化铟、氧化镓及氧化锌粉体混合后得到混合粉体，将混合粉体加入分散粘结剂水溶液中混合均匀，得浆料A；所述分散粘结剂水溶液中含有分散剂和粘结剂；所述分散剂包括聚乙烯吡络烷酮、聚羧酸系化合物、聚乙烯酸盐中的至少一种，所述粘结剂包括聚乙烯醇、聚乙二醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸盐中的至少一种；
(2)将步骤(1)所得浆料A依次进行超声处理及研磨后，加入消泡剂继续搅拌均匀，喷雾造粒，即得所述IGZO粉体；所述消泡剂包括聚二甲基硅氧烷、聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚、正丁醇中的至少一种。
2.如权利要求1所述的IGZO粉体的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的氧化铟、氧化镓及氧化锌粉体三者的质量比为45.11:28.76:26.29。
3.如权利要求1所述的IGZO粉体的制备方法，其特征在于，所述氧化铟、氧化镓及氧化锌粉体的平均粒度为120～300nm。
4.如权利要求1所述的IGZO粉体的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混合粉体、分散剂及粘结剂三者的质量之比为1:(0.001～0.05):(0.01～0.08)。
5.如权利要求1所述的IGZO粉体的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述浆料A中固体所占质量百分比为50～70％。
6.如权利要求1所述的IGZO粉体的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述超声处理的时间为10～80min，超声的频率为25～130kHz。
7.如权利要求1所述的IGZO粉体的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述研磨的转速为800～1200rpm，研磨后的粉体D50＝0.1～0.5μm，D90＝0.1～1.5μm。
8.如权利要求1～7任一项所述IGZO粉体的制备方法制备的IGZO粉体。
9.一种IGZO靶材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将实施例8所述IGZO粉体依次经过筛、加压成型、煅烧后，即得所述IGZO靶材。
10.如权利要求9所述IGZO靶材的制备方法制备得到的IGZO靶材。
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