廖政堂
广西晶联光电材料有限责任公司
【摘要】本文结合笔者多年的研究与实践，结合国内外ITO靶材主要成形、烧结工艺的研究情况，探讨高致密ITO靶材制备工艺的研究现状和发展趋势，以供参考。
【关键词】高致密;ITO靶材;制备工艺;成形工艺;研究现状;发展趋势
ITO薄膜具备很好的性能，包括导电性性能耗，电阻率小，可见光透过率高，可超过90%，对紫外线吸收率超过85%，对红外线反射率超过80%，对微波衰减率超过85%，硬度高，耐磨，化学蚀刻性好等等，因此已被广泛应用在有机电致发光显示器件、液晶显示器件、太阳能电池以及电磁屏蔽等诸多领域。高性能ITO靶材还应满足技术的特性，比如纯度达到99.99%以上，相对密度在99.5%以上，密度均匀度偏差0.15%，组织均匀，电阻率小，抗折强度超过120MPa等等，但也有其应用缺陷，如靶材的致密度不能满足高端技术产品的要求，靶材尺寸不能满足大尺寸商品溅射镀膜的要求，且组织存在不均匀的情况等等。
1.ITO靶材的成形工艺及研究进展
溅射镀膜使用靶材的性能好坏对镀膜的品质有很大影响，如何制得高性能的 ITO 靶材是研究的重点。长期的研究[1]表明要获得高性能靶材与 ITO 成形及烧结工艺有着重要的关系。因此，成形工艺的研究和开发对提高靶材质量有重要意义。不同的成形工艺对 ITO 粉末粒径和成形压力以及烧结的温度要求各不相同， 各工艺参数的变化对 ITO 靶材密度的影响也各不相同，因此选择合适的成形工艺对制得高致密高性能的 ITO 靶材有重要意义。目前，ITO 靶材成形工艺主要有压制成形、冷等静压成形、粉浆浇注成形及爆炸成型。
1.1压制成形
压制成形是粉末冶金和陶瓷成型的常用方法之一。压制成形是将松散的ITO粉末原料放入设计好的模具中，并施加一定的压力后便获得块状坯体的一种成形方法，在加压过程中 ITO 粉末发生颗粒位移、重新排列、破碎和变形，最终使成形坯体中 ITO粉末颗粒堆积的致密度增大，得到所需形状的 ITO素坯[2]。压制成形有设备简单、操作方便、便于机械化大规模生产及可压制各种块状样品等优点， 但同时存在压力各方向不均匀、易出现裂纹和脱模较困难等缺点。为克服压制成型带来的不良因素，经压制成型后再经冷等静压可减少压制导致的内应力，提高素坯的致密度和性能。
1.2冷等静压成形
冷等静压成形是将 ITO 粉末装在塑性包套内，置于高压容器中，利用流体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压的一种成形方法。等静压成形的优点是：由于等静压过程中坯料各个方向同时受压，没有剪应力及模具摩擦力，保形性非常优良。其主要缺点为：靶材尺寸受设备压力和压缸的限制，制备大尺寸靶材困难。
1.3粉浆浇筑成形
粉浆浇注是将粉末与其特定的液体制成一定浓度的悬浮粉浆，注入具有所需形状的模具中，通过模具吸水作用使悬浮液固化，制得具一定形状的素坯的一种成形方法。 粉浆浇注成形技术常和常压烧结技术配合使用。粉浆浇注成形设备简单、 实用性强和成本低等优势，但该方法对成形工艺的参数的控制要求严格：粉末的纯度、粉末粒径大小及分布范围、粉浆的 pH值和表明活性剂的选择等都要进行非常严格的控制。在制粉技术的不断成熟和粉浆浇注成形技术研究不断深入时，粉浆浇注成形必将得到广泛应用[3]。
1.4爆炸压实成形
爆炸压实成形工艺的主要原理是金属粉末在炸药爆炸瞬间产生巨大的压力(可达 10GPa)和冲击波下，改变粉末体通常所固有的特性，冲击波的穿行会引起颗粒间的剪切, 并且爆炸时的高温可使粉末表面熔化, 使粉末粒子间达到理想的粘结和高的压坯密度。爆炸压实过程产生的高温高压瞬间存在着复杂的物理变化，如颗粒的破碎、熔化、相变、位错及裂纹等，不能用一般的理论来解释压坯密度与压力间的关系。
采用爆炸压实成形，不仅能破坏粉末的优良性能，而且大程度降低对制粉技术的要求。研究表明，爆炸压实成形特别适合管状靶的制备，这将会给提高靶材使用率技术的开发带来曙光。
2.ITO靶材的烧结工艺及其研究进展
2.1常压烧结法
常压烧结法是在一定气氛和温度下对靶材生坯进行烧结，通过对烧结温度和烧结气氛控制，对靶材生坯晶粒的生长得到有效控制， 达到靶材的高致密化及晶粒分布的均匀性的方法。该方法是20世纪90年代初期兴起的一种靶材制备方法，该方法对粉末的烧结活性有很高要求。常压烧结的特点：设备成本低，可生产大尺寸靶材，易实现工业化生产；对粉体的形状、粒度以及粒度分布要求较高。
2.2热等静压法
热等静压(HIP)既可以看作加压下的烧结，同时也可以认为是高压下的压制。 该方法是将原粉末成型后，以金属或玻璃材料包覆其外，以惰性气体如氩气作为压力传递媒介，再在同时加温、加压的条件下使得粉末陶瓷致密化。相对于传统的常压烧结来说，热等静压可以在相对较低的温度下获得完全致密化，而且组织结构可以很好的控制，晶粒生长得到了抑制，可获得均匀的、各向同性的组织，可以“净成形”加工有一定复杂外形的产品。热等静压法的特点：由于是在加热加压状态下，各方向均匀受压，所制的产品致密度高；降低了烧结温度，避免晶粒长大，可获得较好的物理性能；设备昂贵、投资成本高、生产效率低、生产成本高[4]。
2.3热压烧结法
热压烧结法(HP)是指粉体物料坯体在低于物相熔点的温度，在外力的作用下，排除气孔，提高致密度和强度，逐渐变成坚固整体的过程。烧结过程，即材料不断致密化的过程，是通过物质的不断传递和迁移来实现的。此工艺的特点是烧结温度可依外压力的大小而比常压烧结法低200～400℃，同时外加的能量是陶瓷致密化速度加快。热压烧结法是加压成形和加热烧结同时进行的工艺，主要有以下特点：降低了烧结压力和温度、缩短烧结时间；模具的成本高、寿命短、损耗大；效率低、能耗大、靶材尺寸小和晶粒不均匀等。
2.4微波烧结法
微波烧结是利用微波所具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料在电磁场中的介质损耗使材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。微波烧结作为一种新的烧结工艺，它具有升温速度快、能源利用率高、加热效率高和安全卫生无污染等特点。但微波烧结工艺还不够完善，需广大学者进一步研究。
3.研究展望
随着 LCD、OLED 及 PDP 等显示技术的发展，对 ITO 靶材的品质要求也越来越高，ITO 靶材的发展也呈以下趋势：(1)提高致密度 在积极开发研制靶材的同时，必须保持靶材的高致密性，因为靶材的密度不仅影响镀膜时的沉积速率、镀膜粒子的密度和放电现象，而且还将影响薄膜的电学和光学性能。因此制得高致密的 ITO 靶材有着重要意义。(2)增大靶材尺寸。目前液晶显示(LCD)、电浆电视(PDP)及有机光激发显示器(OLED)朝大型化发展的趋势，对 ITO 靶材的尺寸要求大型化。 目前部分厂商以数片小尺寸靶焊接的方法解决小尺寸靶材
的缺陷，但该方法得到的靶材之间的缝隙易集聚大量电荷，从而容易引起靶材的放电现象，造成靶材的过早黑化，使膜的电阻增大，膜厚增加，透过率降低等不良后果。 因此制得大尺寸的 ITO 靶材的发展的必然趋势。(3)提高使用效率 提高使用效率可降低镀膜产品的成本，节约资源。
4.结束语
综上所述，ITO 膜在光学、电学、国防及通讯等领域有着广泛应用，但是国内的ITO靶材的制备技术还不够成熟，不能从根本上解决高致密和均匀性等问题，制得的靶材在性能方面和国外还有一定差距，无法满足高端产品的技术要求，与国外先进技术存在一定差距。 因此，相关科研工作者和从业人员还需不断努力，改变这一状况。
【参考文献】
[1]彭平.高致密ITO靶材制备与工艺优化[D].昆明理工大学,2014.
[2]张明杰.注浆成形法制备ITO靶材的工艺研究[D].昆明理工大学,2012.
[3]张明杰,陈敬超,于杰.ITO陶瓷靶材料=的制备方法及研究现状[J].热加工工艺,2015,11(12):97-98.
[4]杨浩然.ITO靶材项目可行性分析与风险评估[D].安徽理工大学,2019.