[发明专利]铝镓共掺氧化锌纳米粉末及其高密度高电导溅射镀膜靶材的制备方法

说明书

（一）技术领域：

本发明涉及一种粉末及靶材的制备方法，尤其涉及一种铝镓共掺纳米氧化锌(注：以下铝镓共掺氧化锌简称AGZO)粉末及高密度高电导溅射镀膜靶材制备方法，属粉末冶金和陶瓷技术领域。

（二）背景技术：

太阳能电池等光电器件和液晶显示器(LCD)及手机屏等各种显示器都需要透明导电薄膜（TCO）作为透明导电电极材料，作为TCO的主要材料，铟锡氧化物（ITO）被广泛应用于上述光电器件中。但是铟属于稀有矿物，价格昂贵且储量少。因此价格低廉且导电及透明较好的掺铝氧化锌（AZO）材料正在成为研究及生产的热点。虽然AZO材料比ITO材料有较强的价格优势，但其电学性能和光学性能目前还未达到ITO的水平。

本发明AGZO材料是对AZO材料进行了改进,即可提高靶性能和又可降低成本。

经我们研究发现，用少量镓元素与铝共掺杂的氧化锌材料（AGZO）拥有比AZO更加优异的性能。制备AGZO透明导电膜的方法有真空蒸镀法、磁控溅射法、化学气相沉积法等。但是，适合于大规模化生产的方法是采用溅射靶材进行磁控溅射镀AGZO膜的方法。而所需的磁控溅射靶材有锌铝镓金属靶和氧化物陶瓷靶这两种。制备金属靶（铝锌镓靶）较容易，但磁控溅射AGZO膜在工艺上有一定难度，工艺参数对AGZO膜性能太敏感，尤其是氧成份难以控制,成品率低，不适合于大规模化生产。与此相反，制备锌铝镓氧化物陶瓷靶相对比较复杂，但磁控溅射AGZO膜较容易,工艺参数与膜性能依赖性不强，因为靶本身就是氧化物，氧含量控制较容易,成品率高,适合于大规模化生产。本发明是制备磁控溅射用AGZO靶材

为了对比，先考察AZO靶材的一般情况。

一般来说，AZO膜越导电越透明其显示屏的开关速度越快且显示效果越好。而要制备出这样高性能并且可规模化生产的AZO膜，就要求采用均匀性好且密度高的AZO靶。这是因为：其一，溅射出的AZO膜电阻率低，而低密度靶内有许多孔洞，孔洞内的不确定元素在溅射过程中也进入到AZO膜，从而影响AZO膜导电性能；其二，低密度AZO靶面在溅射过程中容易产生一些黑化物质称其为结瘤，这些结瘤会在靶表面腐蚀跑道周边,在溅射过程中会引起飞弧现象(即局部击穿放电),这将导致AZO膜中出现杂质缺陷,并且由于等离子体辉光不稳定而导致溅射工艺不稳定.为此须将靶卸下来以便清除这些黑色结瘤，这又影响了工艺的持续性和生产效率；其三，低密度AZO靶热导率低，在溅射过程中由於存在热应力而使靶开裂；其四，高密度靶使用寿命长且靶不太厚，而低密度靶必须靶厚才能提高使用寿命,而靶面磁场强度与磁芯距离成平方反比，所以太厚的靶其表面上的磁场强度就弱，从而不能有效地进行磁控溅射;其五，均匀性好靶溅射出的膜其成份才均匀，反之亦然。而提高AZO靶密度取决於AZO粉末和制靶工艺。纳米级AZO粉末和高成本的制靶工艺，可使AZO靶相对密度可达99%以上。

对AZO粉末具体要求一般是：颗粒尺寸小於100nm，比表面积大於15m²/g并且颗粒形貌呈现球状。粒径分布范围窄，团聚少。氧化锌纳米粒子的制备方法很多，一般可分为物理法和化学法。物理法是采用特殊的粉碎技术，将普通级粉体粉碎。化学法则是在控制条件下，从原子或分子层次上成核，生成或凝聚为具有一定尺寸和形状的粒子。常见的化学法有CVD、喷雾热解法、溶胶-凝胶法、沉淀法、微乳液法、水热法等，通过调控反应条件可获得纳米级或亚微米级的粒子。

（1）激光诱导化学气相沉积法

其原理是利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收，引起气体分子激光光解、热解、光敏化和激光诱导化学合成反应，在一定条件下合成纳米粒子。其设备是以惰性气体为载气，以锌盐为原料，用CWCO2激光器为热源加热反应原料，使之与氧反应而得到纳米ZnO。激光诱导化学气相沉积法(LICVD)具有能量转换效率高、粒子大小均一且不团聚、粒径大、可精确控制等优点，但成本高，产率低，难以实现工业化生产。

（2）喷雾热解法

其原理是以玻璃、陶瓷等耐热材料为基底，在其表面覆上吸附介质，加热至一定温度后，将可溶性易分解金属盐溶液以喷雾法导入，溶液发生热分解反应时生成物附着在吸附介质上，收集含有附着物的吸附介质，煅烧至吸附介质完全去除，即可得到纳米粉体。

（3）溶胶-凝胶法