一種大尺寸高密度細晶粒ito靶材的常壓燒結製造方法

2023-05-21 20:20:21 2

一種大尺寸高密度細晶粒ito靶材的常壓燒結製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種磁控濺射用靶材的製造方法，具體涉及一種利用常壓燒結法來製備大尺寸高密度細晶粒ITO靶材的方法，屬於靶材製造領域。
【背景技術】
[0002]ITO(氧化銦錫)靶材作為一種η型半導體陶瓷材料，由於用其製造的陶瓷薄膜具有透明導電的特性，而被廣泛應用於LCD、0LED、PDP等各類顯示器件中。隨著我國電子顯示行業特別是LCD、薄膜電晶體(TFT)、可攜式計算機、高清晰度電視(HDTV)等行業的高速發展，ITO膜的需求量也越來越大，對ITO靶材的的要求也相應地越來越高。特別是隨著大尺寸TFTLCD面板的發展，對ITO靶材的尺寸要求也相應地增大。而隨著ITO靶材尺寸的增大，靶材的燒結難度也逐漸增加，問題主要體現在不易製造出高密度的大尺寸細晶粒ITO靶材。
[0003]目前，ITO靶材常用的燒結方法由熱壓法、熱等靜壓法、壓力氣氛燒結法以及常壓燒結法。熱壓法製造的ITO靶材，失氧率高，不能製造出高品質的ITO靶材，且由於設備尺寸的限制，導致製造出的靶材尺寸通常都較小，因此，目前主流的ITO靶材已不採用熱壓法製造。熱等靜壓法製造的ITO靶材，其品質通常相對較高，但製造設備一次性投入加大，不適合於工業化連續生產，且同樣受到設備尺寸的限制，不適用於製造大尺寸的靶材。氧氣氛壓力燒結法是在高純氧氣氛以及一定的壓力下製備ITO靶材，由於有壓力的輔助，ITO靶材的緻密化速度明顯加快，可製備出較高品質的ITO靶材。然而，同樣由於製造設備尺寸的限制，由該法製造的ITO靶材的產量及尺寸都較低。
[0004]常壓燒結法是在氧氣氛常壓作用下來製造ITO靶材的一種方法。由於該方法不帶壓力操作，其製造設備尺寸可大幅度提高，適用於大尺寸ITO靶材的製造。但同樣由於該方法不帶壓力，導致ITO素坯在燒結過程中的緻密化速度明顯降低，往往需要非常高的燒結溫度和較長的保溫時間才能完成ITO靶材的緻密化過程，由此導致靶材的晶粒往往都較大，且其強度也隨之降低，在使用濺射過程中可能導致靶材開裂而影響鍍膜質量。因此，如何製備出大尺寸、高密度、細晶粒的ITO靶材，是當前靶材製造領域亟需解決的難題。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種大尺寸高密度細晶粒ITO靶材的製造方法。
[0006]為實現上述目的，本發明採用以下技術方案:
[0007]一種大尺寸高密度細晶粒ITO靶材的常壓燒結製造方法，其包括以下步驟:
[0008]I)將純度大於99.99 %的ITO粉體，依次經模壓處理及冷等靜壓處理後，得到ITO素坯；
[0009]2)將ITO素坯進行脫脂處理後，對ITO素坯進行抽真空並向素坯孔隙中填充氧氣處理；
[0010]3)步驟2)中經抽真空及充氧處理後的素坯在常壓通氧氣氛下進行常壓燒結處理，即得所述的ITO靶材。
[0011]優選的是:步驟I)中所述的ITO粉體，其比表面積為10?20m2/g，粒度為0.1?2μπι，振實密度為1.7?2.5g/cm2。
[0012]優選的是:步驟I)中所述的模壓處理的模壓壓力為50?lOOMPa，保壓時間為5?20mino
[0013]優選的是:步驟I)中所述的冷等靜壓處理的冷等靜壓壓力為250?400MPa，保壓時間為5?20min。
[0014]優選的是:步驟2)中所述的脫脂處理的處理溫度為500?800°C，脫脂時間為30?50ho
[0015]優選的是:步驟2)中所述的抽真空並向素坯孔隙中填充氧氣處理的真空度為10—4?10—2Pa,充氧壓力為10?lOOKPa，保壓時間為10?60min。
[0016]優選的是:步驟3)中所述的常壓燒結處理，其燒結溫度為1550?1600°C，保溫時間為20?40h
[0017]本發明的有益效果在於，本發明通過對經模壓處理、冷等靜壓處理及脫脂處理後的ITO素坯進行抽真空、並向素坯的孔隙中充入氧氣，使得在常壓氧氣氛燒結過程中，素坯孔隙中的氧以及爐膛中的氧共同抑制了 ITO在燒結過程中的分解及揮發，從而以較短的燒結時間製備出大尺寸高密度細晶粒的ITO靶材，製得的ITO靶材的尺寸大於700 X 500mm，相對密度在99.5%以上，晶粒度為4?ΙΟμπι。
【具體實施方式】
[0018]下面結合具體實施例對本發明的【具體實施方式】做進一步說明。
[0019]本發明採用常壓燒結法製備ITO靶材，其製備步驟包括:
[0020]I)將純度大於99.99 %的ITO粉體，依次經模壓處理及冷等靜壓處理後，得到ITO素坯；
[0021]2)將ITO素坯進行脫脂處理後，對ITO素坯進行抽真空並向素坯孔隙中填充氧氣處理；
[0022]3)步驟2)中經抽真空及充氧處理後的素坯在常壓通氧氣氛下進行常壓燒結處理，即得本發明所述的ITO靶材。
[0023]進一步地，步驟I)中所述的ITO粉體，其比表面積為10?20m2/g，粒度為0.1?2μπι，振實密度為1.7?2.5g/cm2;步驟I)中所述的模壓處理的模壓壓力為50?10MPa，保壓時間為5?20min，冷等靜壓處理的冷等靜壓壓力為250?400MPa，保壓時間為5?20min;步驟2)中所述的脫脂處理的處理溫度為500?800°C，脫脂時間為30?50h，所述的抽真空並向素坯孔隙中填充氧氣處理的真空度為10—4?10—2Pa,氧氣的純度為99.99%以上，且含水量小於5ppm，充氧壓力為10?lOOKPa，保壓時間為10?60min;步驟3)中所述的常壓燒結處理，其燒結溫度為1550?1600°C，保溫時間為20?40h，且氧氣的純度為99.99%以上，且含水量小於5ppm，氧流量為 20 ?1000ml/min。
[0024]由於ITO粉末在空氣中經過模壓和冷等靜壓處理後得到ITO素坯，冷壓坯的相對密度僅為60%左右，素坯中會含有大量的孔隙。這是因為，上述壓制過程在空氣中進行，空氣中的主要成分氮氣和氧氣等會進入素坯中導致大量孔隙的形成。而在ITO靶材的燒結後期，為了得到高密度的燒結體，就需要儘可能地將這些殘餘孔隙排除乾淨。而且，由於ITO靶材中存在氧空位，孔隙中的氧氣比氮氣更容易通過氧空位和材料中的晶界區擴散，使晶界過氧或氧「偏析」，最後擴散消除。此外，ITO靶材緻密化的過程，也是晶粒生長的過程，上述孔隙的存在導致ITO靶材的緻密化程度不高，進而導致靶材的晶粒較大。本發明的製造方法，通過對素坯進行抽真空並向孔隙中填充氧氣處理，使得素坯的孔隙中充滿氧氣，而氧氣的存在，前期有利於抑制ITO的揮發，後期有利於素坯的緻密化，從而縮短了保溫時間。同樣情況下，晶粒的生長時間就相應減少，從而得到較小晶粒的高密度ITO靶材。
[0025]實施例1
[0026]—種大尺寸高密度細晶粒ITO靶材的常壓燒結製造方法，其包括以下步驟:
[0027]I)將比表面積為15m2/g，粒度為0.8μπι，振實密度為1.8g/cm2、純度大於99.99%的ITO粉體，於80MPa下模壓處理15min;
[0028]2)將步驟I)中經模壓處理後的ITO粉體於300MPa下冷等靜壓處理lOmin，得到ITO素坯；
[0029 ] 3)將步驟2)中得到的ITO素坯於700 °C下脫脂處理40h;
[0030]4)將步驟3)中脫脂後的坯體於真空設備中進行抽真空處理，真空度為10—3Pa，隨後緩慢充入純度為99.99%以上，含水量小於5ppm的氧氣，當氧氣的壓力達到50KPa後停止充氧，並在此氧壓力下保持30min，使得氧氣充分進入到素坯的孔隙中；
[0031]5)將步驟4)中經抽真空及充氧處理後的坯體在常壓通氧氣氛下進行常壓燒結處理，即得所述的ITO靶材;其中，燒結溫度為1580°C，保溫時間為30h，且在加熱前向爐膛中充入純度為99.99%以上，且含水量小於5ppm的氧氣，使得氧分壓達到95%以上，加熱過程中，保持氧流量為100ml/min。
[0032]使用阿基米德排水法測試上述製得的ITO靶材的密度，得其相對密度為99.5%，經SEM分析得其晶粒為6?8μπι。
[0033]實施例2
[0034]—種大尺寸高密度細晶粒ITO靶材的常壓燒結製造方法，其包括以下步驟:
[0035]I)將比表面積為12m2/g，粒度為1.6μπι，振實密度為2.3g/cm2、純度大於99.99 %的ITO粉體，於50MPa下模壓處理20min ；
[0036]2)將步驟I)中經模壓處理後的ITO粉體於350MPa下冷等靜壓處理5min，得到ITO素坯；
[0037]3)將步驟2)中得到的ITO素坯於550°C下脫脂處理50h;
[0038]4)將步驟3)中脫脂後的坯體於真空設備中進行抽真空處理，真空度為10—3Pa，隨後緩慢充入純度為99.99%以上，含水量小於5ppm的氧氣，當氧氣的壓力達到80KPa後停止充氧，並在此氧壓力下保持15min，使得氧氣充分進入到素坯的孔隙中；
[0039]5)將步驟4)中經抽真空及充氧處理後的坯體在常壓通氧氣氛下進行常壓燒結處理，即得所述的ITO靶材;其中，燒結溫度為1600°C，保溫時間為20h，且在加熱前向爐膛中充入純度為99.99%以上，且含水量小於5ppm的氧氣，使得氧分壓達到95%以上，加熱過程中，保持氧流量為950ml/min。
[0040]使用阿基米德排水法測試上述製得的ITO靶材的密度，得其相對密度為99.7%，經SEM分析得其晶粒為8?I Oym。[0041 ] 實施例3
[0042]一種大尺寸高密度細晶粒ITO靶材的常壓燒結製造方法，其包括以下步驟:
[0043]I)將比表面積為20m2/g，粒度為1.2μπι，振實密度為2.5g/cm2、純度大於99.99 %的ITO粉體，於10MPa下模壓處理5min ；
[0044]2)將步驟I)中經模壓處理後的ITO粉體於250MPa下冷等靜壓處理20min，得到ITO素坯；
[0045]3)將步驟2)中得到的ITO素坯於800°C下脫脂處理30h;
[0046]4)將步驟3)中脫脂後的坯體於真空設備中進行抽真空處理，真空度為10—4Pa，隨後緩慢充入純度為99.99%以上，含水量小於5ppm的氧氣，當氧氣的壓力達到30KPa後停止充氧，並在此氧壓力下保持60min，使得氧氣充分進入到素坯的孔隙中；
[0047]5)將步驟4)中經抽真空及充氧處理後的坯體在常壓通氧氣氛下進行常壓燒結處理，即得所述的ITO靶材;其中，燒結溫度為1560 0C，保溫時間為35h，且在加熱前向爐膛中充入純度為99.99%以上，且含水量小於5ppm的氧氣，使得氧分壓達到95%以上，加熱過程中，保持氧流量為800ml/min。
[0048]使用阿基米德排水法測試上述製得的ITO靶材的密度，得其相對密度為99.6%，經SEM分析得其晶粒為4?6μπι。
[0049]本發明已通過優選的實施方式進行了詳盡的說明。然而，通過對前文的研讀，對各實施方式的變化和增加也是本領域的一般技術人員所顯而易見的。申請人的意圖是所有這些變化和增加落在了本發明權利要求的保護範圍中。本文中使用的術語僅為對具體的實施例加以說明，其並非意在對發明進行限制。除非另有定義，本文中使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)均與本發明所屬領域的一般技術人員的理解相同。公知的功能或結構出於簡要和清楚的考慮或不再贅述。
【主權項】
1.一種大尺寸高密度細晶粒ITO靶材的常壓燒結製造方法，其特徵在於:包括以下步驟:1)將純度大於99.99%的ITO粉體，依次經模壓處理及冷等靜壓處理後，得到ITO素坯； 2)將ITO素坯進行脫脂處理後，對ITO素坯進行抽真空並向素坯孔隙中填充氧氣處理； 3)步驟2)中經抽真空及充氧處理後的素坯在常壓通氧氣氛下進行常壓燒結處理，即得所述的ITO靶材。2.根據權利要求1所述的製造方法，其特徵在於:步驟I)中所述的ITO粉體，其比表面積為10?20m2/g，粒度為0.1?2μηι，振實密度為1.7?2.5g/cm2。3.根據權利要求1所述的製造方法，其特徵在於:步驟I)中所述的模壓處理的模壓壓力為50?lOOMPa，保壓時間為5?20min。4.根據權利要求1所述的製造方法，其特徵在於:步驟I)中所述的冷等靜壓處理的冷等靜壓壓力為250?400MPa，保壓時間為5?20min。5.根據權利要求1所述的製造方法，其特徵在於:步驟2)中所述的脫脂處理的處理溫度為500?800 °C，脫脂時間為30?50h。6.根據權利要求1所述的製造方法，其特徵在於:步驟2)中所述的抽真空並向素坯孔隙中填充氧氣處理的真空度為10—4?10—2Pa,充氧壓力為10?lOOKPa，保壓時間為10?60min。7.根據權利要求1所述的製造方法，其特徵在於:步驟3)中所述的常壓燒結處理，其燒結溫度為1550?1600 0C，保溫時間為20?40h。
【專利摘要】本發明公開了一種大尺寸高密度細晶粒ITO靶材的常壓燒結製造方法，其包括以下步驟：1)將純度大於99.99％的ITO粉體，依次經模壓處理及冷等靜壓處理後，得到ITO素坯；2)將ITO素坯進行脫脂處理後，對ITO素坯進行抽真空並向素坯孔隙中填充氧氣處理；3)步驟2)中經抽真空及充氧處理後的素坯在常壓通氧氣氛下進行常壓燒結處理，即得所述的ITO靶材。本發明通過對ITO素坯進行抽真空、並向素坯的孔隙中充入氧氣，使得在常壓氧氣氛燒結過程中，素坯孔隙中的氧以及爐膛中的氧共同抑制了ITO在燒結過程中的分解及揮發，從而以較短的燒結時間製備出大尺寸高密度細晶粒的ITO靶材，製得的ITO靶材的相對密度在99.5％以上，晶粒度為4～10μm。
【IPC分類】C04B35/457, C04B35/64
【公開號】CN105712719
【申請號】CN201610244597
【發明人】張士察, 孫振德
【申請人】北京冶科納米科技有限公司