קטגוריית מוצרים
צור קשר

Haohai מתכת Meterials ושות 'בע"מ

Haohai טיטניום ושות 'בע"מ


כתובת:

הצמח No.19, TusPark, שדרת המאה,

שיאניאנג סיטי, שאאנשי Pro., 712000, סין


טל ':

+86 29 3358 2330

+86 29 3358 2349


פַקס:

+86 29 3315 9049


אֶלֶקטרוֹנִי:

Info@pvdtarget.com

Sales@pvdtarget.com



מוקד שירות
029 3358 2330

טכנולוגיה

הבית > טכנולוגיהתוכן

הכנת אלטר מסוממים ZnO היעד sputter ידי הקשה חם

הכנת אלטר מסוממים ZnO היעד sputter ידי הקשה חם


1. הקדמה


זה ידוע היטב כי אלומיניום מסוממים ZnO (AZO) סרט דק יש העברה גבוהה באזור גלוי, התנגדות נמוכה, ואת הפער הלהקה האופטית שלה ניתן לשלוט על ידי תוכן אל. סרטים AZO יש יישומים פוטנציאליים בתאים סולאריים, ציפוי אנטיסטטי, מצב מוצק להציג התקנים, ציפויים אופטיים, תנורים, מפשירים, וכו 'השוואה עם תחמוצת אינדיום, ZnO יש את היתרון כי חומרי הגלם הם זולים ולא רעילים. במיוחד, הסרט AZO יציב יותר. לכן, AZO הוא אחד התחליפים הטובים ביותר של ITO באמצעות סרט מוליך שקוף (TCO).


סרט AZO ניתן להפקיד על ידי כמה שיטות. כיום, מגנטרון sputtering היה בשימוש נרחב בגלל שיעור בתצהיר גבוה הידבקות טובה בין הסרט לבין המצע. מטרות מתכתיים שימשו להפקדת הסרט AZO. אבל נמצא כי החיים היעד היה מוגבל כי שכבת תחמוצת נוצרה לעתים קרובות על פני השטח של היעד. לכן, מטרות קרמיקה היו עדיף בשימוש.


AZO הוא סוג של חומר מסובך מאוד מסוג n מוליכים למחצה מסוג. עבור מטרה AZO קרמיקה, צפיפות, מבנה שלב, גודל הנקבוביות והפצה שלה, גודל גרגר התנגדות הם תכונות בסיסיות. לאחרונה, חוקרים רבים חקרו את הכנת המטרה Sputter AZO עם צפיפות סופר גבוהה התנגדות נמוכה. אבל תשומת לב מועטה השתנה שינוי מבנה אבולוציה הנקבוביות במהלך sintering. כמו כן, כאשר תהליך sintering בוצע באווירה, הגדלת טמפרטורת sintering היא דרך להשיג צפיפות גבוהה, אבל בו זמנית את התוכן של השלב השני ZnAl 2 O 4 יוגדל, מה שמביא רכוש חשמלי רע של היעד AZO. טמפרטורת סינטרינג גבוהה עשוי להביא יותר אפשרויות של צמיחה גרעינית חריגה. Sintering תחת לחץ גבוה סופר וג 'ל סוללה הן שתי שיטות להשיג צפיפות גבוהה. למרבה הצער, הם יקרים מדי להיות מתועשת. כמו כן, לחיצה חמה היא דרך מתונה שבאמצעותה ניתן לכוון את המטרה בלחץ ובטמפרטורה מתונה. בנוסף, זהו סוג של תהליך densification מהירה הצמיחה גרגר קורה מעט מאוד.


לכן, בעבודה הנוכחית, היעד AZO נעשה בשיטת הקשה חמה. צפיפות יחסית, אבקת הנקבוביות, מורפולוגיה שבר, שינוי מבנה פאזה התנגדות נחקרות כדי להמחיש את תהליכי הכנה של יעד AZO.



2. ניסיוני


תחמוצת אבץ מסחרי (גודל החלקיקים הממוצע של כ 600 ננומטר) ו alumina (גודל החלקיקים הממוצע של כ 100 ננומטר) אבקות שימשו. באמצעות מערבל כפול מוט, ZnO ו Al 2 O 3 אבקות ביחס המונית של 98: 2 היו מעורבים כדור עבור 32 שעות בבקבוק עם כדורי אגת.


האבקה המעורבת נשפכה לתבנית גרפיט. התבנית הונחה בתנור של מכונת הדחיסה החמה . תחת לחץ מסוים וטמפרטורה למשך זמן שימור, מטרות AZO היו densified עם ההגנה גז בארגון.


הצפיפות נמדדה בשיטת ארכימדס. מורפולוגיה השבר נצפתה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (JSM-6510, יפן אלקטרוניקה). גודל הנקבוביות והפצה שלה נותחו באמצעות porosimeter חדירה כספית (Auto Pore IV 9510, Micromeritics Instrument, Inc). מבנה שלב נותח באמצעות דיפרקטומטר רנטגן עם מקור מונוכרומטי Cu רנטגן מקור (D / max 2500, יפן אלקטרוניקה). ההתנגדות נמדדה על ידי ארבע נקודות בדיקה (SDY4, מכון גואנגזו של חומרים מוליכים למחצה).



3. תוצאות ודיון


3.1 השפעות תנאי לחץ חם על צפיפות יחסית של יעד AZO

הצפיפות התיאורטית של AZO (2% אל 2 O 3 ) הוא 5.56 גרם / ס"מ 3 . איור 1 מציג את השפעת הטמפרטורה על הצפיפות היחסית של יעד AZO.


Fig.1

איור 1 השפעת הטמפרטורה על צפיפות יחסית של AZO היעד densified ב 35 MPa במשך 120 דקות


כפי שמוצג באיור 1, עם הגדלת הטמפרטורה מ 800 מעלות צלזיוס עד 1100 מעלות צלזיוס, הצפיפות היחסית של AZO היעד עולה במהירות מ 79.4% ל 95.2%. במהלך תהליך sintering, הכוחות המניעים מאיץ חלקיקים כדי ליצור קשר עם אחד את השני כוללים ואן דה קירות כוח, כוח אלקטרוסטטי, כוח האג"ח הכימי וכוח האלקטרוניקה. במיוחד, כוח הקשר הכימי משחק תפקיד מרכזי, כי יש מספר רב של קשרים מתנדנדים על פני החלקיקים. עם הגדלת הטמפרטורה, דיפוזיה אטום משופרת. לכן, שני אטומי פני השטח יכולים לחצות את המכשול הפוטנציאלי בקלות רבה יותר כדי להצטרף יחד על ידי קשר כימי. לכן, השפעת הטמפרטורה על הצפיפות היחסית היא משמעותית מאוד.


איור 2 מציג את השפעת הלחץ על הצפיפות היחסית של יעד AZO. עם הגדלת הלחץ מ 15 MPA ל 35 מגה פיקסל, הצפיפות היחסית עולה מ 88% ל 95.2%.


Fig.2

איור 2 השפעת הלחץ על צפיפות יחסית של AZO היעד densified ב 1150 מעלות צלזיוס במשך 120 דקות


שי הסיק משוואת הדחיסה ללחיצה חמה:

equation-1

שם ρ הוא צפיפות; t הוא הזמן; K הוא היחס בין המספר הכולל של הנקבוביות למספר החלקיקים; D הוא מקדם דיפוזיה יעיל; Ω a הוא נפח של חלקיקים מתפזרים; D הוא גודל החלקיקים הממוצע; k הוא קבוע בולצמן; T היא הטמפרטורה התרמודינמית; σ eff הוא הלחץ הדחיסה האפקטיבית; γ s הוא מתח הפנים. קיימת משוואה בין σ eff , ρ והלחץ החיצוני p a .

equation-2

Eq. (2) מראה כי הלחץ הדחיסה האפקטיבית (σ eff ) היא פונקציה של לחץ וצפיפות. כאשר הלחץ הוגדל מ 15 MPa ל 20 MPa, σ eff גדל. לפיכך, הלחץ שיחק את התפקיד העיקרי להגדיל את הצפיפות היחסית מ 88% ל 90.5%. כאשר הלחץ היה בין 20 MPa ו 30 MPa, קצב הדחיסה הואץ עם הלחץ הגובר. אולם בתמורה, כאשר הצפיפות היחסית הייתה גבוהה יותר, הלחץ הדחידי האפקטיבי יקטן, וכתוצאה מכך קצב הדפנסיפיקציה יהיה נמוך יותר. לכן, הצפיפות היחסית הסופית של היעד עלתה מעט מ -90.5% ל -91.6%. כאשר הלחץ היה גבוה מ -30 MPa, הלחץ שיחק את התפקיד העיקרי שוב להגדיל את הצפיפות היחסית מ 91.6% ל 95.2% בחדות. לכן, הצפיפות היחסית הסופית היתה אינטראקציה של לחץ וצפיפות יחסית עצמה. כפי שמוצג באיור 2, עם הגדלת הלחץ, הצפיפות היחסית היה S- בצורה מוגברת.


מלבד טמפרטורה ולחץ, זמן השימור יש גם השפעה על צפיפות יחסית של יעד AZO. כאשר הצפיפות הממוצעת של 1100 מעלות צלזיוס ו -35 MPa עם 0.5, 1 ו- 2 שעות של שימור הזמן, הצפיפות היחסית של היעד השיגה 92.5%, 94.6% ו -95.2%, בהתאמה. ב 1100 מעלות צלזיוס ובאותו לחץ, גם כאשר זמן השימור עלה ל -10 שעות, הייתה עלייה מוגבלת בצפיפות היחסית הסופית שהגיעה ל -94.1% בלבד; בעוד המדגם חם לחצה על 1100 מעלות צלזיוס עם שמירה על זמן של 1 שעות יכול להגיע 94.6%. מסקנת כי הטמפרטורה שיחקה את התפקיד החשוב ביותר בצפיפות היעד AZO. עם זאת, לחץ ושמירה הזמן הם גם גורמים חשובים כדי להשיג יעד צפיפות גבוהה.


3.2 אבולוציה נקבובית

ב קרמיקה היעד, ישנם שני סוגים של נקבוביות, הנקבוביות ערוץ נקבוביות מבודדים. על פי ההגדרה של Coble , נקבוביות הערוץ קיימות בשלב הראשון והשני, והנקבוביות המבודדות נוצרות בשלב השלישי. WILKINSON ו- ASHBY למדו את תהליך הדחיסה החם ומצאו כי ניתן לחלק אותו לשני שלבים: שלב הנקבובית בערוץ ושלב הנקבוביות הבודד. גודל הנקבוביות בערוץ וההפצה שלו ניתנים למדידה על ידי פורוסימטר חדירה כספית. גודל הנקבוביות מבודדים לא ניתן לבדוק ישירות אבל התוכן נפח שלה ניתן לחשב מן הצפיפות היחסית ואת נפח התוכן של הנקבוביות הערוץ על פי המשוואה הבאה.


כאשר φRD הוא הצפיפות היחסית של היעד; φC הוא נפח השבר של הנקבוביות הערוץ; φI הוא נפח השבר של נקבוביות מבודד. לפיכך, מ φRD ו φC, φI ניתן לגזור.


על מנת לחקור אבולוציה הנקבוביות במהלך תהליך densification, אבקה מעורבת של ZnO ו Al2O3 היו אפויים ב 900 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות, כך נדיף או לחות הוסרה. כמו כן, מאז הטמפרטורה היתה הגורם החשוב ביותר, חקירה זו התמקדה בעיקר על ההשפעה של הטמפרטורה על שינוי הנקבוביות במהלך דחיסה דחופה חם. כאשר הלחץ היה 18 מגפ"ס, זמן השימור היה 30 דקות, והטמפרטורות היו 850, 950, 1 050 ו 1 150 ° C, בהתאמה, דגימות היעד היו לחוצים בנפרד. φRD, φc, φI נותחו והתוצאות מוצגות בטבלה 1.


טבלה 1 אבולוציה נקבובית היעד AZO בטמפרטורות שונות על ידי הקשה חם


כפי שמוצג בטבלה 1, עם הגדלת הטמפרטורה מ 850 מעלות צלזיוס עד 1 050 מעלות צלזיוס, φRD הוגדל

בחדות מ 51.7% ל 80.3%, באותו זמן, φC ירד במידה ניכרת מ 45.7% ל 19.6%. כאשר הטמפרטורה הקשה החמה הוגדלה ל -150 מעלות צלזיוס, φC ירד ל 0, חושף כי כל נקבוביות הערוץ הפך מבודד. כפי שניתן לראות בטבלה 1, הקוטר הממוצע של הנקבוביות הערוץ היה גדל מ 136.78 ננומטר ל 169.08 ננומטר עם טמפרטורה הגוברת מ 850 מעלות צלזיוס ל 950 מעלות צלזיוס. זה הוכח כי יש ערוץ הנקבוביות שילוב וצמיחה במהלך תהליך densification. למעשה, זה סוג של שילוב וצמיחה היא גם אחד הכוחות המניעים של densification. איור 3 חושף את הפרטים של האבולוציה של הנקבוביות הערוץ. כאשר הטמפרטורה היתה 950 מעלות צלזיוס, קוטר הנקבוביות הוגדל. יתר על כן, עם הטמפרטורה עולה, התפלגות גודל הנקבוביות היה הצטמצם למרות הקוטר הממוצע לא השתנה מאוד. עם זאת, מספר הנקבוביות ערוץ ירד ל 0 כאשר הטמפרטורה היתה 1 150 ° C, כלומר

כל נקבוביות הערוץ הפכו מבודדות.


איור 3 אזור הנקבוביות מצטבר לעומת קוטר הנקבוביות היעד AZO densified בטמפרטורות שונות במשך 30 דקות


איור 4 מראה את השינוי של נקבוביות מבודד. נפח השבר הוא מינימלי בטמפרטורה של 050 ° C. בטמפרטורה נמוכה יותר, כמה נקבוביות בודדות נפתחו במהלך צפיפות, ובטמפרטורה גבוהה מ 1 050 ° C, נפח חלק עלה מאוד. ניתן לראות כי בטמפרטורה של 150 מעלות צלזיוס, את נפח השבר של נקבוביות מבודד היה 5.2%. אולי, זה היה תרם לצמיחה מהירה בצוואר מהיר בטמפרטורה גבוהה.


איור 4 חלק נפח של נקבוביות מבודדים היעד AZO לעומת הטמפרטורה


איור 5 מציג תמונות SEM של המורפולוגיה שבר של דגימות היעד AZO. כפי שמוצג באיור 5, הצמיחה בצוואר ניתן לראות בבירור. כאשר הטמפרטורה היתה 850 מעלות צלזיוס, החלקיקים התקרבו, הצוואר sintering רק התחיל טופס אבל לא ברור צוואר הצוואר קרה. נקבוביות היו מחוברים זה לזה. הנקבוביות המבודדות לא נראו. באיור 5 (ב), הצמיחה בצוואר החלה והובילה לגידול הנקבוביות. הנקבוביות היו עדיין ערוץ. כאשר הטמפרטורה הוגדלה עד 1 050 מעלות צלזיוס, התפתחות צוואר נוספת התרחשה. עם זאת, כפי שמוצג באיור 4, הנקבוביות היו עדיין ערוץ. כאשר הטמפרטורה הייתה 150 מעלות צלזיוס, ניתן היה להבחין בצוואר משמעותי. במקביל, את החלקיקים

התחברו זה לזה, והנקבוביות נעשו מבודדות.


XIAO et al [11] הציג את היווצרות הגולם בעוד היעד מתרסק. צפיפות נמוכה היתה סיבה אפשרית לגרום גושים. עם זאת, נקבוביות מבודד עשוי להיות גורם נוסף להביא גושים. בגלל נקבוביות מבודדים יהיה התפוצצו כאשר פלזמה להכות אותו במהלך מגנטרון המקרטעת. לפיכך, היה חשוב מאוד כדי למזער את נפח השבר של נקבוביות מבודד.


איור 6 מראה תמונה SEM של יעד AZO חם לחצה ב 18 MPA ו 1 150 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות.


הצפיפות היחסית נמדדה ל -96% ועלייה קלה. פורוסימטר חדירות מרקורי לא זיהה את הנקבוביות הערוץ. כפי שמוצג באיור 6, נקבוביות היו מבודדים, חושפים כי עם הארכת זמן השימור, את הנקבוביות מבודד לא ניתן להסיר ביעילות.


קצב חימום, צפיפות של קומפקטית ירוקה וטמפרטורה הם הגורמים העיקריים אשר יכולים לגרום נקבוביות מבודדים. כפי שמוצג באיור 4, נפח השבר של נקבוביות מבודד היה מינימלי בטמפרטורה של 050 ° C. לכן, על מנת להשיג יעד צפיפות גבוהה עם חלק נפח מזערי של הנקבוביות מבודד, שני שלבים הקשה הקשה בוצעה. בשלב הראשון, לחיצה חמה נעשתה ב 1 050 מעלות צלזיוס למשך 1 שעות, ולאחר מכן היה היעד היה לחוץ יותר ב 1 150 מעלות צלזיוס במשך עוד 1 שעות. איור 7 מראה מורפולוגיה שבר SEM של יעד AZO. כפי שמוצג באיור 7, היעד היה צפוף מאוד. מעט נקבוביות בודדות ניתן לצפות. הצפיפות היחסית נמדדה ל -99%, קרוב מאוד לצפיפות התיאורטית.


איור 5 תמונות SEM של מורפולוגיה שבר של מטרות AZO עשה בטמפרטורות שונות 18 MPA למשך 30 דקות: (א) 850 ° C; (ב) 950 מעלות צלזיוס; (ג) 1 050 ° C; (d) 1 150 ° C


איור 6 תמונה SEM של יעד AZO חם לחצה 18 MPA ו 1 150 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות


איור 7 תמונה SEM של יעד AZO נעשה על ידי לחיצה על שני שלבים חם


SUN et al [15] הכין יעד AZO עם צפיפות יחסית של 99.6% על ידי sintering בלחץ של להחליק

הליהוק. אבל טמפרטורת sintering של 1 400 מעלות צלזיוס היה הרבה יותר גבוה.



3.3 שינוי מבנה השלב במהלך לחיצה חמה

תכולת השלב ספינל הושווה בין מטרות שנעשו על ידי לחיצה חם ו sintering באווירה בטמפרטורה של 1 100 ° C. איור 8 מציג את ההבדל בדפוסי XRD של מטרות AZO. כפי שמוצג באיור 8 (א), הפסגות העיקריות היו כמעט זהות. איור 8 (b) מציג את הפרופילים המוגדלים של שיא ZnAl2O4 ב -2.7 = 65.7 ° -65.6 °. במהלך תהליך הקשה חם של יעד AZO, שתי התגובות לקרות. אחת היא כי אל dopant מתפזרת לתוך הסריג ZnO כדי להחליף Zn, השני הוא ZnO מגיב עם Al2O3 כדי ליצור שלב ספינל של ZnAl2O4. שתי התגובות יכולות לבוא לידי ביטוי כדלקמן:


ניתן לראות באיור 8 (ב) כי התוכן של ספינל בלחץ חם היעד היה נמוך מזה שנעשה על ידי sintering באווירה. למעשה, טמפרטורת sintering היה בדרך כלל גבוה מ -1 300 מעלות צלזיוס ב sintering בלחץ. לכן, תוכן שלב ספינל היעד שבוצע על ידי sintering באווירה היה הרבה יותר גבוה מאשר כי המטרה על ידי לחיצה על חם.

איור 9 מראה את התפתחות שלב הפאזה בטמפרטורה במהלך הלחיצה החמה. ניתן לראות כי בטמפרטורה נמוכה מ 900 מעלות צלזיוס, יש שלב Al2O3 היעד. כאשר הטמפרטורה היתה 1 ° C, בשלב Al2O3 נעלמת אבל בשלב ZnAl2O4 מתרחשת. ובטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס, התוכן של שלב ZnAl2O4 הוא גדל מעט.


איור 8 דפוסי XRD של AZO מטרות שנעשו על ידי לחיצה חם ו sintering באווירה: (א) XRD דפוסי; (ב) פרופילים מוגדל ב 2θ = 64.7 ° -65.6 °

איור 9 שלב התפתחות המבנה של מטרות AZO שנעשו בטמפרטורות שונות על ידי לחיצה חמה על 35 MPa עבור 2 שעות



3.4 השפעות הטמפרטורה ושימור הזמן על התנגדות חשמלית של יעד AZO


על פי התגובה (4), כאשר אחד Al3 + מחליף אחד Zn2 +, אחד אלקטרונים עודף נוצר. לכן, AZO היעד יכול להיות מנצח טוב של חשמל. ההתנגדות של היעד AZO תלוי בכמות של יונים + Zn2 הוחלף על ידי יונים Al3 + במהלך הקשה חם. איור 10 מראה את השינוי של התנגדות של יעד AZO עם טמפרטורה הקשה חם.


איור 10 השפעת הטמפרטורה הקשה הקשה על התנגדות של AZO ב 35 MPa עבור 2 שעות


מתרשים 10 ניתן לראות שבטמפרטורה של 900 מעלות צלזיוס, תגובת החלופה התרחשה אף כי קיים שלב Al2O3, כפי שמוצג באיור 9. אך מכיוון שתגובת החלופה לא התרחשה ביעילות, ההתנגדות הייתה ברמה גבוהה . כאשר טמפרטורת ההקשה החמה עלתה ל -1000 מעלות צלזיוס, ההתנגדות ירדה בחדות, מ -0.88 Ω ל -0.018 Ω⋅cm. זה מגלה כי רבים Zn2 + יונים הוחלפו על ידי יונים Al3 +. עם זאת, כאשר הטמפרטורה הוגדלה ל -100

° C, התנגדות ירד עוד יותר כדי 0.006 3 Ω⋅cm. זה הראה כי רבים Zn2 + יונים הוחלפו נוסף על ידי Al3 +. בינתיים, עם הדור של ZnAl2O4 יותר, כפי שמוצג באיור 9, מגמת הירידה של התנגדות היה האטה כי ZnAl2O4 פעל כמרכז פיזור אלקטרונים אשר הוריד את הניידות של האלקטרון.


איור 11 מציג את מגמת הפיתוח של התנגדות של יעד AZO עם זמן שימור חם

טמפרטורת הקשה של 100 ° C. בדרך כלל, ההתנגדות היתה יורדת עם הגידול של זמן שימור. מ 0.5 h ל 1 h, התנגדות היה ירד מ 0.01 Ω⋅cm ל 0.006 Ω⋅cm במהירות.

בשלב זה, החלופה היא התהליך הנשלט, וכתוצאה מכך התנגדות נמוכה יותר. מ 1 ל 2 שעות, ההתנגדות היתה כמעט זהה. ככל הנראה, במהלך שלב זה, את ההשפעה של תגובה החלפה ואת הדור של ZnAl2O4 מאוזן. עם לחיצה חמה על ההליכה, החלפה הפכה לשליטה בתהליך אשר הוביל התנגדות חשמלית לרדת ל 3 × 10-3 Ω⋅cm.


איור 11 השפעת שימור הזמן על התנגדות של יעד AZO חם לחצה על 1 100 מעלות צלזיוס 35 MPa


4 מסקנות

1) עם הגדלת הטמפרטורה, לחץ ושמירה הזמן, הצפיפות היחסית של AZO היעד שנעשו על ידי שיטת הקשה חם הוגדל. עם זאת, הטמפרטורה היתה גורם חשוב יותר. ב 1 050 ° C, נפח השבר של נקבוביות מבודד היה המינימום.

2) צפיפות גבוהה AZO היעד (99% של צפיפות יחסית) נעשתה על ידי שני שלב הקשה הקשה השיטה.

3) בטמפרטורה נמוכה מ 900 מעלות צלזיוס, היה שלב Al2O3; בטמפרטורה גבוהה מ -1000 מעלות צלזיוס, שלב ZnAl2O4 נוצרה התוכן שלה גדל עם הטמפרטורה הגוברת.

4) שיטת הקשה חם היה יתרון על פני sintering באווירה כי התוכן של ZnAl2O4 היה נמוך יותר את הטמפרטורה sintering יכול להיות נמוך יותר גם.

5) עם הגברת חם הטמפרטורה הקשה ושמירה הזמן, התנגדות חשמלית של היעד AZO

ירד באופן משמעותי. התנגדות נמוכה של 3 × 10-3 Ω⋅cm הושגה בלחץ של 35 מגפ"ס, טמפרטורה של 1 100 מעלות צלזיוס למשך 10 שעות של שימור הזמן על ידי לחיצה חמה.


זוג: לא

הבא: לא