專利名稱：一種高純低密度ito靶材及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種ITO靶材特別是高純低密度ITO靶材及其制備方法。
背景技術(shù)：
靶材是三氧化二銦和二氧化錫的混合物，是ITO薄膜制備的重要原料。ITO靶主要用于ITO膜透明導(dǎo)電玻璃的制作，后者是制造平面液晶顯示器的主要材料，在電子工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)方面有著廣闊而重要的應(yīng)用。 日本新金屬學(xué)會(huì)在二十世紀(jì)九十年代初期就把ITO靶材列為高科技金屬材料的第一位。我國在“九五”期間也曾將它作為國家“九五”攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行立項(xiàng)研究，嘗試了熱壓、燒結(jié)以及熱等靜壓幾種制備方法，但是未能形成大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。目前ITO靶材的生產(chǎn)工藝和技術(shù)設(shè)備已較為成熟和穩(wěn)定，其主要制備方法有熱等靜壓法、真空熱壓法、常溫?zé)Y(jié)法、放電等離子燒結(jié)法。(I)真空熱壓法
真空熱壓是利用熱能與機(jī)械能將材料陶瓷致密化的工藝，可制備出密度達(dá)91°/Γ96%的高密度ITO陶瓷靶。熱壓法的工藝流程是利用加熱加工模具后，注入試料，以壓力將模型固定于加熱板，控制試料的熔融溫度及時(shí)間，以達(dá)融化后硬化、冷卻，再予以取出模型成品即可。目前國內(nèi)ITO靶材生產(chǎn)廠家普遍采用熱壓法生產(chǎn)ITO靶材，此法生產(chǎn)的ITO靶材由于尺寸小、晶粒大小不均勻，只能用于低擋TN-LCD、建筑玻璃鍍膜和冰柜玻璃鍍膜等低端領(lǐng)域。(2)熱等靜壓法
熱等靜壓法(hot isostatic pressing,HIP)既可以認(rèn)為是加壓下的燒結(jié),也可以認(rèn)為是高溫下的壓制。相對于傳統(tǒng)的無壓燒結(jié)而言，熱等靜壓法可以在相對較低的溫度下(一般約為物料熔點(diǎn)的O. 5、. 7倍)獲得完全致密化，而且可以很好地控制組織結(jié)構(gòu)，抑制晶粒生長，獲得均勻的、各向同性的組織，可以“凈成型”加工成具有一定復(fù)雜外形的產(chǎn)品。熱等靜壓工藝是將原料粉末成型以后，以金屬或玻璃材料包覆其外，然后再同時(shí)加溫、加壓，使得粉末陶瓷致密化。熱等靜壓法制備ITO靶材的工藝流程主要為將單相的ITO固溶體粉末在一定的還原氣氛(如H2, N2與H2的混合氣體)和溫度(300 500°C)下進(jìn)行部分還原，還原度控制在O. 02 O. 2之間，再用模壓或冷等靜壓以及兩者兼用的成型方法(100 300MPa)將還原后的粉體壓制成初坯，將初坯置于不銹鋼的包套中并在兩者之間輔以隔離材料，然后對包套抽真空并且封口，最后置于熱等靜壓爐中在800 1050°C，50 200MPa的壓力下進(jìn)行2 6h熱等靜壓制備出ITO靶材。熱等靜壓法是國外最常用制備ITO濺射靶材的方法，熱等靜壓法的優(yōu)點(diǎn)是(I)能克服在石墨模具中熱壓的缺點(diǎn)，不易還原。(2)由于制品在加熱加壓狀態(tài)下，各個(gè)方向同時(shí)受壓，所制得的產(chǎn)品密度極高(幾乎達(dá)到理論密度)，可制成大尺寸產(chǎn)品。(3)熱等靜壓強(qiáng)化了壓制和燒結(jié)過程，降低了燒結(jié)溫度，避免了晶粒長大，可獲得極好的物理力學(xué)性能。其缺點(diǎn)是由于使用均方性氣體壓力，沒有剪應(yīng)力及模具摩擦力，因此保形性非常優(yōu)良，但靶材尺寸受設(shè)備壓力和壓缸限制，無法制備大尺寸靶材；設(shè)備昂貴，投資成本高；生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品競爭力不強(qiáng)。(3)常壓燒結(jié)法
常壓燒結(jié)法是上世紀(jì)90年代初期興起的一種靶材制備方法，它是采用預(yù)壓方式(或粉漿澆鑄方式)制備高密度的靶材素坯，在一定氣氛和溫度下對靶材素坯進(jìn)行燒結(jié)，通過對燒結(jié)溫度和燒結(jié)氣氛控制，使靶材素坯晶粒的生長得到有效控制，達(dá)到靶材的高致密化及晶粒分布的均勻性。常壓燒結(jié)法的主要工藝為將具有一定搖實(shí)密度(Tap Density)的In2O3粉末與SnO2粉末混合，制備成漿料進(jìn)行粉漿澆鑄或者在加入少量成型劑的情況下進(jìn)行模壓或冷等靜壓(成型壓力一般為100 300MPa)或兩者兼而用之；用粉漿澆鑄或者添加了成型劑的坯料要在300 500°C的溫度范圍進(jìn)行長時(shí)間的脫水與脫脂處理，最后在壓力至少達(dá)到Iatm的純氧或空氣氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)的溫度為1450 1550°C，所獲得的靶材為單一 ITO固溶體相，其相對密度為95%以上，ITO燒結(jié)體的晶粒尺寸為I 20 μ m，抗彎強(qiáng)度50 200MPa，靶體的比電阻約為1Χ1(Γ4Ω · cm，熱導(dǎo)率約為I. 5Χ1(Γ2 47 X ICT2Cal · cnT1 · S-1。常壓燒結(jié)法的主要優(yōu)點(diǎn)有靶材尺寸不受設(shè)備限制，能生產(chǎn)大尺寸靶材，且設(shè)備投入少、生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，靶材性能優(yōu)良，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。適合高端顯示器用鍍膜靶材性能要求。缺點(diǎn)是該法與其它方法相比是最難燒結(jié)的方法，要獲得致密的燒結(jié)體，往往要提高原料粉末的燒結(jié)活性或添加燒結(jié)助劑。而活性劑以及燒結(jié)助劑很難再從燒結(jié)體中去除。對粉末的燒結(jié)活性有很高的要求，因此對粉體的形狀、粒度以及粒度分布要求較嚴(yán)，為了達(dá)到要求一般對粉末進(jìn)行球磨、氣流粉碎以及沉降分級(jí)處理。制備的靶材一般較薄，所以對靶材變形的控制要求很嚴(yán)，一般要求有很好的凈成型能力。(4)放電等離子燒結(jié)
放電等離子燒結(jié)(SPS)是在脈沖電流作用下，通過樣品及間隙的部分電流激活晶粒表面，在孔隙間局部放電，產(chǎn)生等離子體，粉末顆粒表面被活化、發(fā)熱；同時(shí)，通過模具的部分電流加熱模具，使模具開始對試樣傳熱，試樣溫度升高，開始收縮，產(chǎn)生一定密度，并隨著溫度的升高而增大，直至達(dá)到燒結(jié)溫度后收縮結(jié)束，致密度達(dá)到最大。與常規(guī)燒結(jié)方式相比，SPS方法具有操作簡單、高速燒結(jié)、降低燒結(jié)溫度、再現(xiàn)性高、安全可靠、節(jié)省空間、節(jié)省能源及成本低等特點(diǎn)。已經(jīng)被成功地應(yīng)用于梯度功能材(FGM)、金屬基復(fù)合材料(MMC)、纖維增強(qiáng)陶瓷(FRC)、納米材料、多孔材料、磁性材料、金屬間化合物和高致密度、細(xì)晶粒陶瓷等各種新材料的制備。SPS燒結(jié)，利用未添加任何燒結(jié)助劑的粉體在中性氣氛下，在較低的溫度下制備元素分布均勻，具有較高致密度和較好熱學(xué)性能和電學(xué)性能的ITO靶材。放電等離子燒結(jié)(SPS)是在脈沖電流作用下，粉末顆粒間放電，產(chǎn)生瞬間高溫進(jìn)行燒結(jié)。與常規(guī)燒結(jié)方式相比，SPS法具有操作簡單、高速燒結(jié)、再現(xiàn)性高、安全可靠、節(jié)省空間、節(jié)省能源及成本低等優(yōu)點(diǎn)。能在很低的燒結(jié)溫度下，保溫很短的時(shí)間制備高密度的材料。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的ITO靶材的生產(chǎn)工藝都主要旨在制備高密度的材料，而對于如何制備出低密度的ITO靶材未有相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可用于LED芯片制造行業(yè)的高純低密度ITO靶材。本發(fā)明同時(shí)還要提供一種可用于LED芯片制造行業(yè)的高純低密度ITO靶材的制備 方法。為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采取的一種技術(shù)方案是
一種高純低密度ITO靶材，其純度大于等于99. 99%，相對密度為55% 65%，平均晶粒尺寸小于等于50微米。優(yōu)選地，高純低密度ITO靶材的純度大于等于99. 999%。優(yōu)選地，高純低密度ITO靶材的相對密度為60%飛3%。優(yōu)選地，高純低密度ITO靶材的平均晶粒尺寸小于等于10微米。本發(fā)明采取的又一技術(shù)方案是一種上述的高純低密度ITO靶材的制備方法，其包括以下步驟
(1)提供球形和/或類球形、粒徑為2(Tl00nm的ITO粉末，并將其液壓成型為坯件；
(2)將步驟(I)所得坯件置于爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)，爐內(nèi)真空度為10_4 10_3Pa，首先以5(T300°C /h的升溫速率將溫度升至800°C、00°C，保溫4 24小時(shí)后，充入氧氣，然后以100^4000C /h的升溫速率將溫度升至900°C 1500°C，保溫4 24小時(shí)后以2(Tl00°C /h的降溫速率降至常溫，即得所述高純低密度ITO靶材。優(yōu)選地，步驟(I)中，所述ITO粉末的純度為99. 9909Γ99. 999%、平均粒徑為20 lOOnm。優(yōu)選地，步驟(I)中，所述液壓成型的工作壓力為2(T200MPa。優(yōu)選地，步驟(2)中，前后二次的升溫速率分別為10(T20(TC /h。優(yōu)選地，步驟(2)中，降溫速率為4(T60°C /h。由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果
ITO靶的理論密度為7. 15g/cm3。本發(fā)明提供的ITO靶材，其相對密度低、純度高，可以在高溫條件下蒸發(fā)，而后沉積在玻璃基片上，獲得較低電阻率和較高透光率的導(dǎo)電薄膜，甚至可以在有機(jī)材料上獲得ITO導(dǎo)電膜。本發(fā)明的制備方法制備出的ITO蒸發(fā)靶材，其晶粒尺寸細(xì)小且成分均勻，相結(jié)構(gòu)單一，在適當(dāng)條件下，濺射這些靶材能獲得性能優(yōu)良的薄膜，從而提高導(dǎo)電薄膜的透光率及電導(dǎo)率。


圖I為實(shí)施例I所制備ITO蒸發(fā)靶材的掃描電鏡 圖2為實(shí)施例I所制備ITO蒸發(fā)靶材的又一掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但本發(fā)明不限于以下實(shí)施例。實(shí)施例I
根據(jù)本實(shí)施例，通過如下步驟制備ITO靶材
(I)、以平均粒徑為50nm，純度為99. 995%的類球形ITO粉末為原料，通過研磨、篩分的方法去除粉末中的結(jié)塊后；采用液壓機(jī)將ITO粉末液壓成型為坯件，成型使用的壓力為50MPa ；
(2)、為保證高溫?zé)Y(jié)過程中，材料的流動(dòng)與粘接有序階段性進(jìn)行，燒結(jié)過程采用多階段升溫加壓的方式完成燒結(jié)。將壓制后的坯件置于爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)，爐內(nèi)真空度為6. OX 10_4Pa，以100°C /h速率將溫度升至800°C，保溫8小時(shí)后充入Iatm氧氣，然后再以IOO0C /h的速率升溫至1500°C，保溫4小時(shí)，最后以50°C /h的速率將溫度降至常溫，即得ITO靶材，其純度為99. 993%，采用阿基米德測試方法測定的相對密度為約60%，對該ITO靶材進(jìn)行掃描電鏡測試，結(jié)果參見圖I和圖2，表明平均晶粒尺寸小于50微米。
實(shí)施例2
根據(jù)本實(shí)施例，通過如下步驟制備ITO蒸發(fā)靶材
(1)、以平均粒徑為50nm，純度為99.995%的類球形ITO粉末為原料，通過研磨、篩分的方法去除粉末中的結(jié)塊后；采用液壓機(jī)將ITO粉末液壓成型為坯件，成型使用的壓力為50MPa ；
(2)、為保證高溫?zé)Y(jié)過程中，材料的流動(dòng)與粘接有序階段性進(jìn)行，燒結(jié)過程采用多階段升溫加壓的方式完成燒結(jié)。將壓制后的坯件置于爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)，爐內(nèi)真空度為6. OX 10_4Pa，以150°C /h速率將溫度升至800°C，保溫8小時(shí)后充入Iatm氧氣，然后再以1500C /h的速率升溫至1500°C，保溫4小時(shí)，最后以60°C /h的速率將溫度降至常溫，即得ITO靶材，其純度為99. 992%，采用阿基米德測試方法測定的相對密度為約60%。上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高純低密度ITO靶材，其特征在于純度大于等于99. 99%，相對密度為55% 65%，平均晶粒尺寸小于等于50微米。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高純低密度ITO靶材，其特征在于純度大于等于99.999%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高純低密度ITO靶材，其特征在于相對密度為60%飛3%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高純低密度ITO靶材，其特征在于平均晶粒尺寸小于等于10微米。
5.一種權(quán)利要求I至4中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的高純低密度ITO靶材的制備方法，其特征在于所述制備方法包括以下步驟 (1)提供球形和/或類球形、粒徑為2(Tl00nm的ITO粉末，并將其液壓成型為坯件； (2)將步驟(I)所得坯件置于爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)，爐內(nèi)真空度為10_4 10_3Pa，首先以5(T300°C /h的升溫速率將溫度升至800°C、00°C，保溫4 24小時(shí)后，充入氧氣，然后以100^4000C /h的升溫速率將溫度升至900°C 1500°C，保溫4 24小時(shí)后以2(Tl00°C /h的降溫速率降至常溫，即得所述高純低密度ITO靶材。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高純低密度ITO靶材的制備方法，其特征在于步驟(I)中，所述ITO粉末的純度為99. 9909Γ99. 999%、平均粒徑為2(Tl00nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的高純低密度ITO靶材的制備方法，其特征在于步驟(I)中，所述液壓成型的工作壓力為2(T200MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高純低密度ITO靶材的制備方法，其特征在于步驟(2)中，前后二次的升溫速率分別為10(T20(TC /h。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高純低密度ITO靶材的制備方法，其特征在于步驟(2)中，降溫速率為4(T60°C /h。
全文摘要
本發(fā)明涉及高純低密度ITO靶材及其制備方法，其純度大于等于99.99%，相對密度為55%~65%，平均晶粒尺寸≤50微米，該靶材的制備方法包括(1)提供ITO粉末，并將其液壓成型為坯件；(2)將坯件置于爐中燒結(jié)，爐內(nèi)真空度為10-4~10-3Pa，首先以50~300℃/h的升溫速率升至800℃~900℃，保溫4~24小時(shí)后，充入氧氣，然后以100~400℃/h的升溫速率升至900℃~1500℃，保溫4~24小時(shí)后以20~100℃/h的降溫速率降至常溫，即得。本發(fā)明ITO靶材可以在高溫條件下蒸發(fā)，而后沉積在玻璃基片上，獲得較低電阻率和較高透光率的導(dǎo)電薄膜，甚至可以在有機(jī)材料上獲得ITO導(dǎo)電膜。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102826856SQ201210297220
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
發(fā)明者鐘小亮, 王廣欣, 王樹森 申請人:蘇州晶純新材料有限公司