專利名稱：減小濺射靶中熱應(yīng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在濺射過程中減小濺射靶熱應(yīng)力的方法。
發(fā)明也涉及濺射靶，更具體的是具有減小熱應(yīng)力的銦-錫-氧化物靶。
背景技術(shù)：
在濺射靶的濺射過程中，在靶材料中能產(chǎn)生高熱應(yīng)力。這些熱應(yīng)力能導(dǎo)致靶材料的剝離和破裂。
例如，銦-錫-氧化物靶就具有這個(gè)問題。
特別是，當(dāng)在濺射過程中應(yīng)用高的功率密度時(shí)，增強(qiáng)了熱應(yīng)力的產(chǎn)生。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是在靶制備和濺射過程中，提供減小濺射靶熱應(yīng)力的方法。
發(fā)明的另-個(gè)目的是在靶制備和濺射過程中，提供具有減小熱應(yīng)力的濺射靶。
發(fā)明的又一個(gè)目的是提供高功率密度下涂覆基材的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，在濺射過程中，提供減小濺射靶中熱應(yīng)力的方法。方法包括如下步驟-提供靶座；-當(dāng)在所述靶座上應(yīng)用所述靶材料時(shí)，通過噴涂和引入氣孔于所述靶材料中來在所述靶座上應(yīng)用包含銦-錫-氧化物的靶材料。
氣孔導(dǎo)致在所應(yīng)用的靶材料中至少2％的孔隙率以減小熱應(yīng)力。
通過噴涂應(yīng)用靶材料，優(yōu)選的，通過熱噴涂，例如火焰噴涂、等離子噴涂、高速吹氧噴涂或電弧噴涂。
更優(yōu)選的，靶材料的孔隙率高于4％，例如10％。
靶材料的孔隙率計(jì)算為一定區(qū)域氣孔的表面占這一區(qū)域總表面的百分比。
靶材料的密度與其孔隙率有關(guān)?？紫堵试礁?，密度越低。
在本領(lǐng)域中，人們普遍接受的是高密度(低孔隙率)靶優(yōu)于具有較低密度(高孔隙率)的靶，因?yàn)槿藗兿嘈鸥呙芏劝袑?dǎo)致提高的過程穩(wěn)定性(較低的弧光發(fā)生率水平)。因此，為了提高靶材料的密度，已進(jìn)行許多努力。
在濺射過程中，濺射靶的背面被冷卻，例如管狀可旋轉(zhuǎn)濺射靶的內(nèi)表面。冷卻例如是水冷法。在濺射靶的外表面產(chǎn)生高溫。這會導(dǎo)致在濺射靶背面(內(nèi)表面)和外表面間高的溫差，這會在靶材料中產(chǎn)生高的熱應(yīng)力。濺射功率密度越高，溫差越大。
根據(jù)本發(fā)明，令人驚訝的已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過使用具有最小孔隙率至少為2％的濺射靶，會減小濺射過程中的熱應(yīng)力。
優(yōu)選的，在靶材料中形成的氣孔少于20％包括封閉孔。更優(yōu)選的，在靶材料中形成的氣孔少于10％包括封閉孔或在靶材料中形成的氣孔甚至少于5％包括封閉孔。
開孔是指通過氣孔的網(wǎng)絡(luò)、晶界、裂紋或微裂紋或通過其混合與靶材料外表面連通的氣孔。
封閉孔是指不在靶材料外表面開口的氣孔。
為了測定封閉孔和開孔的數(shù)量，將包含銦-錫-氧化物的靶材料浸入熒光樹脂。為了提高樹脂在材料中的滲透，可在真空中進(jìn)行浸入。
然后，計(jì)算封閉孔的量為某一區(qū)域封閉孔的表面占這一區(qū)域孔總表面的百分比。
包括具有低百分比封閉孔和高百分比開孔的靶材料的濺射靶是優(yōu)選的，因?yàn)檫@類濺射靶會導(dǎo)致更穩(wěn)定的濺射過程。
在具有低百分比封閉孔和高百分比開孔的靶材料的濺射靶的工作期間(burn-in time)，不僅清潔了靶材料，而且也進(jìn)行除氣。這具有優(yōu)勢因?yàn)橐坏R射開始可避免氣體釋放，并且獲得更穩(wěn)定的濺射過程。
相反，具有高百分比封閉孔的濺射靶可遭受相當(dāng)大的氣體爆發(fā)(gas explosion)。這類靶的濺射至少在濺射過程的開始階段是不穩(wěn)定的。
根據(jù)本發(fā)明的方法特別適用于具有減小了熱導(dǎo)性的靶材料。
該方法非常適用于可旋轉(zhuǎn)的濺射靶，例如管狀濺射靶。
優(yōu)選的靶包括具有以銦-錫-氧化物為靶材料的靶，更具體的是，在靶座上噴涂的銦-錫-氧化物。
銦-錫-氧化物是在薄膜工業(yè)中最為常用的一種透明導(dǎo)電氧化物。應(yīng)用范圍從平面顯示器、智能窗、觸控面板、電致發(fā)光燈到EMI屏蔽應(yīng)用。
銦-錫-氧化物粉末能應(yīng)用為靶材料。就本發(fā)明的目的而言，銦-錫-氧化物粉末理解為氧化物的混合物，例如銦氧化物和錫氧化物，或氧化物和金屬的混合物，例如銦氧化物和/或錫氧化物和/或錫和/或銦。
優(yōu)選的靶材料具有5-20wt％錫濃度。更優(yōu)選的，5-15wt％的錫濃度，例如7、10或20wt％。
根據(jù)本發(fā)明銦-錫-氧化物靶的顯微硬度(micro Vickers硬度)優(yōu)選為200-400HV，例如250HV。
通過micro Vickers硬度測試，其通過裝在光學(xué)顯微鏡目鏡上的典型的micro Vickers金剛石壓頭測得靶材料的硬度。顯微鏡用于測量壓痕的寬度。
根據(jù)本發(fā)明濺射靶的靶材料的硬度低于通過熱等靜壓獲得的濺射靶的硬度。
這可以如下解釋在熱等靜壓過程中，粉末顆粒在高溫下保持長的時(shí)間(例如1000℃下3-4小時(shí))。時(shí)間和高溫的結(jié)合促使了不相連顆粒間的擴(kuò)散粘結(jié)，并且導(dǎo)致了顆粒的強(qiáng)的相互連接。
盡管熱噴涂過程在與熱等靜壓過程中相等或更高的溫度下進(jìn)行，但由于非常高的冷卻速率(典型的106℃/秒)，擴(kuò)散反應(yīng)是最低限度的。
顆粒間最小限度的熱相互作用導(dǎo)致顯著的機(jī)械相互連接。這種機(jī)械粘結(jié)在硬度壓痕過程中使熱噴涂的結(jié)構(gòu)更具柔韌性，從而導(dǎo)致較低的硬度值。
此外，在靶材料的熱等靜壓過程中，在靶材料中產(chǎn)生與熱噴涂的靶相比更高的應(yīng)力，更高的應(yīng)力導(dǎo)致更高的硬度。
這可以如下解釋在熱等靜壓過程中，靶座和靶材料均處于高溫。在熱等靜壓周期的冷卻過程中，靶座和靶材料間的熱膨脹差異在靶材料中產(chǎn)生應(yīng)力。
在熱噴涂過程中不存在上述的產(chǎn)生應(yīng)力的機(jī)制，因?yàn)樵跓釃娡窟^程中靶座能保持于低溫中(如50℃)。
通過使用根據(jù)本發(fā)明的濺射靶，特征在于高孔隙率和相對低的硬度，能獲得高的濺射率。
在濺射過程中，用離子化氣體例如氬氣轟擊靶材料。因此從靶材料中濺射出原子，并在待涂覆的基材上沉積。
因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明靶的靶材料的各顆粒間的相互連接比較弱，靶材料的原子更容易濺射出來，并且離子氣體的能量能更有效的利用以致能獲得更高的濺射率。
氣孔具有1μm2-1000μm2的孔尺寸，更優(yōu)選的，6μm2-80μm2，例如6μm2-40μm2。
優(yōu)選的，50％的氣孔具有小于10μm2孔尺寸。
人們相信10μm2的孔尺寸是在靶材料中產(chǎn)生裂紋和濺射過程穩(wěn)定性的臨界孔尺寸。在靶制備和濺射過程中，在根據(jù)本發(fā)明濺射靶的靶材料中的大量小孔對于應(yīng)力松弛是有利的。
在陶瓷靶例如銦-錫-氧化物靶中，具有一定程度的微裂紋。在濺射過程中，由于產(chǎn)生的熱應(yīng)力，這些微裂紋可能導(dǎo)致嚴(yán)重的開裂。
在根據(jù)本發(fā)明的靶材料中，靶材料中微裂紋通過大量的小孔在靶材料界面/氣孔處阻止。因此，在濺射過程中阻止了由于產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。
通過熱噴涂的典型的類條板狀(splat-like)結(jié)構(gòu)也能阻止裂紋擴(kuò)展裂紋主要在兩個(gè)條板間的界面擴(kuò)展，通過另一個(gè)疊加的條板也能阻礙進(jìn)一步的擴(kuò)展。
此外，人們認(rèn)為具有小孔尺寸的靶材料的濺射靶與具有大孔尺寸的靶材料的濺射靶相比將表現(xiàn)出更穩(wěn)定的濺射過程。在濺射過程中后者可能導(dǎo)致氣體釋放。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供包括靶座和靶材料的濺射靶。靶材料包含銦-錫-氧化物并且噴涂到靶座上。靶材料具有至少2％的孔隙率。更優(yōu)選的，靶材料具有至少4％的孔隙率，例如10％或20％。
優(yōu)選的，在靶材料中形成的氣孔少于20％包括封閉孔。
更優(yōu)選的，在靶材料中形成的氣孔少于10％或甚至少于5％包括封閉孔。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的濺射靶包括可旋轉(zhuǎn)的濺射靶，例如管狀濺射靶。
根據(jù)本發(fā)明銦-錫-氧化物靶優(yōu)選地具有200-400HV的硬度。
銦-錫-氧化物靶的靶材料優(yōu)選具有平均孔尺寸在1μm2-1000μm2間的氣孔，更優(yōu)選在6μm2-80μm2間，例如在6μm2-40μm2間。優(yōu)選地，50％的氣孔具有小于10μm2孔尺寸。在這種情況下，在靶材料中分布的大量小孔能夠阻止裂紋擴(kuò)展。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供通過從上述濺射靶的濺射在基材表面涂覆銦-錫-氧化物的方法。
該方法允許避免或減少在靶材料中產(chǎn)生裂紋。
根據(jù)本發(fā)明濺射靶的使用允許在濺射過程中可以獲得高的功率密度。
例如高功率密度高于6W/cm2軌道面積(race-track area)，例如8W/cm2軌道面積。甚至在這高功率密度下，在濺射過程中也不產(chǎn)生裂紋。
發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式描述將一些熱噴涂的銦-錫-氧化物靶(表1)與-些通過熱等靜壓獲得的銦-錫-氧化物靶(表2)進(jìn)行比較。
表1中所示的濺射靶均具有在5.8-6.6g/cm3間的密度。表2中所示的濺射靶均具有在0.5-1.8％間的孔隙率。
表1熱噴涂的銦-錫-氧化物靶的實(shí)施例
表2通過熱等靜壓獲得的銦-錫-氧化物靶的實(shí)施例
從表1和表2中能得出結(jié)論，熱噴涂靶具有比通過熱等靜壓獲得的銦-錫-氧化物靶更高的孔隙率，更低的密度和更低的硬度。
具有1850mm長度的熱噴涂管狀可旋轉(zhuǎn)銦-錫-氧化物靶用于濺射過程。
在功率水平高至44kW條件下進(jìn)行濺射測試，不產(chǎn)生裂紋。甚至在50kW功率水平條件下，也沒有裂紋出現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.在濺射過程中減少濺射靶中熱應(yīng)力的方法，所述方法包括如下步驟-提供靶座；-當(dāng)在所述靶座上應(yīng)用所述靶材料時(shí)，通過噴涂和引入氣孔于所述靶材料中來在所述靶座上應(yīng)用包含銦-錫-氧化物的靶材料，所述氣孔導(dǎo)致在所應(yīng)用的靶材料中至少2％的孔隙率以減小熱應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述靶材料具有至少4％的孔隙率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中在靶材料中形成的氣孔少于20％包括封閉孔。
4.根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中在靶材料中形成的氣孔少于10％包括封閉孔。
5.根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述濺射靶包括可旋轉(zhuǎn)的濺射靶。
6.根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述靶材料具有200-400HV的硬度。
7.根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述靶材料的氣孔具有1-1000μm2的孔尺寸。
8.根據(jù)在前任一權(quán)利要求的方法，其中所述氣孔的50％具有小于10μm2的孔尺寸。
9.濺射靶，包括靶座和包含銦-錫-氧化物的靶材料，所述靶材料噴涂在靶座上，所述靶材料具有至少2％的孔隙率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的濺射靶，其中所述靶材料具有至少4％的孔隙率。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10的濺射靶，其中在所述靶材料中形成的氣孔少于20％包括封閉孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求9-11中任一權(quán)利要求的濺射靶，其中在靶材料中形成的氣孔少于10％包括封閉孔。
13.根據(jù)權(quán)利要求9-12中任一權(quán)利要求的濺射靶，其中所述濺射靶包括可旋轉(zhuǎn)的濺射靶。
14.根據(jù)權(quán)利要求9-13中任一權(quán)利要求的濺射靶，其中所述靶材料具有200-400HV的硬度。
15.根據(jù)權(quán)利要求9-14中任一權(quán)利要求的濺射靶，其中所述靶材料的氣孔具有1-1000μm2的孔尺寸。
16.根據(jù)權(quán)利要求9-15中任一權(quán)利要求的濺射靶，其中所述氣孔的50％具有小于10μm2的孔尺寸。
17.通過從根據(jù)權(quán)利要求9-16中任一權(quán)利要求所定義的濺射靶的濺射，在基材表面涂覆銦-錫-氧化物的方法，所述方法允許避免所述濺射靶的靶材料中的裂紋。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中在高于6W/cm2軌道面積的功率密度下進(jìn)行所述濺射。
全文摘要
本發(fā)明涉及在濺射過程中減少濺射靶中熱應(yīng)力的方法。方法提供如下步驟，提供靶座，當(dāng)在所述靶座上應(yīng)用所述靶材料時(shí)，通過噴涂和引入氣孔于所述靶材料中來在所述靶座上應(yīng)用包含銦－錫－氧化物的靶材料，所述氣孔導(dǎo)致在所應(yīng)用的靶材料中至少2％的孔隙率以減小熱應(yīng)力，本發(fā)明也涉及具有減少熱應(yīng)力的濺射靶和用于在基材表面涂覆銦－錫－氧化物的方法。
文檔編號C23C14/08GK1918320SQ200580004948
公開日2007年2月21日 申請日期2005年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月15日
發(fā)明者H·德爾魯, R·弗米爾什, W·德波舍爾, F·愛普斯 申請人:貝卡爾特先進(jìn)涂層公司