專利名稱：快速燒結(jié)(Ta的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于(Ta2O5)1-x(TiO2)x體系介電陶瓷的制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)內(nèi)存分為隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)兩大類。RAM又可分為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Dynamic Random Access Memory，簡稱DRAM)、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)和視頻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(VRAM)等。DRAM一般用作文件服務(wù)器和工作站上的主存儲(chǔ)器，在各種計(jì)算機(jī)內(nèi)存中占有最大的比例，是計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)的重要元件。
DRAM的核心是電容電介質(zhì)層。目前，DRAM中的電容電介質(zhì)層是用SiO2或Si3N4制成的，其優(yōu)點(diǎn)是與半導(dǎo)體工藝兼容，缺點(diǎn)是SiO2和Si3N4的相對(duì)介電系數(shù)εr太小(分別為3.8和6.0)。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，要求內(nèi)存單元的尺寸越來越小，因而要求DRAM的電容密度(單位面積的電容)越來越高。因此，研制出既具有大的介電系數(shù)εr和小的介電損耗又能與半導(dǎo)體工藝相容的新型的DRAM材料已成為當(dāng)務(wù)之急。
由于Ta2O5與半導(dǎo)體工藝兼容，因而成為DRAM的首選材料，但是它的εr也只有36，因此，提高Ta2O5介電性能的有效途徑是對(duì)其進(jìn)行摻雜改性。研究Ta2O5摻雜改性的通常方法是先將摻雜了的Ta2O5制成陶瓷，找到使其介電性能達(dá)到最優(yōu)的摻雜成分、濃度和制備工藝等，然后再把它研制成具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的電介質(zhì)膜，這樣就可使其成為下一代高性能微電子電容器件的首選新型材料。
目前，國際上陸續(xù)報(bào)導(dǎo)了一些通過摻雜改性來提高Ta2O5基陶瓷介電常數(shù)的研究工作，如美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的R.F.Cava等人在Nature(《自然》雜志)1995年第377卷上發(fā)表了題為“Enhancement of the dielectricconstant of Ta2O5through substitution with TiO2”(“通過摻雜TiO2提高Ta2O5的介電常數(shù)”)一文，他的研究小組根據(jù)1968年J.L.Waring等人發(fā)表的對(duì)Ta2O5-TiO2體系相圖的研究結(jié)果-即在摻雜TiO2摩爾濃度x≤0.13時(shí)，體系存在著高溫單斜系的固溶相，在這個(gè)相下，Ta2O2的結(jié)構(gòu)對(duì)TiO2的微量摻雜極為敏感，通過在Ta2O5中摻雜8mol％的TiO2，使其介電系數(shù)由35.4提高至126.2；美國賓夕法尼亞大學(xué)的R.Gou等人在Materials Letters(《材料快報(bào)》雜志)2002年第57卷上也發(fā)表了題為“Processing andannealing conditions on the dielectric properties of(Ta2O5)0.92(TiO2)0.08ceramics”(“燒結(jié)及退火條件對(duì)Ta2O5)0.92(TiO2)0.08陶瓷介電性質(zhì)的影響”)的文章，報(bào)道了對(duì)Ta2O5摻雜8mol％TiO2陶瓷燒結(jié)工藝及對(duì)其相關(guān)性能影響的研究。
研究結(jié)果表明，在Ta2O5中摻雜微量的TiO2，可使其介電系數(shù)有較大幅度的提高。但目前的研究工作仍存在著如下問題一、Cava等人對(duì)于(Ta2O5)1-x(TiO2)x體系陶瓷的制備工藝存在著如下問題1.預(yù)燒溫度偏高(1350℃)，時(shí)間偏長(幾晝夜)；燒結(jié)溫度相對(duì)偏高(1400℃)，時(shí)間偏長(一般24小時(shí))；因此，這種工藝的制備周期較長，并且能耗較大，不利于工業(yè)生產(chǎn)。2.一般情況下，在研制介電器件時(shí)，不僅要考慮介電系數(shù)的因素，而且還要綜合考慮其它性能(如介電隨溫度、頻率和電場等變化)。研究表明，(Ta2O5)1-x(TiO2)x陶瓷隨摻雜濃度不同，其介電性能也存在著一定差異。Cava等人在Ta2O5-TiO2體系高溫固溶區(qū)(即TiO2摻雜摩爾濃度x≤0.13)，主要研究了x＝0.02，0.04，0.06，0.08，0.10和0.125等幾個(gè)組分，其中只有x＝0.08組分的介電系數(shù)超過100(為126.2)，其余全小于100。由于介電系數(shù)大于100的組分少，因此，為后期的高介電常數(shù)器件的研制或工業(yè)生產(chǎn)提供的選擇性較少。二、Guo等人主要對(duì)(Ta2O5)0.92(TiO2)0.08組分的燒結(jié)工藝進(jìn)行了詳細(xì)的研究，其特點(diǎn)是預(yù)燒條件為1350℃保溫一般為48小時(shí)，燒結(jié)條件分別為1400℃保溫28小時(shí)、1450℃保溫24小時(shí)和1600℃(常規(guī)燒結(jié)爐的最高溫度)保溫6小時(shí)，介電系數(shù)分別為161.4、198.0和231.4。顯而易見，也同樣存在制備周期較長，效率低，并且能耗較大，不利于工業(yè)生產(chǎn)等問題。
綜上所述，在Ta2O5-TiO2體系高溫固溶區(qū)，即x＝0.01-0.13范圍內(nèi)，尋找既高效、節(jié)能又能使更多組分(即(Ta2O5)1-x(TiO2)x)的介電系數(shù)大于100的燒結(jié)工藝，是我們當(dāng)前迫切的任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備周期短、能耗低和在其高溫固溶區(qū)，即x＝0.01-0.13范圍內(nèi)使更多組分的介電系數(shù)大于100的燒結(jié)工藝。
本發(fā)明是通過以下方案實(shí)現(xiàn)的(1)將Ta2O5和TiO2粉料按配比(1-x)Ta2O5∶xTiO2在x＝0.01-0.13摩爾比的范圍內(nèi)進(jìn)行配料，然后經(jīng)球磨混合并烘干后，在1200℃下預(yù)燒12小時(shí)，再將預(yù)燒后的粉料進(jìn)行球磨，并烘干；(2)將質(zhì)量濃度為3％的聚乙烯醇(PVA)膠摻入烘干后的粉料，膠的重量為粉料總重量的6％，在200兆帕壓力下，壓制成片狀坯體；(3)以100℃/小時(shí)的速率升溫至1550℃，并保溫1小時(shí)，然后以150℃/小時(shí)的速率降至室溫，最終燒結(jié)成致密的片狀陶瓷體。
與現(xiàn)有工藝相比，本工藝的明顯優(yōu)勢是(1)相對(duì)已有文獻(xiàn)的工藝，本工藝中的預(yù)燒溫度降低到了1200℃，僅保溫12小時(shí)；燒結(jié)時(shí)僅在1550℃保溫1小時(shí)，顯然，制備周期明顯的縮短了，效率大大提高了；制備所需能耗也大幅度地降低了，十分便于未來的工業(yè)生產(chǎn)；(2)本工藝在TiO2摻雜摩爾濃度x≤0.13范圍內(nèi)，各組分的介電系數(shù)都有較大的提高，如x＝0.02、0.04、0.06和0.08等組分的介電系數(shù)，相對(duì)于Cava的工藝下的分別提高到4.4、4.6、2.0和1.6倍；本工藝下x＝0.08和0.04組分的介電系數(shù)與Guo等人分別在1450℃保溫24小時(shí)和在1600℃保溫6小時(shí)的介電系數(shù)相當(dāng)(見表1)，已達(dá)到了目前(Ta2O5)1-x(TiO2)x體系介電系數(shù)最好的水平；(3)本工藝在TiO2摻雜摩爾濃度x≤0.13范圍內(nèi)的燒結(jié)，有多個(gè)組分的介電常數(shù)大于100，為將來的高介電常數(shù)器件的研制或工業(yè)生產(chǎn)提供了較大范圍的選擇性。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所提供的是一種快速節(jié)能燒結(jié)高介電常數(shù)(Ta2O5)1-x(TiO2)x陶瓷的工藝。該工藝核心部分為將Ta2O5和TiO2粉料按配比(1-x)Ta2O5∶xTiO2在x＝0.01-0.13摩爾比的范圍內(nèi)進(jìn)行配料，然后經(jīng)18小時(shí)球磨混合后，在1200℃下預(yù)燒12小時(shí)，再將預(yù)燒后的粉料進(jìn)行球磨18小時(shí)，并烘干；將質(zhì)量濃度為3％的聚乙烯醇(PVA)膠摻入粉料后(膠的重量為粉料總重量的6％)，稱取約1.5-1.8克重量的粉料，在200兆帕壓力下，壓制成直徑為13mm、厚度為2mm的片狀坯體；以100℃/小時(shí)的速率升溫至1550℃，并保溫1小時(shí)，然后以150℃/小時(shí)的速率降至室溫，最終燒結(jié)成致密的片狀陶瓷體，其直徑一般為11.6mm，高為1.8mm；經(jīng)用砂紙打磨使得陶瓷片表面平整并具有較好的平行度后，噴鍍電極，最后，采用HP4284A LCR精密測量儀在25℃條件下對(duì)樣品的介電性能進(jìn)行測試，測試頻率為1MHz，介電性能測定結(jié)果見表1。
表1所列為分別在本工藝和Cava等人的工藝下制備的(Ta2O5)1-x(TiO2)x陶瓷的相應(yīng)樣品的介電性能比較。
表1 不同工藝下(Ta2O5)1-x(TiO2)x陶瓷介電性能參數(shù)

以上以舉例的方式對(duì)本發(fā)明的若干具體實(shí)施方式
進(jìn)行了說明，但上述說明不能解釋為限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。相反，在閱讀以上說明后，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的一切變形或者等同方案都在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種快速燒結(jié)(Ta2O5)1-x(TiO2)x體系陶瓷的工藝，其特征在于，包括以下步驟(1)將Ta2O5和TiO2粉料按配比(1-x)Ta2O5∶xTiO2在x＝0.01-0.13摩爾比的范圍內(nèi)進(jìn)行配料，然后經(jīng)球磨混合并烘干后，在1200℃下預(yù)燒12小時(shí)，再將預(yù)燒后的粉料進(jìn)行球磨，并烘干；(2)將質(zhì)量濃度為3％的聚乙烯醇(PVA)膠摻入烘干后的粉料，膠的重量為粉料總重量的6％，在200兆帕壓力下，壓制成片狀坯體；(3)以100℃/小時(shí)的速率升溫至1550℃，并保溫1小時(shí)，然后以150℃/小時(shí)的速率降至室溫，最終燒結(jié)成致密的片狀陶瓷體。
全文摘要
快速燒結(jié)(Ta
文檔編號(hào)C04B35/462GK1686935SQ20051006477
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者王越, 朱學(xué)文, 蔣毅堅(jiān) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)