[发明专利]氧化锡陶瓷溅射靶材及其制备方法

说明书

技术领域与背景技术

本发明涉及氧化锡基陶瓷溅射靶材的陶瓷组合物以及制备包含氧化锡烧结体的方法。陶瓷溅射靶材用于制备用于光电子应用的透明导电氧化物(TCO)膜，例如液晶显示器(LCD)、触摸屏、电致变色器件等，以及用于光伏应用的薄膜。并且烧结的导电氧化锡基陶瓷(或者基于这些陶瓷的膜)可被用于制备热电器件、电极、加热元件及其它一些需要高密度与低电阻率(或高电导率)的产品。

基于半导体性氧化锡陶瓷的TCO薄膜的形成与应用具有充分的益处，这是由于普遍使用的氧化铟基陶瓷溅射靶材的制造成本，在某些情况下，应用条件无法负担使用昂贵的铟基陶瓷。鉴于氧化锡薄膜(与氧化锡陶瓷)，纯氧化锡不是高导电性的材料，因此需要提高电导率的掺杂剂。作为最有效的掺杂剂之一，氧化锑被用于氧化锡，因为其可以显著提高陶瓷与膜的电导率。

通常用于光电子与能量转换应用的透明导电薄膜涂层的制备采用溅射技术，例如脉冲激光沉积、射频溅射以及直流(DC)溅射，其中溅射靶材为TCO膜的原料。特别地，DC磁控溅射技术是可重复性与经济可行性最佳的工艺。为了能够适用于直流(DC)磁控溅射工艺，溅射靶材应有相当低的电阻率，在几十Ohm.Cm，以及在某些情况下为小于50-80Ohm.cm。工业溅射装置及工艺使用带有平面或旋转构造的更大尺寸的溅射靶材，其可由盘式、瓦状或其它形状组成，面积例如大于10-20cm²，和由例如直径大于10cm的空心圆筒组成，靶材陶瓷体的厚度至少4mm。

透明导电SnO₂-Sb₂O₃薄膜可以使用Sn:Sb金属组合物通过反应性溅射工艺或者采用SnO₂-Sb₂O₃陶瓷溅射靶材溅射而获得。长期以来反应性溅射工艺已知不是很稳定的，其无法获得高质量可重现的TCO膜。因此，氧化物陶瓷靶材的使用更优选由于工业应用。因为靶材不具有高密度与高电导率，之前公开的陶瓷靶材在实验室条件下的溅射实验结果是使用RF磁控溅射工艺获得的。为了实现DC磁控溅射工艺并获得高质量的TCO膜，陶瓷溅射靶材可以具有高密度与低电阻率，以及某些其他性质(例如相当高的热导率)，使其适合于溅射，并在膜加工过程中减少靶材的开裂。特别地，溅射靶材的密度可以是例如理论密度(TD)的90％或更大，例如理论密度(TD)的95％或更大。溅射靶材的高密度提供了溅射时的低电弧，薄膜的均匀性与厚度，并保证了长的运行溅射周期。此外，更致密的陶瓷通常具有更高的电导率。然而，一般SnO₂与SnO₂-Sb₂O₃陶瓷的密度并不是非常高——仅为理论密度(TD)的约60％或更低——这一事实可以解释为烧结工艺过程中的蒸发与冷凝，即在大于1200-1250℃的温度下SnO₂的部分分解以及SnO的挥发。

热压烧结或热等静压烧结或放电等离子烧结工艺一般可以促进陶瓷的致密化。然而，关于氧化锡基陶瓷，由于氧化锡的挥发，这些方法不提供高致密化。即使当起始粉末被充分混合，非均匀的致密化仍可能发生。此外，这些方法是昂贵的，其需要有足够的维护，它们在可获得的靶材尺寸方面有严重限制。

理想的是具有一种基于SnO₂-Sb₂O₃的陶瓷组合物，且使用可以提供烧结体的高密度的技术手段。由于其低电阻率使其适合于DC磁控溅射，DC磁控溅射将提供如下膜性质，例如对于TCO薄膜应用可接受的膜电阻率与透射率。获得高密度与可接受的电学性能的可能途径之一是添加烧结助剂，由于烧制时液相的形成，促进了烧结过程中压实陶瓷体颗粒的吸引并填充了陶瓷体中的孔。不同的氧化物被测试用作添加剂以增加SnO₂与SnO₂-Sb₂O₃陶瓷体的密度，特别是溅射靶材。