氧化錫陶瓷靶材的制備及其性能研究.pdf

1、近年來(lái)，由于半導(dǎo)體集成電路制造業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)致濺射靶材這一高附加值電子材料具有廣闊的市場(chǎng)。密實(shí)的氧化錫陶瓷材料是一種具有直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有良好的化學(xué)、機(jī)械、熱穩(wěn)定性、遷移率高的特征，是一種潛在的代替ITO的材料。SnO2薄膜作為一種優(yōu)良的功能材料，在透明導(dǎo)電薄膜和化學(xué)氣敏傳感器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。由于SnO2燒結(jié)性能很差，高溫很難致密化，所以關(guān)于SnO2陶瓷靶材報(bào)道極少，而且關(guān)于SnO2陶瓷的致密化機(jī)理和導(dǎo)電機(jī)理眾說(shuō)

2、紛紜，還存在爭(zhēng)議。
　　 本論文首先制備純SnO2陶瓷靶材，首先采用放電等離子體燒結(jié)方法(SPS)，通過(guò)對(duì)燒結(jié)溫度、壓力、保溫時(shí)間及升溫速率等工藝參數(shù)分析，在燒結(jié)工藝為1000℃-40MPa-3min-200℃/min，獲得純SnO2陶瓷靶材的相對(duì)密度為96.6％。冷等靜壓-燒結(jié)法無(wú)法制得高致密度的SnO2陶瓷靶材。
　　 純SnO2陶瓷靶材的致密化的研究結(jié)果表明：SPS制備純SnO2陶瓷靶材的致密化機(jī)理主要有兩種，一是

3、SPS燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的局部高溫，引起晶粒的異常長(zhǎng)大，局部高溫產(chǎn)生高的蒸汽壓差，傳質(zhì)通過(guò)蒸發(fā)-凝聚的方式傳遞；二是SPS燒結(jié)過(guò)程產(chǎn)生的Sn2+取代Sn4+，產(chǎn)生氧空位促進(jìn)SnO2致密化。冷等靜壓-燒結(jié)法主要是蒸發(fā)-凝聚的傳質(zhì)。
　　 其次采用機(jī)械混合的方法制備Sb2O3摻雜SnO2復(fù)合粉體，系統(tǒng)研究了燒結(jié)溫度、Sb2O3摻雜量對(duì)致密度影響。800℃-1000℃，都能得到高致密的ATO(97.56SnO2-2.44Sb2O3)陶瓷靶

4、材，在1000℃-40Mpa-200℃/min-3min，燒結(jié)ATO(99SnO2-1Sb2O3)，得到陶瓷相對(duì)致密度達(dá)到98.2％。適量Sb2O3有利于促進(jìn)SnO2低溫化致密。
　　 ATO陶瓷試樣的SPS致密化過(guò)程主要以下四種機(jī)制共同作用的結(jié)果：一是SPS燒結(jié)過(guò)程中，局部高溫產(chǎn)生的晶粒異常長(zhǎng)大，以蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)；二是Sn2+取代Sn4+產(chǎn)生氧空位以促進(jìn)SnO2致密化；三是燒結(jié)致密化主要以Sb3+固溶到SnO2晶格中產(chǎn)生氧空位

5、為主來(lái)促進(jìn)致密化。Sb3+與Sn4+電價(jià)不同，Sb3+(0.076)取代Sn4+時(shí)，會(huì)使臨近的氧原子脫離形成大量氧空位，并且促進(jìn)晶體生長(zhǎng)來(lái)促進(jìn)SnO2陶瓷的致密化。四是Sb5+作為施主摻雜取代SnO2中的Sn4+和Sn2+，以及Sb3+取代Sn2+，阻礙SnO2顆粒的結(jié)合與長(zhǎng)大，不利于SnO2的致密化。
　　 SPS制備ATO陶瓷電性能，當(dāng)Sb摻雜濃度較低時(shí)，如Sb摻雜量為0.1％時(shí)，Sb5+取代Sn4+施主摻雜為主；隨著Sb摻

6、雜量的增加，如Sb摻雜量為2.44％時(shí)，Sb5+/Sb3+增加，載流子濃度主要由Sb5+/Sb3+的比值來(lái)決定，以Sb5+施主摻雜為主，晶粒異常長(zhǎng)大減少有效晶界面積；當(dāng)Sb摻雜量增加到一定程度，Sb5+/Sb3+比值反而下降，電導(dǎo)率主要由Sb5+的施主摻雜和氧空位來(lái)決定。
　　 為了進(jìn)一步提高陶瓷靶材的性能，最后采用半濕法制備ZnO摻雜SnO2、Sb2O3摻雜SnO2、ZnO-Sb2O3摻雜SnO2的復(fù)合粉體。
　　 當(dāng)

7、SPS燒結(jié)工藝1000℃-40MPa-3min-200℃/min時(shí)，ZnO摻雜量1mol％時(shí)，可獲得SnO2-ZnO陶瓷靶材密度的極大值6.98 g·cm-3，相對(duì)密度的極大值99.8％；SnO2-1Sb2O3陶瓷靶材密度和相對(duì)致密度均達(dá)到最大值6.88 g·cm-3和98.3％；SnO2-1ZnO-1Sb2O3陶瓷靶材密度和相對(duì)致密度均達(dá)到最大值6.96 g·cm-3和99.2％。
　　 摻雜Sb2O3的ATO陶瓷的室溫電阻率