專利名稱：濺射靶及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的高速濺射靶的制備方法，尤其涉及一種具有高電導(dǎo)率的含有亞化學(xué)計(jì)量二氧化鈦的，用于大功率D.C.濺射的濺射靶的制備方法。
背景技術(shù)：
通常用各種氧化物(如二氧化硅)和氮化物(如氮化硅)的濺射涂層在多種襯底上形成具有重要特性的光學(xué)涂層。已知這種光學(xué)涂層的應(yīng)用場(chǎng)合包括玻璃窗上的低輻射率膜，反射鏡上的冷反射鏡，鏡框玻璃或TV屏幕上照相版和防反射涂層的增強(qiáng)鏡。通常這些涂層都是由幾種不同反射指數(shù)的不同涂層疊加而成，優(yōu)選地將高低反射指數(shù)的涂層相結(jié)合，生產(chǎn)濾光片。對(duì)于防反射涂層，優(yōu)選地將可能呈現(xiàn)最高和最低反射指數(shù)的兩種材料相結(jié)合。這種材料是二氧化鈦和二氧化硅。這些材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是耐用性強(qiáng)。對(duì)玻璃窗上的低輻射率膜來(lái)說(shuō)，優(yōu)選地將銀涂層與一種高反射指數(shù)的材料相結(jié)合，以減少銀層的反射，改進(jìn)光的透射。
二氧化鈦涂層具有很高的反射指數(shù)，由此它能用于提供高反射指數(shù)的涂層，或者為光學(xué)疊加層提供高反射指數(shù)的涂層。生產(chǎn)二氧化鈦涂層的現(xiàn)有工藝包括使用鈦金屬作為濺射靶，使用氧氣作為等離子氣體中的一個(gè)組分。由此在濺射過(guò)程中將鈦轉(zhuǎn)變成二氧化鈦。盡管這種工藝能夠生產(chǎn)出滿意的二氧化鈦涂層，但是沉積速率非常低，比用氧化鋅和/或氧化錫涂覆的速率低得多。
作為二氧化鈦的代用材料，建議使用另一種材料如氧化鈮。盡管可以使用鈮金屬靶，以稍高于采用鈦的等同方法的速率在襯底上涂布二氧化鈮，但鈮非常昂貴。
JP-A-07-233469描述了一種通過(guò)在非氧化氣氛中以熱壓二氧化鈦粉末，并將壓制品燒結(jié)成塊來(lái)制備濺射靶的方法。燒結(jié)后的壓制品含有TiOx，其中1＜x＜2，電阻率為10ohm.cm，它對(duì)大功率的D.C濺射來(lái)說(shuō)太高了。而濺射過(guò)程的穩(wěn)定性和電弧速率兩者都極大地取決于靶的電導(dǎo)率，尤其是在大功率下。
JP-A-62-161945描述了一種生產(chǎn)陶瓷濺射靶的方法，其中采用水等離子體噴涂主要含有ZrO2、TiO2、SiO2、Ta2O3、Al2O3、Fe2O3或這些材料混合物的陶瓷材料，以生產(chǎn)一種可用作濺射靶的成形體。該濺射靶用于非導(dǎo)電靶材料的高頻率濺射。
因此，需要一種改進(jìn)的含有亞化學(xué)計(jì)量TiO2的濺射靶的制備方法，該方法不包括JP-A-07-233469的熱壓和燒結(jié)步驟，能夠生產(chǎn)出電導(dǎo)率足夠高的可用作大功率下復(fù)雜形狀的大型靶。

發(fā)明內(nèi)容
目前，我們意外地發(fā)現(xiàn)，可在大功率下從含有亞化學(xué)計(jì)量二氧化鈦的靶可以D.C.濺射二氧化鈦，在襯底上提供一種亞化學(xué)計(jì)量或化學(xué)計(jì)量的涂層。
因此，本發(fā)明提供了一種制備濺射靶的方法，該靶含有亞化學(xué)計(jì)量二氧化鈦TiOx，其中x小于2，電導(dǎo)率小于0.5ohm.cm，還可以與二氧化鈮混合，該方法包括在缺氧和不含含氧化合物的氣氛中，在靶基底上以等離子噴涂二氧化鈦TiO2，還可以是噴涂與氧化鈮的混合物，在防止亞化學(xué)計(jì)量的二氧化鈦與氧結(jié)合的條件下，經(jīng)冷卻固化的TiOx即被涂覆到靶基底上。
亞化學(xué)計(jì)量的二氧化鈦TiOx，其中x小于2，在已有技術(shù)領(lǐng)域，已知x通常從1.55到1.95。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)濺射靶時(shí)，電導(dǎo)率將會(huì)改變，這取決于化學(xué)計(jì)量，最優(yōu)選的電導(dǎo)率為0.02ohm.cm。
在實(shí)施本發(fā)明方法時(shí)，將二氧化鈦TiO2以等離子濺射在靶基底上，如襯管或襯板，例如導(dǎo)電材料的靶基底，如不銹鋼或鈦金屬、鋁或銅。靶可以是任何一種已有技術(shù)公知類型的靶，例如轉(zhuǎn)動(dòng)靶或平面磁控靶。
在等離子噴涂過(guò)程中，等離子火焰對(duì)二氧化鈦?zhàn)饔?，使二氧化鈦從其晶格失去一些氧原子，?yōu)選地從其顆粒表面失去氧原子。二氧化鈦被轉(zhuǎn)變成亞化學(xué)計(jì)量形式，即偏離化學(xué)計(jì)量的缺氧的二氧化鈦。用于等離子噴涂的主要等離子氣體最好是氬氣，可用氫氣作次要等離子氣體，以便使顆粒溫度達(dá)到最高。經(jīng)等離子噴涂的二氧化鈦?zhàn)詈闷淞皆?-60微米的范圍內(nèi)，優(yōu)選地從1微米到20微米。在防止亞化學(xué)計(jì)量的二氧化鈦再獲取氧轉(zhuǎn)以再變成TiO2的條件下，對(duì)涂覆在靶基底上的亞化學(xué)計(jì)量的二氧化鈦進(jìn)行固化。優(yōu)選地在等離子噴涂過(guò)程中，對(duì)靶基底進(jìn)行水冷卻，以便使呈亞化學(xué)計(jì)量的二氧化鈦驟冷，并改進(jìn)其電導(dǎo)率。為了生產(chǎn)出高溫等離子體和有助于還原，至關(guān)重要的是在等離子氣體中使用一定量的氫氣或氮?dú)?。由于氫具有還原能力，所以優(yōu)選地使用氫。優(yōu)選地使用高于2000℃的顆粒溫度，更優(yōu)選的是2500℃。
在本發(fā)明的一特殊實(shí)施例中，可將二氧化鈦與氧化鈮一起以等離子噴涂。
另一方面，本發(fā)明還提供一種制備亞化學(xué)計(jì)量二氧化鈦TiOx的方法，其中x小于2，電導(dǎo)率小于0.1ohm.cm，該方法包括在缺氧和不含含氧化合物的氣氛中，對(duì)二氧化鈦進(jìn)行等離子處理。在實(shí)施該方法時(shí)，優(yōu)選地通過(guò)等離子火焰噴涂二氧化鈦，例如采用氬氣和氫氣的混合物作為等離子氣體的等離子火焰。優(yōu)選地等離子火焰在高溫下操縱，以將顆粒的溫度升高到2000℃以上。
根據(jù)本發(fā)明方法生產(chǎn)的濺射靶具有很高的電導(dǎo)率，無(wú)需昂貴的電弧折流器、或D.C.開關(guān)式電源、或其中用中等頻率電源將兩個(gè)靶連續(xù)用作陽(yáng)極和陰極的Twin-mag系統(tǒng)、或任何氣體控制系統(tǒng)特殊要求，就可采用傳統(tǒng)的D.C.電源，在大功率下運(yùn)行。采用本發(fā)明方法生產(chǎn)的靶，可在高達(dá)100Kw的功率下進(jìn)行D.C.濺射。主要結(jié)論是在如長(zhǎng)3.5m、直徑150mm的可轉(zhuǎn)動(dòng)的大型靶基底上可涂覆厚達(dá)6mm的涂層。
由于二氧化鈦的熔點(diǎn)比金屬鈦高，所以用本發(fā)明方法生產(chǎn)的靶不會(huì)有明顯的電弧問(wèn)題，所謂的“蒸汽電弧”問(wèn)題是由于金屬的熔點(diǎn)較低而引起的。即使對(duì)二氧化鈦出現(xiàn)一些電弧，對(duì)靶幾乎無(wú)損害。
具體實(shí)施例方式
下面參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1
一個(gè)在內(nèi)部水冷到35℃的可轉(zhuǎn)動(dòng)的靶，包括一個(gè)直徑為133mm、長(zhǎng)為800mm的不銹鋼管，采用氬氣作為主等離子氣體，氫氣作為次等離子氣體，如上所述通過(guò)等離子噴涂粒徑為10-40μm的二氧化鈦(金紅石)，在靶上涂覆厚度為4-10mm的亞化學(xué)計(jì)量的二氧化鈦TiOx，其中x小于2。使用了72升氣體(60％氬，40％氫)。功率是45Kw(455A，96V)。
實(shí)施例2使用市場(chǎng)有售的呈銳鈦礦晶體形式的含有二氧化鈦的白顏料。這種粉末是化學(xué)計(jì)量的并且是電絕緣的。將粉末機(jī)械成團(tuán)并壓成薄片，經(jīng)研磨、篩分(70-100μm)并在空氣中于1300℃下燒結(jié)。然后將燒結(jié)體進(jìn)行研磨，并篩分成粒徑為10-40μm的顆粒。顆粒是具有金紅石晶體結(jié)構(gòu)的黃的化學(xué)計(jì)量的不導(dǎo)電的二氧化鈦。
用氬氣作為主等離子氣，氫氣作為次等離子氣，通過(guò)等離子噴涂上述金紅石粉末，以制備由鋁襯管(長(zhǎng)2.50m，直徑133mm)構(gòu)成的可轉(zhuǎn)動(dòng)的靶。使用了75升氣體(40％氬，60％氫)。功率是50Kw(110V，455A)。在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行等離子噴涂。
靶以100rpm的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，噴管移動(dòng)速度是2.5m/min，直到涂層為4mm厚。鋁管的內(nèi)側(cè)用水冷卻到35℃的溫度。涂覆后靶的電阻率為0.07ohm.cm。接著在高達(dá)100Kw的功率下，對(duì)靶進(jìn)行試驗(yàn)，在濺射設(shè)備中靶運(yùn)行狀況良好，沒(méi)有明顯的電弧產(chǎn)生。其二氧化鈦的沉積速率比用反應(yīng)氣體濺涂金屬鈦靶的沉積速率高6倍。
實(shí)施例3在200mBar的壓力下，使用粒徑為1-10μm的呈銳鈦礦類型的二氧化鈦，用低壓真空等離子體重復(fù)實(shí)施例2。采用低壓等離子體，可使用較小粒徑的粉末。
在實(shí)施例2的條件下，在靶基底上進(jìn)行噴涂，銳鈦礦被轉(zhuǎn)化成亞化學(xué)計(jì)量的金紅石類型的二氧化鈦。涂覆后的靶的電阻率為0.02ohm.cm。
實(shí)施例4對(duì)粒徑為0.1-2μm的氧化鈮(重量占25份)和二氧化鈦(重量占75份)的混合物進(jìn)行成團(tuán)和壓實(shí)，干燥后在空氣中于1300℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)。然后將燒結(jié)體研磨成粒徑為10-40μm的顆粒。
然后在實(shí)施例2給定的條件下，在鋁襯管上，將粉末混合物以等離子噴涂成4mm的涂層。涂覆后的靶的電阻率為0.5ohm.cm，因此可用作D.C.濺射靶。
權(quán)利要求
1.一種制備濺射靶的方法，該靶含有亞化學(xué)計(jì)量的二氧化鈦TiOx，其中x小于2，該方法包括在缺氧和不含含氧化合物的氣氛中，在靶基底上以等離子噴涂二氧化鈦TiO2，在防止亞化學(xué)計(jì)量的二氧化鈦與氧結(jié)合的條件下，經(jīng)冷卻固化的TiOx即被涂覆到靶基底上。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在等離子噴涂過(guò)程中，對(duì)靶基底進(jìn)行水冷卻。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，使用氬氣作為等離子氣體，氫氣作為次等離子氣體進(jìn)行等離子噴涂。
4.前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，靶基底是鈦、不銹鋼、鋁或銅。
5.權(quán)利要求4的方法，其特征在于，靶基底是可轉(zhuǎn)動(dòng)的靶或平面磁控靶。
6.前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，進(jìn)行等離子噴涂的二氧化鈦的粒徑在1-60微米的范圍內(nèi)。
7.前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，經(jīng)等離子噴涂的是二氧化鈦與Nb2O3的混合物。
8.前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，亞化學(xué)計(jì)量的二氧化鈦TiOx的x值在1.55到1.95的范圍內(nèi)。
9.前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，濺射靶的電導(dǎo)率小于0.5ohm.cm。
10.前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，濺射靶的電導(dǎo)率大約為0.02ohm.cm。
11.一種濺射靶，該靶含有亞化學(xué)計(jì)量二氧化鈦TiOx，其中x小于2，該濺射靶可通過(guò)下列方法得到，在缺氧和不含含氧化合物的氣氛中，在靶基底上等離子噴涂二氧化鈦TiO2，在防止亞化學(xué)計(jì)量的二氧化鈦與氧結(jié)合的條件下，經(jīng)冷卻固化的TiOx即被涂覆到靶基底上。
12.權(quán)利要求11的濺射靶，其特征在于，其電導(dǎo)率小于0.5ohm.cm。
13.權(quán)利要求11的濺射靶，其特征在于，其電導(dǎo)率大約為0.02ohm.cm。
14.一種制備亞化學(xué)計(jì)量二氧化鈦TiOx的方法，其中x小于2，電導(dǎo)率小于0.1ohm.cm，該方法包括在缺氧和不含任何含氧化合物的氣氛中，對(duì)二氧化鈦進(jìn)行等離子處理。
15.權(quán)利要求14的方法，其特征在于，通過(guò)溫度高于2000℃的等離子火焰噴涂二氧化鈦。
16.權(quán)利要求15的方法，其特征在于，等離子火焰采用氬氣和氫氣的混合物作為等離子氣體。
全文摘要
一種制備濺射靶的方法，該靶含有亞化學(xué)計(jì)量二氧化鈦TiO
文檔編號(hào)C23C14/34GK1727514SQ20051007130
公開日2006年2月1日 申請(qǐng)日期1997年1月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月5日
發(fā)明者J·E·M·范德爾斯特雷藤 申請(qǐng)人:比夫巴.范德斯特拉登E