СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИШЕНИ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦИНКА
METHOD OF MAKING ZINC OXIDE-BASED TARGET

Изобретение относится к области производства керамических материалов и предназначено для использования при изготовлении мишеней на основе оксида цинка, являющихся источником материала для магнетронного, электронно-лучевого, ионно-лучевого и других методов нанесения пленок в микро-, опто-, наноэлектронике.
Известны способы изготовления мишеней, заключающиеся в том, что готовят смесь компонентов, прессуют ее и скрепляют между собой частицы смеси путем спекания [Ю.М. Таиров, В.Ф. Цветков. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. М.: Высшая школа, 1990, 423 с.; US №5,458,753]. Известны также способы изготовления мишеней путем прессования и спекания смесей порошков основного оксидного материала и металла [RU №2382014].
Недостатком их является неравномерность распределения компонентов по объему прессовки и получаемой керамики.
Прототипом настоящего изобретения является способ изготовления мишени, легированной легкоплавким металлом, заключающийся, кроме прочего, в том, что частицы основного компонента до прессования покрывают (смачивают) слоем легирующего металла путем перетирания смеси компонентов при температуре плавления этого металла [патент RU 2280015].
Недостатком этого способа является сложность (практически, невозможность) его применения для изготовления мишени, композитной или керамической, на основе оксида цинка с содержанием металлического цинка, не являющегося легкоплавким металлом и, кроме того, интенсивно испаряющегося при нагреве до температуры плавления.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа изготовления мишени на основе оксида цинка с равномерным распределением в ней металлического цинка.
Указанная задача решается тем, что в смесь, содержащую порошок оксида цинка, вносят порошок металлического цинка и до прессования перетирают эту смесь при температуре в интервале от 100°C до 150°C. При этом металлический цинк покрывает поверхность частиц порошка оксида цинка. Затем полученную смесь прессуют и обжигают одновременно с прессованием и/или после прессования. Кроме порошка оксида цинка и металлического цинка смесь может содержать легирующие и иные компоненты.
Способ основан на том, что в интервале температур от 100°C до 150°C металлический цинк размягчается и становится значительно пластичнее, чем вне этого температурного интервала. Например, сплавы цинка, имеющие хорошие антифрикционные свойства при комнатной температуре, сильно размягчаются при температуре в интервале от 100°C до 150°C, и цинк намазывается навалы [http://vtormet.narod.ru/zn.htm].
Вариантом способа может служить способ изготовления композитной мишени, в котором после перетирания смеси при температуре от 100°C до 150°C производят ее прессование в том же интервале температур. При этом происходит упрочнение мшени из-за слипания частиц смеси, благодаря пластичному в данном температурном диапазоне цинку, а также дополнительное уплотнение смеси за счет уменьшения трения между частицами, т.к. размягченный цинк играет в данном случае роль смазки, облегчая как свободное, так и деформационное проскальзывание частиц при прессовании. Для многих применений мишеней прочность и плотность, получаемые после описанного прессования материала, вполне достаточны, т.е. материал можно считать уже синтезированным, благодаря тому, что вне интервала температур от 100°C до 150°C цинк приобретает высокую твердость, обеспечивающую прочность получаемых предлагаемым способом мишеней. При этом дополнительный высокотемпературный отжиг не нужен.
Другим вариантом способа может служить способ изготовления мишени, в котором после перетирания смеси при температуре от 100°C до 150°C производят ее прессование в том же интервале температур или при другой температуре, а затем проводят обжиг материала мишени при более высокой температуре в интервале от 400°C до 1450°C по заданной программе.
Вариантом способа является способ, при котором нужную температуру при перетирании и/или при спекании обеспечивают СВЧ-нагревом. Наличие проводящих слоев цинка на поверхности частиц оксида цинка, имеющего низкую проводимость, делает спекание СВЧ-нагревом особенно эффективным.
2
3
Пример осуществления предлагаемого способа. Готовят смесь из порошка оксида цинка с порошком металлического цинка (0,25 в.ч. от количества оксида цинка) и с легирующими компонентами (3 ат.% галлия и 1 ат.% бора в виде оксида бора. Смесь перетирают в течение 30 мин в шаровой мельнице при температуре 130°C, а затем выдерживают 10 минут под давлением 1 Т/см при той же температуре. Полученная керамика имеет плотность 5,43 г/см.
2
3
Второй пример. Смесь порошка оксида цинка с порошком металлического цинка (0,1 от веса оксида цинка) и с легирующими компонентами (3 ат.% галлия и 1ат.% бора в виде оксида бора) перетирают при 130°C в шаровой мельнице в течение 30 мин, а затем прессуют под давлением 1 Т/см при той же температуре в течение 10 мин. Затем производят спекание в замкнутом объеме при температуре 1400°C в течение 2 часов (давление паров цинка при этом превышает атмосферное, как, например, в способах по патентам №2439454 или №2382014). Плотность получаемой при этом керамики, 5,7 г/см, превышает плотность монокристаллического оксида цинка (за счет наличия сверхстехиометрического цинка).
2
3
Третий пример. Готовят такую же смесь, как во втором примере. Перетирают смесь в шаровой мельнице при температуре 130°C в течение 6 ч. Затем проводят синтез керамики в 2 этапа. На первом этапе проводят прессование со спеканием методом искрового плазменного спекания (метод SPS) при температуре 950°C и давлении 500 кГ/см в атмосфере аргона в течение 2 мин. На втором этапе проводят спекание без приложения давления в открытой атмосфере при температуре 1400°C в течение 2 часов. Плотность получаемой керамики при этом составляет 5,69 г/см.
1. На рисунке 1 приведены результаты исследования смесей, подвергнутых перемешиванию при 130°C. Видно, что за 40 часов перемешивания размер кристаллитов оксида цинка уменьшается до 30 нм, а за 90 часов - до 15 нм.
2
2. На рисунке 2 приведена выполненная с помощью электронного микроскопа (SEM Leo-1450, Карл Цейсс) фотография скола керамики, полученной предлагаемым способом. В данном случае перетирающее перемешивание описанной выше смеси проводили в шаровой мельнице при температуре около 130°C в течение 6 ч. Спекание проводили методом горячего прессования при давлении 500 кГ/см и при температуре спекания 420°C в атмосфере аргона в течение 5 мин.
2
3
3. На рисунке 3 приведена выполненная с помощью электронного микроскопа фотография скола керамики, полученной другим вариантом предлагаемого способа. Перетирающее перемешивание проводили в шаровой мельнице при температуре около 130°C в течение 6 ч. Затем провели синтез керамики в 2 этапа. На первом этапе спекание проводили методом искрового плазменного спекания (метод SPS) при температуре 950°C и давлении 500 кГ/см в атмосфере аргона в течение 2 мин. Дальнейшее спекание проведено без приложения давления в открытой атмосфере при температуре 1400°C в течение 2 часов. Плотность керамики составила 5,69 г/см.
Проведенный рентгеноструктурный анализ не обнаружил в керамике самостоятельной металлической фазы цинка. Низкое удельное сопротивление мишеней и черный цвет керамики свидетельствует о формировании на поверхности зерен ZnO легкоплавкой фазы ZnO (На фотографиях на рисунках 2 и 3 цвет керамики на сколах белый, а не черный, как сказано выше, - однако это не цвет керамики, а цвет свечения люминофора в электронном микроскопе).
Предлагаемый способ обеспечивает создание мишени с требуемым соотношением цинка и кислорода в составе изделия. Такие мишени позволяют проводить синтез слоев при требуемом соотношении потоков цинка и кислорода к растущей поверхности. В частности, сораспыление цинка и оксида цинка при определенных их соотношениях позволяет исключить формирование столбчатых структур в синтезированных слоях оксида цинка, что приводит к существенному улучшению кристаллического совершенства слоев, повышению электрической подвижности носителей и, соответственно, росту электрической проводимости слоев [RU №2307713].
Предлагаемый способ позволяет также обеспечивать высокую степень равномерности распределения компонентов по объему мишени и высокую однородность свойств по поверхности слоев, получаемых с помощью такой мишени.
Предлагаемый способ позволяет также получать более плотные мишени, при менее высокой температуре, с меньшим расходом энергии и времени.