烧结工艺对ITO素胚脱脂效果的影响

马超宁 ， 牛潇迪

(洛阳晶联光电材料有限责任公司 ， 河南 洛阳 471100)

0 前言

ITO(Tin-doped-Indium Oxide)靶材属于稀有金属铟与金属锡掺杂的氧化物半导体陶瓷材料。因其具有良好的导电性与透光性等优点，广泛应用于手机、汽车等触摸显示屏，电视、电脑等显示屏以及大多数电子器械。对优质的ITO靶材的各项性能指标参数要求较高，其制备应严格控制产品的纯度、相对密度、导电率等性能指标。因此从粉体、造粒、压坯到烧结，每一个过程均需严格控制。烧结工艺的研究是靶材品质最关键的步骤之一。

ITO靶材烧结分为低温脱脂与高温烧结两个阶段，低温脱脂阶段的目的是除去靶材初坯中所含的分散剂、黏结剂等添加助剂的分解产物。在高温烧结阶段，过程需严格控制保温时间与氧气气氛等工艺条件，来制得优质性能指标的靶材。

ITO靶材主要由In2O3与SnO2组成，但氧化铟与氧化锡在长时间的高温环境下均会进行还原。得到气态产物In2O、InO与SnO，气态产物的挥发对靶材的相对密度造成巨大影响[1]。因此靶材的烧结过程一定要严格控制在纯氧气氛条件下进行。

目前，在纯氧气氛条件下进行靶材烧结分为加压烧结与常压烧结，常压烧结是目前国内外较多的靶材公司进行批量化生产的烧结方式[2]。在纯氧环境下进行常压烧结相较于加压烧结，避免了在高温、高氧气气氛压力与长时间保温环境下的危险性；且此烧结工艺具有烧结过程简单易控、生产成本相对较低、可生产规格参数更大的靶材等优点。因此在纯氧气氛条件工艺下进行常压烧结的方法应用更为广泛。MEI等[3]在10 L/min氧气流速下烧结的ITO靶材的相对密度达到99.83%，质量损失率为1.417%，且电阻率为1.583×10-4Ω·cm。

在纯氧气氛条件工艺下进行常压烧结可满足将脱脂和烧结过程同炉进行，节省了分段烧结方式中的一个降温与升温过程的时间问题，提高了烧结效率。相较于靶材的烧结过程，对于脱脂过程的研究，国内相对较少。然而素胚脱脂过程的好坏会影响后续烧结的结果，特别是脱脂速率对后续靶材烧结开裂产生直接影响，以及脱脂效果对后续靶材的纯度和相对密度等造成严重影响。

本实验采用模具成型配合冷等静压成型的方法制备ITO素胚，研究了不同升温工艺对ITO素胚脱脂效果的影响，为制备高的相对密度、高强度等优质性能指标的靶材提供了参考依据。

1 实验部分

1.1 实验原料

采用混合法，以金属铟和无机酸为原材料(纯度4N5)，金属铟与某酸进行反应并生成中间产物，溶铟过程严格控制反应温度(25～35 ℃)；然后对其进行干燥、煅烧制得氧化铟；之后进行研磨制备ITO浆料，按照工艺要求称取一定量的氧化铟、氧化锡、分散剂与蒸馏水进行搅拌预分散。氧化铟与氧化锡的质量比为9∶1。将氧化锆球在研磨机内进行搅拌研磨，过程中分批次加入黏结剂与消泡剂，其中添加剂的质量占比约为4%。按照预定的时间间隔，测试浆料的晶粒尺寸，根据测试结果来控制加入添加剂的量，待参数达到预定值时结束研磨，然后使用喷雾干燥机进行造粒[4]。采用冷等静压机进行压制，设置参数为：压力270 MPa，时间12 min。压制完成后进行分切，然后采用不同的升温工艺对素胚进行脱脂实验[5]。

1.2 素胚脱脂工艺

实验采用不同的升温工艺进行素胚脱脂，保温组脱脂实验在200、400、600 ℃ 分别保温2、4、6 h，然后设置固定的降温时间来完成，素胚分别命名为a1、a2与a3。升温组脱脂实验以0.8、0.5、0.2 ℃/min的升温速率加热，然后设置固定的降温时间来完成，素胚分别命名为b1、b2与b3。升温工艺过程见图1、图2。

图1 保温组素胚升温工艺参数图

图2 升温组素胚升温工艺参数图

2 结果与讨论

2.1 不同升温工艺对素胚密度影响

采用阿基米德排水法测量保温组和升温级素胚升温工艺下的相对密度，6组素胚的相对密度与失重率结果见表1。

表1 6组素胚的相对密度与失重率

通过测量发现，a1、b1与b2素胚失重率较低于添加剂含量。a2、a3与b3素胚失重率接近添加剂含量，相对密度与a1、b1与b2素胚相比较低。脱脂过程素胚体积未发生变化，脱脂不完全的素胚相对密度较高。

2.2 不同升温工艺对素胚形貌影响

2.2.1宏观形貌分析

对相近的升温工艺时间条件下脱脂后的a2与b2素胚断口进行了宏观形貌分析，结果见图3。

图3 a2与b2素胚断口宏观形貌图

由图3可以看出，a2素胚断口表面分布均匀，而由于升温工艺不同，b2素胚脱脂效果较差，素胚断口出现明显的分层现象，表面形貌表现为浅色表层区与深色夹心区。

2.2.2微观形貌分析

对脱脂效果较好的a2、a3、b2与b3素胚使用扫描电子显微镜进行微观形貌分析。结果见图4。

图4 不同升温工艺素胚的SEM图

由图4可以观察到四组素胚在相同倍率下的SEM结果，发现微观形貌并无太大差异。将a2与b2素胚倍数放大后微观形貌差别也不大。

2.3 不同升温工艺对素胚成分的影响

2.3.1升温组b2素胚EDS分析

对升温组的b2素胚分层现象的不同位置进行了EDS成分检测分析，结果见表3。对比可以看出深色夹心区的C和O含量比例更高，再次验证其脱脂效果较差，说明在胚体内部还残留有一定量的有机物[6]。

表2 升温组b2素胚的EDS结果 %

2.3.2保温组a2素胚EDS分析

对保温组的a2素胚进行了EDS成分检测分析，结果见表3。与b2素胚的EDS分析结果比较可以发现，a2素胚的C和O含量比例较b2素胚的浅色表层区更低，说明胚体内部的有机物脱除更完全，证明其脱脂效果更好。

表3 保温组a2素胚的EDS结果 %

3 结论

当采用在200、400、600 ℃ 分别保温4 h的升温工艺进行脱脂制得的素胚，从相对密度、形貌以及成分的实验结果都可以推断已基本完成脱脂，故而该工艺确立为优选工艺。虽然保温组测试中采用在200、400、600 ℃分别保温6 h和升温测试组中以0.2 ℃/min的升温速率加热的工艺也可以达到较好的脱脂结果，但是其工艺过程时间较长，影响生产效率，因此可作为备选工艺。