不同烧结温度下ITO靶材的金相组织分析

张元松，樊 繁，林光飞

(柳州华锡铟锡材料有限公司，广西柳州 545006)

ITO靶材是In2O3和SnO2按一定配比采用陶瓷工艺制成的氧化物陶瓷材料。经国内外研究结果发现，ITO溅射靶材的最佳质量配比为In2O3∶SnO2=9∶1，该配比制备的ITO溅射靶材具有比较低的电阻率以及高的透光率的特性，目前应用于太阳能电池、导电玻璃和等离子显示器等领域，特别在液晶显示器(LCD)领域，应用非常广泛。随着LCD画面尺寸趋向大型化，高精密化、低电阻特性、高透光率均成为ITO发展的重点。然而，ITO靶材这些重要特性的关键技术主要掌握在日本、韩国和台湾等少数几家企业手中，这些企业基本占领了整个ITO靶材市场［1～3］。

我国的铟资源非常丰富，储藏量居世界首位，但长期以来，这一垄断性资源优势却没有体现出其应有的价值。铟资源价格长期遭受国外企业的压制，严重影响了我国铟金属行业的稳定、健康发展。由于中国没有掌握高端ITO靶材生产技术，国内铟资源企业只有向日本等国大量出口铟锭等初级产品，而ITO镀膜所需ITO靶材只能从这些国家高价进口，我国的优势资源只能作为国外企业的廉价原材料，这给我国经济带来了巨大的损失［4］。因此，突破高端ITO靶材的关键技术，形成产业化规模，变附加值相对较低的初级产品金属铟出口为高附加值的深加工产品，是保护我国稀有战略铟资源和铟产业的可持续发展根本途径和必然选择。

ITO靶材的组织决定了ITO靶材的品质。了解ITO靶材的组织变化机制，就从根本上掌握了靶材的性能，这对ITO靶材的发展是至关重要的。因此，通过试验对不同烧结温度下制备的ITO靶材的金相组织进行了全面的对比分析，探索了ITO靶材的烧结机制，为我国研发ITO靶材的企业提供一些参考，便于加快高端ITO靶材的发展。

1 试验

1.1 原料

试验使用的ITO粉是利用化学共沉淀法自制的，是利用铟锡氯化物溶液加入氨水作为沉淀剂，获得前驱体，清洗数次后，干燥，再在900℃温度下煅烧，得到单相ITO粉，XRD衍射谱线如图1所示。ITO粉的性质为:纯度为99.99%，ω(In2O3)∶ω(SnO2)=90∶10，比表面为7～8 m2/g，形貌近球形，分散性较好，SEM图如图2所示。

1.2 试验方法

将一定量ITO粉与纯水、助烧剂以及分散剂均匀混合，经过氧化锆球研磨，过滤，加入适量的粘结剂，然后浇注成尺寸为80×60×10的ITO生坯，干燥后，在空气气氛［5］下进行烧结。烧结的温度分别为:1#—1 500℃;2#－1 530℃;3#－1 560℃;4#－

图1 ITO的XRD衍射图谱

图2 ITO粉的SEM图

2 结果与讨论

2.1 1#和2#样品的组织分析

1#和2#样品靶材的金相组织如图3所示。

图3 1#和2#靶材的金相组织

从图3可以看出，1#靶材的组织特征是典型烧结中期，有大量的烧结颈存在，晶界还没有完全形成，致密化还未完成，所以相对密度只有90.22%，电阻率为0.243 mΩ·cm。因为晶界少，ITO靶材载流子的流动通道也少，致使电阻率高。2#靶材烧结处于烧结中期与烧结后期之间，烧结颈刚好完成，但是晶界还没有完全稳定，致密化程度稍高，相对密度比1#靶材高，其相对密度为98.76%;由于存有大量不稳定的晶界，电阻率略低于1#靶材，电阻率为0.211 mΩ·cm。这两块靶材的烧结温度低，致密化不高;实践中，存在这两种组织，应当适当提高烧结温度，获得更致密化的ITO靶材。

2.2 3#和4#样品的组织分析

3#和4#样品靶材的金相组织如图4所示。

图4 3#和4#靶材的金相组织

从图4可以看出，3#和4#靶材的组织致密，晶界稳定，说明烧结结束，致密化很高，相对密度分别为99.87%和99.68%，电阻率分别为0.102 mΩ·cm和0.105 mΩ·cm。3#靶材的晶粒相对较小，在相同腐蚀条件下，晶界的腐蚀程度没有4#靶材严重，说明3#靶材的晶界能量低，比较稳定，而且由于晶粒小，晶界多，所以电阻率相对较低。4#靶材的晶界轮廓清晰，说明烧结温度已经达到ITO靶材烧结的极限。这也说明ITO靶材的烧结温度比较窄，一般不超过50℃。在实践中，如果烧结ITO靶材的组织与3#靶材一样，表示烧结温度刚好合适;如果组织与4#靶材一样，可以适当降低10～20℃进行烧结。

2.3 5#和6#样品的组织分析

5#和6#样品靶材的金相组织如图5所示。

图5 5#和6#靶材的金相组织

从图5可以看出，5#靶材的晶粒开始变圆滑，说明由于烧结温度增加，导致部分晶界熔解，但是还能保持一定的致密性，所以相对密度可以达到99.75%。由于晶界熔解，电阻率增加至0.194 mΩ·cm，这种现象可以认为是ITO靶材的过烧现象。如果继续增加烧结温度，就会像6#靶材一样，晶界大部分熔解，并且晶粒开始变为处于游离状态的近球形，此时的相对密度下降，低于98%，电阻率也进一步增加至0.223 mΩ·cm以上。在实践中，应当避免温度过高。温度过高，不仅导致靶材的报废，而且也会导致整个烧结炉膛的损坏。

2.4 2#和3#样品的SEM分析

为了进一步验证烧结温度对组织性能的影响，试验特别对2#和3#样品的断口进行分析，其扫面结果如图6所示。

图6 2#和3#样品的SEM图

从图6可以看出，2#靶材属于典型的沿晶断裂，由于烧结温度较低，烧结中期刚结束，晶界的强度较差，且还存在部分空隙，所以致密性较差;3#靶材断裂面属于穿晶断裂，由于烧结温度适中，晶界强度高，靶材断裂直接破碎晶粒，而且比较致密。通过断裂形貌进一步验证了金相分析的可靠性，且断裂分析与金相组织分析结果是一致的。

3 结论

1.在1 500℃烧结时，金相组织能清楚看到部分烧结颈的存在，属于烧结中期，致密性差;在1 530℃烧结时，金相组织中能看出晶界稳定性差，致密性也差，属于烧结中期与烧结后期的过度温度。

2.1 560℃和1 590℃烧结时，金相组织能看出晶界稳定性好，而且致密度高，但是1 590℃的烧结时，晶粒偏大，晶界稳定性稍差，烧结时应适当降低温度。

3.1 620℃和1 650℃烧结时，组织的晶界开始熔解，而且晶粒变得圆滑，尤其是在1 650℃烧结后，组织中晶粒是游离的近球形，烧结时应避免温度过高。

4.通过SEM分析，验证了金相组织分析的正确性，而且快捷，简便。

［1］ 张元松，熊爱臣，谭翠，等.ITO靶材成形工艺的研究新进展［J］.湖南有色金属，2014，30(2):44 －47.

［2］ 邢朋飞，邢伟，王政红，等.ITO靶材的微观结构分析［J］.功能材料，2008，39(增刊):258 －260.

［3］ 曾纪术，陈锦全，杨眉，等.ITO靶材的断口分析［J］.有色金属(冶炼部分)，2014，(10):64 －67.

［4］ 袁振.微波烧结ITO靶材研究［D］.长沙:中南大学，2011.

［5］ 李宴平，刘志宏，李玉虎，等.烧结气氛和温度对In2O3和SnO2及其混合粉烧结行为的影响［J］.中国有色金属学报，2014，24(1):221－227.