成型工藝對ITO素胚及靶材的影響

姚 遠，郭 朋

(洛陽晶聯(lián)光電材料有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471100)

ITO(Tin-doped-Indium Oxide)靶材屬于稀有金屬銦的錫摻雜氧化物半導(dǎo)體陶瓷，其中In2O3和SnO2的質(zhì)量比一般為9∶1。由于ITO膜具有低電阻率、高可見光透過率、良好的圖形加工性能等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于平板顯示(如TFT-LCD、AMOLED、Mini/Micor-LED)、光電子器件和太陽能電池板的透明電極，是現(xiàn)代光電顯示領(lǐng)域不可替代的功能材料[1-2]。因此，制備高純度、高密度、低電阻率的ITO靶材是生產(chǎn)高性能薄膜的關(guān)鍵。目前，我國在高端領(lǐng)域ITO靶材的核心技術(shù)不突出，產(chǎn)業(yè)處于技術(shù)弱勢地位，研究如何提高ITO靶材品質(zhì)對于我國高端靶材國產(chǎn)化有著重要意義[3]。

ITO靶材的制備方法通常有冷等靜壓成型、熱等靜壓成型、模壓成型及沖壓成型等。其中模壓成型生產(chǎn)成本低且效率較高，具有很大的市場前景。模壓成型是將粒狀的粉體放入成型的模具當(dāng)中，然后加壓使其固化成型。它可以成型尺寸較大的平面靶材，且收縮率較小，具有較好的重復(fù)性，便于實現(xiàn)自動化和專業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。但是模壓成型生產(chǎn)的靶材密度較差，內(nèi)部組織分布也不均勻，會影響后續(xù)靶材濺射鍍膜時的產(chǎn)品性能。冷等靜壓成型是將待壓的ITO粒置于高壓容器內(nèi)，利用液體傳遞壓力的性質(zhì)從試樣的各個方向進行加壓，其優(yōu)點是模具與ITO粒的摩擦力較小，素胚表面各個方向受力較均勻，其密度及內(nèi)部組織也較均勻。其在生產(chǎn)大尺寸ITO靶材時，關(guān)于ITO靶材成型工藝對其密度的影響，國內(nèi)外卻鮮有報道。本實驗采用模壓成型和冷等靜壓成型制備ITO素胚，研究了模壓壓力和冷等靜壓壓力對素胚和ITO靶材的影響，為制備高密度、高質(zhì)量靶材提供了參考依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗過程

采用化學(xué)共沉淀法，以金屬銦和錫為原材料(純度>99.99%)，分別溶于濃鹽酸溶液中(純度大于等于優(yōu)級純)，控制氧化銦與氧化錫的質(zhì)量比為9∶1，將兩溶液混合起來。然后，溶液中緩慢滴加氨水溶液(純度大于等于優(yōu)級純指標(biāo))至溶液的pH值為9～10，再持續(xù)攪拌一段時間。將沉淀物離心干燥，然后在650 ℃下煅燒粉體得到ITO粉體。最后，添加少量的聚乙烯醇(PVA)進行研磨造粒，得到粒度在30 μm左右的ITO粒。

1.2 ITO靶材制備

將上步制備的ITO粒置于固定模具中，在壓力15～55 MPa下，進行固化成型，制成素胚A，素胚經(jīng)包裝防水處理后，在冷等靜壓機中進行冷等靜壓處理，壓力在200～250 MPa，得到素胚B。接著將素胚B放置于燒結(jié)爐中，以2 ℃/min的升溫速率升至500 ℃，在該溫度下保溫2 h，去除黏結(jié)劑，再以5 ℃/min的升溫速率升至1 500 ℃，保溫6 h，氧流量為50 mL/min下制備ITO靶材。靶材的密度用阿基米德排水法測量。用掃描電鏡觀察靶材及素胚微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 模壓壓力對ITO素胚密度及微觀形貌的影響

模壓壓力對ITO素胚密度及微觀形貌的影響見圖1。

圖1 模壓壓力對ITO素胚密度及微觀形貌的影響

由圖1可知，模壓壓力在15～45 MPa，冷等靜壓壓力在230 MPa時，素胚相對密度隨模壓壓力升高而增大。在模壓壓力為45 MPa時，素胚相對密度達到最大，為54.0%。當(dāng)模壓壓力在25～55 MPa時，素胚相對密度隨模壓壓力升高而緩慢減小。

圖2為不同模壓壓力下，另經(jīng)冷等靜壓(230 MPa)后素胚斷口的SEM微觀圖像。圖2a～圖2e分別對應(yīng)模壓壓力為15～55 MPa的SEM圖像。從圖2a～圖2c可以看出，在模壓壓力15～35 MPa下，素胚中的大部分ITO粒并未被壓破重組排列，其性狀和性質(zhì)并未發(fā)生大的改變，從而導(dǎo)致素胚的松散區(qū)域較多，相對密度也比較低。當(dāng)模壓壓力為45 MPa時，其ITO粒基本上全部為壓破重組，并未見到顆粒與顆粒之間的界面，素胚較其他更緊實致密，其相對密度也達到最大，為54.0%。因粉末與粉末和模具之間存在摩擦力，當(dāng)繼續(xù)升高模壓壓力時，過大的壓力使素胚內(nèi)部均勻性發(fā)現(xiàn)變化，不僅不能完全破除ITO顆粒，而且會使素胚內(nèi)部更松散。

圖2 不同模壓壓力下，另經(jīng)冷等靜壓(230 MPa)后素胚斷口的SEM微觀圖像

2.2 冷等靜壓壓力對ITO素胚密度及微觀形貌的影響

冷等靜壓壓力對ITO素胚密度及微觀形貌的影響見圖3。

由圖3可知，模壓壓力在45 MPa，冷等靜壓壓力在200～230 MPa時，素胚相對密度隨模壓壓力升高而增大。在冷等靜壓壓力為230 MPa時，素胚相對密度達到最大，為54.0%。當(dāng)冷等靜壓壓力在230～250 MPa時，素胚相對密度隨模壓壓力升高而緩慢減小。

圖3 冷等靜壓壓力對ITO素胚相對密度及微觀形貌的影響

圖4為在模壓壓力45 MPa時，另經(jīng)不同冷等靜壓壓力后素胚斷口的SEM微觀圖像。圖4a～圖4e分別對應(yīng)冷等靜壓壓力為200～250 MPa的SEM圖像。圖4a～圖4c可以看出，在冷等靜壓壓力200～220 MPa下，素胚中的大部分ITO?；旧媳粔浩浦亟M排列，僅有少量殘留粒未被壓破。在冷等靜壓壓力達到230 MPa時，其素胚內(nèi)部的孔洞基本沒有，且斷面的均勻性最好，其相對密度也達到最大，為54.0%。當(dāng)壓力繼續(xù)增大時，也基本看不到未被壓破的粒，不過斷面的均勻性明顯降低，其相對密度也相較230 MPa時有所下降。

圖4 在模壓壓力45 MPa時，另經(jīng)不同冷等靜壓壓力后素胚斷口的SEM微觀圖像

2.3 模壓壓力和冷等靜壓壓力對靶材密度的影響

不同模壓壓力和冷等靜壓壓力下燒結(jié)靶材后的相對密度見表1。

表1 不同模壓壓力和冷等靜壓壓力下燒結(jié)靶材相對密度

由表1可知，當(dāng)模壓壓力為45 MPa，冷等靜壓壓力為230 MPa時，所燒結(jié)后的靶材相對密度最大，為99.74%。當(dāng)模壓壓力為45 MPa，冷等靜壓壓力為230 MPa時，所燒結(jié)后的靶材的晶相圖片見圖5。

由圖5可知，晶粒平均直徑約5 μm，第二相形狀規(guī)則且分布均勻，是TFT靶材的組織結(jié)構(gòu)要求。

圖5 燒結(jié)后靶材的晶相圖片

3 結(jié)論

當(dāng)模壓壓力為45 MPa，冷等靜壓壓力為230 MPa時，其上ITO?；救繛閴浩浦亟M，未見顆粒與顆粒之間的界面，素胚較其他更緊實致密，其素胚的相對密度達到最大(54.0%)。當(dāng)模壓壓力為45 MPa，冷等靜壓壓力為230 MPa時，所燒結(jié)后的靶材相對密度最大(99.74%)。