TW201329016A - 奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法 - Google Patents

Abstract

本發明係揭示一種奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法，主要包括：利用溶劑溶解銦、鎵、鋅金屬或化合物，形成前驅金屬離子溶液；在沉澱溫度下進行多階段低溫共沉澱處理，以產生沉澱溶液；過濾以產生初級濾餅；進行清洗處理，降低陰離子，以產生最終濾餅；乾燥以產生共沉澱複合物粉末；以及進行煆燒處理，以產生奈米氧化銦鎵鋅粉末。低溫共沉澱處理可包括加入沉澱劑、調整酸鹼值以及進行陳化，而清洗處理可包括水洗、攪拌分散及過濾。本發明具有處理簡單及成本低廉的優點，且所製作的奈米氧化銦鎵鋅粉末非常適合製作濺鍍用的氧化銦鎵鋅靶材。

Description

奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法

本發明係有關一種奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法，尤其是利用多階段低溫共沉澱處理以沉澱出具精確銦鎵鋅含量的奈米氧化銦鎵鋅粉末。

近年來，薄膜型電晶體(thin film transistor,TFT)因為可做為每個像素的開關元件，而被廣泛地使用在液晶顯示器中。目前，作為薄膜電晶體的活性層材料，多為多晶矽或非晶矽薄膜所構成。然而，矽基材料因具有須防止可見光吸收造成之TFT故障而採用的光遮斷層，會導致孔徑比(Aperture Ratio)減少以及必須高溫成膜(>200℃)等缺點。因此，近年學界或工業界無不積極進行替代矽基材料之活性層薄膜以及相關薄膜電晶體的研究與開發。具備可在低溫下成膜、可見光穿透率佳及載子遷移率高的透明半導體氧化物早已受到矚目，而其中又以非晶性氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide，In_xGa_yZn_zO_{(3x/2+3y/2+z)}，IGZO)薄膜最受到重視，係以銦、鎵、鋅及氧為構成元素，並比非晶矽薄膜具有較高的載子遷移率，尤其是可在低溫下成膜。

如同目前工業上以濺鍍法在大面積玻璃基板上製備透明導電氧化物，如氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)等薄膜，在大尺寸基板上製備IGZO等透明半導體薄膜的方法中，一般也是使用濺鍍法。濺鍍法乃利用以氧化物粉末所製備之氧化物靶材，並利用真空磁控濺鍍的方法進行。由於靶材中因原料的組成與粒徑分佈等因素，使得不同氧化物混合的均勻程度有其極限，且氧化物中可能包含有不純物，因而影響濺鍍所形成之薄膜的半導體特性、透光性以及與基板的附著性。因此，在製備透明半導體IGZO薄膜過程中所使用的IGZO濺鍍靶材，及製備IGZO濺鍍靶材所需之多成份IGZO粉末之品質也越來越受重視。

在習用技術中，目前文獻上對IGZO粉末的製造方法主要是以混合控制比例之個別氧化鎵、氧化銦及氧化鋅的粉末進行固態反應法，以及利用不同方式製備所需成份比例之化學法為主。然而，習用技術的缺點在於，固態反應法所製備的氧化物粉末可能會因原始粉末之粒徑過大、混合不均及研磨產生的雜質污染等問題，而對煆燒後所得之氧化物粉末在性質上造成劣化，導致後續所製備的IGZO靶材及濺鍍法鍍製的IGZO薄膜性質變差。

因此，需要一種奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法，利用溶解、多階段低溫共沉澱、煆燒處理，藉以改善氧化銦鎵鋅粉末的混合均勻性，降低外來雜質的污染，精確控制銦、鎵、鋅的含量，進而解決上述習用技術的問題。

本發明之主要目的在提供一種奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法，用以製作奈米氧化銦鎵鋅粉末，本發明奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法係包括以下處理步驟：利用溶劑依所需比例溶解含有銦、鎵、鋅的金屬或化合物，以形成具有特定比例銦、鎵、鋅的前驅金屬離子溶液；在沉澱溫度下，進行多階段低溫共沉澱處理，以產生沉澱溶液；過濾沉澱溶液，以產生初級濾餅；對濾餅進行至少一次的水洗、攪拌分散、過濾，直到其中的陰離子低於預設值，以產生最終濾餅；乾燥最終濾餅以產生共沉澱複合物粉末；以及對共沉澱複合物粉末進行煆燒處理，以產生奈米氧化銦鎵鋅粉末。

上述形成前驅金屬離子溶液的單一步驟也可以利用以下二步驟取代：利用溶劑分別溶解含有銦、鎵、鋅的金屬或化合物，以形成銦金屬離子溶液、鎵金屬離子溶液及鋅金屬離子溶液；以及依所需比例混合銦、鎵及鋅金屬離子溶液，並攪拌以形成前驅金屬離子溶液。

此外，上述的多階段低溫共沉澱處理進一步包括至少以下步驟：加入沉澱劑至前驅金屬離子溶液，調整酸鹼值至第一酸鹼值，以產生第一沉澱溶液，並進行第一次陳化；加入沉澱劑至第一沉澱溶液，調整酸鹼值至第二酸鹼值，以產生第二沉澱溶液，並進行第二次陳化；加入沉澱劑至第二沉澱溶液，調整酸鹼值至第三酸鹼值，以產生第三沉澱溶液，並進行第三次陳化，以產生初級濾餅。

因此，本發明所製作的奈米氧化銦鎵鋅粉末非常適合用以製作濺鍍用的氧化銦鎵鋅靶材，藉以形成氧化銦鎵鋅透明導電層，可用以取代目前已廣泛應用於發光二極體(LED)、太陽能板、顯示器等光電產業的氧化銦錫(ITO)透明導電層。

以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參閱第一圖，本發明奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法的示意圖。如第一圖所示，本發明的奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法包括依序進行步驟S10、S20、S30、S40、S50以及S60，用以製作氧化銦鎵鋅(IGZO)粉末。

首先，由步驟S10開始，進行前驅溶液配置處理，主要係利用適當的溶劑溶解含有銦、鎵、鋅的金屬或化合物，藉以形成具有特定含量之銦、鎵、鋅的前驅金屬離子溶液，其中含有銦、鎵、鋅的化合物可包括硝酸銦、硝酸鎵、硝酸鋅、氯化銦、氯化鎵、及氯化鋅的至少其中之一，而溶劑可包括硝酸、鹽酸、水、硝酸水溶液或鹽酸水溶液。

接著進入步驟S20，在沉澱溫度下，進行多階段低溫共沉澱處理，以產生初級濾餅，其中沉澱溫度為30℃至60℃，而多階段低溫共沉澱處理可包括至少第一低溫共沉澱處理、第二低溫共沉澱處理及第三低溫共沉澱處理，以產生沉澱溶液。

第一低溫共沉澱處理包括加入沉澱劑至該前驅金屬離子溶液，調整酸鹼值至第一酸鹼值(pH值)，以產生第一沉澱溶液，並對第一沉澱溶液進行第一次陳化(Aging)，使第一沉澱溶液中的鎵金屬離子均勻反應產生氫氧化鎵而沉澱。沉澱劑可包括氫氧化銨、氫氧化鈉及氫氧化鉀的至少其中之一，第一酸鹼值可為2.0至4.0之間，且第一次陳化可為3至24小時。

第二低溫共沉澱處理包括加入相同的沉澱劑至經第一次陳化的第一沉澱溶液，調整酸鹼值至第二酸鹼值，以產生第二沉澱溶液，並對第二沉澱溶液進行第二次陳化，使第二沉澱溶液中的銦金屬離子均勻反應產生氫氧化銦而沉澱。第二酸鹼值可為4.0至6.0之間，而第二次陳化可為3至24小時。

第三低溫共沉澱處理包括加入相同的沉澱劑至經第二次陳化的第二沉澱溶液，調整酸鹼值至第三酸鹼值，以產生第三沉澱溶液，並對第三沉澱溶液進行第三次陳化，使第三沉澱溶液中所有的金屬離子均勻反應產生氫氧化物而沉澱，其中經第三次陳化的第三沉澱溶液即為所需的沉澱溶液。第三酸鹼值可為7.5至9.5之間，而第三次陳化可為12至72小時。

然後在步驟S30中，對沉澱溶液進行過濾處理，以產生初級濾餅，並接著在步驟S40中，對初級濾餅進行至少一次的進行清洗處理，主要是用以降低初級濾餅中所包含的陰離子到低於上限預設值，進而產生最終濾餅。

步驟S40中的清洗處理可包括水洗、攪拌分散以及過濾，而陰離子可為含硝酸根離子之陰離子及/或含氯離子之陰離子，且陰離子的上限預設值可為400~600 ppm。

在步驟S50中，對最終濾餅進行乾燥處理，以產生包含銦、鎵、鋅的共沉澱複合物粉末，其中乾燥處理可為噴霧乾燥或加熱乾燥，且乾燥處理所需的乾燥溫度係小於100℃。

最後進入步驟S60，對共沉澱複合物粉末進行煆燒處理，以產生所需的奈米氧化銦鎵鋅(IGZO)粉末，其中煆燒處理可在煆燒溫度下持續2~10小時，且煆燒溫度可為500℃至1200℃之間。

參閱第二圖，本發明奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法的另一實施例之示意圖。如第二圖所示，本發明的奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法包括依序進行步驟S12、S14、S20、S30、S40、S50以及S60，亦即利用步驟S12及S14以取代第一圖的步驟S10，以形成所需的前驅金屬離子溶液，其餘的相同步驟在此不再贅述。

在步驟S12中，配製個別溶液，係配製含有銦、鎵、鋅的個別溶液，主要是利用溶劑分別溶解含有銦、鎵、鋅的金屬或化合物，以形成銦金屬離子溶液、鎵金屬離子溶液及鋅金屬離子溶液。接著，在步驟S14中，進行個別溶液的調配處理，係依所需比例混合銦金屬離子溶液、鎵金屬離子溶液及鋅金屬離子溶液，並進行均勻攪拌，以形成具有特定含量之銦、鎵、鋅的前驅金屬離子溶液。

參閱第三圖及第四圖，分別顯示本發明所製作之奈米氧化銦鎵鋅粉末的電子顯微鏡照相圖與X光繞射分析圖譜，其中由第三圖可看出，由本發明的製備方法所製備的共沉澱複合物粉末，經過900℃煆燒後，所得之IGZO粉末的確為具備奈米晶體的奈米粉末，而由第四圖可看出該粉末再經過1100℃煆燒後，可形成具備InGaZnO4結構之IGZO材料。因此，可證明使用本發明的製作方法確實可生產具有奈米級結晶性的透明半導體IGZO粉末。

本發明的特點在於，利用多階段低溫共沉澱處理以逐步沉澱出具所需銦鎵鋅含量的沉澱物，尤其是在低溫下進行，可改善銦鎵鋅含量的精確度，且每個階段的低溫共沉澱處理需調整至不同的特定酸鹼值，並進行不同時間的陳化處理，藉以進一步改善沉澱物的品質。

本發明的另一特點在於，所製作的奈米氧化銦鎵鋅粉末非常適合用以製作濺鍍用的氧化銦鎵鋅(IGZO)靶材，藉以形成氧化銦鎵鋅(IGZO)透明導電層，而這類的氧化銦鎵鋅透明導電層可用以取代目前已廣泛應用於發光二極體(LED)、太陽能板、顯示器等光電產業的的氧化銦錫(ITO)透明導電層。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

S10．．．前驅溶液配置處理

S12．．．配製個別溶液

S14．．．調配處理

S20．．．多階段低溫共沉澱處理

S30．．．過濾處理

S40．．．清洗處理

S50．．．乾燥處理

S60．．．煆燒處理

第一圖為依據本發明奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法的示意圖。

第二圖為依據本發明奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法的另一實施例之示意圖。

第三圖為本發明製作方法所製作之奈米氧化銦鎵鋅粉末的電子顯微鏡照相圖。

及第四圖為本發明製作方法所製作之奈米氧化銦鎵鋅粉末的X光繞射分析圖譜。

S10．．．前驅溶液配置處理

S20．．．多階段低溫共沉澱處理

S30．．．過濾處理

S40．．．清洗處理

S50．．．乾燥處理

S60．．．煆燒處理

Claims (11)

1. 一種奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法，包括以下步驟：進行一前驅溶液配置處理，係利用一溶劑以溶解含有銦、鎵、鋅的金屬或化合物，藉以形成具有特定含量之銦、鎵、鋅的一前驅金屬離子溶液；在一沉澱溫度下進行一多階段低溫共沉澱處理，該多階段低溫共沉澱處理包括至少一第一低溫共沉澱處理、一第二低溫共沉澱處理及一第三低溫共沉澱處理，以產生一沉澱溶液；進行一過濾處理，係過濾經該沉澱溶液，以產生一初級濾餅；對該初級濾餅進行至少一次的清洗處理，用以降低該初級濾餅所含的陰離子，直到該陰離子低於一上限預設值為止，產生一最終濾餅；進行一乾燥處理，係乾燥該最終濾餅，以產生包含銦、鎵、鋅的共沉澱複合物粉末；以及對該共沉澱複合物粉末進行一煆燒處理，以產生奈米氧化銦鎵鋅粉末。
2. 一種奈米氧化銦鎵鋅粉末的製作方法，包括以下步驟：配製含有銦、鎵、鋅的個別溶液，係利用一溶劑分別溶解含有銦、鎵、鋅的金屬或化合物，以形成銦金屬離子溶液、鎵金屬離子溶液及鋅金屬離子溶液；進行個別溶液的一調配處理，係依所需比例混合該銦金屬離子溶液、該鎵金屬離子溶液及該鋅金屬離子溶液，並攪拌，以形成具有特定含量之銦、鎵、鋅的一前驅金屬離子溶液；在一沉澱溫度下進行一多階段低溫共沉澱處理，該多階段低溫共沉澱處理包括至少一第一低溫共沉澱處理、一第二低溫共沉澱處理及一第三低溫共沉澱處理，以產生一沉澱溶液；進行一過濾處理，係過濾該沉澱溶液，以產生一初級濾餅；對該初級濾餅進行至少一次的清洗處理，用以降低該初級濾餅所含的陰離子，直到該陰離子低於一上限預設值為止，產生一最終濾餅；進行一乾燥處理，係乾燥該最終濾餅，以產生包含銦、鎵、鋅的共沉澱複合物粉末；以及對該共沉澱複合物粉末進行一煆燒處理，以產生奈米氧化銦鎵鋅粉末。
3. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該含有銦、鎵、鋅的化合物係包括硝酸銦、硝酸鎵、硝酸鋅、氯化銦、氯化鎵、及氯化鋅的至少其中之一。
4. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該溶劑包括硝酸、鹽酸、水、硝酸水溶液或鹽酸水溶液，該沉澱溫度為30℃至60℃，且該沉澱劑包括氫氧化銨、氫氧化鈉及氫氧化鉀的至少其中之一。
5. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該第一低溫共沉澱處理包括加入一沉澱劑至該前驅金屬離子溶液，調整酸鹼值至一第一酸鹼值，以產生一第一沉澱溶液，並對該第一沉澱溶液進行一第一次陳化，使該第一沉澱溶液中的鎵金屬離子均勻反應產生氫氧化鎵而沉澱，該第二低溫共沉澱處理包括加入該沉澱劑至經該第一次陳化的該第一沉澱溶液，調整酸鹼值至一第二酸鹼值，使銦離子沉澱，以產生一第二沉澱溶液，並對該第二沉澱溶液進行一第二次陳化，使該第二沉澱溶液中的銦金屬離子均勻反應產生氫氧化銦而沉澱，而該第三低溫共沉澱處理包括加入該沉澱劑至經該第二次陳化的該第二沉澱溶液，調整酸鹼值至一第三酸鹼值，以產生一第三沉澱溶液，並對該第三沉澱溶液進行一第三次陳化，使該第三沉澱溶液中所有的金屬離子均勻反應產生氫氧化物而沉澱，以形成該初級濾餅。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之製作方法，其中該第一酸鹼值係為2.0至4.0之間，該第一次陳化為3至24小時，該第二酸鹼值係為4.0至6.0之間，該第二次陳化為3至24小時，且該第三酸鹼值係為7.5至9.5之間，該第三次陳化為12至72小時。
7. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該清洗處理包括水洗、攪拌分散以及過濾。
8. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該陰離子為含硝酸根離子之陰離子及/或含氯離子之陰離子，且該陰離子的上限預設值為400~600 ppm。
9. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該乾燥處理為噴霧乾燥或加熱乾燥，且該乾燥處理所需的乾燥溫度係小於100℃。
10. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法，其中該煆燒處理係在一煆燒溫度下持續2-10小時，且該煆燒溫度為500℃至1200℃之間。
11. 依據申請專利範圍第1項或第2項所述之製作方法所製備之奈米氧化銦鎵鋅(In_xGa_yZn_zO_{(3x/2+3y/2+z)})粉末，其中x、y及z的值均介於0.4到1.6之間。