基于氧化锆的溅射靶材制造技术

本发明专利技术涉及一种溅射靶材，其包含氧化锆作为溅射材料，其中，所述氧化锆具有如下特征：与其完全氧化形式的氧含量相比，缺氧量为至少0.40重量％；基于包括锆的金属元素的总量，除锆之外的金属元素的总量小于3.0重量％；以及X射线粉末衍射图在28.2°+/‑0.2°的2θ处具有峰P1、在31.4°+/‑0.2°的2θ处具有峰P2以及在30.2°+/‑0.2°的2θ处具有峰P3。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于氧化锆的溅射靶材
本专利技术涉及一种包含基于氧化锆的溅射材料的溅射靶材，以及一种制备该溅射靶材的方法。
技术介绍
已知二氧化锆ZrO2的三种晶相：单斜晶相(低于1170℃)、四方晶相(1170℃至2370℃)和立方晶相(高于2370℃)。单斜晶相ZrO2具有低的电导率以及低的离子电导率。已知通过加入适当的掺杂剂，如氧化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)和氧化铈(III)(Ce2O3)可以显著增加ZrO2的离子电导率。由于这些掺杂剂的存在有利于所述立方晶相或四方晶相的形成，故掺杂的氧化锆也被称为稳定的氧化锆。稳定的氧化锆由于在高温下其能够允许氧离子自由地穿过晶体结构而被用于氧传感器和燃料电池膜。这种高的离子传导率(以及低的电导率)使其成为最有用的电陶瓷之一。氧化锆是在近紫外到中红外范围内具有高折射率和低吸收的材料，因此被用于光学涂层。通常地，已知在衬底上提供涂层的方法为溅射，其中将溅射气体(例如，氩)电离以形成等离子体，并且在气体环境中，将以此方式形成的稀有气体离子导向材料源(溅射靶材的溅射材料)。由于高能离子，使所述溅射材料的原子喷射并成为涂层材料。所述溅射材料的喷射出的粒子在待涂布的工件的表面上形成了期望的涂层。导电材料可以用直流(DC)源来溅射，而对于介电材料的溅射，则需要，例如，在靶材前面引发高频等离子体，使得电压在绝缘靶材上不会下降。还已知通过采用基于导电金属的溅射材料和反应气体(如氧气)的反应溅射来提供介电涂层。然而，相比于常规的溅射方法，工艺效率会受到不利的影响并且工艺控制仍存在困难。如上所述，待用于DC溅射的溅射靶材需要具有足够高的电导率。如果不满足这个要求，则它们固有地不适合用于DC溅射。然而，即使溅射材料是导电性的，为了实现可接受的溅射性能还需要符合其它性能。具体而言，合意的是在溅射过程中可以尽可能地减少电弧放电。电弧为具有微型爆炸效果的高功率密度短电流。电弧放电尤其会在具有不同导电性的区域(即，由不同的晶相导致)的靶材中发生。这种不同的晶相可能会在金属与反应气体在靶材表面上生成非导电性产物时在金属靶材的反应溅射期间出现。这样的局部区域可以是绝缘的并且会聚集引起电弧的电过载，因为电过载不像在纯金属中那样放电。当在溅射材料中的绝缘区域的表面上或附近出现电弧时，它们可能会导致局部熔化。这种材料被喷射出并且可以损坏正在处理的材料并还积聚在基板表面上以及其它表面上。EP0852266A1描述了一种用于提供高折射率的透明氧化物涂层的溅射靶材。所述溅射靶材的溅射材料包含化学式MOx的金属氧化物作为主要组分，其中，MOx是与化学计量组成相比缺氧的金属氧化物，以及M为选自Ti、Nb、Ta、Mo、W、Zr和Hf中的至少一种金属。EP0852266A1中所述的唯一的基于氧化锆的溅射材料为掺杂有8摩尔％Y2O3的ZrO1.995。其溅射性能未经测试。US2003/0038028A1描述了一种导电溅射靶材，其包含：具有小于5Ω·cm的电阻的二氧化钛(TiO2)；以及以小于5摩尔％的量添加至所述TiO2中的至少一种掺杂剂或掺杂剂的混合物，所述掺杂剂选自氧化铟(In2O3)、氧化锌(ZnO)、氧化铋(Bi2O3)、氧化铝(Al2O3)、氧化镓(Ga2O3)、氧化锑(Sb2O3)和氧化锆(ZrO2)。基于导电氧化锆的溅射靶材则没有描述。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种基于氧化锆的溅射靶材，其可以用于DC溅射过程并且可以低电弧放电地工作。所述目的通过包含氧化锆作为溅射材料的溅射靶材来实现，其中，所述氧化锆具有如下特征：-与其完全氧化形式的氧含量相比，缺氧量(oxygendeficiency)为至少0.40重量％，-基于包括锆的金属元素的总量，除锆之外的金属元素的总量小于3.0重量％；以及-用CuKα1辐射所测量的X射线粉末衍射图在28.2°+/-0.2°的2θ处具有峰P1、在31.4°+/-0.2°的2θ处具有峰P2以及在30.2°+/-0.2°的2θ处具有峰P3。在本专利技术中，已经认识到，如果所述氧化锆不仅缺氧，而且还包含少量的金属氧化物掺杂剂(如氧化钇、氧化镁和氧化钙)或甚至不含这些掺杂剂，并且显示出在单斜氧化锆中没有观察到的在30.2°+/-0.2°的2θ处的额外的衍射峰，则基于氧化锆的溅射材料对于DC溅射而言具有足够的导电性，并且可以低电弧放电地溅射。如上所述，与氧化锆完全氧化形式的氧含量相比，所述氧化锆溅射材料具有至少0.40重量％的缺氧量。优选地，所述氧化锆的缺氧量为至少0.50重量％，更优选至少0.75重量％，甚至更优选至少0.90重量％或至少1.00重量％。在优选的实施方式中，所述氧化锆具有0.40重量％至20重量％，更优选0.50重量％至15重量％或0.75重量％至10重量％，甚至更优选0.90重量％至5.00重量％或1.00重量％至3.00重量％的缺氧量。如上所述，基于包括锆的金属元素的总量，所述氧化锆具有总量小于3.0重量％的除锆之外的金属元素(如果存在的话)。换句话说，锆代表了大于97.0重量％的存在于所述氧化锆中的金属原子。优选地，基于包括锆的金属元素的总量，所述锆氧化物中除锆之外的金属元素(如果存在的话)的总量小于2.0重量％，更优选小于1.0重量％，甚至更优选小于0.5重量％或小于0.1重量％。换句话说，优选锆代表了大于98.0重量％，更优选大于99.0重量％，甚至更优选大于99.5重量％或大于99.9重量％的存在于所述氧化锆中的金属原子。优选地，所述氧化锆包含小于2.0重量％，更优选小于1.0重量％，甚至更优选小于0.5重量％或小于0.1重量％的量的除锆或氧之外的元素。所述氧化锆包含锆和氧，其余为不可避免的杂质。在28.2°+/-0.2°的2θ处的P1衍射峰和在31.4°+/-0.2°的2θ处的P2衍射峰是单斜氧化锆的特征。然而，本专利技术的氧化锆溅射材料显示出在纯的单斜氧化锆的衍射图中没有观察到的在30.2°+/-0.2°的2θ处的另外的衍射峰P3。如以下实施例中进一步所示，显示出单斜衍射峰P1和P2但没有显示出衍射峰P3或显示出非常低强度的衍射峰P3的基于氧化锆的溅射材料具有对于DC溅射应用而言太高的电阻。典型地，在所述氧化锆的X射线衍射图中，峰P1为最高强度的峰，以及峰P2为次高强度的峰。优选地，强度比P3/P2为至少0.06，更优选至少0.07，例如，0.06至0.5，或0.07至0.3。如以下实施例中进一步说明，如果氧化锆溅射材料的平均晶粒尺寸(通过谢乐(Scherrer)公式确定)低于某个限度，则可以进一步改善所述溅射材料的电导率。优选地，所述氧化锆具有通过将谢乐公式应用于最大强度的衍射峰P1而确定的小于63nm，更优选小于55nm，甚至更优选小于50nm或小于45nm的平均晶粒尺寸。在优选的实施方式中，所述氧化锆的平均晶粒尺寸为1nm至小于63nm，更优选5nm至小于55nm，或10nm至小于50nm，甚至更优选20nm至小于45nm。典型地，所述氧化锆溅射材料的X射线衍射图在24.22°+/-0.2°的2θ、34.3°+/-0.2°的2θ和50.2°+/-0.2°的2θ处显示有另外的峰。就像峰P1和P2一样，这些衍射峰也是单斜氧化锆的特本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种溅射靶材，其包含氧化锆作为溅射材料，其中，所述氧化锆具有如下特征：‑与其完全氧化形式的氧含量相比，缺氧量为至少0.40重量％，‑基于包括锆的金属元素的总量，除锆之外的金属元素的总量小于3.0重量％；以及‑X射线粉末衍射图在28.2°+/‑0.2°的2θ处具有峰P1、在31.4°+/‑0.2°的2θ处具有峰P2以及在30.2°+/‑0.2°的2θ处具有峰P3。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.23 EP 15202311.51.一种溅射靶材，其包含氧化锆作为溅射材料，其中，所述氧化锆具有如下特征：-与其完全氧化形式的氧含量相比，缺氧量为至少0.40重量％，-基于包括锆的金属元素的总量，除锆之外的金属元素的总量小于3.0重量％；以及-X射线粉末衍射图在28.2°+/-0.2°的2θ处具有峰P1、在31.4°+/-0.2°的2θ处具有峰P2以及在30.2°+/-0.2°的2θ处具有峰P3。2.根据权利要求1所述的溅射靶材，其中，在所述氧化锆的X射线衍射图中，所述峰P1为最高强度的峰，以及所述峰P2为次高强度的峰，并且强度比P3/P2为至少0.06。3.根据权利要求1或2所述的溅射靶材，其中，所述氧化锆具有通过将谢乐公式应用于最大强度的衍射峰而测定的小于63nm的平均晶粒尺寸。4.根据前述权利要求中任一项所述的溅射靶材，其中，所述氧化锆的X射线衍射图显示在24.2°+/-0.2°的2θ、34.3°+/-0.2°的2θ和50.2°+/-0.2°的2θ处的另外的峰。5.根据前述权利要求中任一项所述的溅射靶材，其中，所述氧化锆不包括具有大于70μm的直径的孔。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·西蒙斯，安德列亚斯·赫尔佐克，马库斯·舒尔特海斯，安娜·舍特，
申请(专利权)人：万腾荣先进材料德国有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE