一种低电阻率微硼掺杂旋转溅射硅靶材及其制备方法

摘要

本发明公开了一种低电阻率微硼掺杂旋转溅射硅靶材及其制备方法。其由0.03-0.5wt％的硼、99.4wt％-99.9wt％的硅及杂质制备得到。本发明还保护了所述微硼溅射旋转硅靶材的制备方法。本发明通过在硅旋转靶材材料的硅中添加硼，并引进新的生产工艺，得到的产品电阻率更低，结合强度高，极大的提高了产品性能，可广泛用于液晶显示玻璃镀膜、光学镀膜等领域，对行业的进步有极大的推动作用。

说明书

技术领域

本发明涉及等离子喷涂旋转靶材领域，特别是涉及一种低电阻率的微硼掺 杂旋转溅射硅靶材及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，电子产品已经成为我们生活中不可或缺的工具 和必需品。电子产品中一个非常关键的部件就是液晶显示屏，同时要对液晶显 示屏进行镀膜，玻璃镀膜是通过磁控溅射镀膜工艺来实现的，而该工艺的材料 则为旋转靶材。目前，中国及亚太地区旋转靶材的市场需求量超过世界总需求 量的70％，市场前景广阔。磁控溅射镀膜有两个极其重要的指标参数，分别是 透过率和电阻率，磁控溅射镀膜指标参数能否达标取决于旋转靶材的品质，而 旋转靶材的品质是由其生产工艺和原材料粉末配方决定的。归根溯源，影响旋 转靶材的品质最根本的问题是旋转靶材的配方及生产工艺。现有的配方为纯度 99.9％硅，其余为杂质，生产工艺也较为简单，这种配方和工艺得到的产品可 以满足一定的使用要求，但是也存在较为明显的缺陷：其电阻率较高，结合强 度低，从而导致客户使用该靶材生产效率较低，异常发生率高，这将严重影响 到电子行业的快速发展。

为了适应市场的需求，迫切需要解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电阻率低、结合强度高的微硼溅射旋转硅靶 材。

为实现上述目的，本发明提供一种低电阻率微硼掺杂旋转溅射硅靶材，其 特征在于，由如下重量百分比的各成分制备得到，0.03％-0.5％的硼、 99.4％-99.9％的硅，余下为杂质组成。

根据本发明的实施例，提供由如下重量百分比的各成分制备得到，0.1％ 的硼、99.8％的硅，余下为杂质组成。

根据本发明的实施例，所述低电阻率微硼掺杂旋转溅射硅靶材的制备方 法，其特征在于，步骤为，

1)不锈钢背管制备：

下料：用锯床锯取指定长度的不锈钢管，钢管的内径为125mm，外径为133 mm；

车管：将不锈钢管两端按产品图纸分别车出凹槽、斜角；

表面喷砂粗化：再将不锈钢管通过喷砂机将其表面喷砂处理；

打底：取出粗化后的不锈钢管，通过电弧喷涂机，在其表面喷涂一层青铜 铝丝材料层，涂层厚度为0.5mm，得到制备好的不锈钢背管；

2)含硼硅粉末制备

熔炼：按一定比例硅粉和硼粉混合后，进行高温熔炼，熔炼成硅硼锭。

破碎球磨：取成型后的硅硼锭进行机械破碎、球磨、过筛，制备出45-150um 的硅硼熔炼粉末；

烘干：将所得的硅硼熔炼粉末置于烘干炉中烘干成硅硼粉末材料；

真空等离子喷涂：在真空状态下，使用等离子体为热源将所得硅硼粉末材 料加热到熔融或半熔融状态并高速冲击到制备好的不锈钢背管表面，形成致密 硅硼靶材涂层；喷涂电压75-85V、喷涂电流550-600A、真空度为 -0.03--0.04Mpa、氩气流量为2800-3200L/H；

机械加工：待真空等离子喷涂所得靶材到达所定尺寸后，对成型的旋转靶 材进行机械加工和电加工，加工完毕后再进行清洗、烘干即可。

根据本发明的实施例，所述表面喷砂粗化步骤中喷砂材料为粒径为80目的 棕刚玉，喷砂时间为1h。

根据本发明的实施例，所述混粉步骤的混料时间为5-6小时。

根据本发明的实施例，所述3)微硼硅涂层制备中的烘干温度为100度， 烘干时间为30min。

根据本发明的实施例，所述真空等离子喷涂步骤中，喷涂电压80V、喷涂 电路550A、真空度为-0.1Mpa、等离子气体流量为3000L/H。

本发明中的杂质，Fe≤400ppm，Al≤350ppm，Ni≤50ppm，Mg≤50ppm， Ca≤50ppm，Cu≤50ppm。

如果杂质是周期表中第Ⅲ族中的一种元素──受主杂质，例如硼或铟，它 们的价电子带都只有三个电子，并且它们传导带的最小能级低于第Ⅳ族元素的 传导电子能级。因此电子能够更容易地由锗或硅的价电子带跃迁到硼或铟的传 导带。在这个过程中，由于失去了电子而产生了一个正离子，因为这对于其它 电子而言是个“空位”，所以通常把它叫做“空穴”，而这种材料被称为“P” 型半导体。在这样的材料中传导主要是由带正电的空穴引起的，因而在这种情 况下电子是“少数载流子”掺入的杂质越多，多子(空穴)的浓度就越高， 导电性能就越强。

本发明在纯硅旋转靶材材料的硅中添加硼，能有效地提高的再结晶温度， 降低再结晶速度，使硅靶材的晶粒得到细化。硼含量越高，靶材的电阻率越低， 在相同电压下，通过靶材的电流越大。由于功率＝电压*电流，功率可以越高。 从而可以提高客户的磁控溅射镀膜速率，降低成本。

通常靶材为多晶结构，晶粒大小可由微米到毫米量级，同一成分的靶材， 细小尺寸晶粒靶的溅射速率要比粗晶粒靶快；而晶粒尺寸相差较小的靶，淀积 薄膜的厚度分布也较均匀。据日本Energy公司研究发现，若将硅靶材的晶粒 尺寸控制在100μm以下，且晶粒大小的变化保持在20％以内，其溅射所得薄 膜的质量可得到大幅度改善。实验证明，较小晶粒的靶材会使溅镀薄膜较为均 匀，且靶材寿命较长，但要搭配溅射功率。

本发明的申请人经过艰苦卓绝的工作，得出硼在硅中的合适添加量，能达 到最好的效果。实施例7比较了不同硼含量，其它条件相同时所得靶材的电阻 率、晶粒尺寸、膜厚均匀性、溅射功率。可以看出在相同喷涂工艺下，在一定 范围内，硼含量越高，靶材的电阻率越低，晶粒尺寸越小，客户用我们的靶材 生产出来的膜厚均匀性越好，客户溅射功率越高，即客户的生产效率越高。

实施例1-6比较了不同硼含量，不同工艺参数制备得到的靶材的电阻率和 结合强度，可以看出在硼含量添加量为定值时，氩气流量越高，结合强度越好， 电阻率越低；当氩气流量为定值时，硼含量越高，电阻率越低，结合强度越差。

本发明采用B、Si等材料的配方，并引进新的生产工艺，得到的产品电阻 率更低，而且透过率更高，极大的提高了产品性能，可广泛用于液晶显示屏镀 膜、光学镀膜等领域，对行业的进步有极大的推动作用。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例旨在用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领 域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未 注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1：微硼掺杂旋转溅射硅靶材的制备

配方组成见表1。

表1各实施例的配方组成和参数表

制备方法：

1.不锈钢背管制备包括如下四个步骤：

1.1)下料：用锯床锯取指定长度的304不锈钢管，钢管的内径为125mm， 外径为133mm；

1.2)车管：将不锈钢管两端按产品要求分别车出凹槽、斜角等；

1.3)表面粗化：取出步骤1.2所得的不锈钢管，通过喷砂机将其表面喷 砂处理，喷砂材料为粒径为80目的棕刚玉，喷砂时间为1h；

1.4)打底：取出步骤1.3粗化后的不锈钢管，通过电弧喷涂机，在其表 面喷涂一层青铜铝丝(铝(Al):7.5-9.5％；铜(Cu):90.5-92.5％)材料层， 涂层厚度为0.5mm，

2.含硼硅粉末制备

熔炼：按一定比例硅粉和硼粉混合后，进行高温熔炼，熔炼成硅硼锭。

破碎球磨：取成型后的硅硼锭进行机械破碎、球磨、过筛，制备出 45um-150um的硅硼粉末。

烘干：将步骤2.1所得的混合粉末置于烘干炉中，烘干温度为100度，烘 干时间为30min；

真空等离子喷涂：在真空状态下，使用等离子体为热源将所得硅硼粉末 材料加热到熔融或半熔融状态并高速冲击到步骤1.4所得到的不锈钢背管表 面，形成致密硅硼靶材涂层，喷涂过程中的各项技术参数中，喷涂电压80V、 喷涂电流580A、真空度为-0.04Mpa、氩气流量为2800L/H。

2.4)机械加工：待真空等离子喷涂所得靶材到达所定尺寸后，对成型的 旋转靶材进行机械加工和电加工，加工完毕后再进行清洗、烘干(烘干温度 100℃，时间1hrs)和包装等工序，成品入库即完成。

GB/T1410-2006检测电阻率。GB/T 8642-2002检测结合强度。结果见表1 所示。

实施例2：微硼掺杂旋转溅射硅靶材的制备

配方组成见表1，制备方法同实施例1，氩气流量见表1，其它参数同实 施例1。

GB/T1410-2006检测电阻率。GB/T 8642-2002检测结合强度。结果见表1 所示。

实施例3：微硼掺杂旋转溅射硅靶材的制备

配方组成见表1，制备方法同实施例1，氩气流量见表1，其它参数同实施 例1。

GB/T1410-2006检测电阻率。GB/T 8642-2002检测结合强度。结果见表1所 示。

实施例4：微硼掺杂旋转溅射硅靶材的制备

配方组成见表1，制备方法同实施例1，氩气流量见表1，其它参数同实施 例1。

GB/T1410-2006检测电阻率。GB/T 8642-2002检测结合强度。结果见表1 所示。

实施例5：微硼掺杂旋转溅射硅靶材的制备

配方组成见表1，制备方法同实施例1，氩气流量见表1，其它参数同实施 例1。

GB/T1410-2006检测电阻率。GB/T 8642-2002检测结合强度。结果见表1 所示。

实施例6：微硼掺杂旋转溅射硅靶材的制备

配方组成见表1，制备方法同实施例1，氩气流量见表1，其它参数同实 施例1。

GB/T1410-2006检测电阻率。GB/T 8642-2002检测结合强度。结果见表1 所示。

从实施例1-6可以看出，硼添加量为定值时，氩气流量越高，结合强度越 好，电阻率越低；当氩气流量为定值时，硼含量越高，电阻率越低，结合强度 越差。

随着硼添加的增加，靶材的电阻率会降低，但同时会降低靶材的结合强度。

实施例7：硼含量对靶材的影响试验

各组配方组成见表2，制备方法同实施例1，参数见表2。其中喷涂电压80V、 喷涂电流550A、氩气流量为2800L/H。

表2各配方组成和参数表

GB/T1410-2006检测电阻率。GB/T 8642-2002检测结合强度。GB/T 6394-2002 测晶粒尺寸，溅射功率：磁控溅射仪器上显示的数值。

说明在喷涂工艺相同时，硼含量越高电阻率越低，晶粒尺寸越小。

电阻率低可以使得使用本发明产品的客户溅射功率提高，即客户的生产效 率提高。

而晶粒尺寸小有利于提高客户使用本发明的靶材所溅射出来的膜的膜厚 均匀性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例 是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本 发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修 改、替换和变型。