專利名稱：一種高純低密度ito靶材及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種ITO靶材特別是高純低密度ITO靶材及其制備方法。
背景技術：
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、信息產業方面有著廣闊而重要的應用。 日本新金屬學會在二十世紀九十年代初期就把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”攻關重點項目進行立項研究，嘗試了熱壓、燒結以及熱等靜壓幾種制備方法，但是未能形成大規模的工業化生產。目前ITO靶材的生產工藝和技術設備已較為成熟和穩定，其主要制備方法有熱等靜壓法、真空熱壓法、常溫燒結法、放電等離子燒結法。(I)真空熱壓法
真空熱壓是利用熱能與機械能將材料陶瓷致密化的工藝，可制備出密度達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間，以達融化后硬化、冷卻，再予以取出模型成品即可。目前國內ITO靶材生產廠家普遍采用熱壓法生產ITO靶材，此法生產的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域。(2)熱等靜壓法
熱等靜壓法(hot isostatic pressing,HIP)既可以認為是加壓下的燒結,也可以認為是高溫下的壓制。相對于傳統的無壓燒結而言，熱等靜壓法可以在相對較低的溫度下(一般約為物料熔點的O. 5、. 7倍)獲得完全致密化，而且可以很好地控制組織結構，抑制晶粒生長，獲得均勻的、各向同性的組織，可以“凈成型”加工成具有一定復雜外形的產品。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，熱等靜壓法的優點是(I)能克服在石墨模具中熱壓的缺點，不易還原。(2)由于制品在加熱加壓狀態下，各個方向同時受壓，所制得的產品密度極高(幾乎達到理論密度)，可制成大尺寸產品。(3)熱等靜壓強化了壓制和燒結過程，降低了燒結溫度，避免了晶粒長大，可獲得極好的物理力學性能。其缺點是由于使用均方性氣體壓力，沒有剪應力及模具摩擦力，因此保形性非常優良，但靶材尺寸受設備壓力和壓缸限制，無法制備大尺寸靶材；設備昂貴，投資成本高；生產效率低，生產成本高，產品競爭力不強。(3)常壓燒結法
常壓燒結法是上世紀90年代初期興起的一種靶材制備方法，它是采用預壓方式(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行燒結，通過對燒結溫度和燒結氣氛控制，使靶材素坯晶粒的生長得到有效控制，達到靶材的高致密化及晶粒分布的均勻性。常壓燒結法的主要工藝為將具有一定搖實密度(Tap Density)的In2O3粉末與SnO2粉末混合，制備成漿料進行粉漿澆鑄或者在加入少量成型劑的情況下進行模壓或冷等靜壓(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的溫度范圍進行長時間的脫水與脫脂處理，最后在壓力至少達到Iatm的純氧或空氣氣氛下進行燒結，燒結的溫度為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燒結體的晶粒尺寸為I 20 μ m，抗彎強度50 200MPa，靶體的比電阻約為1Χ1(Γ4Ω · cm，熱導率約為I. 5Χ1(Γ2 47 X ICT2Cal · cnT1 · S-1。常壓燒結法的主要優點有靶材尺寸不受設備限制，能生產大尺寸靶材，且設備投入少、生產成本低，生產效率高，靶材性能優良，易實現工業化生產。適合高端顯示器用鍍膜靶材性能要求。缺點是該法與其它方法相比是最難燒結的方法，要獲得致密的燒結體，往往要提高原料粉末的燒結活性或添加燒結助劑。而活性劑以及燒結助劑很難再從燒結體中去除。對粉末的燒結活性有很高的要求，因此對粉體的形狀、粒度以及粒度分布要求較嚴，為了達到要求一般對粉末進行球磨、氣流粉碎以及沉降分級處理。制備的靶材一般較薄，所以對靶材變形的控制要求很嚴，一般要求有很好的凈成型能力。(4)放電等離子燒結
放電等離子燒結(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，產生等離子體，粉末顆粒表面被活化、發熱；同時，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，產生一定密度，并隨著溫度的升高而增大，直至達到燒結溫度后收縮結束，致密度達到最大。與常規燒結方式相比，SPS方法具有操作簡單、高速燒結、降低燒結溫度、再現性高、安全可靠、節省空間、節省能源及成本低等特點。已經被成功地應用于梯度功能材(FGM)、金屬基復合材料(MMC)、纖維增強陶瓷(FRC)、納米材料、多孔材料、磁性材料、金屬間化合物和高致密度、細晶粒陶瓷等各種新材料的制備。SPS燒結，利用未添加任何燒結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性能和電學性能的ITO靶材。放電等離子燒結(SPS)是在脈沖電流作用下，粉末顆粒間放電，產生瞬間高溫進行燒結。與常規燒結方式相比，SPS法具有操作簡單、高速燒結、再現性高、安全可靠、節省空間、節省能源及成本低等優點。能在很低的燒結溫度下，保溫很短的時間制備高密度的材料。綜上所述，現有技術的ITO靶材的生產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靶材未有相關報道。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種可用于LED芯片制造行業的高純低密度ITO靶材。本發明同時還要提供一種可用于LED芯片制造行業的高純低密度ITO靶材的制備 方法。為解決以上技術問題，本發明采取的一種技術方案是
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。優選地，高純低密度ITO靶材的純度大于等于99. 999%。優選地，高純低密度ITO靶材的相對密度為60%飛3%。優選地，高純低密度ITO靶材的平均晶粒尺寸小于等于10微米。本發明采取的又一技術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行燒結，燒結時，爐內真空度為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。優選地，步驟(I)中，所述液壓成型的工作壓力為2(T200MPa。優選地，步驟(2)中，前后二次的升溫速率分別為10(T20(TC /h。優選地，步驟(2)中，降溫速率為4(T60°C /h。由于上述技術方案的運用，本發明與現有技術相比具有下列優點和效果
ITO靶的理論密度為7. 15g/cm3。本發明提供的ITO靶材，其相對密度低、純度高，可以在高溫條件下蒸發，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電薄膜，甚至可以在有機材料上獲得ITO導電膜。本發明的制備方法制備出的ITO蒸發靶材，其晶粒尺寸細小且成分均勻，相結構單一，在適當條件下，濺射這些靶材能獲得性能優良的薄膜，從而提高導電薄膜的透光率及電導率。


圖I為實施例I所制備ITO蒸發靶材的掃描電鏡 圖2為實施例I所制備ITO蒸發靶材的又一掃描電鏡圖。
具體實施例方式下面對本發明作進一步詳細的說明，但本發明不限于以下實施例。實施例I
根據本實施例，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塊后；采用液壓機將ITO粉末液壓成型為坯件，成型使用的壓力為50MPa ；
(2)、為保證高溫燒結過程中，材料的流動與粘接有序階段性進行，燒結過程采用多階段升溫加壓的方式完成燒結。將壓制后的坯件置于爐中進行燒結，燒結時，爐內真空度為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，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靶材進行掃描電鏡測試，結果參見圖I和圖2，表明平均晶粒尺寸小于50微米。
實施例2
根據本實施例，通過如下步驟制備ITO蒸發靶材
(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塊后；采用液壓機將ITO粉末液壓成型為坯件，成型使用的壓力為50MPa ；
(2)、為保證高溫燒結過程中，材料的流動與粘接有序階段性進行，燒結過程采用多階段升溫加壓的方式完成燒結。將壓制后的坯件置于爐中進行燒結，燒結時，爐內真空度為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，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%。上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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。
5.一種權利要求I至4中任一項權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行燒結，燒結時，爐內真空度為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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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，爐內真空度為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小時后以20~100℃/h的降溫速率降至常溫，即得。本發明ITO靶材可以在高溫條件下蒸發，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電薄膜，甚至可以在有機材料上獲得ITO導電膜。
文檔編號C04B35/622GK102826856SQ201210297220
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月21日 優先權日2012年8月21日
發明者鐘小亮, 王廣欣, 王樹森 申請人:蘇州晶純新材料有限公司