鉬粉粒徑對鉬鈦薄膜性能的影響

2020-01-01 07:33:16劉仁智

中國鉬業 2019年6期

席莎，安耿，李晶，韓強，劉仁智，趙虎

(金堆城鉬業股份有限公司技術中心，陜西西安 710077)

0 引言

近年來，全球液晶面板行業在液晶顯示器、手機等下游需求的帶動下，保持穩定的發展態勢。而日本、韓國、中國臺灣過去對中國大陸一直采取產業限制政策，中國液晶面板產業面臨技術上的封鎖，大尺寸液晶面板只能依賴進口。現在中國已經獲得突破這種封鎖的機會，國內不斷加快液晶面板生產線建設，處于爬坡期的華星光電和京東方面板產能不斷提高。

當前，平面顯示器中的導電膜材料主要是鋁，其阻擋層材料主要是用鉬作為濺射靶材形成鉬薄膜。眾所周知按成分可將靶材分為純金屬靶材、合金靶材和陶瓷化合物靶材[1-2]等。而隨著平面顯示器面板尺寸的大型化，要求電阻率更小的導電膜材料，而銅代替鋁的趨勢正在形成，這也就需要新的擴散阻擋層，來代替純鉬作為阻擋層[3]。實踐表明，鉬鈦合金是替代純鉬的最好材料之一[4-5]。鉬鈦合金靶材的性能對所制備的薄膜性能有著至關重要的影響[6-8]，為此，本研究分別以細鉬粉與常規鉬粉為原料，研究和分析了不同鉬粉粒徑所制得鉬鈦合金靶材其濺射薄膜的性能，以期尋求適合的原料鉬粉來制備鉬鈦合金靶材。

1 實驗

實驗原料選用兩種粒徑的鉬粉，一種為細鉬粉(記為1#)，一種為粒度大小相對均勻的大粒度鉬粉(記為2#)，這兩種鉬粉的費氏粒度(Fsss)分別為2.0～2.5 μm和4.5～5.0 μm左右。鈦粉為高純鈦粉，其費氏粒度(Fsss)為8.0～8.5 μm。分別稱取適量化學計量比的原料鉬粉與鈦粉放入三維混料機中，混料罐中按球料比1∶4放入適量鉬球，充分混合數小時后將混合好的鉬鈦粉過96 μm篩；將制備好的鉬鈦合金粉采用適當的冷等靜壓工藝壓制成板坯；經過板坯機加工整形—包套焊接封裝—熱等靜壓工藝燒結—去包套機加工等工藝，制備出合格的鉬鈦合金靶材。

采用Msp-300c型雙室多靶磁控濺射鍍膜設備對兩種鉬鈦合金靶材進行薄膜濺射，襯底采用厚度為1.2 mm拋光普通載玻片，鍍膜前將襯底分別用丙酮超聲洗30 min，酒精超聲洗20 min，用去離子水洗10 min，然后用氮氣吹干后迅速放入真空室。濺射系統的初始真空為4×10-3Pa，薄膜濺射時的真空度維持在0.133 Pa，濺射氣體為99.999%的高純氬氣，流量大小為20 mL/min，濺射功率為180 W，濺射時間為40 min。采用數字式四探針測試儀、臺階儀、Bruker-AXS D8型號的X-射線衍射儀、JEOL JSM-7000F掃描電鏡、3D共聚焦激光掃描顯微鏡OLS4000等檢測設備對所制備的濺射薄膜各項理化指標及微觀組織進行測試。

原料鉬粉及鈦粉檢測的理化指標如表1和表2所示。

表1 原料鉬粉的理化指標

表2 原料鈦粉的理化指標

2 結果與討論

2.1 不同粒徑鉬粉對靶材微觀形貌的影響

圖1為兩種鉬鈦合金粉末及經過熱等靜壓后合金靶材斷口的SEM照片。

圖1 兩種鉬鈦合金粉及靶材斷口SEM照片

從圖1可看出:由1#鉬粉制備的合金粉，其鈦粉分布在鉬粉之間，且由于鉬粉和鈦粉粒徑相差較大，可以明顯分辨出鉬粉和鈦粉，但1#鉬粉顆粒粒徑大小不均勻，大顆粒呈現類球形且基本無團聚，小顆粒基本以團聚體存在(圖1，a)；由2#鉬粉所制備的合金粉，由于兩種粉末粒徑相差不大，鈦粉可以均勻地分布在鉬粉中間，且鉬粉顆粒大小相對均勻，顆粒形貌呈類球形且基本無團聚現象(圖1，b)；由2#鉬鈦粉所制備的合金靶材，其斷口晶粒尺寸稍大于1#鉬鈦合金靶材的，且晶粒的均勻性要明顯優于1#鉬鈦合金靶材的(圖1，c，d)，這是由于1#鉬粉顆粒大小不均勻，并有鉬粉團聚現象(當顆粒團聚時，其在燒結過程中表面能下降，致使表面嚴重鈍化，形成“周圍優先燒結”的局面[9])，在燒結過程中大小不一的顆粒燒結能量不同，導致靶材晶粒大小不均勻的現象發生。

2.2 不同粒徑鉬粉對鉬鈦薄膜取向的影響

利用XRD對兩種合金所濺射沉積的薄膜晶體結構進行了測試，見圖2。

圖2 兩種鉬鈦薄膜的XRD圖譜

從圖2可看出兩種薄膜的XRD結果顯示出了相似的結果，XRD譜在40.4°和73.5°附近分別出現2個衍射峰，且衍射峰和鉬鈦合金標準卡片PDF 01-071-9821相匹配，衍射峰40.4°和73.5°附近出現的2個衍射峰分別對應(110)和(211)取向，由于(110)峰的強度要遠大于(211)峰強度，說明鉬鈦薄膜和純鉬薄膜一樣，呈現一種近似單一取向。從圖2還可以看出，2#鉬鈦合金靶材所制備的薄膜(記2#薄膜)衍射峰強度要大于1#鉬鈦合金靶材的薄膜(記1#薄膜)，且衍射峰寬度比1#薄膜的窄。這說明，2#薄膜晶粒完整度比1#薄膜的高，晶粒生長的比1#薄膜的好。

2.3 不同粒徑鉬粉對鉬鈦薄膜微觀形貌的影響

圖3分別為兩種濺射薄膜的表面SEM照片。從圖3可看出，兩種薄膜表面均表現為蠕蟲狀，平整度較好，晶粒邊界清晰，且2#薄膜的晶粒完整度較1#薄膜的要好，致密度更高，與圖2結果相一致。這是由于2#靶材的晶粒尺寸較1#靶材的稍大，其晶粒大小更均勻，在相同單位面積上2#靶材的晶界比1#靶材的要少，在晶界上原子排列不規則會造成結構較疏松，使晶界具有一些不同于晶粒的特性，在相同的濺射工藝下，晶界處的原子被優先濺射出來，離子轟擊逐漸由晶界擴展到晶內[10]，但晶界上晶粒的原子排列取向有差異，當原子被轟擊沉積在基片上時其排列就會出現差異，故晶粒大小相對均勻，晶界相對較少的靶材其濺射沉積的薄膜完整性更好。

圖3 兩種鉬鈦薄膜的SEM照片

2.4 不同粒徑鉬粉對鉬鈦薄膜導電性能的影響

表3為兩種濺射薄膜的厚度、方阻及電阻率。其中利用數字式四探針測試儀對兩種鉬鈦薄膜的方阻R進行了測試，并且利用臺階儀測量獲得薄膜的厚度d，根據薄膜電阻率ρ=R·d計算得到了薄膜的電阻率。從表3可以看出，2#薄膜的厚度比1#薄膜的要厚，但電阻率比1#薄膜的要小，這是由于2#靶材晶粒大小相對均勻，整個靶材組織更均勻，在濺射過程中濺射離子對整個表面的轟擊更均勻，最終形成整個表面的快速濺射，使得2#薄膜厚度要比1#薄膜的厚，且2#薄膜的晶粒完整度要高于1#薄膜的，使得在相同面積大小的薄膜內，晶界數目相對變少，可以減小電子傳導過程中對電子的散射，使得其電阻率要小于1#薄膜的。