專利名稱：導電氧化物陶瓷濺射靶材的熱壓制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種導電氧化物陶瓷濺射靶材的熱壓制備方法。
技術背景陶瓷的成型制備方法很多，如無壓燒結、注漿成型、熱壓燒結、熱等靜壓 燒結等等，無壓燒結易于產生變形、靶材微觀結構不均勻、成品率低；注漿成型 由丁需耍大量的粘結劑，易于造成雜質污染，而且成型后的脫脂過程容易造成耙 材變形或開裂，從而降低成品率；熱等靜壓是制備高質量陶瓷的好方法，它在工 業(yè)化制備ITO靶材方面取得了比較好的成功，但熱等靜壓成本太高，而且在制備 薄的靶材時易于產生變形；熱壓燒結也是制備陶瓷應用廣泛的一種方法，其特點 是工藝簡單，能快速致密化，所以能制備密度高、晶粒細的產品，而且成本較低、 成品率高。濺射鍍膜需要的靶材種類繁多，而熱壓工藝靈活性較大，是最佳選擇。圖1是陶瓷濺射靶材的熱壓工藝的設備示意圖，熱壓工藝的基本原理為，將 粉體原料裝入模具，在真空或氣氛保護條件下，將系統(tǒng)加熱到一定的溫度，通過 施加一定的壓力實現(xiàn)靶材材料的致密化。氧化物在光學薄膜中有廣泛的應用，如Ti02、 Zr02、 NbA等等，它們都是性 能優(yōu)良的高折射率材料。氧化物陶瓷一般是介電材料，通常情況下，它們都是電 的絕緣體。如果用上述材料制成的靶材進行濺射鍍膜，都是采用射頻離子束濺射 沉積的方法。但射頻濺射存在兩個缺陷1)對電源要求高，射頻設備成本比較 高；2)射頻濺射沉積薄膜時沉積速率很低。如能提高濺射速率，將大大提高生 產效率，降低生產成本。采用直流磁控濺射就是實現(xiàn)高沉積速率的方法。但直流
磁控濺射需要靶材是電的良導體。
上述稀有金屬氧化物材料都有一個共性，即當化學分子式中的氧部分缺失 時，其陶瓷體都能成為電的良導體。在薄膜沉積時，通過氧的注入，得到氧使得 薄膜的化學成分又恢復成原來化學計量比的膜層。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種導電氧化物陶瓷濺射靶材的熱壓制備方法。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案如下一種導電氧化物陶瓷濺射靶材的熱壓制備方法，在金屬氧化物粉體原料中加 入所述金屬氧化物對應的金屬粉并與之充分混合，或在靶材的制備過程中向保護 氣氛中充入H2氣。
所述方法具體為方案l，包括如下步驟1 )稱取制作靶材的金屬氧化物粉體原料和與之相應的金屬粉；2) 將上述兩種粉體用球磨的方法混合；3) 選用高強石墨模具，采用振動漏斗法裝料，測量并保證模具內粉體堆積 高度均勻；4) 將模具放進上加壓的分體式熱壓爐中，準備熱壓；5) 熱壓并采取保護氣氛，在溫度95(TC 110(TC、壓力15 40MPa環(huán)境下 保溫保壓40min，直至耙材相對密度達到設計值；6) 采用附加保壓工藝保壓維持原溫度壓力不變，恒溫恒壓下繼續(xù)保溫15 30min后，卸壓。方案2，包括如下步驟1)稱取制作靶材的粉體原料；
2) 選用高強石墨模具，采用振動漏斗法裝料，測量并保證模具內粉體堆積 高度均勻； .3) 將模具放進上加壓的分體式熱壓爐中，準備熱壓；4) 熱壓并采取保護氣氛，并在保護氣氛中注入H2，在溫度950。C 110(TC、 壓力15 40MPa環(huán)境下保溫保壓40min，直至靶材相對密度達到設計值；5) 采用附加保壓工藝保壓維持原溫度壓力不變，恒溫恒壓下繼續(xù)保溫15 30min后，卸壓。所述保護氣氛為真空或充入保護性氣體，所述保護性氣體為氮氣、氬氣類惰 性氣體。所述方法通過對粉體原料中金屬粉加入量或保護氣氛中H2的流量比例的控 制，可以控制成型靶材的電阻率。本發(fā)明通過在粉體原料中加入金屬粉和在保護分為中注入&使得靶材原位 一次合成，即耙材材料的被還原與耙材成型燒結是同時進行的，簡化了靶材制備 的工藝流程；并通過控制金屬粉加入量或保護氣氛中H2的流量比例，可以控制耙 材的電阻率，可以滿足不同靶材的制備要求。


圖l是陶瓷濺射靶材的熱壓工藝的設備示意圖。
具體實施方式
下面通過具體的實施例對本發(fā)明的方法做進一步詳細的說明。 圖1是陶瓷濺射靶材的熱壓工藝的設備示意圖，該設備由爐體及壓機組成， 爐體包括加熱室3及冷水循環(huán)單元1，真空系統(tǒng)單元2和電源及測溫單元7，加 熱體6位于加熱室3的圍側，粉體原料8置于模具5中，加壓可以采用上加壓或 下加壓，上加壓通過壓機的上壓頭4施加壓力，下壓頭'9固定，下加壓通過壓機
的下壓頭9施加壓力，上壓頭4固定，實際使用中多采用上加壓的方式。 實施例一10"Ti02-,靶材的制備1) 稱取純度為99. 99%、 Ds()為3 5um的Ti02粉體原料2000g;2) 稱取純度為99.8%、 D,M為3 5um的金屬Ti粉原料110g;3) 采用球磨的方法將上述兩種粉體混合，混合時間為2小時；4) 選用直徑為260mm的高強石墨模具；5) 采用振動漏斗法裝料，測量并保證模具內粉體堆積高度均勻，測定最 終粉體堆積高度；6) 將模具放進分體式爐體、上加壓的熱壓爐中，準備熱壓；7) 熱壓工藝為Ar保護，靶材設計相對密度RD》90。/。，在溫度950°C 1100 °C、壓力15 40MPa下保溫保壓40min，靶材相對密度達到設計值；8) 釆用附加保壓工藝保壓維持原溫度壓力不變，恒溫恒壓下繼續(xù)保溫 15 30min后，卸壓。通過本實施例制備的靶材，采用阿基米德法測定整體靶材的密度，其相對密 度為92%; XRD分析表明，靶材化學分子式為Ti:,Os，即TiOh， x=0. 33;用四點探 針電導率測定儀測得耙材的電阻率為4. 5Q cm。實施例二 10"TiOh耙材的制備1) 稱取純度為99. 99%、 D,w)為3 5 y m的Ti02粉體原料2000g;2) 稱取純度為99.8%、 D5。為3 5um的金屬Ti粉原料210g;3) 采用球磨的方法將上述兩種粉體混合，混合時間為2小時；4) 選用直徑為260皿的高強石墨模具；5) 采用振動漏斗法裝料，測量并保證模具內粉體堆積高度均勻，測定最 終粉體堆積高度；
6) 將模具放進分體式爐體、上加壓的熱壓爐中，準備熱壓；7) 熱壓工藝為Ar保護，靶材設計相對密度RD》9(m，在溫度95(TC 1100 。C、壓力15 40MPa下保溫保壓40min，耙材相對密度達到設計值；8) 采用附加保壓工藝保壓維持原溫度壓力不變，恒溫恒壓下繼續(xù)保溫 15 30min后，卸壓。通過本實施例制備的靶材，采用阿基米德法測定整體靶材的密度，其相對密 度為91%; XRD分析表明，靶材化學分子式為TiA，即TiOh， x=0. 5;用四點探 針電導率測定儀測得耙材的電阻率為0.8Q cm。實施例三:10〃TiOh靶材的制備1) 稱取純度為99. 99%、 Ds()為3 5y m的Ti02粉體原料2000g;2) 稱取純度為99. 8%、 Ds。為3 5 u m的金屬Ti粉原料460g;3) 采用球磨的方法將上述兩種粉體混合，混合時間為2小時；4) 選用直徑為260mra的高強石墨模具；5) 采用振動漏斗法裝料，測量并保證模具內粉體堆積高度均勻，測定最 終粉體堆積高度；6) 將模具放進分體式爐體、上加壓的熱壓爐中，準備熱壓。；7) 熱壓工藝為Ar保護，靶材設計相對密度RD》90。/。，在溫度950°C 1100 °C、壓力15 40MPa下保溫保壓40min，靶材相對密度達到設計值；8) 采用附加保壓工藝保壓維持原溫度壓力不變，恒溫恒壓下繼續(xù)保溫 15 30min后，卸壓。通過本實施例制備的耙材，采用阿基米德法測定整體耙材的密度，其相對密 度為97%; XRD分析表明，靶材化學分子式為TiO,即TiOh， x=l. 0;用四點探針 電導率測定儀測得耙材的電阻率為〈1(TQ cm。 實施例四10"Zr02—,耙材的制備1) 稱取純度為99.99%、 D5。為3 5um的Zr02粉體原料2000g;2) 稱取純度為99.8%、 D5。為3 5pm的金屬Zr粉原料165g;3) 采用球磨的方法將上述兩種粉體混合，混合時間為2小時；4) 選用直徑為260mm的高強石墨模具；5) 采用振動漏斗法裝料，測量并保證模具內粉體堆積高度均勻，測定最 終粉體堆積高度；6) 將模具放進分體式爐體、上加壓的熱壓爐中，準備熱壓；7) 熱壓工藝為Ar保護，靶材設計相對密度RD》90%，在溫度950°C 1100 °C、壓力15 40MPa下保溫保壓40min，耙材相對密度達到設計值；8) 采用附加保壓工藝保壓維持原溫度壓力不變，恒溫恒壓下繼續(xù)保溫 15 30min后，卸壓。通過本實施例制備的靶材，采用阿基米德法測定整體靶材的密度，其相對密 度為93%; XRD分析表明，靶材化學分子式為Zr305，即Zr02—x, x=0. 33;用四點探 針電導率測定儀測得耙材的電阻率為2. 2Q cm。實施例五10〃 Nb205—x靶材的制備1) 稱取純度為99. 99%、 D幼為3 5 p m的NbA粉體原料2000g;2) 稱取純度為99. 8%、 Ds。為3 5 y m的金屬Nb粉原料165g;3) 采用球磨的方法將上述兩種粉體混合，混合時間為2小時；4) 選用直徑為260mm的高強石墨模具；5) 采用振動漏斗法裝料，測量并保證模具內粉體堆積高度均勻，測定最 終粉體堆積高度；6) 將模具放進分體式爐體、上加壓的熱壓爐中，準備熱壓； 7) 熱壓工藝為Ar保護，靶材設計相對密度RD》90%，在溫度950°C 1400 °C、壓力15 40MPa下保溫保壓40min，耙材相對密度達到設計值；8) 采用附加保壓工藝保壓維持原溫度壓力不變，恒溫恒壓下繼續(xù)保溫 15 30min后，卸壓。通過本實施例制備的耙材，采用阿基米德法測定整體耙材的密度，其相對密 度為93%; XRD分析表明，革巴材化學分子式為Nb02,即歸5—x， x=0. 33;用四點探 針電導率測定儀測得靶材的電阻率為2.cm。實施例六10"TiOh靶材的制備1) 稱取純度為99.99%、 D5。為3 5um的TiO2粉體原料2000g;2) 選用直徑為260mm的高強石墨模具；3) 采用振動漏斗法裝料，測量并保證模具內粉體堆積高度均勻，測定最 終粉體堆積高度；4) 將模具放進分體式爐體、上加壓的熱壓爐中，準備熱壓；5) 熱壓工藝為H2氣氛，往Ar氣氛中注入H2， 二者體積流量比為 lyAr^l/100，耙材設計相對密度RD》90。/()，在溫度95(rC 110(rC、壓力15 40MPa 下保溫保壓40min，靶材相對密度達到設計值；6) 采用附加保壓工藝保壓維持原溫度壓力不變，恒溫恒壓下繼續(xù)保溫 15 30min后，卸壓。通過本實施例制備的靶材，采用阿基米德法測定整體靶材的密度，其相對密 度為94%; XRD分析表明，靶材化學分子式為TiOu，即Ti(Vx， x二O. 04;用四點 探針電導率測定儀測得靶材的電阻率為36Q cm。實施例七10" NbAi耙材的制備1)稱取純度為99.99%、 05 為3 5"111的恥205粉體原料200(^;
2) 采用球磨的方法將上述兩種粉體混合，混合時間為2小時；3) 選用直徑為260mm的高強石墨模具；4) 采用振動漏斗法裝料，測量并保證模具內粉體堆積高度均勻，測定最 終粉體堆積高度；5) 將模具放進分體式爐體、上加壓的熱壓爐中，準備熱壓；6) 熱壓工藝為H2氣氛，往Ar氣氛中注入H2， 二者體積流量比為 fVA^l/100，靶材設計相對密度RD》90。/。，在溫度95(TC 140(TC、壓力15 40MPa 下保溫保壓40min，耙材相對密度達到設計值；7) 采用附加保壓工藝保壓維持原溫度壓力不變，恒溫恒壓下繼續(xù)保溫 15 30min后，卸壓。通過本實施例制備的靶材，采用阿基米德法測定整體耙材的密度，其相對密 度為95%; XRD分析表明，靶材化學分子式為Nb20 4 83，即NbA—x， x二O. 17;用四點 探針電導率測定儀測得靶材的電阻率為8.6Q ，cm。
權利要求
1.一種導電氧化物陶瓷濺射靶材的熱壓制備方法，其特征在于，在金屬氧化物粉體原料中加入所述金屬氧化物對應的金屬粉并與之充分混合，或在靶材的制備過程中向保護氣氛中充入H2氣。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法通過對粉體原料中 金屬粉加入量或保護氣氛中H2的流量比例的控制，可以控制成型靶材的電阻率。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法的一種方案包括如下歩驟1) 稱取制作靶材的金屬氧化物粉體原料和與之相應的金屬粉；2) 將上述兩種粉體用球磨的方法混合；3) 選用高強石墨模具，采用振動漏斗法裝料，測量并保證模具內粉體堆積 高度均勻；4) 將模具放進上加壓的分體式熱壓爐中，準備熱壓；5) 熱壓并采取保護氣氛，在溫度95(TC 110(TC、壓力i5 40MPa環(huán)境下 保溫保壓40min，直至耙材相對密度達到設計值；6) 采用附加保壓工藝保壓維持原溫度壓力不變，恒溫恒壓下繼續(xù)保溫15 3。min后，卸壓。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法的另一種方案包括 如下步驟1) 稱取制作靶材的粉體原料；2) 選用高強石墨模具，采用振動漏斗法裝料，測量并保證模具內粉體堆積 高度均勻；3) 將模具放進上加壓的分體式熱壓爐中，準備熱壓；4) 熱壓并采取保護氣氛，并在保護氣氛中注入H2，在溫度95(TC 110(TC、 壓力15 40MPa環(huán)境下保溫保壓40min，直至耙材相對密度達到設計值；5) 采用附加保壓工藝保壓維持原溫度壓力不變，恒溫恒壓下繼續(xù)保溫15 30min后，卸壓。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述保護氣氛為真空或 充入保護性氣體，所述保護性氣體為氮氣或氬氣類惰性氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種導電氧化物陶瓷濺射靶材的熱壓制備方法，通過在金屬氧化物粉體原料中加入所述金屬氧化物對應的金屬粉并與之充分混合，或在靶材的制備過程中向保護氣氛中充入H₂氣，使得靶材原位一次合成，即靶材材料的被還原與靶材成型燒結是同時進行的，簡化了靶材制備的工藝流程；并通過控制金屬粉加入量或保護氣氛中H₂的流量比例，可以控制成型靶材的電阻率，可以滿足不同靶材的制備要求。
文檔編號C04B35/645GK101209927SQ20071030407
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月25日 優(yōu)先權日2007年12月25日
發(fā)明者儲茂友, 靜 孫, 段華英, 王星明, 鄧世斌, 滄 韓 申請人:北京有色金屬研究總院