TWI516461B - 錫鎵鋅氧化物奈米粉體與其製法、錫鎵鋅氧化物靶材之製法 - Google Patents

錫鎵鋅氧化物奈米粉體與其製法、錫鎵鋅氧化物靶材之製法 Download PDF

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錫鎵鋅氧化物奈米粉體與其製法、錫鎵鋅氧化物靶材 之製法
本發明係有關於一種奈米粉體，且特別是有關於一種錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體。
非晶氧化物半導體材料(amorphous oxide semiconductor,AOSs)適合用於薄膜電晶體(thin film transistor,TFT)中的通道層材料，其中以銦鎵鋅氧化物(IGZO)最常被使用。
然而，銦鎵鋅氧化物(IGZO)含有大量稀有元素銦，製程成本昂貴且銦具有毒性等缺點，近年來開始尋找替代材料。
目前最常用於製作非晶氧化物半導體材料之方法為濺鍍(sputter)，而鍍膜品質之優劣與濺鍍靶材(target)的品質有關，良好的金屬氧化物靶材需具備高緻密度、高導電性、表面無突起物(nodule)、成分均勻性高等條件。
目前常使用固態反應法製作靶材。然而，固態反應法之缺點在於摻雜物不易混入，燒結後容易形成突起物等缺點。
因此，本發明發展一種非晶錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體與其靶材之製法，所製得之靶材不但具有高緻密度且表面無突起物。
本發明提供一種錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體，其具有下述化學式(I)：x(Ga2O3)-y(SnO2)-z(ZnO)，其中x：y：z=0.5：1：2~0.5：3：7。
本發明另提供一種錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體之製法，包括以下步驟：(a)將一錫金屬化合物、一鎵金屬化合物、一鋅金屬化合物溶於水中，以形成一混合溶液；(b)將一沉澱劑加入該混合溶液中；(c)對該混合溶液進行清洗與過濾步驟，以形成一沉澱物；(d)對該沉澱物進行一燒結製程(sintering process)，以形成該錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體。
本發明亦提供一種錫鎵鋅氧化物(TGZO)靶材之製法，包括以下步驟：提供一如申請專利範圍第1項所述之錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體；以及對該錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體進行一成型步驟與一燒結步驟，以形成該錫鎵鋅氧化物(TGZO)靶材。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明提供一種錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體，其包括鎵(Ga)氧化物、錫(Sn)氧化物與鋅(Zn)氧化物，其中錫鎵鋅氧化物具有下述化學式(I)： x(Ga2O3)-y(SnO2)-z(ZnO)
其中x：y：z=0.5：1：2至0.5：3：7。
此外，錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體尚包括微量元素，例如硼(B)或鋁(Al)，其中該微量元素之添加量為約100至1000 ppm。在一實施例中，添加微量元素可以提高後續形成之靶材之緻密度。
上述之錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體之平均粒徑為約20至100 nm，徑長比(l/d,aspect ratio)為約0.5至1。
本發明另提供錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體之製作方法，利用化學共沉澱法(co-precipitation)製作錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體，製作方法如下。
首先，進行步驟(a)，將錫金屬化合物、鎵金屬化合物、鋅金屬化合物溶於水中，以形成混合溶液。
於一實施例中，錫金屬化合物為氯化錫，鎵金屬化合物為硝酸鎵，而鋅金屬化合物為硝酸鋅。
接著，進行步驟(b)，將沉澱劑加入混合溶液中，以產生沉澱物於其中。上述沉澱劑包括氨水、氫氧化鈉、碳酸鈉或氫氧化鉀。
之後，進行步驟(c)，過濾該混合溶液，對該沉澱物進行清洗，並收集沉澱物。
接著，於進行步驟(d)之前，尚包括添加微量元素到該混合溶液中。在一實施例中，該微量元素包括硼(B)或鋁(Al)。在另一實施例中，微量元素之添加量為約100至1000 ppm。
之後，進行步驟(d)，對沉澱物進行燒結製程(sintering process)，以形成錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體，其中燒結製程(sintering process)之溫度為約500至900℃，且燒結製程(sintering process)之時間為約2至5小時。
上述步驟(a)-(d)所得到之錫鎵鋅氧化物(TGZO)具有下述化學式(I)：x(Ga2O3)-y(SnO2)-z(ZnO)
其中x：y：z=0.5：1：2至0.5：3：7。
須注意的是，習知利用固態混合方式製作錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體，所得到的粉體粒徑較大且分佈不均勻，且需要較高的燒結溫度(約1400℃以上)。相較於固態混合方式，本發明利用化學共沉澱法所得之錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體粒徑較小(約20至100 nm)，均勻性佳，且可降低燒結溫度，且由X光繞射光譜圖(XRD)與X光能量散佈圖(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)可知，本發明製作而得之錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體具有高結晶度與高純度。
本發明亦提供一種錫鎵鋅氧化物(TGZO)靶材之製法，包括以下步驟：提供上述製法製得之奈米粉體；以及對錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體進行成型步驟與燒結步驟，以形成錫鎵鋅氧化物(TGZO)靶材。
上述之成型步驟包括冷均壓(cold isostatic pressing)、射出成型(injection molding)、注漿成型(slipcast molding)或乾壓方法。
上述之燒結步驟係於大氣、氮氣或惰性氣體氣氛中進行，且燒結步驟之溫度為約1400至1600℃，燒結步驟之時間為約10至14小時。
【實施例】 實施例1-5
首先，依照表1之重量比例，將硝酸鎵、氯化錫、硝酸鋅溶於純水中，攪拌0.5小時，再加入碳酸鈉沉澱劑，在室温下攪拌2小時，再以去離子水清洗三次並分離沉產生之白色沉澱物。
置於120℃烘乾可得到白色粉體，然後再分別以500-900℃高温燒結3小時，以形成含錫鎵鋅金屬氧化物奈米粉體。
比較例1-2
比較例1-2之製法類似於實施例1，差別僅在於比較例之金屬化合物比例如表2所示。由表2可知，當鎵金屬化合物：錫金屬化合物：鋅金屬化合物比例為0.5：1：1時，其IGZO氧化物粉體粒徑會大於200 nm。
實施例6-11 製作TGZO靶材
取300g實施例4之TGZO奈米粉體、4g聚乙烯醇(PVA,polyvinyl alcohol)與696 g去離子水(DI-water)球磨混合，然後經過噴霧造粒製作粒徑為2~10 μm的TGZO球狀粒子，如第1圖所示。
把造粒後TGZO球狀粒子內徑為4吋的模具中，進行生胚(green tape)壓製(生胚製作條件為施壓壓力為25 MPa，持壓時間為1分鐘)。成形後之生胚再經冷均壓(cold isostatic pressing)處理，以250 MPa施壓壓力使生胚緻密化。最後將緻密化之生胚置入高溫燒結爐進行燒結，其燒結條件如下：室溫升溫至500℃，升溫速率為1℃/min；500℃持溫去除PVA，持溫時間為5小時；500℃升溫至燒結溫 度，升溫速率率1℃/min，燒結溫度為1500℃；靶材燒結時間持溫12小時；最後自然冷卻。
請參見表3，燒結後之靶材經加工處理即可得到3吋靶材，其中於不同氬氣壓力下，靶材的緻密度皆大於97%，純度大於99%，電阻率為4.8×10-3~2.9 Ω‧cm。
請參見第2圖，此圖顯示實施例10之TGZO靶材之影像圖。
須注意的是當靶材密度低時，靶材的表面會形成凸起物(nodule)，會使得鍍膜的品質下降。在上述實施例中，利用化學共沉澱法製作錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體，此奈米粉體成分均勻性佳，且具有高結晶性與高純度，而利用此奈米粉體製得之靶材具有高緻密度(約97至99.3%)，不會產生突起物(nodule)。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
第1圖為掃描式電子顯微鏡圖(SEM)，用以說明本發明一實施例之TGZO奈米粉體。
第2圖為影像圖，用以說明本發明一實施例之TGZO靶材。

Claims (9)

  1. 一種錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體，其具有下述化學式(I)：x(Ga2O3)-y(SnO2)-z(ZnO)其中x：y：z=0.5：1：2至0.5：3：7，其中該錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體更包括一微量元素，該微量元素包括硼(B)，該微量元素之添加量為100ppm至1000ppm。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體，其中該錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體之平均粒徑為約20nm至100nm。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體，其中該錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體之徑長比(l/d,aspect ratio)為0.5~1。
  4. 一種錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體之製法，包括以下步驟：(a)將一錫金屬化合物、一鎵金屬化合物、一鋅金屬化合物溶於水中，以形成一混合溶液；(b)將一沉澱劑加入該混合溶液中，以產生一沉澱物；(c)過濾該混合溶液並收集該沉澱物；(d)對該沉澱物進行一燒結製程(sintering process)，以形成該錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體，其中該錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體具有下述化學式(I)：x(Ga2O3)-y(SnO2)-z(ZnO)其中x：y：z=0.5：1：2至0.5：3：7 ，其中於步驟(d)之前，更包括添加一微量元素到該混合溶液中，該微量元素包括硼(B)，該微量元素之添加量為100ppm至1000ppm。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體之製法，其中於步驟(d)中，該燒結製程(sintering process)之溫度為約500℃至900℃。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體之製法，其中於步驟(d)中，該燒結製程(sintering process)之時間為約2小時至5小時。
  7. 一種錫鎵鋅氧化物(TGZO)靶材之製法，包括以下步驟：提供一如申請專利範圍第1項所述之錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體；以及對該錫鎵鋅氧化物(TGZO)奈米粉體進行一成型步驟與一燒結步驟，以形成該錫鎵鋅氧化物(TGZO)靶材。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之錫鎵鋅氧化物(TGZO)靶材之製法，其中該燒結步驟之溫度為約1400℃至1600℃。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之錫鎵鋅氧化物(TGZO)靶材之製法，其中該燒結步驟之時間為約10小時至14小時。
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