采用等离子喷涂工艺制备锌合金氧化物靶材的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及IPC分类中的C23C溅射法镀覆技术，属于应用于玻璃镀膜、太阳能光伏以及平板显示器、光电领域高新技术材料，尤其是采用等离子喷涂工艺制备锌合金氧化物靶材的方法。
【背景技术】
[0002]20世纪平板显示技术的出现，把人类带入了信息社会，人类社会从此发生了质的飞跃。而平板显示的核心元件就是薄膜晶体管TFT (Thin Film Transistor)，一种在玻璃基底上通过薄膜工艺制作的场效应晶体管器件。将半导体氧化物作为有源层来制作TFT用于平板显示中，不仅能获得较高迀移率，器件性能优越，而且制造工艺简单、低温下可以获得，显示出了巨大的应用前景。
[0003]近年来，随着溅射镀膜技术的快速发展，新的靶材制备技术不断出现，靶材质量和性能也取得了显著提高。旋转阴极靶材的开发应用使得靶材的利用率从传统矩形平面靶的30 %提高到80 %，大量节约了镀膜成本，从此旋转靶材在镀膜行业得到了广泛应用。
[0004]靶材是真空镀膜的原材料，靶材的纯度、密度直接影响膜系的成分和综合性能。因此，为保证溅射薄膜具有较低的电阻率、高的透明性以及薄膜厚度的均匀性，所使用的靶材无论是成分还是晶体取向都必须具有好的均匀性，高密度及低的电阻率。所以在制备锌合金氧化物靶材过程中，应保证锌合金氧化物复合粉体纯度不低于99.95%，严格控制杂质的种类与数量。这样在靶材使用寿命期间溅射膜才能具有优良的均匀性和批量产品质量的一致性。
[0005]透明导电氧化物薄膜一直是光电领域的热点，其中氧化铟锡(ΙΤ0)薄膜是目前研究和应用最广泛的透明导电氧化物(Transparent condactiveoxide，TC0)薄膜，因其良好的光电特性而被广泛应用于各种光电器件，但因原材料价格昂贵、铟资源稀少且对环境造成污染，从而限制了它的发展和应用。
[0006]锌合金是以锌为基础加入其他元素组成的合金。常加的合金元素有招、铜、镁、镉、铅、钛等低温锌合金。锌合金熔点低，流动性好，易熔焊，钎焊和塑性加工，在大气中耐腐蚀，残废料便于回收和重熔；但蠕变强度低，易发生自然时效引起尺寸变化。熔融法制备，压铸或压力加工成材。按制造工艺可分为铸造锌合金和变形锌合金。锌合金的主要添加元素有铝，铜和镁等.锌合金按加工工艺可分为形变与铸造锌合金两类.铸造锌合金流动性和耐腐蚀性较好，适用于压铸仪表，汽车零件外壳等。
[0007]氧化锌铝(ΑΖ0)薄膜不仅具有与ΙΤ0相媲美的光电特性，而且具有资源丰富、材料无毒、在氢等离子体中化学稳定性好、成本低廉以及耐磨损等优势，因此氧化锌铝薄膜被视为替代ΙΤ0薄膜的最佳候选材料，继而在国内外掀起了研究热潮。
[0008]ΑΖ0透明导电薄膜的制备方法多样，公认的最佳方法是磁控溅射，此法工艺成熟，薄膜电阻率低、透射率高且表面形貌好，薄膜生长温度接近室温，与基板附着性好，能大面积均匀制膜且制膜成本低。
[0009]—般用于制备TFT的ZnO、ln203、Sn02等薄膜很容易形成多晶态，存在不可忽视的大量晶界和氧缺陷，并且形成器件后稳定性差，伏安特性随时间变化显著，这些都阻碍了其进一步发展。氧化锌锡(ZnSnO)薄膜一般呈现非晶态，但还保证比较高的电子迀移率。近年来，国际上采用氧化锌锡非晶态合金氧化物半导体做沟道研制高性能的薄膜晶体管成为研究热点，被认为是一个很有应用前景的材料。
[0010]采用非晶态的ZnSnO合金薄膜作为有源层来制作TFT，器件都具有良好的电学性能，器件迀移率可达9.lcm2/(V.s)，开关比也达到104以上。通过后续退火工艺，器件的性能都得到了明显的改善。
[0011]从制备技术、靶材组织和溅射性能方面来看，喷涂制备金属靶是利用电弧将靶材材料加热到熔融或半熔融状态，借助高速气体将其雾化，形成小的熔滴，并加速喷射到衬管或衬板表面，快速冷却凝固成金属涂层靶材的过程；非金属和陶瓷靶通常是利用等离子加热粉末材料的方法喷涂制成。
[0012]传统的制备锌合金氧化物靶材的方法有:热等静压法、烧结法、挤压法和浇铸法四种。四种方法各有优缺点，但都不能很好地满足大面积镀膜实际应用的需求，要制备长度接近4米、直径Φ 150?190_的高纯度中空圆柱靶仍然是困难的。具体地说，采用热等静压法无法生产出较大尺寸靶材，已有记录显示，采用该法制的靶材长度未能超过2m ;采用烧结法仅能生产长度500_以内的单只靶材；挤压法和浇铸法也存在诸多限制因素，如无法应用于非金属靶材制造。所以在现有技术条件下，只能通过多节连接固定在衬管上以达到长度要求，这种方法大幅度增加了成本，且不能满足大面积镀膜，尤其是建筑玻璃镀膜对靶材的要求。
[0013]较为接近的现有技术较少，已公开的专利文献也不具有较好的参考价值，比如:中国专利申请201110256260.1以等离子喷涂制备圆柱形大面积镀膜靶材及方法，制备方法包括4个步骤，即喷涂粉体制取、基体准备、结合层喷涂、等离子喷涂成型；将单一金属和非金属材料，或多种金属或非金属材料通过热喷涂在衬管上形成具有厚度的单体靶材，工艺适应性强，同时满足多种材质和长度尺寸靶材要求。
【发明内容】
[0014]本发明的目的是提供一种采用等离子喷涂工艺制备锌合金氧化物靶材的方法，克服现有金属旋转靶材生产工艺的不足之处，提供一种等离子喷涂工艺制备锌合金氧化物靶材，使制得的圆柱靶材长度不受限制，能够直接满足大面积镀膜需求，具有较高的使用率，同时实现靶材制造成本的良好控制。
[0015]本发明的目的将通过以下技术措施来实现:制备方法包含以下步骤:
[0016]1)喷涂粉体制取:称取纯度不低于99.95wt%的锌合金氧化物靶材材料，充分研磨后过筛，筛目数为200?450目，经过喷雾造粒制得喷涂粉体；
[0017]2)基体准备:以不锈钢管或钛管为锌合金氧化物旋转靶材的内衬管，对衬管进行表面处理，包括去除衬管表面污垢和氧化层，对衬管表面进行喷砂处理，通过喷砂粗化处理后的衬管表面粗糙度(Ra)在1.5?2.5 ;
[0018]3)结合层喷涂:对步骤2)中表面处理后的衬管通过电弧喷涂方式在衬管表面形成一层结合层，结合层包含N1、Cr、Al、Ti中的至少一种；
[0019]4)等离子喷涂成型:将步骤1)中制得的锌合金氧化物喷涂粉体装入等离子喷涂送粉器，将步骤3)中已形成结合层后的衬管安装在等离子传动设备上，衬管以自身中轴转动，热喷涂枪沿衬管长度方向单向或往复移动，在喷涂过程中，保持衬管壁与热喷涂喷枪间隔距离，控制喷枪的移动速度，保证涂层平坦，设定喷涂厚度，制得靶材。
[0020]尤其是，将纯度为99.99 %的氧化锌铝靶材材料，其中氧化铝含量为2 %，经过充分混合，过250目筛，再通过喷雾造粒，使得材料粉体具有良好的流动性；选取内径125mm、外径133mm、长度3855mm的不锈钢管为氧化锌铝旋转靶材的内衬管，去除表面污垢和氧化层后对衬管表面进行喷砂处理，再通过电弧喷涂方式在衬管表面形成一层0.2mm厚的结合层；将已形成结合层后的衬管安装在等离子传动设备上，启动传动装置，衬管以自身中轴转动，设置衬管转速为lOOr/min，热喷涂枪沿衬管长度方向单向或往复移动，设置喷枪移动速度为0.8m/min，喷涂区域长度3820mm，在喷涂过程中，保持衬管壁与热喷涂喷枪间隔距离位200_，将制得的氧化锌铝喷涂粉体装入等离子喷涂送粉器，启动热喷涂设备，根据粉体消耗状况及时补充氧化锌铝喷粉，保证涂层平坦，设定喷涂厚度为8_，待厚度到达设定值且无裂痕和气孔，进一步经表面加工处理即制得氧化锌铝靶材。
[0021]尤其是，将纯度为99.95%的氧化锌锡靶材材料，氧化锡含量为5%，经过充分混合，过300目筛，再通过喷雾造粒，使得材料粉体具有良好的流动性；选取内径125mm、外径133mm、长度3850mm的不锈钢管为氧化锌锡旋转靶材的内衬管，去除表面污垢和氧化层后对衬管表面进行喷砂处理，再通过电弧喷涂方式在衬管表面形成一层0.2mm厚的结合层；将已形成结合层后的衬管安装在等离子传动设备上，启动传动装置，衬管以自身中轴转动，设置衬管转速为lOOr/min，热喷涂枪沿衬管长度方向单向或往复移动，设置喷枪移动速度为