[发明专利]制备ZnAl靶材的方法以及制得的ZnAl靶材

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于透明导电氧化物薄膜的ZnAl靶材的制备技术。

背景技术

透明导电氧化物(Transparent conductive oxide，简称TCO)薄膜具有可见光 谱区透过率高和导电性能优越的特征，在平面液晶显示器、场致发射显示器、 电致发光显示器、阳光控制膜和薄膜太阳能电池透明电极等领域得到广泛的应 用。TCO薄膜主要包括In、Sn、Zn和Cd等的氧化物及其掺杂或复合的多元氧 化物薄膜材料，如In₂O₃、SnO₂、ZnO、ITO(In₂O₃:Sn)、FTO(SnO₂:F)、In₂SnO₅、 Zn₂SnO₄、CdIn₂O₄、GaInO₃、CdSb₂O₆等。但综合考虑其性能和价格因素，目 前应用得最为广泛的是ITO和FTO透明导电膜。对于ITO薄膜，通常采用磁 控溅射的方法制备，但由于铟为稀有元素，在自然界中的存储量十分有限，因 而ITO靶材价格高，导致ITO薄膜的成本高，不利于其大面积的推广应用；对 于FTO薄膜，其透过率在氢等离子气氛中会产生衰减，限制了其在某些领域尤 其是薄膜太阳能电池领域的应用。此外，FTO薄膜通常采用化学气相沉积的方 法来制备，其所需的原材料中Sn的前驱体金属有机化合物(如四甲基锡)的成本 高，致使FTO薄膜的价格一直居高不下。因此，急需开发综合性能优良且具有 成本优势的TCO薄膜。在目前诸多的TCO薄膜技术中，掺铝氧化锌(Aluminum doped zin oxide，简称AZO)薄膜是最具发展潜力的。

采用溅射的方法制备AZO透明导电薄膜，必须需要相应的靶材。根据材料 的不同，用于制备AZO薄膜的靶材可以分成两大类：(1)由ZnO和Al₂O₃组 成的陶瓷靶；(2)由Zn和Al组成的金属靶。相比较而言，ZnAl金属靶具有 较低的烧结温度、较高的AZO薄膜沉积速率、镀膜过程中氧含量的可控性以 及较低的成本，因而更受青睐。然而，由现有ZnAl靶材制备技术而得到的靶 材，无法同时满足高质量AZO薄膜所需的致密度高、晶粒尺寸细小、以及组 织结构和化学组成分布均匀的特点。目前，ZnAl靶的制备技术可分为以下几种： (1)铸造法，该方法是将Zn和Al原料熔化后，混合浇铸而成，由于Zn熔体 密度(6.57g/cm³)和Al熔体密度(2.38g/cm³)差别大，易使靶材内部化学组 成分布不均匀，且得到的Zn和Al的晶粒尺寸较大(在100～2000μm之间)； (2)喷射沉积法，该方法是将熔融的Zn、Al金属雾化后快速凝固沉积而成， 由此法制备的靶材致密度不高，难以达到90％以上；(3)常压或热压烧结法， 该方法以Zn粉和Al粉为初始原材料，经压制成型后，在空气、氮气或氩气气 氛中进行常压烧结或热压烧结，该方法虽然在一定程度上避免了不均匀性的问 题，但是有可能将杂质引入靶材，且烧结所需时间长，能耗大，所得晶粒尺寸 一般在几十微米至几百微米之间。例如，韩彬等人在《Zn粉和Al粉固相扩散 形成共晶类组织的研究》(航空材料学报第21卷第2期，2001年6月)中以 Zn粉和Al粉为初始原材料，经冷压制或热压制成型后在电阻炉中进行烧结， 整个烧结过程需要40～140小时才能开始致密化，烧结体晶粒尺寸在几十微米 以上；(4)复合法，专利CN 1238543C中涉及到一种ZnAl合金的制备方法， 将熔化后得到的ZnAl合金锭采用单辊急冷法得到合金带，然后将合金带进行 粉碎，最后采用热压的方法进行烧结，该方法虽然解决了铸造法中的均匀性问 题，但是制备工艺较为复杂，工艺流程长，且无法避免热压法所存在的缺陷。

因此，本领域需要寻找一种ZnAl靶材的制备方法，它能使靶材同时具有致 密度高、晶粒尺寸细小以及化学组成和组织结构都均匀的特点，从而有利于获 得大面积高质量的均匀性好的AZO透明导电薄膜。

发明内容