单相结构高密度铟锡氧化物靶材的制备方法.pdf

本发明是一种单相结构、高密度铟锡氧化物靶材的制备方法，是一种以常压烧结法制备ITO靶材的方法。本发明是利用化学共沉淀法制备ITO复合粉体，在ITO粉体中加入粘结剂进行造粒并干燥，对造粒过后的ITO粉体模压成型得到初坯，再对初坯冷等静压得到素坯，对素坯进行脱蜡去除其中的粘结剂，最后把脱蜡过的素坯在高温氧氛围下烧结得到ITO靶材。本发明工艺简单，过程容易控制，缩短了在高温段的烧结时间，不用添加分散剂和烧结助剂，所需生产成本较低，素坯是粉体经过造粒后压制而成，烧结出的靶材成分更均匀，不容易开裂，且为单相结构、高密度。

1.  一种单相结构、高密度铟锡氧化物靶材的制备方法，其特征在于：以铟、锡金属，浓硝酸和逆王水为原料，金属铟、锡的加入量依据混合溶液中换算后的氧化铟和氧化锡质量百分比In₂O₃∶SnO₂＝90∶10加入，用化学共沉淀法制备铟锡氧化物复合粉体；所述化学共沉淀法是指把铟溶于浓硝酸，锡溶于逆王水，待铟和锡完全溶解后，将两种溶液混合，混合溶液经共沉淀、洗涤杂质离子、固液分离、共沸蒸馏、干燥、煅烧得到铟锡氧化物复合粉体；然后在铟锡氧化物粉体中加入粘结剂进行造粒并干燥，对造粒过后的粉体先模压成型得到初坯，再对初坯进行冷等静压得到素坯，对素坯进行脱蜡，最后把脱蜡过的素坯在氧氛围中进行烧结得到铟锡氧化物靶材。

2.  如权利要求1所述的单相结构、高密度铟锡氧化物靶材的制备方法，其特征在于：所述的粘结剂为聚乙烯醇，聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯。

3.  如权利要求1所述的单相结构、高密度铟锡氧化物靶材的制备方法，其特征在于：所述的造粒过程中加入的粘结剂的比例为铟锡氧化物复合粉体质量的1％-1.5％。

4.  如权利要求1所述的单相结构、高密度铟锡氧化物靶材的制备方法，其特征在于：所述的模压压力为40-60MPa。

5.  如权利要求1所述的单相结构、高密度铟锡氧化物靶材的制备方法，其特征在于：所述的冷等静压的压力为100-300MPa。

6.  如权利要求1所述的单相结构、高密度铟锡氧化物靶材的制备方法，其特征在于：所述的脱蜡是指素坯在马弗炉中500℃保温一个小时去除其中的粘结剂。

7.  如权利要求1所述的单相结构、高密度铟锡氧化物靶材的制备方法，其特征在于：所述的烧结是脱蜡过的素坯在箱式高温炉中保持最高温在1350℃-1550℃，烧结4-8个小时。

8.  如权利要求1所述的单相结构、高密度铟锡氧化物靶材的制备方法，其特征在于：所述的氧氛围的氧分压为1-2个大气压，并且氧气的流速为40-60ml/min。

单相结构-高密度铟锡氧化物靶材的制备方法
技术领域
本发明是一种以常压烧结法制备ITO靶材的方法。用本方法制得的ITO靶材适用于用磁控溅射方法制备ITO薄膜。
背景技术
ITO是铟锡氧化物(indium-tin-oxide)的简称。ITO薄膜是一种n型半导体陶瓷薄膜，具有导电性好(电阻率10^-4Ω·cm量级)、对可见光的透光率＞85％、对微波的衰减率＞85％和对红外光反射率＞70％等特点，同时加工性能极好，因而被大量用于电学、光学领域。ITO薄膜最典型的应用在于平面显示器，如大屏幕液晶显示器(LCD)、电致发光显示(ELD)、电致彩色显示(ECD)等，其用量占ITO薄膜产量的一半以上。制备ITO薄膜的方法很多，例如物理方法包括磁控溅射、蒸发沉积、离子增强沉积、激光脉冲沉积等，化学法包括喷雾热解法、化学气相沉积、溶胶-凝胶法、均相沉淀法等。其中磁控溅射方法工艺控制性好，可以在大面积基体上均匀成膜，工业生产都采用这种方法。其基本原理是：在电场和交变磁场作用下，被加速的高能粒子轰击ITO靶材表面，能量交换后靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，并转移到基体表面而成膜。
要获得高质量的ITO薄膜，高密度、高纯度、高均匀性的ITO靶材是关键。制备ITO靶材的方法主要有热等静压法(CN101407904)、热压法(CN1326909)和常压烧结法。热等静压法(CN101407904)可制备出高密度靶材，但是这种方法制品的成本较高，且生产周期较长。热压法(CN1326909)制备的靶材也具备高密度，但往往是两相的，且这种方法生产效率低，对模具材料要求较高，模具损耗率大，寿命短。
发明内容
本发明用常压烧结法制备高密度的ITO靶材，本发明工艺简单，过程容易控制，缩短了在高温段的烧结时间，不用添加分散剂和烧结助剂，所需生产成本较低，素坯是粉体经过造粒后压制而成，烧结出的靶材成分更均匀，不容易开裂，且为单相结构、高密度。
本发明的主要制备技术方案是：以铟、锡金属，浓硝酸和逆王水为原料，用化学共沉淀法制备ITO复合粉体，然后在ITO粉体中加入粘结剂进行造粒并干燥，对造粒过后的粉体先模压成型得到初坯，再对初坯进行冷等静压得到素坯，对素坯进行脱蜡，最后把脱蜡过的素坯在氧氛围中进行烧结得到ITO靶材。
上述的铟、锡金属的纯度大于99.99％，金属铟、锡的加入量依据混合溶液中换算后的氧化铟和氧化锡质量百分比In₂O₃∶SnO₂＝90∶10加入，浓硝酸(质量百分含量65.0～68.0％)纯度大于等于优级纯，逆王水为纯度大于等于优级纯的浓硝酸和浓盐酸(质量百分含量36.0～38.0％)按照体积比例3∶1配制而成，化学共沉淀法是铟溶于浓硝酸，锡溶于逆王水，待铟和锡完全溶解后，将两种溶液混合，混合溶液经共沉淀、洗涤杂质离子、固液分离、共沸蒸馏、干燥、煅烧得到ITO复合粉体。
上述的粘结剂为聚乙烯醇，聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯。
上述的造粒过程中加入的粘结剂的比例为ITO粉体质量的1％-1.5％。
上述的模压压力为40-60MPa。
上述的冷等静压的压力为100-300MPa。
上述的脱蜡是指素坯在马弗炉中500℃保温一个小时去除其中的粘结剂。
上述的烧结是脱蜡过的素坯在箱式高温炉保持最高温在1350℃-1550℃，烧结4-8个小时。
上述的氧氛围的氧分压为1-2个大气压，并且氧气的流速为40-60ml/min。
技术效果
本发明的效果：通过化学共沉淀法制备的ITO复合粉体分散性好，无团聚，粒径在10nm-40nm之间，然后ITO粉体经过造粒，干燥，模压和冷等静压成型得到的素坯相对理论密度可达到60％，对素坯进行脱蜡，脱蜡过的素坯在氧氛围下，1550℃保温8个小时烧结得到ITO靶材，相对理论密度可达到99.6％，且为单相结构。本发明工艺简单，过程容易控制，缩短了在高温段的烧结时间，不用添加分散剂和烧结助剂，所需生产成本较低，素坯是粉体经过造粒后压制而成，烧结出的靶材成分更均匀，不容易开裂，且为单相结构、高密度。
附图说明：
图1是本方法制备的ITO靶材的制备工艺流程图。
图2是本方法制备的粉体的透射电镜(TEM)照片。
图3是本方法制备的靶材的XRD图。
图4是本方法制备的靶材的扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
本发明的方法具体实施步骤：
(1)以铟、锡金属，浓硝酸和逆王水为原料，用化学共沉淀法制备ITO复合粉体，其中金属铟、锡纯度大于99.99％，金属铟、锡的加入量依据ITO粉体中换算后的氧化铟和氧化锡质量百分比In₂O₃∶SnO₂＝90∶10加入，浓硝酸纯度大于等于优级纯，逆王水为纯度大于等于优级纯的浓硝酸和浓盐酸按照体积比例3∶1配制而成。
(2)称取ITO粉体质量的1％-1.5％的聚乙烯醇，聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯，加入到ITO粉体中进行造粒并干燥。
(3)对造粒过的ITO粉体先在40-60MPa压力下模压成型的到初坯，然后在100-300MPa压力下冷等静压得到素坯。
(4)把素坯放入马弗炉中500℃保温一个小时进行脱蜡，去除素坯中的粘结剂。
(5)脱蜡过的素坯在箱式高温炉中保持氧分压为1-2个大气压，氧气的流速为40-60ml/min，保持最高温在1350-1550℃，烧结4-8个小时可得到单相且致密度高的ITO靶材。
实施例1
称取62.226克金属铟(纯度99.99％)溶于优级纯的硝酸水溶液，称取6.584克金属锡(纯度99.99％)溶于逆王水，待铟和锡完全溶解后，将两种溶液混合，在强烈搅拌混合溶液条件下，加入优级纯的氨水(质量百分含量25.0％～28.0％)，使混合溶液pH值为8-9，这时澄清的溶液产生铟锡共沉淀物，持续搅拌2小时；用离心沉降方式过滤上层清液，得到铟锡共沉淀物滤饼再用去离子水重新搅拌洗涤，洗涤至无NO₃^-和Cl^-离子，在最后一次过滤后加入分析纯的无水乙醇(含量≥99.7％)；用无水乙醇洗涤三次后，然后加入优级纯的正丁醇(含量≥99.0％)强烈搅拌，93℃开始共沸蒸馏，得到铟锡氢氧化物；将铟锡氢氧化物在烘箱中30℃放置10小时干燥，然后进行打散；将打散后的铟锡氢氧化物放入马弗炉中，在600℃下保温4小时，即得到黄绿色的ITO复合粉体。粉体颗粒粒径经TEM测定，其平均粒径为30nm左右。将制备的ITO复合粉体分为a，b，c三组，称取0.27g的聚乙烯醇，制备成聚乙烯醇水溶液，加入到a组ITO粉体中，称取0.337g聚丙烯酸酯，制备成聚丙烯酸酯丙酮溶液，加入到b组ITO粉体中，称取0.405g聚甲基丙烯酸酯，制备成聚甲基丙烯酸酯丙酮溶液，加入到c组ITO粉体中，分别进行造粒并干燥。
称取a组造粒过的ITO粉体6克，先在40MPa压力下模压成型，然后100MPa下冷等静压得到素坯，素坯的相对理论密度为37.42％，在马弗炉中500℃保温一个小时脱蜡去除其中的粘结剂，然后在高温箱式加热炉中保持氧分压1个大气压，氧气的流速40ml/min，升温到1550℃，保温8个小时制备出ITO靶材，靶材的相对理论密度为67.24％。
实施例2
称取实例1中a组造粒过的ITO粉体6克，先在50MPa压力下模压成型，然后200MPa下冷等静压得到素坯，素坯的相对理论密度为52.46％，在马弗炉中500℃保温一个小时脱蜡去除其中的粘结剂，然后在高温箱式加热炉中保持氧分压1.5个大气压，氧气的流速50ml/min，升温到1550℃，保温8个小时制备出ITO靶材，靶材的相对理论密度为91.22％。
实施例3
称取实例1中a组造粒过的ITO粉体6克，先在60MPa压力下模压成型，然后300MPa下冷等静压得到素坯，素坯的相对理论密度为60.02％，在马弗炉中500℃保温一个小时脱蜡去除其中的粘结剂，然后在高温箱式加热炉中保持氧分压2个大气压，氧气的流速60ml/min，升温到1550℃，保温8个小时制备出ITO靶材，靶材的相对理论密度为99.61％。
实施例4
4称取实例1中b组造粒过的ITO粉体6克，先在40MPa压力下模压成型，然后300MPa下冷等静压得到素坯，素坯的相对理论密度为60.01％，在马弗炉中500℃保温一个小时脱蜡去除其中的粘结剂，然后在高温箱式加热炉中保持氧分压1个大气压，氧气的流速40ml/min，升温到1550℃，保温4个小时制备出ITO靶材，靶材的相对理论密度为93.64％。
实施例5
称取实例1中b组造粒过的ITO粉体6克，先在50MPa压力下模压成型，然后300MPa下冷等静压得到素坯，素坯的相对理论密度为59.95％，在马弗炉中500℃保温一个小时脱蜡去除其中的粘结剂，然后在高温箱式加热炉中保持氧分压1.5个大气压，氧气的流速50ml/min，升温到1550℃，保温6个小时制备出ITO靶材，靶材的相对理论密度为97.48％。
实施例6
称取实例1中b组造粒过的ITO粉体6克，先在60MPa压力下模压成型，然后300MPa下冷等静压得到素坯，素坯的相对理论密度为60.13％，在马弗炉中500℃保温一个小时脱蜡去除其中的粘结剂，然后在高温箱式加热炉中保持氧分压2个大气压，氧气的流速60ml/min，升温到1550℃，保温8个小时的到ITO靶材，靶材的相对理论密度为99.67％。
实施例7
称取实例1中c组造粒过的ITO粉体6克，先在40MPa压力下模压成型，然后300MPa下冷等静压得到素坯，素坯的相对理论密度为60.05％，在马弗炉中500℃保温一个小时脱蜡去除其中的粘结剂，然后在高温箱式加热炉中保持氧分压1个大气压，氧气的流速40ml/min，升温到1350℃，保温8个小时制备出ITO靶材，靶材的相对理论密度为85.29％。
实施例8
称取实例1中c组造粒过的ITO粉体6克，先在50MPa压力下模压成型，然后300MPa下冷等静压得到素坯，素坯的相对理论密度为59.95％，在马弗炉中500℃保温一个小时脱蜡去除其中的粘结剂，然后在高温箱式加热炉中保持氧分压1.5个大气压，氧气的流速50ml/min，升温到1450℃，保温8个小时制备出ITO靶材，靶材的相对理论密度为93.46％。
实施例9
称取实例1中c组造粒过的ITO粉体6克，先在60MPa压力下模压成型，然后300MPa下冷等静压得到素坯，素坯的相对理论密度为60.15％，在马弗炉中500℃保温一个小时脱蜡去除其中的粘结剂，然后在高温箱式加热炉中保持氧分压2个大气压，氧气的流速60ml/min，升温到1550℃，保温8个小时制备出ITO靶材，靶材的相对理论密度为99.65％。