一种高纯硒靶坯、平面靶及高纯硒靶坯、平面靶制备方法与流程

1.本发明涉及高纯非金属靶材技术领域，具体涉及一种高纯硒靶坯、平面靶及高纯硒靶坯、平面靶制备方法。


背景技术：

2.硒(se)是一种稳定的直接带隙半导体，无毒，并具有适当的带隙1.8～2.0ev，可以作为光吸收层，在太阳能电池中产生光生电子空穴对，且硒价格低廉、无毒，在光伏领域有非常大的发展潜力。不仅如此，硒广泛应用于光电子技术、太阳能能量学、静电复印等领域。
3.高纯硒靶材一般应用于硒基太阳能，用于研发以硒单质作为光吸收层的太阳能电池。
4.硒具有以晶体和非晶态为分类的多种同素变形式。晶态的硒有三方硒(俗称灰硒)，α和β单斜硒；非晶态的硒有无定形硒和玻璃状硒(俗称黑硒)；其中属三方硒最稳定、理论密度最高，并且具备导电性；玻璃状硒的纯度最高，但无固定熔点，在40℃左右开始发生软化，无法用于溅射领域。
5.因此硒靶材是需要采用三方硒来制备得到，但是三方硒的纯度并不高，制得的硒靶材杂质较多，靶材密度、导电性能等性能都不太能够满足高端客户的要求。
6.为了满足高端客户对硒靶材的高纯度要求，需要研发一种高纯硒靶材的制备方法，制备出高纯度、高稳定性和高导电性兼具的硒靶材。


技术实现要素：

7.本发明的目的之一在于，提供一种高纯硒靶坯的制备方法，以解决现有技术中难以制得高纯度的三方硒靶材，不能满足高端市场的产品要求的问题，采用该高纯硒靶坯的制备方法可以有效制得高纯度且能满足高性能要求的高纯硒靶坯，从而能够进一步制得高纯硒靶材。
8.本发明另一目的在于，提供一种高纯硒靶坯，可以用于制备高纯度、高性能的高纯硒平面靶，以满足市场需求。
9.同时，本发明还有一个目的在于，提供一种高纯硒平面靶的制备方法，制得的高纯硒平面靶完整度高，不会开裂导致用于溅射时失败。
10.本发明进一步的目的在于，提供了一种高纯硒平面靶，能够满足溅射领域的高纯度、高性能等要求。
11.为实现上述目的，本发明提供了一种高纯硒靶坯的制备方法，包括如下步骤：将玻璃状的硒块在无氧状态下以10～15℃/min的升温速率升高到210～230℃后保温20～40min得到高纯硒靶坯。
12.优选的，上述的高纯硒靶坯的制备方法包括如下具体步骤：
13.步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，去除玻璃状硒块表面脏污；
14.步骤2：将玻璃状硒块放入坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；
15.步骤3：往管式气氛炉通入惰性气体将空气排出；
16.步骤4：以10～15℃/min的升温速率升高到210～230℃，然后保温20～40min得到高纯硒靶坯。
17.进一步的，所述步骤1的具体操作为：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面脏污。
18.进一步的，所述步骤2中的坩埚为内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚。
19.进一步的，所述步骤3的具体操作为：以5～10l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体10～20min，将空气排出。
20.本发明进一步提供了一种高纯硒靶坯，采用上述的高纯硒靶坯的制备方法制得。
21.本发明还提供了一种高纯硒平面靶的制备方法，由上述的高纯硒靶坯冷却后经过打磨加工步骤制得，冷却速度为12.7～17.5℃/h。
22.优选的，所述打磨加工步骤具体为：切割冷却完成后的高纯硒靶坯表面多余的材料，然后采用树脂金刚石砂轮铣面制得高纯硒平面靶。
23.优选的，所述树脂金刚石砂轮为200目的树脂金刚石砂轮，铣面转速为700～900r/min。
24.本发明还进一步提供了一种高纯硒平面靶，上述的高纯硒平面靶的制备方法制得。
25.有益效果
26.与现有技术相比，本发明至少具备以下优势：
27.(1)本发明提供了一种高纯硒靶坯的制备方法，通过控制升温速度、升温温度和保温时间来精准控制玻璃状硒转化成三方硒的过程，有效提高了高纯硒靶坯的质量，制得的高纯硒靶坯内部气孔少，且高纯硒靶坯全方位导电，不会出现局部不导电的情况发生；
28.(2)本发明的高纯硒靶坯的制备方法制备得到的高纯硒靶坯用于制得高纯硒平面靶后靶材相对密度高，导电性能佳，可以满足市场的高性能需求；
29.(3)本发明提供了一种高纯硒平面靶的制备方法，通过控制高纯硒靶坯的冷却速度来防止高纯硒靶坯内部应力得不到释放，降低了后续加工使得靶材开裂的几率；
30.(4)本发明在制备高纯硒平面靶时通过控制铣面转速来防止靶材边缘崩坏，确保了靶材的成品率。
具体实施方式
31.下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但不构成对本发明的任何限制，任何在本发明权利要求范围所做的有限次的修改，仍在本发明的权利要求范围内。
32.为了详细说明本发明的技术内容，以下结合实施方式作进一步说明。
33.实施例1
34.一种高纯硒平面靶，采用如下步骤制得：
35.步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面脏污；
36.步骤2：将玻璃状硒块放入内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；
37.步骤3：以5l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体20min，将管式气氛炉内的空气全部排出；
38.步骤4：以10℃/min的升温速率升高到210℃，然后保温40min得到高纯硒靶坯；
39.步骤5：将高纯硒靶坯随炉冷却12h至室温，取出高纯硒靶坯；
40.步骤6：将冷却完成后的高纯硒靶坯采用金刚石线切割切掉高纯硒靶坯表面多余的材料，得到特定形状的高纯硒靶坯；
41.步骤7：将步骤6得到的高纯硒靶坯固定在数控铣床上，采用200目的树脂金刚石砂轮铣面，铣面转速为700r/min，铣面完成后得到高纯硒平面靶。
42.实施例2
43.一种高纯硒平面靶，采用如下步骤制得：
44.步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面脏污；
45.步骤2：将玻璃状硒块放入内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；
46.步骤3：以5l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体20min，将管式气氛炉内的空气全部排出；
47.步骤4：以15℃/min的升温速率升高到210℃，然后保温40min得到高纯硒靶坯；
48.步骤5：将高纯硒靶坯随炉冷却12至室温，取出高纯硒靶坯；
49.步骤6：将冷却完成后的高纯硒靶坯采用金刚石线切割切掉高纯硒靶坯表面多余的材料，得到特定形状的高纯硒靶坯；
50.步骤7：将步骤6得到的高纯硒靶坯固定在数控铣床上，采用200目的树脂金刚石砂轮铣面，铣面转速为700r/min，铣面完成后得到高纯硒平面靶。
51.实施例3
52.一种高纯硒平面靶，采用如下步骤制得：
53.步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面脏污；
54.步骤2：将玻璃状硒块放入内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；
55.步骤3：以5l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体20min，将管式气氛炉内的空气全部排出；
56.步骤4：以13℃/min的升温速率升高到210℃，然后保温40min得到高纯硒靶坯；
57.步骤5：将高纯硒靶坯随炉冷却12h至室温，取出高纯硒靶坯；
58.步骤6：将冷却完成后的高纯硒靶坯采用金刚石线切割切掉高纯硒靶坯表面多余的材料，得到特定形状的高纯硒靶坯；
59.步骤7：将步骤6得到的高纯硒靶坯固定在数控铣床上，采用200目的树脂金刚石砂轮铣面，铣面转速为700r/min，铣面完成后得到高纯硒平面靶。
60.实施例4
61.一种高纯硒平面靶，采用如下步骤制得：
62.步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面
脏污；
63.步骤2：将玻璃状硒块放入内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；
64.步骤3：以5l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体20min，将管式气氛炉内的空气全部排出；
65.步骤4：以13℃/min的升温速率升高到220℃，然后保温30min得到高纯硒靶坯；
66.步骤5：将高纯硒靶坯随炉冷却12h至室温，取出高纯硒靶坯；
67.步骤6：将冷却完成后的高纯硒靶坯采用金刚石线切割切掉高纯硒靶坯表面多余的材料，得到特定形状的高纯硒靶坯；
68.步骤7：将步骤6得到的高纯硒靶坯固定在数控铣床上，采用200目的树脂金刚石砂轮铣面，铣面转速为700r/min，铣面完成后得到高纯硒平面靶。
69.实施例5
70.一种高纯硒平面靶，采用如下步骤制得：
71.步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面脏污；
72.步骤2：将玻璃状硒块放入内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；
73.步骤3：以5l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体20min，将管式气氛炉内的空气全部排出；
74.步骤4：以13℃/min的升温速率升高到230℃，然后保温30min得到高纯硒靶坯；
75.步骤5：将高纯硒靶坯随炉冷却12h至室温，取出高纯硒靶坯；
76.步骤6：将冷却完成后的高纯硒靶坯采用金刚石线切割切掉高纯硒靶坯表面多余的材料，得到特定形状的高纯硒靶坯；
77.步骤7：将步骤6得到的高纯硒靶坯固定在数控铣床上，采用200目的树脂金刚石砂轮铣面，铣面转速为700r/min，铣面完成后得到高纯硒平面靶。
78.实施例6
79.一种高纯硒平面靶，采用如下步骤制得：
80.步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面脏污；
81.步骤2：将玻璃状硒块放入内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；
82.步骤3：以5l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体20min，将管式气氛炉内的空气全部排出；
83.步骤4：以13℃/min的升温速率升高到230℃，然后保温20min得到高纯硒靶坯；
84.步骤5：将高纯硒靶坯随炉冷却12h至室温，取出高纯硒靶坯；
85.步骤6：将冷却完成后的高纯硒靶坯采用金刚石线切割切掉高纯硒靶坯表面多余的材料，得到特定形状的高纯硒靶坯；
86.步骤7：将步骤6得到的高纯硒靶坯固定在数控铣床上，采用200目的树脂金刚石砂轮铣面，铣面转速为700r/min，铣面完成后得到高纯硒平面靶。
87.实施例7
88.一种高纯硒平面靶，采用如下步骤制得：
89.步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面脏污；
90.步骤2：将玻璃状硒块放入内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；
91.步骤3：以5l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体20min，将管式气氛炉内的空气全部排出；
92.步骤4：以12℃/min的升温速率升高到230℃，然后保温20min得到高纯硒靶坯；
93.步骤5：将高纯硒靶坯随炉冷却12h至室温，取出高纯硒靶坯；
94.步骤6：将冷却完成后的高纯硒靶坯采用金刚石线切割切掉高纯硒靶坯表面多余的材料，得到特定形状的高纯硒靶坯；
95.步骤7：将步骤6得到的高纯硒靶坯固定在数控铣床上，采用200目的树脂金刚石砂轮铣面，铣面转速为700r/min，铣面完成后得到高纯硒平面靶。
96.实施例8
97.一种高纯硒平面靶，采用如下步骤制得：
98.步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面脏污；
99.步骤2：将玻璃状硒块放入内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；
100.步骤3：以10l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体10min，将管式气氛炉内的空气全部排出；
101.步骤4：以13℃/min的升温速率升高到210℃，然后保温40min得到高纯硒靶坯；
102.步骤5：将高纯硒靶坯随炉冷却12h至室温，取出高纯硒靶坯；
103.步骤6：将冷却完成后的高纯硒靶坯采用金刚石线切割切掉高纯硒靶坯表面多余的材料，得到特定形状的高纯硒靶坯；
104.步骤7：将步骤6得到的高纯硒靶坯固定在数控铣床上，采用200目的树脂金刚石砂轮铣面，铣面转速为700r/min，铣面完成后得到高纯硒平面靶。
105.实施例9
106.一种高纯硒平面靶，采用如下步骤制得：
107.步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面脏污；
108.步骤2：将玻璃状硒块放入内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；
109.步骤3：以5l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体20min，将管式气氛炉内的空气全部排出；
110.步骤4：以13℃/min的升温速率升高到210℃，然后保温40min得到高纯硒靶坯；
111.步骤5：将高纯硒靶坯随炉冷却18h至室温，取出高纯硒靶坯；
112.步骤6：将冷却完成后的高纯硒靶坯采用金刚石线切割切掉高纯硒靶坯表面多余
的材料，得到特定形状的高纯硒靶坯；
113.步骤7：将步骤6得到的高纯硒靶坯固定在数控铣床上，采用200目的树脂金刚石砂轮铣面，铣面转速为700r/min，铣面完成后得到高纯硒平面靶。
114.实施例10
115.一种高纯硒平面靶，采用如下步骤制得：
116.步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面脏污；
117.步骤2：将玻璃状硒块放入内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；
118.步骤3：以5l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体20min，将管式气氛炉内的空气全部排出；
119.步骤4：以13℃/min的升温速率升高到210℃，然后保温40min得到高纯硒靶坯；
120.步骤5：将高纯硒靶坯随炉冷却12h至室温，取出高纯硒靶坯；
121.步骤6：将冷却完成后的高纯硒靶坯采用金刚石线切割切掉高纯硒靶坯表面多余的材料，得到特定形状的高纯硒靶坯；
122.步骤7：将步骤6得到的高纯硒靶坯固定在数控铣床上，采用200目的树脂金刚石砂轮铣面，铣面转速为900r/min，铣面完成后得到高纯硒平面靶。
123.对比例1
124.大体与实施例3相同，不同之处在于，所述步骤4的升温速率为8℃/min。
125.对比例2
126.大体与实施例3相同，不同之处在于，所述步骤4的升温速率为17℃/min。
127.对比例3
128.大体与实施例3相同，不同之处在于，所述步骤4改为：以13℃/min的升温速率升高到190℃，然后保温40min得到高纯硒靶坯。
129.对比例4
130.大体与实施例3相同，不同之处在于，所述步骤4改为：以13℃/min的升温速率升高到250℃，然后保温40min得到高纯硒靶坯。
131.对比例5
132.大体与实施例3相同，不同之处在于，所述步骤4改为：以13℃/min的升温速率升高到210℃，然后保温10min得到高纯硒靶坯。
133.对比例6
134.大体与实施例3相同，不同之处在于，所述步骤4改为：以13℃/min的升温速率升高到210℃，然后保温50min得到高纯硒靶坯。
135.对比例7
136.大体与实施例3相同，不同之处在于，所述步骤5改为：将高纯硒靶坯随炉冷却8h至室温，取出高纯硒靶坯。
137.对比例8
138.大体与实施例3相同，不同之处在于，所述步骤7改为：将步骤6得到的高纯硒靶坯固定在数控铣床上，采用200目的树脂金刚石砂轮铣面，铣面转速为1200r/min，铣面完成后
得到高纯硒平面靶。
139.需要说明的是：在本发明的实施例1-10和对比例1-8中，采用氧化铝坩埚内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带是为了防止硒块与氧化铝坩埚直接接触而腐蚀污染。
140.性能测试
141.将实施例1-10和对比例1-8制得的高纯硒平面靶进行相对密度测试、内部缺陷测试和导电性测试，并目测其外观，结果如表1所示；
142.其中相对密度直接采用传统阿基米德法进行测试，内部缺陷测试直接采用超声波扫描c-scan确认，导电性采用万用表测试；
143.注：若靶材开裂或无完整形貌，则为明显不良产品，不进行上述测试。
144.表1：实施例1-10和对比例1-8的性能测试结果
[0145][0146][0147]
根据表1的性能测试结果可知：
[0148]
根据实施例1-10的结果可知，在玻璃状硒块加热转换成三方硒高纯硒靶坯过程
中，升温速率、升温温度和保温时间均会对转化效果有影响，在本发明的技术方案采用的升温速率、升温温度和保温时间范围内，虽然制得的高纯硒平面靶性能有细微的差别，但是都是符合高质量要求的产品。
[0149]
根据实施例3和对比例1的结果对比可知，过低的升温速率会影响靶材的各方面性能，推测应是过低的升温速度导致本身内部空间较多孔隙的玻璃状硒块在转化过程中，由于升温速率过慢，玻璃硒转三方硒时间变长，三方硒的晶粒长大且不均匀，从而导致外侧晶粒过大，从而出现导电不佳、出现局部不导电的现象。
[0150]
对比例2的产品产生了开裂，原因在于：1、升温速率过快，外部玻璃硒快速转为三方硒，内部来不及转化，导致内外组织不均匀；2、升温速率过快，造成材料内外应力差过大，造成开裂。
[0151]
根据实施例3和对比例3的结果对比可知，过低的升温温度会使得高纯硒平面靶出现局部不导电的现象，原因是：温度过低，达不到玻璃硒转化为三方硒的能量，转化不完全。
[0152]
根据实施例3和对比例4的结果对比可知，过高的升温温度会使得硒挥发速度加快，并且由于是整体的温度上升，高纯硒靶坯内部的硒也会加速挥发从而使得高纯硒靶坯内部产生许多气孔，大幅降低了高纯硒平面靶的相对密度。
[0153]
根据实施例3和对比例5的结果对比可知，过短的保温时间会使得玻璃状硒块转化不完全，使得大部分玻璃状硒还没转化成三方硒，因此制得的高纯硒平面靶各项性能都很差。
[0154]
根据实施例3和对比例6的结果对比可知，过高的保温时间也会使得部分硒挥发，导致高纯硒平面靶的相对密度有所下降。
[0155]
根据实施例3和对比例7的结果对比可知，本发明的技术方案中，合适的冷却速度才能制得质量好的高纯硒平面靶，原因在于，过快的冷却速度会使得高纯硒靶坯的内部应力得不到释放，在后续的铣面过程中靶材会受力开裂，成为明显的不良产品。
[0156]
根据实施例3和对比例8的结果对比可知，在铣面处理过程中，过快的铣面转速会使得靶材边缘崩边，且加工痕迹深。
[0157]
本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合选择的实施方式。所附的权利要求不应受说明本发明的实施方式所限制。在权利要求中所用的一些数值范围包括在其之内的子范围，这些范围中的变化也应为所附的权利要求覆盖。

技术特征：
1.一种高纯硒靶坯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将玻璃状的硒块在无氧状态下以10～15℃/min的升温速率升高到210～230℃后保温20～40min得到高纯硒靶坯。2.根据权利要求1所述的高纯硒靶坯的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：步骤1：取出5n纯度的玻璃状硒块，去除玻璃状硒块表面脏污；步骤2：将玻璃状硒块放入坩埚内，再将坩埚放入管式气氛炉中；步骤3：往管式气氛炉通入惰性气体将空气排出；步骤4：以10～15℃/min的升温速率升高到210～230℃，然后保温20～40min得到高纯硒靶坯。3.根据权利要求2所述的高纯硒靶坯的制备方法，其特征在于，所述步骤1的具体操作为：取出5n纯度的玻璃状硒块，用异丙醇擦拭干净玻璃状硒块表面，去除表面脏污。4.根据权利要求2所述的高纯硒靶坯的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的坩埚为内壁贴有聚酰亚胺耐高温胶带的氧化铝坩埚。5.根据权利要求2所述的高纯硒靶坯的制备方法，其特征在于，所述步骤3的具体操作为：以5～10l/min流速往管式气氛炉通入惰性气体10～20min，将空气排出。6.一种高纯硒靶坯，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的高纯硒靶坯的制备方法制得。7.一种高纯硒平面靶的制备方法，其特征在于，由权利要求6所述的高纯硒靶坯冷却后经过打磨加工步骤制得，冷却速度为12.7～17.5℃/h。8.根据权利要求7所述的高纯硒平面靶的制备方法，其特征在于，所述打磨加工步骤具体为：切割冷却完成后的高纯硒靶坯表面多余的材料，然后采用树脂金刚石砂轮铣面制得高纯硒平面靶。9.根据权利要求8所述的高纯硒平面靶的制备方法，其特征在于，所述树脂金刚石砂轮为200目的树脂金刚石砂轮，铣面转速为700～900r/min。10.一种高纯硒平面靶，其特征在于，采用权利要求7-9任一所述的高纯硒平面靶的制备方法制得。

技术总结
本发明属于高纯非金属靶材技术领域，公开了一种高纯硒靶坯、平面靶及高纯硒靶坯、平面靶制备方法；该高纯硒靶坯的制备方法包括如下步骤：将玻璃状的硒块在无氧状态下以10～15℃/min的升温速率升高到210～230℃后保温20～40min得到高纯硒靶坯。本发明提供了一种高纯硒靶坯的制备方法，通过控制升温速度、升温温度和保温时间来精准控制玻璃状硒转化成三方硒的过程，有效提高了高纯硒靶坯的质量，制得的高纯硒靶坯内部气孔少，且高纯硒靶坯全方位导电，不会出现局部不导电的情况发生。不会出现局部不导电的情况发生。


技术研发人员：谢小林 张世翔 文崇斌 潘泓羽
受保护的技术使用者：先导薄膜材料（广东）有限公司
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/10/8