ZnO靶材的制备技术、应用与发展趋势

摘要：靶材通常是指溅射靶材，它是制备功能薄膜的溅射源，在特定的面上形成10nm～10μm级薄膜（特种金属或混合金属氧化物），进而通过后续工艺形成导电层、栅极、阻挡层、绝缘层和线路等。由于ZnO薄膜材料无毒，制备温度较其他膜材料低，工艺流程简单，可以实现掺杂，原材料较其他靶材易得，有非常大的成本优势，所以ZnO靶材的市场前景十分广阔。本文主要讨论了ZnO靶材的制备技术、应用前景及发展趋势。

关键词：靶材;制备技术;应用;发展趋势

靶材通常是指溅射靶材，它是制备功能薄膜的溅射源，在特定的面上形成10nm～10μm级薄膜（特种金属或混合金属氧化物），进而通过后续工艺形成导电层、栅极、阻挡层、绝缘层和线路等。靶材溅射时工作原理如图1所示。它是集成电路、平板显示器（包括液晶显示器和触摸屏等）、薄膜太阳能电池和LED制备不可缺少的重要耗材。

随着科学技术的飞速发展，特别是集成电路、平板显示和薄膜太阳能电池产业的发展，对高纯高性能金属（合金）和氧化物陶瓷靶材的需求越来越大。TCO薄膜因其具有高导电性、高透光性，广泛应用在平板显示、太阳能电池及发光二极管等光电领域中。除此之外，TCO还运用于静电薄膜、气敏传感器、隐身材料、电磁波屏蔽、面发热膜、热反射镜大等领域。目前最常采用的TCO薄膜是ITO，但由于铟是稀有金属，全球铟探明储量11000吨，储量基础16000吨，导致其价格昂贵。同时，ITO薄膜自身也有较大缺陷，比如：易被还原，高温下透光率较低等。所以，作为ITO靶的替代靶，ZnO靶材逐渐得到重视。未掺杂的ZnO可以制备压电薄膜，掺杂的ZnO靶材可以制备性能良好的TCO，可完全替代ITO靶材。

本文就ZnO靶材的制备技术现状、应用前景及发展趋势进行了综述。

1、ZnO靶材制备技术现状

低电阻率的薄膜对可见光的透过率较高，常在平板显示中作透明电极。电阻率适中的ZnO薄膜，一般为n型半导体，可以与p型半导体一起使用构成异质结，运用于光电领域;电阻率高、方向性高和压电性好的ZnO薄膜，可用于超高频的电声传感器。将Ga、Al、In或F离子中掺入ZnO靶材中，可以提高ZnO薄膜的光电性能。其中，各种掺杂中研究较多的是Al掺杂，所以对AZO薄膜的研究也较为深入。AZO薄膜主要运用于太阳能电池等光电领域，有较大可能解决能源危机，逐渐成为TCO薄膜中的研究热点。

ZnO靶材制备方法除专利外公开外，公开研究文献极少。因此以公开专利为参考，进行工艺技术说明。其过程主要包括三方面：粉末制备、成型、烧结体制备。

高质量的靶材在溅射镀膜时，可以有效抑制溅射异常放电的情况，靶材结瘤现象大大减轻，有效提升靶材的利用率;同时高质量的靶材可以提高镀膜速度，是制备高性能薄膜的关键因素之一。ZnO靶材质量的好坏，一般可以从靶材的致密度、纯度、成分组织、晶粒度和电阻率等几个方面评價。制备高质量的ZnO靶材可以从初始粉体和烧结工艺方面着手，选择合适的粉体和合适的烧结工艺是制备高质量靶材的关键。适合溅射的ZnO溅射靶，相对密度≥98%;晶粒尺寸为5-20μm，大小均匀，体电阻率控制在8.0×10-4Ω.cm以下。Minami T等人在ZnO靶中掺杂2 wt %的Al2O3，制备出AZO靶材并进行磁控溅射镀膜，薄膜电阻率降至2×10-4Ω·cm，同时透光率>80%，薄膜的性能与 ITO 薄膜大致相同。除了采用CVD等制备ZnO薄膜，更多的是采用ZnO靶材溅射镀膜。但是当前我国还不具备制备高质量的ZnO靶材的能力，主要还是从日韩进口。外国企业资金相对雄厚，开展相关研究较早，积累了大量技术，已领先我国较多。比如：日本东曹株式会社在2007年的国际平板显示技术展上，便正式展示了大尺寸的AZO靶材。同时，由于靶材产业是高精尖、具有较大附加值的产业，国外长期对关键技术进行封锁，加上产业进入门槛较高，需要国家大力支持。

2、ZnO靶材应用

ZnO薄膜具有良好的导电性，可见光透光率（近90%），在近红外区域具有较高的反射率（近80%）等优异的性能。并且，可以通过掺杂进一步提高ZnO薄膜的性能，比如可以通过掺杂Al，制备出性能更加优异的AZO靶材。随着ZnO粉体和靶材的制备技术水平的逐渐提升，ZnO薄膜的应用领域也不断扩宽。比如常见的液晶显示器的屏幕，太阳能电池，电子仪器上的防静电薄膜，气敏传感器、隐身材料、电磁波屏蔽、面发热膜、热反射镜等。

随着平面显示加快向大尺寸发展，太阳能电池的大范围使用，高层建筑物玻璃幕墙不断增多，TCO薄膜发展前景广阔。由于ZnO薄膜材料无毒，制备温度较其他膜材料低，工艺流程简单，可以实现掺杂，原材料较其他靶材易得，有非常大的成本优势，所以ZnO靶材的市场前景十分广阔。

靶材根据不同的分类方法有不同的分类，常见的分类主要有以下3种，即根据其主要材质分类、根据其应用分类、根据靶材形状进行分类。目前较为关注的是管状靶材。传统的板状靶材溅射时利用率较低，一般只有20%左右;而管状空心旋转靶，利用率大大提高，可达80%[50]。

3、氧化物靶材发展趋势

氧化物靶材发展的总体趋势是以提高应用性能为前提，研究靶材材料微观组织优化控制，追求靶材材料的纯净化、细晶化、均质化，重点发展各种先进装备技术和加工过程计算机模拟仿真与性能预报技术。

1、高致密化。具有高致密化的靶材，不仅导热导电性能好，更重要的是利用该种靶材可以制备出高质量的薄膜;溅射过程中，溅射工艺稳定性强，尤其是可以提高镀膜速度而不会影响成膜质量。使用高质量的靶材制备出的薄膜使用寿命也相对较长，使用性能较为稳定。制备高密度靶材关键是降低靶材内部的孔隙率，并对靶材晶粒度进行控制。因此，进一步提高其密度是粉末冶金烧结法制备靶材的发展趋势。

2、晶粒细小及分布均匀、结晶取向可控。一般说来靶材晶粒越小，溅射速度越快，但现在常见的靶材一般多晶结构居多，晶粒较大。溅射过程中，除了要考虑溅射速度，也要考虑成膜的均匀性。所以具有均匀小晶粒的靶材是研究的重要方向之一。在实际溅射中，最先溅射出来的是位于六方排列的原子，该方向原子排列最紧密，也最容易溅射，其结晶方向对薄膜的均匀性和厚度也有较大影响。因此，为了提高溅射速率，需要优化靶材结晶结构。

3、尺寸大型化。现在平板显示除了向高分辨率方向发展，随着技术的提升，也在向大尺寸发展。如果继续采用小尺寸的靶材溅射薄膜，再进行拼接，由于焊缝的存在，势必会影响薄膜的质量，降低薄膜使用寿命，所以需要制备大尺寸靶材，直接溅射大尺寸薄膜。

4、原料粉体高纯纳米化、成分与组织结构均匀化。理论上，粉体纳米化可以提高颗粒之间的接触面，烧结活性会相应提高，利于制备高质量靶材。在保证粉体的纯度情况下，采用纳米粉体制备高质量靶材，也将是研究的新方向。镀膜质量的稳定性，除了选择合适的镀膜工艺外，还要考虑靶材的组织均匀性以及成分与纯度。

众所周知，靶材材料的技术发展趋势与下游应用产业的薄膜技术发展趋势息息相关，随着应用产业在薄膜产品或元件上的技术改进，靶材技术也应随之变化。目前最常采用的TCO薄膜是ITO，但由于铟是稀有金属，全球铟探明储量11000吨，储量基础16000吨，导致其价格昂贵。同时，ITO薄膜自身也有较大缺陷，比如：易被还原，高温下透光率较低等。所以，作为ITO靶的替代靶，ZnO靶材逐渐得到重视。未掺杂的ZnO可以制备压电薄膜，掺杂的ZnO靶材可以制备性能良好的TCO，可完全替代ITO靶材。同时，与相对于金属靶材，ZnO陶瓷靶材具有成膜重复性好，膜层均匀易控制优点，可以预见在不远的将来，ZnO陶瓷靶材应用范围会越来越广。如何保证所制备出的ZnO靶材具有良好的导电率，保证所制备的靶材具有较好的溅射性能，在溅射过程中不会出现“结瘤”或“中毒”，值得研究人员深入研究。

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作者简介：王净丰（1991.03.07-），男，河南周口，助教，郑州铁路职业技术学院，材料工程。

（郑州铁路职业技术学院 河南省郑州市 450000）