氧化铟锡锌靶材及其制备方法

1032 编辑：中冶有色技术网来源：郑州大学

2023-09-13 16:05:12

1.本发明属于金属氧化物靶材术领域，具体涉及氧化铟锡锌靶材及其制备方法。

背景技术：

2.铟锡锌氧化物(insnzno

x

，以下简称itzo)，是一种透明非晶氧化物半导体(taos)，可以作为有源层参与制作薄膜晶体管(tft)，即taos-tfts，用作有源矩阵平板显示器的背板。相较于近年来被广泛应用在amoled产业中的铟镓锌氧化物(igzo)，itzo由于极轻的载流子有效质量(m

*

)和较长的载流子弛豫时间(τ)，具有5倍以上的迁移率。随着显示技术的发展，高刷新率、高分辨率是未来的市场趋势，这对薄膜晶体管(tft)的迁移率提出更高的要求，itzo有望成为这样的次时代材料。

3.目前igzo-tfts存在的主要问题是迁移率不够高(10～20cm2/vs),而且ga元素成本较高。itzo薄膜作为itzo-tfts器件的有源层材料，一般通过磁控溅射从itzo靶材沉积在绝缘衬底上。磁控溅射是当前获得透明导电薄膜的主要方法，溅射过程中的电弧现象和靶材表面的结瘤现象严重影响溅射效率和靶材的利用率。

4.提供一种迁移率高，性能好的靶材是目前急需解决的技术问题之一。

技术实现要素：

5.有鉴于此，一方面，一些实施例公开了氧化铟锡锌靶材的制备方法，包括：

6.纳米氧化铟粉体、纳米氧化锡粉体和纳米氧化锌粉体按照设定比例混合，得到混合粉体；

7.得到的混合粉体与设定比例的消泡剂、分散剂、粘结剂混合，然后依次经过高速分散处理、超声处理和球磨混合，得到混合浆料；

8.混合浆料经过喷雾造粒，得到氧化铟、氧化锡、氧化锌混合粉体；

9.得到的混合粉体经过放电等离子烧结；

10.烧结得到的产物经过退火，得到氧化铟锡锌靶材。

11.进一步，一些实施例公开的氧化铟锡锌靶材的制备方法，纳米氧化铟粉体、纳米氧化锡粉体、纳米氧化锌粉体的质量比设定为1.1:0.1:1.0。

12.一些实施例公开的氧化铟锡锌靶材的制备方法，纳米氧化铟粉体、纳米氧化锡粉体、纳米氧化锌粉体的粒径为50～200nm，纯度为99.99％。

13.一些实施例公开的氧化铟锡锌靶材的制备方法，混合浆料中，混合粉体的质量含量为50～55％。

14.一些实施例公开的氧化铟锡锌靶材的制备方法，混合浆料中，消泡剂的质量含量为0.1～0.3％；分散剂为聚丙烯酸、氨水、纯水、以及正辛醇配制而成的ph为7的溶液；分散剂在混合浆料中的质量含量为0.5～1.0％；粘结剂为聚乙烯醇，粘结剂在所述混合浆料中的质量含量为0.5～1.0％。

15.一些实施例公开的氧化铟锡锌靶材的制备方法，其中：

16.高速分散在高速分散机中进行，转速设定为2500～3000rpm，分散时间设定为1～2h；

17.超声处理的时间设定为1～2h；

18.球磨混合包括：

19.在陶瓷球磨罐中加入设定量的球磨介质；其中，球磨介质为直径不同的三种氧化锆陶瓷球，直径范围为1～10mm，直径差为1～3mm，大、中、小三种直径的氧化锆陶瓷球的质量比为1:1:1，球磨介质的质量含量设定为50～55％；

20.将经过高速分散、超声处理之后的浆料装入陶瓷球磨罐中进行球磨，球磨时间设定为10～24h；其中，球磨机的起始转速设定为450～500r/min，研磨0.5～1小时后设定为200～250r/min，直至球磨结束。

21.一些实施例公开的氧化铟锡锌靶材的制备方法，混合粉体的放电等离子烧结处理在放电等离子烧结炉中进行，烧结温度设定为900～1000℃，升温速率设定为100～150℃/min，烧结压力设定为40～50mpa，烧结保温时间设定为1～5min。

22.一些实施例公开的氧化铟锡锌靶材的制备方法，烧结产物的退火处理在氧气氛中进行，退火的温度设定为600～800℃，退火保温时间设定为1～3h。

23.一些实施例公开的氧化铟锡锌靶材的制备方法，喷雾造粒在喷雾造粒设备中进行，其中，喷雾进风温度设定为200～210℃，喷雾进料速度设定为10～20r/min。

24.另一方面，一些实施例公开了氧化铟锡锌靶材，由氧化铟锡锌靶材的制备方法得到。

25.本发明实施例公开的氧化铟锡锌靶材的制备方法，首先对原始粉末进行混合，然后添加一定比例的消泡剂、分散剂、粘结剂，依次进行高速分散、超声处理和球磨混合，得到分散均匀的混合浆料，通过喷雾造粒将不规则的原始粉体制备成规则的球形粉体颗粒，通过sps烧结和退火得到氧化铟锡锌靶材，得到的氧化铟锡锌靶材载流子迁移率高，能够作为性能优良的原料制备性能优良的氧化物半导体和薄膜晶体管，在半导体显示技术领域有良好应用前景。

附图说明

26.图1实施例1公开的氧化铟锡锌靶材制备方法流程示意图。

具体实施方式

27.在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本发明实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。应理解，本发明实施例中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明实施例公开的内容。

28.除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本发明实施例所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；作为本发明实施例中其它未特别注明的试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常采用的实验方法和技术手段。

29.本文所用的术语“基本”和“大约”用于描述小的波动。例如，它们可以是指小于或等于

±

5％，如小于或等于

±

2％，如小于或等于

±

1％，如小于或等于

±

0.5％，如小于或等

于

±

0.2％，如小于或等于

±

0.1％，如小于或等于

±

0.05％。在本文中以范围格式表示或呈现的数值数据，仅为方便和简要起见使用，因此应灵活解释为不仅包括作为该范围的界限明确列举的数值，还包括该范围内包含的所有独立的数值或子范围。例如，“1～5％”的数值范围应被解释为不仅包括1％至5％的明确列举的值，还包括在所示范围内的独立值和子范围。因此，在这一数值范围中包括独立值，如2％、3.5％和4％，和子范围，如1％～3％、2％～4％和3％～5％等。这一原理同样适用于仅列举一个数值的范围。此外，无论该范围的宽度或所述特征如何，这样的解释都适用。

30.在本文中，包括权利要求书中，连接词，如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”等被理解为是开放性的，即是指“包括但不限于”。只有连接词“由

……

构成”和“由

……

组成”是封闭连接词。

31.为了更好的说明本发明内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备等未作详细描述，以便凸显本发明的主旨。

32.在不冲突的前提下，本发明实施例公开的技术特征可以任意组合，得到的技术方案属于本发明实施例公开的内容。

33.在一些实施方式中，氧化铟锡锌靶材的制备方法包括：

34.纳米氧化铟粉体、纳米氧化锡粉体和纳米氧化锌粉体按照设定比例混合，得到混合粉体；混合粉体中，氧化铟粉体、氧化锡粉体和氧化锌粉体相互混合掺杂，形成三种氧化物粉体相互均匀分布的混合粉体，

35.得到的混合粉体与设定比例的消泡剂、分散剂、粘结剂混合，然后依次经过高速分散处理、超声处理和球磨混合，得到混合浆料；分布均匀的混合粉体进一步与消泡剂、分散剂和粘结剂混合，制备混合浆料；通常制备混合浆料的过程中，对混合原料依次进行高速分散处理、超声处理和球磨混合处理；其中，高速分散处理首先将固态混合粉体均匀得分布到溶剂中，达到初步的匀质效果，高速分散机转速设定为2500～3000rpm，分散时间设定为1～2h，为了及时消除泡沫，加入质量含量为0.1～0.3％的矿物油系消泡剂；超声处理利用超声波对溶液进行进一步的分散和解聚，同时得到亚微米级的粉末初步研磨效果，超声处理的时间设定为1～2h；球磨混合处理利用行星球磨机中球磨介质的高能量冲击对混合物料进行细磨，球磨时间设定为10-24小时，球磨机的起始转速设定为450～500r/min，研磨0.5～1h后设定为200～250r/min，可以获得更佳的研磨效果。最终得到的混合浆料中，氧化物粉体形成规则的球形粉体，有利于在后续的喷雾造粒工序中得到球形氧化物粉体，进而经过等放电离子烧结和退火工序，得到性能优良的氧化铟锡锌靶材；

36.混合浆料经过喷雾造粒，得到氧化铟、氧化锡、氧化锌混合粉体；

37.得到的混合粉体经过放电等离子烧结，借助大电流通过石墨模具时产生的热效应使样品迅速升温，高的升温速率可以使样品迅速升温至烧结温度，经过短时间保温即可完成烧结；与传统烧结技术相比，不仅可以降低烧结温度、提高样品致密度，同时由于保温时间非常短暂，可以有效抑制晶粒粗化的问题；通常，放电等离子烧结过程在放电等离子烧结炉，即sps烧结炉中进行；

38.烧结得到的产物经过退火，即将样品加热到600-800℃的高温然后保持1-3h，然后缓慢冷却，得到氧化铟锡锌靶材itzo。退火过程中，能除去靶材中的碳，并能够对靶材重新

氧化；氧气气氛使靶材中的氧空位增加，形成更多的点缺陷，高的退火温度使得铟和锡的掺杂更加充分，释放更多自由电子，有利于提高导电性能。

39.本发明实施例公开的氧化铟锡锌itzo靶材的制备方法，首先，引入了依次进行高速分散/超声处理/球磨分散的组合分散方式对浆料进行处理，明显提高了混合浆料的分散效果，制备的混合浆料具有更好的稳定性，使得喷雾造粒粉末具有更好的颗粒均匀性、粒径分布和比表面积；其次，通过引入放电等离子烧结sps，有效改善了氧化铟锌靶材在磁控溅射中的电弧和结瘤现象，提高了溅射效率；退火过程不仅起到除碳并重新氧化itzo靶材的作用，而且增加了itzo靶材的缺陷浓度，有利于提高itzo靶材的导电性能；此外，通过对制备过程中工艺参数进行合理调节，获得了成分均匀、物相可控、致密度高的高品质itzo靶材，可以用于磁控溅射制备tft器件，相比igzo靶材具有更高的迁移率。

40.一些实施例中，纳米氧化铟粉体、纳米氧化锡粉体、纳米氧化锌粉体的质量比设定为1.1:0.1:1.0。通常溅射薄膜的元素比例主要来源于靶材的元素比例，在itzo材料中，铟in、锡sn的质量比设定为11:1，可以获得更高的迁移率和更低的退火温度，同时可以降低成本。在itzo材料中，铟、锡元素有利于提高材料的电子浓度，锌元素不利于提高材料的电子浓度，需要通过调控合适的元素比例，使材料中的电子浓度处于合适的位置，以获得最佳的器件性能，将纳米氧化铟粉体、纳米氧化锡粉体、纳米氧化锌粉体的质量比设定为1.1:0.1:1.0，可以获得最佳的器件性能。

41.一些实施例中，纳米氧化铟粉体、纳米氧化锡粉体、纳米氧化锌粉体的粒径为50～200nm，纯度为99.99％。通常，纳米氧化铟粉体的粒径为50～200nm，纯度为99.99％；纳米氧化锡粉体的粒径为50～200nm，纯度为99.99％；纳米氧化锌粉体的粒径为50～200nm，纯度为99.99％；一般地，将纳米氧化铟粉体、纳米氧化锡粉体、纳米氧化锌粉体的粒径都控制在50～200nm，有利于将三种粉体进行均匀混合，得到混合均匀的混合粉体。

42.一些实施例中，混合浆料中混合粉体的质量含量为50～55％。通常，混合浆料中的混合粉体的质量含量还可以称为固含量，即混合粉体与混合浆料的质量百分比；固含量的多少与混合粉体的分散效果、后续造粒工艺中造粒的均匀程度都有直接关系；较为优选的实施例中，混合浆料中的固含量控制在50-55％之间。

43.一些实施例中，混合浆料中的消泡剂的质量含量为0.1～0.3％；分散剂为聚丙烯酸、氨水、纯水、以及微量正辛醇配制而成的溶液，溶液的ph为7；分散剂在混合浆料中的质量含量为0.5～1.0％；粘结剂为聚乙烯醇，粘结剂在混合浆料中的质量含量为0.5～1.0％。

44.一些实施例中，高速分散在高速分散机中进行，转速设定为2500～3000rpm，分散时间设定为1～2h；超声处理的时间设定为1～2h；球磨混合包括：在陶瓷球磨罐中加入设定量的球磨介质；其中，球磨介质为直径不同的三种氧化锆陶瓷球，直径范围为1～10mm，直径差为1～3mm，大、中、小三种直径的氧化锆陶瓷球的质量比为1:1:1，球磨介质的质量含量设定为50～55％；将经过高速分散、超声处理之后的浆料装入陶瓷球磨罐中进行球磨，球磨时间设定为10～24h；其中，球磨机的起始转速设定为450～500r/min，研磨0.5～1小时后设定为200～250r/min，直至球磨结束。

45.一些实施例中，混合粉体的放电等离子烧结处理在放电等离子烧结炉中进行，烧结温度设定为900～1000℃，升温速率设定为100～150℃/min，烧结压力设定为40～50mpa，烧结保温时间设定为1～5min。

46.一些实施例中，混合粉体的放电等离子烧结过程中，首先根据定制模具的尺寸和itzo的理论密度，计算每个itzo样品的理论质量，然后称取相应质量的造粒粉末装入模具，装料时在造粒粉末周围和上下各铺垫0.1mm厚的碳纸，最后装入sps烧结炉开始真空烧结；烧结温度设定为900～1000℃，烧结压力设定为40～50mpa，保温时间设定为1～5min，升温速率设定为100～150℃/min。

47.一些实施例中，烧结产物的退火处理在氧气氛中进行，退火的温度设定为600～800℃，退火保温时间设定为1～3h。

48.一些实施例中，喷雾造粒在喷雾造粒设备中进行，其中，喷雾进风温度设定为200～210℃，喷雾进料速度设定为10～20r/min。

49.另一方面，一些实施例公开了氧化铟锡锌靶材，由氧化铟锡锌靶材的制备方法得到。

50.以下结合实施例对技术细节做进一步示例性说明。

51.实施例1

52.图1为实施例1公开的氧化铟锡锌靶材的制备方法流程示意图。

53.在实施例1中，itzo靶材的制备方法包括：

54.步骤一、浆料制备；

55.氧化铟粉末、氧化锡粉末、氧化锌粉末按照质量比1.1:0.1:1.0混合，得到混合粉末；

56.混合粉末中添加一定比例的等离子水、消泡剂、分散剂和粘结剂，依次进行高速分散、超声处理和球磨混合，得到分散均匀的混合浆料；其中，固含量设定为50～55％，消泡剂的含量设定为0.1～0.3％，分散剂的含量设定为0.5～1.0％，粘结剂的含量设定为0.5～1.0％；高速分散进行1-2小时，超声进行10-30分钟，球磨进行10-24小时；

57.步骤二、喷雾造粒；

58.球磨得到的浆料通过喷雾造粒设备雾化并干燥为造粒氧化铟锡锌粉体；在一些实施例中，造粒设备进风温度设定为190～220℃，进料速度设定为10～20r/min；

59.步骤三、放电等离子烧结；

60.喷雾造粒得到的粉体通过sps烧结成型。烧结温度设定为900～1000℃，烧结压力设定为40～50mpa，升温速率设定为100～150℃/min，保温时间设定为1～5min；

61.步骤四、退火；

62.sps烧结得到的靶材在马弗炉中经过退火得到itzo靶材，退火温度设定为600～800℃，退火时间设定为1～3h。

63.本发明实施例公开的氧化铟锡锌靶材的制备方法，首先对原始粉末进行混合，然后添加一定比例的消泡剂、分散剂、粘结剂，依次进行高速分散、超声处理和球磨混合，得到分散均匀的混合浆料，通过喷雾造粒将不规则的原始粉体制备成规则的球形粉体颗粒，通过sps烧结和退火得到氧化铟锡锌靶材，得到的氧化铟锡锌靶材载流子迁移率高，能够作为性能优良的原料制备性能优良的氧化物半导体和薄膜晶体管，在半导体显示技术领域有良好应用前景。

64.本发明实施例公开的技术方案和实施例中公开的技术细节，仅是示例性说明本发明的发明构思，并不构成对本发明实施例技术方案的限定，凡是对本发明实施例公开的技

术细节所做的常规改变、替换或组合等，都与本发明具有相同的发明构思，都在本发明权利要求的保护范围之内。技术特征：

1.氧化铟锡锌靶材的制备方法，其特征在于，包括：纳米氧化铟粉体、纳米氧化锡粉体和纳米氧化锌粉体按照设定比例混合，得到混合粉体；得到的混合粉体与设定比例的消泡剂、分散剂、粘结剂混合，然后依次经过高速分散处理、超声处理和球磨混合，得到混合浆料；混合浆料经过喷雾造粒，得到氧化铟、氧化锡、氧化锌混合粉体；得到的混合粉体经过放电等离子烧结；烧结得到的产物经过退火，得到氧化铟锡锌靶材。2.根据权利要求1所述的氧化铟锡锌靶材的制备方法，其特征在于，所述纳米氧化铟粉体、所述纳米氧化锡粉体、所述纳米氧化锌粉体的质量比设定为1.1:0.1:1.0。3.根据权利要求1所述的氧化铟锡锌靶材的制备方法，其特征在于，所述纳米氧化铟粉体、所述纳米氧化锡粉体、所述纳米氧化锌粉体的粒径为50～200nm，纯度为99.99％。4.根据权利要求1所述的氧化铟锡锌靶材的制备方法，其特征在于，所述混合浆料中，混合粉体的质量含量为50～55％。5.根据权利要求1所述的氧化铟锡锌靶材的制备方法，其特征在于：所述混合浆料中，消泡剂的质量含量为0.1～0.3％；所述分散剂为聚丙烯酸、氨水、纯水、以及正辛醇配制而成的ph为7的溶液；所述分散剂在所述混合浆料中的质量含量为0.5～1.0％；所述粘结剂为聚乙烯醇，所述粘结剂在所述混合浆料中的质量含量为0.5～1.0％。6.根据权利要求1所述的氧化铟锡锌靶材的制备方法，其特征在于：高速分散在高速分散机中进行，其中，转速设定为2500～3000rpm，分散时间设定为1～2h；所述超声处理的时间设定为1～2h；所述球磨混合包括：在陶瓷球磨罐中加入设定量的球磨介质；其中，所述球磨介质为直径不同的三种氧化锆陶瓷球，直径范围为1～10mm，直径差为1～3mm，大、中、小三种直径的氧化锆陶瓷球的质量比为1:1:1，所述球磨介质的质量含量设定为50～55％；将经过高速分散、超声处理之后的浆料装入陶瓷球磨罐中进行球磨，球磨时间设定为10～24h；其中，球磨机的起始转速设定为450～500r/min，研磨0.5～1小时后设定为200～250r/min，直至球磨结束。7.根据权利要求1所述的氧化铟锡锌靶材的制备方法，其特征在于，混合粉体的放电等离子烧结处理在放电等离子烧结炉中进行，烧结温度设定为900～1000℃，升温速率设定为100～150℃/min，烧结压力设定为40～50mpa，烧结保温时间设定为1～5min。8.根据权利要求1所述的氧化铟锡锌靶材的制备方法，其特征在于，烧结产物的退火处理在氧气氛中进行，退火的温度设定为600～800℃，退火保温时间设定为1～3h。9.根据权利要求1所述的氧化铟锡锌靶材的制备方法，其特征在于，所述喷雾造粒在喷雾造粒设备中进行，其中，喷雾进风温度设定为200～210℃，喷雾进料速度设定为10～20r/min。10.氧化铟锡锌靶材，其特征在于，由权利要求1～9任一项所述的氧化铟锡锌靶材的制

备方法得到。

技术总结

本发明实施例公开了氧化铟锡锌靶材的制备方法，包括：纳米氧化铟粉体、纳米氧化锡粉体和纳米氧化锌粉体按照设定比例混合，得到混合粉体；得到的混合粉体与设定比例的消泡剂、分散剂、粘结剂混合，然后依次经过高速分散处理、超声处理和球磨混合，得到混合浆料；混合浆料经过喷雾造粒，得到氧化铟、氧化锡、氧化锌混合粉体；得到的混合粉体经过放电等离子烧结；烧结得到的产物经过退火，得到氧化铟锡锌靶材。得到的氧化铟锡锌靶材载流子迁移率高，能够作为性能优良的原料制备性能优良的氧化物半导体和薄膜晶体管，在半导体显示技术领域有良好应用前景。应用前景。应用前景。

技术研发人员：李景辉刘苗孙本双王成铎陈杰刘洋曾学云王之君

受保护的技术使用者：郑州大学

技术研发日：2023.02.07

技术公布日：2023/6/13

声明：

“氧化铟锡锌靶材及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。

我是此专利(论文)的发明人(作者)