专利名称：ZnO基粉末-金属复合溅射靶材及其制备方法
技术领域：
本发明属于半导体器件领域，尤其涉及一种应用于AM LCD、AM OLED等平板显示器TFT背板的ZnO基薄膜晶体管的有源层沉积靶材及其制造的新方法。
背景技术：
ZnO基TFT被认为是最有可能取代当前大规模产业化的a-Si:H TFT的下一代MOSFET，在最近几年引起普遍的关注。与a-Si:H TFT相比，透明氧化物薄膜晶体管，主要是氧化锌基薄膜晶体管，具有以下优点a)迁移率比非晶硅晶体管高一个数量级以上；b)对可见光的透明度大于80％；c)可在室温下沉积，可使用可挠性基片；d)薄膜结构为均匀的非晶态；e)加压下产生的电学应力均一；f)对于目前成熟的溅射法或脉冲激光沉积法，可以通过调节靶材的金属组成和优化沉积条件控制TFT的特性。
目前，ZnO基TFT有源层的沉积绝大多数采用溅射法和脉冲激光沉积法，也有一些工作采用分子束外延、溶胶-凝胶或溶液过程、固相反应外延和反应电子束蒸发法，但在阵列制造上几乎不使用这些方法，因为这些方法都不成熟或存在严重的缺点。最近也有一些工作采用Zn靶反应溅射沉积ZnO薄膜作为TFT的有源层(D.Hong et al，J.Vac.Sci.Technol.，2006，B24，L23；W.S.Cheong etal，Thin Sold Films，2008，516(22)8159)。
但是采用ZnO薄膜作为有源层的晶体管性能并不理想，多数情况下单一金属组成的ZnO薄膜的关态电流太大，TFT器件开关比小；另一个问题是溅射沉积的ZnO薄膜很容易结晶，由于多晶薄膜中穿行的电子受到频繁的晶界散射作用，有碍于器件迁移率的提高。因此，研究人员在ZnO薄膜中添加In2O3、Ga2O3、SnO2以阻止薄膜在沉积过程中的结晶，增强薄膜在使用过程中的稳定性，从而提高了TFT工作的可靠性。已往的工作表明，InGaZnO4薄膜在500℃下退火仍保持非晶形式。
a-IGZO TFT作为阵列基板在AM OLED和AM LCD的应用已引起高度重视。在2008年美国洛杉矶举行的SID年会上，三星先进技术研究院展出了以a-IGZO TFT阵列驱动的4英寸QVGA OLED屏，三星电子则展出了15英寸以a-IGZO TFT阵列驱动的XVGA AM LCD。但这些工作中，a-IGZO薄膜的沉积都采用射频磁控溅射法或脉冲激光沉积法，使用高温(～1550℃)烧结的氧化物陶瓷靶。在氧化锌基TFT阵列制造中，所采用的溅射和脉冲激光沉积两种方法中，溅射法的工艺窗口较宽。溅射法通常使用高温烧结的陶瓷靶，对于大面积镀膜来讲，靶材的制作是有相当难度的。目前，大尺寸陶瓷靶材通常采用拼接方法获得，要用到昂贵的金属铟和银作为焊接材料，还有，靶材制作工艺复杂且成本高，高温烧结过程容易引入杂质，在使用过程中容易发生开裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材及其制作方法，所述的这种用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材及其制作方法要解决现有技术中的靶材及其制作工艺复杂且成本高、高温烧结过程容易引入杂质以及在使用过程中容易发生开裂的技术问题。
本发明提供了一种用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材，所述的粉末-金属复合靶材表层的金属组成为InxGaxSnyZnz，其中0≤w，x，y≤1，0≤z≤6。
进一步的，所述的金属靶体为纯度大于99.99wt％的金属锌，所述的粉末选自In2O3、或Ga2O3、或SnO2中的一种或一种以上的组合。
进一步的，所述的金属靶体为锌-锡合金，所述的粉末选自In2O3、或Ga2O3中的一种或一种以上的组合。
进一步的，所述的金属靶体为锌-铟合金，所述的粉末选自SnO2、或Ga2O3的中一种或一种以上的组合。
进一步的，所述的金属靶体为锌-锡-铟合金，所述的粉末为Ga2O3。
进一步的，所述的金属靶体的厚度为6-10mm，所述的金属靶体的一侧表面设置有不贯穿的且均匀分布的孔洞。
进一步的，所述的另一种金属靶体的厚度为0.05-1.0mm，所述的金属靶体一侧表面设置有贯穿的且均匀分布的孔洞。
进一步的，所述的金属靶体的横截面为直径三英寸或六英寸的圆形，或80mm×150mm的长方形。
进一步的，所述的金属靶体设置有不贯穿的且均匀分布的圆孔，所述的圆孔的直径为2-10mm，所述的圆孔的深度为3-8mm，所述的圆孔面积占靶体开孔一侧表面面积的1-70％。
进一步的，所述的另一种金属靶体设置有贯穿的且均匀分布的圆孔，所述的圆孔的直径为2-10mm，所述的圆孔面积占靶体开孔一侧表面面积的1-70％。
进一步的，所述的金属靶体设置有不贯穿的且均匀分布的方孔，所述的方孔边长为2-15mm，所述的方孔深度为3-8mm，所述的方孔面积占靶体开孔一侧表面面积的1-80％。
进一步的，所述的另一种金属靶体设置有贯穿的且均匀分布的方孔，所述的方孔边长为2-15mm，所述的方孔深度为3-8mm，所述的方孔面积占靶体开孔一侧表面面积的1-80％。
本发明还提供了上述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材的制作方法，包括一个制作金属靶体的步骤，在所述的制作金属靶体的步骤中，把金属加工成圆片或板状，在所述的金属片上设置有不贯穿的孔洞，还包括有一个将氧化物粉末致密化的步骤，在所述的将氧化物粉末致密化的步骤中，在所述的金属靶体的不贯穿的孔洞里填充氧化物粉末，然后施加高压使金属氧化物粉末致密化。
进一步的，在孔洞中填充粉末的过程中，粉末经过冷等静压致密，成型压力180-300MPa，保压时间1-5分钟，使致密后的粉末和复合靶座表面持平。
进一步的，在孔洞中填充粉末的过程中，粉末经过干压致密，成型压力5-10MPa，保压时间0.1-1分钟，使粉末和金属靶体的表面持平。
本发明还提供了另一种上述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材的制作方法，包括一个制作金属靶体的步骤，在所述的制作金属靶体的步骤中，把金属加工成圆片或板状，在所述的金属片上设置有贯穿的且均匀分布的孔洞，还包括有一个将氧化物粉末施加高压致密化的步骤，然后将设置有贯穿孔洞的金属靶体放置于致密且表面平坦化的粉末块体上。
为了在使用时便于操作，设计了铝合金粉末池。所谓粉末池，就是把一定厚度(6-12mm)的铝合金材料加工成所需靶材的形状，然后在其长宽一侧加工一个相同形状的槽用于填放粉末，槽深4-10mm。
进一步的，铝合金池里的粉末经过干压致密，成型压力5-10MPa，保压时间0.1-1分钟。
进一步的，铝合金池里的粉末经过冷等静压致密，成型压力180-300MPa，保压时间1-5分钟。
若采用In-Ga-Sn-Zn合金靶反应溅射获得In-Ga-Sn-Zn-O有源层，引入Ga的含量将很有限。由于Ga的熔点只有30℃，在其他成分的金属中引入高含量的Ga，将大大降低合金的熔点，而溅射镀膜过程中一般要求靶材能够承受的温度在150℃以上，因此，Zn-In-Sn-Ga合金中引入Ga的含量必须控制在很小的范围内。为了解决这个问题，本专利设计Zn-In-Sn合金靶体，提供靶材中所需的Zn、In和Sn成分，靶材中所需要的Ga成分则以氧化物的形式引入。正如以上所述，本专利中设计的金属靶体有两种形式，一是厚度6-10mm、上有均匀分布的不贯穿孔洞，另一是厚度0.05-1.0mm、上有均匀分布的贯穿孔洞。Zn、In和Sn的组成可以取0-1之间的任意值。图1示出Zn-In-Sn的三元相图(单位为at.％)，In、Zn和Sn的熔点分别为156.4℃、419.58℃和231.9℃。上述数据说明在很宽的组成范围内可以获得使用温度高于150℃的In-Zn-Sn的三元合金和Zn-Sn、Zn-In二元合金，作为溅射靶材能够满足其使用温度要求。对于薄膜中所需的其他金属成分，特别是Ga，可以以氧化物粉末的形式填入，这种靶材称为粉末-金属复合靶。
与传统高温烧结陶瓷靶相比，粉末-金属复合靶具有以下优点1)对制作工艺和设备的要求低。2)导热好，可以避免像陶瓷靶材那样在使用过程中的开裂。3)可以用螺钉直接固定到溅射靶的背板上，无需陶瓷靶的焊接工艺。4)靶材的金属组成容易调整。因而大大降低了靶材的制作、使用和维护成本。
图1示出Zn-In-Sn的三元相图； 图2(a)和(b)分别示出在80mm×150mm的长方形和直径三英寸或六英寸的圆形In-Zn-Sn合金靶体上加工的圆孔； 图3示出金属靶体不贯穿孔洞里粉末的干压致密方式。
具体实施例方式 实施例1 提供了一种用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材，所述的粉末-金属复合靶材表层的金属组成为InwGaxSnyZnz，其中0≤w，x，y≤1，0≤z≤6。
整个靶材分成两个部分，即金属靶体和粉末靶体。金属靶体上加工有一系列均匀分布的不贯穿的孔，孔的形状可以是规则的或不规则的，规则形状的孔可以加工成圆形、正方形或长方形。金属靶体为纯度大于99.99wt％的金属锌，粉末选自In2O3、或Ga2O3、或SnO2中的一种或一种以上的组合。或者，金属靶体为锌-锡合金，粉末选自In2O3、或Ga2O3的一种或一种以上的组合。或者，金属靶体为锌-铟合金，粉末选自SnO2、或Ga2O3的一种或一种以上的组合。或者，金属靶体为锌-锡-铟合金，粉末为Ga2O3。
图2(a)和(b)分别示出长宽150mm×80mm的长方形以及直径三英寸或六英寸锌-铟-锡合金靶体上所加工规则的圆孔示意图，合金靶体的厚度6-10mm，圆孔的直径2-10mm，深度3-8mm，孔的面积占整个靶面的面积的1-70％。其中Zn-In-Sn合金的组成为InwSnyZnz(0≤w，y，z≤1)，靶材中的Ga以氧化物的形式引入，成分通过孔的尺寸和面积率调整。Ga2O3的纯度为99.999wt％，通过特制的压头加压致密，如图3所示。图3中，11为合金靶体，12为孔洞里的填料，21为压头，压头材料为不锈钢。成型压力5-10MPa，保压时间0.1-1分钟。通过多次填料-压制过程，使孔洞里致密后的粉末与合金靶体的表面持平，为了进一步提高合金靶体孔里粉末的致密度及其均匀性，采用冷等静压处理，成型压力180-300MPa，保压时间1-5分钟。然后，继续填料-压制-冷等静压过程，直到冷等静压处理后孔洞里的粉末相对于合金靶体表面不再下沉。
实施例2 为了获得In-Zn-Sn-Ga-O的薄膜成分，本专利提出另一种形式的粉末-金属复合靶。结构上仍由两部分组成，一是网状的金属靶体，其制作过程为，把含有源层中部分金属组成的高纯金属或合金片加工成所需的靶材形状(通常为圆形或长方形)，该金属或合金片上加工一系列均匀分布的贯穿的圆孔或方孔或其他形状的孔。所采用的金属为高纯锌(99.99wt％以上)，所采用的合金为锌-铟、锌-锡或锌-铟-锡，金属或合金片厚度为0.05-1.0毫米，外形为直径三英寸或六英寸的圆形以及长宽150mm×80mm的长方形，所加工的圆孔的直径2-10毫米，圆孔的面积占整个靶面面积的1-70％，所加工的方孔边长为2-15mm，方孔面积占整个靶面面积的1-80％。靶的另一部分有效组成为致密的金属氧化物粉末，提供靶材的其他金属组成，在本专利中为In2O3和/或Ga2O3和/或SnO2(纯度均为99.999wt％)。粉末的致密化采用干压和/或等静压方式。干压成型压力5-10MPa，保压时间0.1-1分钟；冷等静压成型压力180-300MPa，保压时间1-5分钟。为了在使用时便于操作，设计了铝合金粉末池。所谓粉末池，就是把一定厚度(6-12mm)的铝合金材料加工成所需靶材的形状，然后在其一侧加工一个一定深度、形状相同的槽用于填放粉末。在使用时，把网状的金属或合金片放在靶池中表面平坦且致密化的粉末块体上，通过改变金属或合金片的金属组成或孔的面积率，可以灵活地调整所沉积薄膜的金属种类和组成。
实施例3 本实施例提出的靶材用于溅射沉积a-In-Zn-Sn-Ga-O有源层。经过熔制的In-Sn-Zn合金靶体的组成为In0.2Sn0.2Zn0.6，直径三英寸，厚度10mm，圆孔的直径3mm，深度6mm，孔的面积约占整个靶面面积的30％。Ga2O3粉末的纯度为99.999wt％，通过如图3所示的压头加压致密，成型压力6MPa，保压时间30秒。通过多次填料-压制过程，使孔洞里致密后的粉末和合金靶体的表面持平。
实施例4 本实施例提出的靶材用于溅射沉积a-In-Zn-Sn-Ga-O有源层。经过熔制的In-Sn-Zn合金靶体的组成为In0.2Sn0.2Zn0.6，直径三英寸，厚度0.5mm，贯穿圆孔的直径3mm，孔的面积约占整个靶面面积的30％。Ga2O3粉末的纯度为99.999wt％。Ga2O3粉末填放在铝合金靶池中，采用冷等静压致密，成型压力200MPa，保压时间2分钟。使用时把In-Zn-Sn合金片置于致密化的粉末的上表面。
实施例5 本实施例提出的靶材用于溅射沉积a-IGZO有源层。长方形高纯Zn(大于99.99wt％)靶体，尺寸150mm×80mm，厚度10mm，正方孔的边长4mm，深度8mm，均匀分布的孔的面积约占整个靶面的面积的20％。孔洞里填放In2O3、Ga2O3粉末(纯度为99.999wt％，摩尔比1∶1)，In2O3、Ga2O3粉末预先湿法混合并在100-200℃下烘干。通过冷等静压加压致密，成型压力200MPa，保压时间2分钟。通过多次填料-冷等静压过程，使孔洞里致密后的粉末和合金靶体的表面持平。
实施例6 本实施例提出的靶材用于溅射沉积a-IGZO有源层。经过熔制的In-Zn合金片的组成为In0.2Zn0.8，直径六英寸，厚度0.5mm，贯穿圆孔的直径5mm，孔的面积约占整个靶面面积的30％。Ga2O3粉末(纯度为99.999wt％)填放在铝合金靶池中，采用冷等静压致密，成型压力200MPa，保压时间2分钟。使用时把In-Zn合金片置于致密化的粉末的上表面。
权利要求
1.一种用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材，其特征在于所述的粉末-金属复合靶材表层的金属组成为InwGaxSnyZnz，其中，0≤w，x，y≤1，0≤z≤6。
2.如权利要求1所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材，其特征在于所述的金属靶体为纯度大于99.99wt％的金属锌，所述的粉末选自In2O3、或Ga2O3、或SnO2中的一种或一种以上的组合。
3.如权利要求1所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材，其特征在于所述的金属靶体为锌-锡合金，所述的粉末选自In2O3、或Ga2O3中的一种或一种以上的组合。
4.如权利要求1所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材，其特征在于所述的金属靶体为锌-铟合金，所述的粉末选自SnO2、或Ga2O3的中一种或一种以上的组合。
5.如权利要求1所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材，其特征在于所述的金属靶体为锌-锡-铟合金，所述的粉末为Ga2O3。
6.如权利要求1、或2、或3、或4、或5所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材，其特征在于所述的金属靶体的厚度为6-10mm，在所述的金属靶体的一侧设置有均匀分布且不贯穿的孔洞，所述的孔洞中设置有氧化物粉末。
7.如权利要求1、或2、或3、或4、或5所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材，其特征在于所述的金属靶体的厚度为0.05-1.0mm，在所述的金属靶体的一侧设置有均匀分布且贯穿的孔洞。
8.如权利要求1、或2、或3、或4、或5所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材，其特征在于所述的金属靶体的横截面为直径三英寸或六英寸的圆形，或80mm×150mm的长方形。
9.如权利要求1所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材的制作方法，其特征在于包括一个制作金属靶体的步骤，在所述的制作金属靶体的步骤中，把金属加工成圆片或板状，在所述的金属板上设置有不贯穿的孔洞，还包括有一个将氧化物粉末致密化的步骤，在所述的将氧化物粉末致密化的步骤中，在所述的金属靶体的孔洞里填充提供靶材其他金属组成的氧化物粉末，然后施加高压使金属氧化物粉末致密化。
10.如权利要求9所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材的制作方法，其特征在于在孔洞中填充粉末的过程中，粉末经过冷等静压致密，成型压力180-300MPa，保压时间1-5分钟，使致密后的粉末和金属靶体表面持平。
11.如权利要求9所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材的制作方法，其特征在于在孔洞中填充粉末的过程中，粉末经过干压致密，成型压力5-10MPa，保压时间0.1-1分钟，使粉末和金属靶体表面持平。
12.如权利要求1所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材的制作方法，其特征在于包括一个制作金属靶体的步骤，在所述的制作金属靶体的步骤中，把金属加工成圆片或板状，在所述的金属片上设置有贯穿的孔洞，还包括有一个将氧化物粉末施加高压致密化的步骤，然后将设置有贯穿的孔洞的金属片置于致密且表面平坦化的粉末块体上。
13.如权利要求12所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材的制作方法，其特征在于所述的粉末经过干压致密，成型压力5-10MPa，保压时间0.1-1分钟。
14.如权利要求12所述的用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶材的制作方法，其特征在于所述的粉末经过冷等静压致密，成型压力180-300MPa，保压时间1-5分钟。
全文摘要
本发明提供了一种用于溅射沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶，所述的粉末-金属复合靶表层的金属组成为InwGaxSnyZnz，其中0≤w，x，y≤1，0≤z≤6。本发明还提供了上述用于沉积薄膜晶体管有源层的粉末-金属复合靶的制作方法与传统高温烧结陶瓷靶相比，粉末-金属复合靶具有以下优点1)对制作工艺和设备的要求低。2)导热好，可以避免像陶瓷靶那样在使用过程中的开裂。3)可以用螺钉直接固定到溅射靶的背板上，无需陶瓷靶的焊接工艺。4)靶材的金属组成容易调整。因此，所述的粉末-金属复合靶的制作、使用和维护成本低廉。
文档编号C23C14/34GK101775576SQ200910045149
公开日2010年7月14日 申请日期2009年1月12日 优先权日2009年1月12日
发明者陈晨曦, 林明通 申请人:上海广电电子股份有限公司