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陶瓷靶材的特性要求

作者:admin日期:2020-04-27阅读
为了提高溅射效率及确保沉积薄膜的质量,经大量实验表明,对溅射陶瓷靶材的主要特性有如下要求:
1.1 纯度
陶瓷靶材的纯度对溅射薄膜的性能影响很大,陶瓷靶材的纯度越高,溅射薄膜的均匀性和批量产量的一致性越好。近年来随着微电子产业的迅速发展,硅片尺寸已达12寸,布线宽度已发展到0.13μm,对成膜面积的薄膜均匀性要求十分严格,其纯度必须大于4N。此外显示平面用的ITO
靶材对纯度也要求十分严格,要求In2O3,和Sn2O3,的纯度都大于4N。磁性薄膜用陶瓷靶材的纯度也要不于3N。靶材作为溅射中的阴源,固体中的杂质是沉积薄膜的主要污染源,如:碱金属离子(Na+、K’)易在绝缘层(sio,)中成为可移动性离子,降元器件性能,其含量须在0.01ppm(重量)以下。
1.2密度
为了减少陶瓷靶材中的气孔,提高薄膜的性能,一般要求溅射陶瓷靶材具有高密度。通常,靶材的密度不影响溅射时的沉积速率、溅射膜粒子的密度和放电现象等,还影响着溅射薄膜的电学和光学性能。靶材越密实,溅射膜粒子的密度越,放电现象越弱,而薄膜的性能也越好。此外,提高陶瓷靶材的致密度和强度能使靶材地承受溅射过程中的热应力。因此,提高靶材的密度是制备陶瓷靶材的关键技术之一。
1.3成分与结构均匀性
为了保证溅射薄膜均匀,尤其在复杂的大面积镀膜应用方面,必须做到靶材成分与结构均匀性好,这也是考察陶瓷靶材质量的重要指标之一。例如,为了保证质量,要求ITO靶中In2O3,SnO2组成均匀,都为93:7或91:9(分子比)。特别是溅射靶材的微观结构均匀性对溅射时的成膜速率、沉积薄膜的质量及厚度分布等均有很大的影响。根据有关研究表明,细晶粒结构溅射靶材的成膜速率大于粗晶粒靶。因此,当陶瓷靶材在靶面尺寸上的晶粒分布不均匀时,将造成沉积薄膜厚度分布的不均匀现象。

溅射陶瓷靶材的制备
陶瓷靶材的制备按图1所示的工艺流程进行,除严格控制原料的纯度、成分,成型坯料的设计尺寸之外,对材料的成型加工方法及烧结方法等都需加以严格控制。常用的成型方法有干压成型、冷等静压成型等。干压成型对大型坯体生产有困难,模具磨损大、加工复杂,坯体致密度不均,收缩不
均,容易产生开裂、分层等现象。冷等静压成型由于具有坯体密度高而且均匀,模具制作方便,成本较等优点是常用的成型方法,但由于陶瓷靶材的高纯度要求,粉体中通常入助烧剂,用此方法制备陶瓷靶材,烧结温度高(在压氧气氛下,将ITO粉体用冷等静压成型,然后在0.1~0.9MPa纯氧环境中,用1500~1600"高温烧结,可以制备表观密度达理论密度95%的ITO陶瓷靶材。在成型加工方法中预成型压力也是重要因素,靶材的预成形压力小,相应靶坯料的密度也小,这对靶材的烧结自然十分有利,靶材氧扩散好,相转变完全,靶材内部不易产生“夹芯”,但另一方面使靶材的机械强度降,易发生破裂,不利于薄膜工艺使用。
陶瓷靶材的烧结常采用常压烧结、热压烧结及气氛烧结等方法。其中热等静压烧结集热压和等静压优点于一身,粉料在热塑性状态下加压,形变阻力小,成型时间短,大地控制了晶粒长大,是制备密度陶瓷靶的主要方法,但该方法设备昂贵,生产率。(将ITO粉体放于不锈钢包套中,100MPa、800~1000X2热等静压,可制备密度达9 8%理论密度的密度陶瓷靶。而S3N4、SiC等非氧化物靶材,由于在高温下易被氧化,必须在氮及惰性气体中进行烧结。
烧结温度、升温速率、冷却速率、烧结气氛等烧结制度也是影响靶材性能的重要因素。烧结温度太高会导致靶材中一些熔点物质熔化,或过烧结,也将影响到后期的氧处理和相转变;而烧结温度过时,大体积靶材则会出现烧不透现象,进而直接影响靶材的内在质量。缓慢降温工艺制度和长时间温气氛处理能够有效地的提高YBCO高温超导靶材质量,避免靶材因相转变不而出现的烧不透以及靶体变形、靶面出现细微龟裂纹甚至出现靶体开裂现象。北京有色金属研究总院的李月南等人以20~40MPa/cm2成型压力成型,950~980"C的烧结温度烧结10~15h,5℃/min的速度缓慢降至室温,获得了性能较好的YBCO高温超导靶材。

陶瓷浆料的制备需要用到强度很硬的氧化锆珠,因在砂磨机中研磨时间很长。
陶瓷靶材的特性要求