ITO靶材的毒化機(jī)理研究現(xiàn)狀

姜 鶴,王東新,王燕昌,孫本雙,鐘景明

(1.寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院,寧夏銀川 750021;2.西北稀有金屬材料研究院,寧夏石嘴山 753000)

ITO靶材的毒化機(jī)理研究現(xiàn)狀

姜 鶴1,2,王東新2,王燕昌1,孫本雙2,鐘景明2

(1.寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院,寧夏銀川 750021;2.西北稀有金屬材料研究院,寧夏石嘴山 753000)

為了更好的了解ITO靶材的毒化機(jī)理,分別介紹了磁控濺射技術(shù)制備薄膜的基本原理,綜述了ITO靶材在濺射過(guò)程中的毒化機(jī)理研究的現(xiàn)狀,分析了影響ITO靶材毒化現(xiàn)象可能的原因,詳細(xì)介紹了現(xiàn)階段3種解決ITO靶材毒化現(xiàn)象的方法:不同工藝制備ITO靶材的影響、最佳Sn摻雜量和其他元素的摻雜等的影響以及濺射工藝的影響,指出了他們各自緩解ITO靶材毒化現(xiàn)象的原理。并且展望了未來(lái)解決我國(guó)ITO靶材毒化問(wèn)題的發(fā)展方向。為我國(guó)ITO靶材的發(fā)展提供一定的參考。

ITO靶材;濺射;毒化

透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于透明電極產(chǎn)品和各種平板顯示器中[1]。沉積TCO薄膜的技術(shù)有很多,磁控濺射技術(shù),因其良好的可操控性、高的沉積率已被應(yīng)用到了大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中。磁控濺射的原理是:電離Ar使Ar+轟擊靶材表面使之產(chǎn)生相互作用。靶材表面某些原子獲得指向靶表面外的動(dòng)能,并具有克服表面勢(shì)壘的能量,它就可以逸出靶面而形成為濺射粒子。濺射粒子大多數(shù)來(lái)自靶表面幾納米的淺表層,可以認(rèn)為靶材濺射時(shí),粒子從表面開(kāi)始剝離[2]。

目前各式各樣的TCO薄膜中,考慮到薄膜的可見(jiàn)光透過(guò)率和導(dǎo)電性,應(yīng)用最廣泛的是銦錫氧化物(ITO)薄膜。但是隨著ITO靶材濺射過(guò)程的進(jìn)行, ITO靶材表面會(huì)產(chǎn)生許多小的結(jié)瘤,這個(gè)現(xiàn)象就叫做ITO靶材的毒化現(xiàn)象。毒化現(xiàn)象發(fā)生會(huì)導(dǎo)致制備出來(lái)的ITO薄膜電阻增加和透光率降低。所以必須停止濺射,清理靶材表面,嚴(yán)重影響ITO薄膜的制備速度。雖然ITO靶材工作者一直在努力,但始終無(wú)法避免毒化現(xiàn)象的發(fā)生。下面介紹幾種影響ITO靶材毒化現(xiàn)象的因素。

1 不同制備工藝、參數(shù)對(duì)靶材的影響

ITO靶材的生產(chǎn)是通過(guò)壓制或模鑄ITO粉末制成形體。干粉壓制可以使用熱等靜壓或冷等靜壓的方法。在壓制成型后,成形體被燒結(jié)成ITO靶材,將按照本領(lǐng)域熟知的方法(如球磨機(jī)混合)制備,然后烘干混合粉,煅燒形成ITO粉末制造成的,最后烘干混合粉,煅燒形成ITO粉末[2]。值得注意的是,作為原料粉末的氧化銦的物理性質(zhì)對(duì)薄膜的性質(zhì)有著很大的影響。

1.1 ITO粉體中添加PVA對(duì)ITO靶材的影響

1.2 燒結(jié)時(shí)間對(duì)ITO靶材影響

有實(shí)驗(yàn)證實(shí)[4]:在放電等離子條件下燒結(jié)ITO靶材,高溫長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)對(duì)靶材的致密化是不利的,而應(yīng)該在較低的溫度下通過(guò)延長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)提高靶材的致密度。通過(guò)燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間的充分協(xié)調(diào)來(lái)制備高密度的ITO靶材。

袁振[5]等人利用微波燒結(jié)制備ITO靶材,因?yàn)槲⒉Y(jié)具有燒結(jié)周期短、能量消耗低等特點(diǎn),能降低生產(chǎn)成本和能源消耗、且具有廣闊發(fā)展前景。研究發(fā)現(xiàn):壓制壓力為500 MPa,燒結(jié)溫度為1 600℃時(shí)。隨著保溫時(shí)間增加,靶材的密度先增加后降低,在保溫1.5 h時(shí)相對(duì)密度達(dá)到最大值。這可能是由于保溫時(shí)間過(guò)短時(shí)閉孔數(shù)量較多,使得燒結(jié)試樣密度較低。隨著保溫時(shí)間延長(zhǎng),燒結(jié)體緩慢收縮,小孔逐漸消失,孔隙數(shù)量減少,密度增大。當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)1.5 h時(shí),密度開(kāi)始下降,這可能是由于在1 600℃下In2O3和SnO2熱分解造成的。熱分解反應(yīng)如下式所示:

氣態(tài)物質(zhì)的逸出導(dǎo)致靶材體內(nèi)產(chǎn)生大量孔洞,影響燒結(jié)體的致密化。由以上分析可知,高溫下長(zhǎng)時(shí)間微波燒結(jié)對(duì)ITO靶材的致密化是不利的。有研究表明:ITO靶材難燒結(jié)的原因是原材料中的SnO2在高溫下發(fā)生反應(yīng)分解。若在燒結(jié)氣氛中加入臭氧,就能緩解SnO2分解。

1.3 燒結(jié)溫度對(duì)ITO靶材影響

實(shí)驗(yàn)表明[6],燒結(jié)溫度對(duì)ITO靶材密度的影響很大,相對(duì)密度隨著溫度的升高而增大,從而影響到靶材的毒化時(shí)間。溫度為1 000℃時(shí)對(duì)應(yīng)的密度達(dá)到峰值。這可能是隨著溫度升高,原子擴(kuò)散速度加快,燒結(jié)行為充分進(jìn)行并接近完成,形成大量閉孔,同時(shí)孔徑縮小,使得孔隙尺寸和孔隙總數(shù)均有減少,燒結(jié)體密度明顯增加。隨著溫度的繼續(xù)升高,相對(duì)密度降低。隨著溫度的升高,樣品的質(zhì)量損失增加。溫度越高,質(zhì)量損失程度越大。這是因?yàn)槿绻麥囟冗^(guò)高,ITO靶材同樣會(huì)發(fā)生上面的反應(yīng),氣態(tài)物質(zhì)的逸出,導(dǎo)致ITO靶材內(nèi)部出現(xiàn)孔洞,阻礙了靶材的致密化。

1.4 燒結(jié)壓力對(duì)ITO靶材影響

實(shí)驗(yàn)證明[6]:不同的燒結(jié)壓力導(dǎo)致ITO靶材密度發(fā)生變化。隨著燒結(jié)壓力的提高,ITO靶材的密度有少量的增加。但是增大的幅度很少。這是由于壓力的增加,使得顆粒之間接觸更加緊密更加充分,接觸面面積更大,使得燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散阻力減小。在燒結(jié)時(shí)質(zhì)點(diǎn)遷移距離較短,因而燒結(jié)體相對(duì)密度提高。此外,壓坯中的氣孔對(duì)燒結(jié)體具有較大的影響,較大尺寸氣孔的存在一方面加大顆粒擴(kuò)散距離,另一方面減小氣孔收縮的推動(dòng)力,因而不利于燒結(jié)致密化。因此,成形壓力較小時(shí),壓坯的密度小,且氣孔直徑較大,數(shù)量較多,不利于燒結(jié)體相對(duì)密度的提高,但在壓坯脫模之后,由于內(nèi)應(yīng)力的作用,壓坯會(huì)發(fā)生彈性膨脹(即彈性后效)現(xiàn)象。

1.5 升溫速率對(duì)ITO靶材影響

由于燒結(jié)中過(guò)高的升溫速率,會(huì)造成溫度場(chǎng)的不均勻,表面跟內(nèi)部的溫度差較大,使得局部的致密化的速率不一致。這樣導(dǎo)致局部的致密化速度低于溫度的傳遞速度。所以在燒結(jié)的過(guò)程中局部的不均勻和燒結(jié)不致密,使ITO靶材更容易毒化。

1.6 其他工藝制備ITO靶材

李晶等人[7],以化學(xué)共沉淀法制備的ITO粉末為原料,采用噴霧干燥-冷等靜壓-燒結(jié)法制備的ITO靶材。經(jīng)噴霧干燥可將形貌不規(guī)則的粉末制成均勻規(guī)則的球形顆粒,大大提高了粉末的流動(dòng)性與成形性,素坯的密實(shí)性及燒結(jié)后靶材的密度、均勻性均優(yōu)于直接壓制成形所制備的樣品。粒度組成對(duì)ITO素坯和靶材的致密度均有著重要影響,素坯的致密度、氣孔率和氣孔分布直接影響到最終ITO靶材的致密度。粗細(xì)粉末搭配樣品比單一粗顆粒樣品的致密度高,而由單一細(xì)粉,且經(jīng)噴霧干燥,制得的素坯和靶材其致密度最高。由粒度較小的單一粉末組成的樣品,由于在燒結(jié)過(guò)程中其質(zhì)點(diǎn)遷移距離較短,單位體積內(nèi)粒子接觸點(diǎn)數(shù)和顆粒間的晶粒缺陷較多,在燒結(jié)時(shí)更容易致密化。

2 最佳Sn摻雜量和其他元素的摻雜

電阻率和可見(jiàn)光透過(guò)率是評(píng)價(jià)ITO薄膜質(zhì)量好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。錫的含量會(huì)影響到ITO薄膜的導(dǎo)電性和透光性,因?yàn)镮TO的導(dǎo)電原理是In2O3中的氧空位產(chǎn)生的施主能級(jí)和SnO2摻雜后Sn4+代替In3+后,多余的電子所產(chǎn)生的單電子施主能級(jí),所以如果Sn的含量太少則ITO薄膜的導(dǎo)電性能將降低。但如果Sn的含量過(guò)高則會(huì)影響到薄膜的可見(jiàn)光透過(guò)率。同時(shí)人們發(fā)現(xiàn)在ITO中摻雜適量的其他元素有利于提高ITO靶材的相對(duì)密度和ITO薄膜的性能,所以確定ITO的最佳摻雜量和其他元素?fù)诫s是ITO領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

2.1 最佳Sn摻雜量

K.Nakashima[8]等人對(duì)氧化錫含量在濺射過(guò)程中對(duì)結(jié)瘤生長(zhǎng)的影響進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)分別對(duì)氧化錫含量為10.46%(密度7.13 g/cm3)、9.84%(密度7.14 g/cm3)、8.87%(密度7.13 g/cm3)的靶材進(jìn)行了中毒實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)三種樣本進(jìn)行320 h的濺射實(shí)驗(yàn),之后分別觀察它們表面的毒化面積。實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)氧化錫含量為9.84%時(shí),ITO靶材表面的結(jié)瘤面積不高,而且制備出來(lái)薄膜的性質(zhì)沒(méi)有太大的改變。同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)氧化錫含量為8.87%時(shí),ITO靶材表面結(jié)瘤面積僅為0.55%。當(dāng)氧化錫含量為10.46%時(shí)ITO靶材表面的中毒面積為40.29%,這進(jìn)一步證實(shí)了,結(jié)瘤是由過(guò)量或者局部過(guò)量的氧化錫所引起的。

在另外一些的實(shí)驗(yàn)中[9,10],研究者們發(fā)現(xiàn):當(dāng)ITO中SnO2摻雜比例為7.5%～10%時(shí),ITO薄膜的電阻率最小。當(dāng)摻雜量大于10%時(shí)ITO薄膜電阻率沒(méi)有太大變化,這說(shuō)明Sn的摻雜已經(jīng)趨于飽和,繼續(xù)增加Sn含量會(huì)影響薄膜性能。但是降低了ITO中Sn的含量,必然會(huì)影響到ITO薄膜的電阻率,使電阻率加大,所以這種降低Sn含量的方法可以應(yīng)用在一些不需要低電阻率,而是需要低結(jié)瘤增長(zhǎng)率的器件上面。

2.2 其他元素的摻雜

ITO粉末摻雜其他元素不僅可以提高ITO靶材的相對(duì)密度,緩解ITO靶材的毒化問(wèn)題,部分元素還可以提高ITO靶材的光學(xué)電學(xué)性能,而且使ITO薄膜具有一些新的性能,如摻Cs的ITO復(fù)合薄膜具有光輻射效應(yīng),摻Fe的ITO復(fù)合薄膜具有室溫鐵磁性能等。

有學(xué)者做過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)[11]:采用冷壓燒結(jié)技術(shù)制備的CaO摻雜的復(fù)合陶瓷,并對(duì)CaO摻雜量及燒結(jié)溫度對(duì)復(fù)合陶瓷物相組成、顯微結(jié)構(gòu)及致密度的影響做了研究。結(jié)果表明:當(dāng)CaO摻雜量為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),1 200℃燒結(jié)時(shí),樣品的相對(duì)密度最大。

分析其成因:在摻雜CaO之后,燒結(jié)時(shí)生成Ca的化合物熔點(diǎn)低于1 200℃因此在所選的燒結(jié)溫度下,由于新相的形成并產(chǎn)生液相使燒結(jié)過(guò)程反應(yīng)出液相燒結(jié)的特征。而產(chǎn)生的部分易流動(dòng)的液相,在燒結(jié)過(guò)程中可作為載體,加速了ITO靶材中物質(zhì)的遷移,發(fā)生粘性流動(dòng),促進(jìn)ITO靶材中晶界的產(chǎn)生,使其致密化速率加大。燒結(jié)之前,ITO粉末壓坯還是由許多單個(gè)的固體顆粒所組成,素坯中含有許多的空隙,顆粒間只是點(diǎn)接觸。在燒結(jié)初期,伴隨著溫度的提升,原子振動(dòng)的振幅越來(lái)越劇烈,發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象,接觸點(diǎn)附近的更多原子進(jìn)入原子作用力范圍之內(nèi),形成粘結(jié)面。由于Ca化合物生成的反應(yīng)發(fā)生所需溫度不高,且反應(yīng)產(chǎn)物在燒結(jié)未顯著發(fā)生時(shí)即以液相存在,這些液相作為原子擴(kuò)散和物質(zhì)遷移的介質(zhì),相比與固相傳質(zhì)提高了擴(kuò)散系數(shù),使更多原子以更快的速率擴(kuò)散,縮短了顆粒間接觸面的形成時(shí)間。在1 200℃燒結(jié)所得未摻雜試樣中,陶瓷顆粒多以單顆粒形式存在,燒結(jié)頸形成不明顯,燒結(jié)未明顯完成。但在同一燒結(jié)工藝下,2%CaO摻雜的樣品晶粒結(jié)合緊密連通氣孔消除,只有少量晶內(nèi)閉孔。與未摻雜的ITO樣品相比,其燒結(jié)致密化完成較好,且樣品在燒結(jié)中期完成了大部分致密化過(guò)程,原子向顆粒結(jié)合面遷移使燒結(jié)頸擴(kuò)大,顆粒間距減小,形成連續(xù)的孔隙網(wǎng)絡(luò),而晶粒在這一階段并未明顯長(zhǎng)大。液相的存在對(duì)這一階段的貢獻(xiàn)同燒結(jié)初期的相似,促進(jìn)了燒結(jié)過(guò)程的完成,降低了致密化燒結(jié)溫度。這說(shuō)明了CaO在提高陶瓷致密度、延長(zhǎng)毒化時(shí)間上具有可行性。

還有人做過(guò)ITO粉末中摻雜CaCO3的實(shí)驗(yàn)[11],比較了CaCO3不同摻雜量時(shí),ITO靶材的毒化情況和薄膜的光電性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:摻雜了CaCO3的ITO靶材弧光放電次數(shù)遠(yuǎn)小于未摻雜Ca-CO3的,靶材表面的結(jié)瘤數(shù)量也遠(yuǎn)小于未摻雜Ca-CO3的。因?yàn)镃aCO3的摻雜有助于靶材表面導(dǎo)電性的提高。因此導(dǎo)電性提高的ITO靶材,降低了弧光放電次數(shù)[12]。同時(shí)也提高了靶材的冷卻效率。高的冷卻率又可以增加放電穩(wěn)定性,從而改善薄膜的透明度。所以也可以從提高ITO靶材表面導(dǎo)電性能方面考慮優(yōu)化ITO靶材性能。

何漢兵等人[13],對(duì)BaO摻雜復(fù)合陶瓷材料進(jìn)行了致密化研究,結(jié)果表明:當(dāng)BaO摻雜量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0～4%時(shí),Ba2+固溶到基體中,促進(jìn)致密化燒結(jié),降低了燒結(jié)致密化溫度;1250℃燒結(jié)時(shí),1%BaO摻雜樣品的相對(duì)密度最大,比未摻雜ITO樣品的相對(duì)密度大幅提高;但當(dāng)BaO摻雜量繼續(xù)提高,陶瓷樣品相對(duì)密度基本不變。加入Ba后的反應(yīng)產(chǎn)物熔點(diǎn)都低于1150℃,因此,在所選定的燒結(jié)溫度下,由于新相Ba的化合物的形成并產(chǎn)生瞬時(shí)液相,使燒結(jié)過(guò)程出現(xiàn)液相燒結(jié)的特征。而產(chǎn)生的少量易流動(dòng)的Ba的化合物液相作為燒結(jié)過(guò)程物質(zhì)傳輸?shù)妮d體相,發(fā)生粘性流動(dòng),加速物質(zhì)遷移,促進(jìn)燒結(jié)頸及晶界的產(chǎn)生,使致密化速率加快。

BaO作為第二相的引入,使大量的Ba2+嵌入到陶瓷中促進(jìn)了燒結(jié)致密化。當(dāng)Ba2+進(jìn)入到陶瓷基體相晶格時(shí),誘發(fā)了嚴(yán)重的晶格畸變,增加晶格缺陷,從而活化了晶格,促進(jìn)了質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散,故可降低燒結(jié)致密化溫度,使燒結(jié)階段擴(kuò)散加快。從而得到了延長(zhǎng)毒化時(shí)間的目的。有研究表明[14],采用化學(xué)共沉淀法摻Nb、Ta、Bi到ITO靶材中,其金屬氧化物的摻入量為1.0%～1.5%,燒結(jié)溫度為1 450℃～1 500℃,可使ITO靶相對(duì)密度達(dá)到97%～99%,并且靶電阻率可小于3.0×10-4Ω·cm,其質(zhì)量損失率可小于4.0%。在采用直接摻雜法將TiO2納米粉末和五氧化二磷納米粉末摻入到ITO納米粉末中,并且其金屬氧化物的摻入量為1.0%～1.5%,燒結(jié)溫度為1 450℃～1 500℃,可使ITO靶相對(duì)密度達(dá)到95%以上。當(dāng)燒結(jié)溫度為l500℃時(shí),摻Nb、Ta、P的ITO靶,電阻率稍小于純ITO靶的電阻率,因而可以緩解ITO靶材毒化現(xiàn)象。

3 濺射技術(shù)的影響

3.1 濺射電壓的影響

由于高電壓下濺射,沉積速率過(guò)快,使膜層結(jié)構(gòu)疏松,導(dǎo)致晶距加大電阻率升高。此外濺射電壓過(guò)高,負(fù)離子氧以很大的動(dòng)能轟擊薄膜表面,除了使膜損傷外,又使膜表面吸附著過(guò)剩的氧雜質(zhì),在晶體結(jié)構(gòu)中沒(méi)有形成適當(dāng)?shù)摹把蹩瘴弧?是載流子濃度降低和自由導(dǎo)電電子減少的緣故。而且濺射電壓過(guò)高使沉積速率太快,在高價(jià)銦錫中可能夾雜著低價(jià)氧化物存在,生成黑色的低價(jià)氧化物,使載流子濃度下降,又使透過(guò)率降低,影響ITO靶材的毒化時(shí)間。

3.2 氣體分壓強(qiáng)的影響

對(duì)反應(yīng)濺射淀積ITO膜來(lái)說(shuō),反應(yīng)氣體分壓強(qiáng)無(wú)疑是影響薄膜的光學(xué)性能和電學(xué)性能的重要參量,也是控制ITO靶材毒化時(shí)間的重要參數(shù)。首先通入反應(yīng)氣體量不夠,必將導(dǎo)致低價(jià)化合物生成,但是通入氣體過(guò)剩時(shí)又會(huì)影響到濺射時(shí)的氣壓。如果能恰當(dāng)?shù)乜刂七@個(gè)參數(shù),將提高工藝水平,得到優(yōu)質(zhì)ITO薄膜,也可以優(yōu)化ITO靶材的毒化時(shí)間。

此外,采用DC+RF電源和雙脈沖磁控濺射等新技術(shù)、濺射時(shí)濺射室內(nèi)的高真空度和保持濺射室清潔,也可以不同程度減緩ITO靶材中結(jié)瘤的生成。

4 展 望

國(guó)外ITO靶材的毒化時(shí)間要比國(guó)產(chǎn)的長(zhǎng),所以有較高ITO薄膜的制備速率,從而得到液晶顯示器企業(yè)的青睞。如果國(guó)內(nèi)ITO研究者能盡快找到ITO靶材的毒化機(jī)理,延長(zhǎng)ITO靶材的毒化時(shí)間,那么國(guó)產(chǎn)ITO靶材將以價(jià)格優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。為此必須加快做好以下工作:

1.深入研究ITO靶面在濺射時(shí)出現(xiàn)毒化現(xiàn)象的形成機(jī)理,由此指導(dǎo)制備ITO靶材的工藝。

2.研究國(guó)產(chǎn)ITO靶材最大毒化時(shí)間的靶材制備工藝和鍍膜參數(shù),找到使現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)ITO靶材達(dá)到最長(zhǎng)毒化時(shí)間的鍍膜工藝。

3.了解摻雜后ITO靶材毒化時(shí)間延長(zhǎng)的機(jī)理,以此研究在不摻雜時(shí)如何延長(zhǎng)靶材的毒化時(shí)間。

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Abstract:In order to better understand the ITO target poisoning mechanism,this paper introduces the technology of magnetron sputtering thin film preparation principle,reviews the poisoning research present situation of the ITO target in the sputtering process,analyzed the possible causes effecting ITO target poisoning phenomenon,introduces in detail the present 3 kinds of solution ITO target poisoning phenomenon method process for the preparation of ITO target:different effects,the best Sn dopant and other elementsof the dopant and the influence of the sputtering process,points out their remission ITO target poisoning phenomenon principle,and looks to the future to solve our country ITO toxicity problem of targets the development direction,which provides certain reference function to our country ITO target development.

Key words:ITO target;sputtering;poisoning

The Poisoning Mechanism Study of ITO Target

J IANG He1,2,WANG Dong-xin2,WANG Yan-chang1, SUN Ben-shuang2,ZHONGJing-ming2
(1.School of Physics and Electrical Inf ormation Engineering,Ningxia University,Yinchuan750021,China;
2.Northwest Rare Materials Research Institute,Shizuishan753000,China)

TG146.3+6

A

1003-5540(2012)01-0046-05

2011-12-06

姜鶴(1986-),男,研究生,主要從事ITO靶材毒化方面的研究工作。