ZnO靶材的制備技術、應用與發展趨勢

摘要：靶材通常是指濺射靶材，它是制備功能薄膜的濺射源，在特定的面上形成10nm～10μm級薄膜（特種金屬或混合金屬氧化物），進而通過后續工藝形成導電層、柵極、阻擋層、絕緣層和線路等。由于ZnO薄膜材料無毒，制備溫度較其他膜材料低，工藝流程簡單，可以實現摻雜，原材料較其他靶材易得，有非常大的成本優勢，所以ZnO靶材的市場前景十分廣闊。本文主要討論了ZnO靶材的制備技術、應用前景及發展趨勢。

關鍵詞：靶材;制備技術;應用;發展趨勢

靶材通常是指濺射靶材，它是制備功能薄膜的濺射源，在特定的面上形成10nm～10μm級薄膜（特種金屬或混合金屬氧化物），進而通過后續工藝形成導電層、柵極、阻擋層、絕緣層和線路等。靶材濺射時工作原理如圖1所示。它是集成電路、平板顯示器（包括液晶顯示器和觸摸屏等）、薄膜太陽能電池和LED制備不可缺少的重要耗材。

隨著科學技術的飛速發展，特別是集成電路、平板顯示和薄膜太陽能電池產業的發展，對高純高性能金屬（合金）和氧化物陶瓷靶材的需求越來越大。TCO薄膜因其具有高導電性、高透光性，廣泛應用在平板顯示、太陽能電池及發光二極管等光電領域中。除此之外，TCO還運用于靜電薄膜、氣敏傳感器、隱身材料、電磁波屏蔽、面發熱膜、熱反射鏡大等領域。目前最常采用的TCO薄膜是ITO，但由于銦是稀有金屬，全球銦探明儲量11000噸，儲量基礎16000噸，導致其價格昂貴。同時，ITO薄膜自身也有較大缺陷，比如：易被還原，高溫下透光率較低等。所以，作為ITO靶的替代靶，ZnO靶材逐漸得到重視。未摻雜的ZnO可以制備壓電薄膜，摻雜的ZnO靶材可以制備性能良好的TCO，可完全替代ITO靶材。

本文就ZnO靶材的制備技術現狀、應用前景及發展趨勢進行了綜述。

1、ZnO靶材制備技術現狀

低電阻率的薄膜對可見光的透過率較高，常在平板顯示中作透明電極。電阻率適中的ZnO薄膜，一般為n型半導體，可以與p型半導體一起使用構成異質結，運用于光電領域;電阻率高、方向性高和壓電性好的ZnO薄膜，可用于超高頻的電聲傳感器。將Ga、Al、In或F離子中摻入ZnO靶材中，可以提高ZnO薄膜的光電性能。其中，各種摻雜中研究較多的是Al摻雜，所以對AZO薄膜的研究也較為深入。AZO薄膜主要運用于太陽能電池等光電領域，有較大可能解決能源危機，逐漸成為TCO薄膜中的研究熱點。

ZnO靶材制備方法除專利外公開外，公開研究文獻極少。因此以公開專利為參考，進行工藝技術說明。其過程主要包括三方面：粉末制備、成型、燒結體制備。

高質量的靶材在濺射鍍膜時，可以有效抑制濺射異常放電的情況，靶材結瘤現象大大減輕，有效提升靶材的利用率;同時高質量的靶材可以提高鍍膜速度，是制備高性能薄膜的關鍵因素之一。ZnO靶材質量的好壞，一般可以從靶材的致密度、純度、成分組織、晶粒度和電阻率等幾個方面評價。制備高質量的ZnO靶材可以從初始粉體和燒結工藝方面著手，選擇合適的粉體和合適的燒結工藝是制備高質量靶材的關鍵。適合濺射的ZnO濺射靶，相對密度≥98%;晶粒尺寸為5-20μm，大小均勻，體電阻率控制在8.0×10-4Ω.cm以下。Minami T等人在ZnO靶中摻雜2 wt %的Al2O3，制備出AZO靶材并進行磁控濺射鍍膜，薄膜電阻率降至2×10-4Ω·cm，同時透光率>80%，薄膜的性能與 ITO 薄膜大致相同。除了采用CVD等制備ZnO薄膜，更多的是采用ZnO靶材濺射鍍膜。但是當前我國還不具備制備高質量的ZnO靶材的能力，主要還是從日韓進口。外國企業資金相對雄厚，開展相關研究較早，積累了大量技術，已領先我國較多。比如：日本東曹株式會社在2007年的國際平板顯示技術展上，便正式展示了大尺寸的AZO靶材。同時，由于靶材產業是高精尖、具有較大附加值的產業，國外長期對關鍵技術進行封鎖，加上產業進入門檻較高，需要國家大力支持。

2、ZnO靶材應用

ZnO薄膜具有良好的導電性，可見光透光率（近90%），在近紅外區域具有較高的反射率（近80%）等優異的性能。并且，可以通過摻雜進一步提高ZnO薄膜的性能，比如可以通過摻雜Al，制備出性能更加優異的AZO靶材。隨著ZnO粉體和靶材的制備技術水平的逐漸提升，ZnO薄膜的應用領域也不斷擴寬。比如常見的液晶顯示器的屏幕，太陽能電池，電子儀器上的防靜電薄膜，氣敏傳感器、隱身材料、電磁波屏蔽、面發熱膜、熱反射鏡等。

隨著平面顯示加快向大尺寸發展，太陽能電池的大范圍使用，高層建筑物玻璃幕墻不斷增多，TCO薄膜發展前景廣闊。由于ZnO薄膜材料無毒，制備溫度較其他膜材料低，工藝流程簡單，可以實現摻雜，原材料較其他靶材易得，有非常大的成本優勢，所以ZnO靶材的市場前景十分廣闊。

靶材根據不同的分類方法有不同的分類，常見的分類主要有以下3種，即根據其主要材質分類、根據其應用分類、根據靶材形狀進行分類。目前較為關注的是管狀靶材。傳統的板狀靶材濺射時利用率較低，一般只有20%左右;而管狀空心旋轉靶，利用率大大提高，可達80%[50]。

3、氧化物靶材發展趨勢

氧化物靶材發展的總體趨勢是以提高應用性能為前提，研究靶材材料微觀組織優化控制，追求靶材材料的純凈化、細晶化、均質化，重點發展各種先進裝備技術和加工過程計算機模擬仿真與性能預報技術。

1、高致密化。具有高致密化的靶材，不僅導熱導電性能好，更重要的是利用該種靶材可以制備出高質量的薄膜;濺射過程中，濺射工藝穩定性強，尤其是可以提高鍍膜速度而不會影響成膜質量。使用高質量的靶材制備出的薄膜使用壽命也相對較長，使用性能較為穩定。制備高密度靶材關鍵是降低靶材內部的孔隙率，并對靶材晶粒度進行控制。因此，進一步提高其密度是粉末冶金燒結法制備靶材的發展趨勢。

2、晶粒細小及分布均勻、結晶取向可控。一般說來靶材晶粒越小，濺射速度越快，但現在常見的靶材一般多晶結構居多，晶粒較大。濺射過程中，除了要考慮濺射速度，也要考慮成膜的均勻性。所以具有均勻小晶粒的靶材是研究的重要方向之一。在實際濺射中，最先濺射出來的是位于六方排列的原子，該方向原子排列最緊密，也最容易濺射，其結晶方向對薄膜的均勻性和厚度也有較大影響。因此，為了提高濺射速率，需要優化靶材結晶結構。

3、尺寸大型化?，F在平板顯示除了向高分辨率方向發展，隨著技術的提升，也在向大尺寸發展。如果繼續采用小尺寸的靶材濺射薄膜，再進行拼接，由于焊縫的存在，勢必會影響薄膜的質量，降低薄膜使用壽命，所以需要制備大尺寸靶材，直接濺射大尺寸薄膜。

4、原料粉體高純納米化、成分與組織結構均勻化。理論上，粉體納米化可以提高顆粒之間的接觸面，燒結活性會相應提高，利于制備高質量靶材。在保證粉體的純度情況下，采用納米粉體制備高質量靶材，也將是研究的新方向。鍍膜質量的穩定性，除了選擇合適的鍍膜工藝外，還要考慮靶材的組織均勻性以及成分與純度。

眾所周知，靶材材料的技術發展趨勢與下游應用產業的薄膜技術發展趨勢息息相關，隨著應用產業在薄膜產品或元件上的技術改進，靶材技術也應隨之變化。目前最常采用的TCO薄膜是ITO，但由于銦是稀有金屬，全球銦探明儲量11000噸，儲量基礎16000噸，導致其價格昂貴。同時，ITO薄膜自身也有較大缺陷，比如：易被還原，高溫下透光率較低等。所以，作為ITO靶的替代靶，ZnO靶材逐漸得到重視。未摻雜的ZnO可以制備壓電薄膜，摻雜的ZnO靶材可以制備性能良好的TCO，可完全替代ITO靶材。同時，與相對于金屬靶材，ZnO陶瓷靶材具有成膜重復性好，膜層均勻易控制優點，可以預見在不遠的將來，ZnO陶瓷靶材應用范圍會越來越廣。如何保證所制備出的ZnO靶材具有良好的導電率，保證所制備的靶材具有較好的濺射性能，在濺射過程中不會出現“結瘤”或“中毒”，值得研究人員深入研究。

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作者簡介：王凈豐（1991.03.07-），男，河南周口，助教，鄭州鐵路職業技術學院，材料工程。

（鄭州鐵路職業技術學院?河南省鄭州市?450000）