专利名称：快速烧结(Ta的制作方法
技术领域：
本发明属于(Ta2O5)1-x(TiO2)x体系介电陶瓷的制备领域。
背景技术：
计算机内存分为随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两大类。RAM又可分为动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，简称DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)和视频随机存取存储器(VRAM)等。DRAM一般用作文件服务器和工作站上的主存储器，在各种计算机内存中占有最大的比例，是计算机进行存储的重要元件。
DRAM的核心是电容电介质层。目前，DRAM中的电容电介质层是用SiO2或Si3N4制成的，其优点是与半导体工艺兼容，缺点是SiO2和Si3N4的相对介电系数εr太小(分别为3.8和6.0)。随着计算机的飞速发展，要求内存单元的尺寸越来越小，因而要求DRAM的电容密度(单位面积的电容)越来越高。因此，研制出既具有大的介电系数εr和小的介电损耗又能与半导体工艺相容的新型的DRAM材料已成为当务之急。
由于Ta2O5与半导体工艺兼容，因而成为DRAM的首选材料，但是它的εr也只有36，因此，提高Ta2O5介电性能的有效途径是对其进行掺杂改性。研究Ta2O5掺杂改性的通常方法是先将掺杂了的Ta2O5制成陶瓷，找到使其介电性能达到最优的掺杂成分、浓度和制备工艺等，然后再把它研制成具有实际应用价值的电介质膜，这样就可使其成为下一代高性能微电子电容器件的首选新型材料。
目前，国际上陆续报导了一些通过掺杂改性来提高Ta2O5基陶瓷介电常数的研究工作，如美国贝尔实验室的R.F.Cava等人在Nature(《自然》杂志)1995年第377卷上发表了题为“Enhancement of the dielectricconstant of Ta2O5through substitution with TiO2”(“通过掺杂TiO2提高Ta2O5的介电常数”)一文，他的研究小组根据1968年J.L.Waring等人发表的对Ta2O5-TiO2体系相图的研究结果-即在掺杂TiO2摩尔浓度x≤0.13时，体系存在着高温单斜系的固溶相，在这个相下，Ta2O2的结构对TiO2的微量掺杂极为敏感，通过在Ta2O5中掺杂8mol％的TiO2，使其介电系数由35.4提高至126.2；美国宾夕法尼亚大学的R.Gou等人在Materials Letters(《材料快报》杂志)2002年第57卷上也发表了题为“Processing andannealing conditions on the dielectric properties of(Ta2O5)0.92(TiO2)0.08ceramics”(“烧结及退火条件对Ta2O5)0.92(TiO2)0.08陶瓷介电性质的影响”)的文章，报道了对Ta2O5掺杂8mol％TiO2陶瓷烧结工艺及对其相关性能影响的研究。
研究结果表明，在Ta2O5中掺杂微量的TiO2，可使其介电系数有较大幅度的提高。但目前的研究工作仍存在着如下问题一、Cava等人对于(Ta2O5)1-x(TiO2)x体系陶瓷的制备工艺存在着如下问题1.预烧温度偏高(1350℃)，时间偏长(几昼夜)；烧结温度相对偏高(1400℃)，时间偏长(一般24小时)；因此，这种工艺的制备周期较长，并且能耗较大，不利于工业生产。2.一般情况下，在研制介电器件时，不仅要考虑介电系数的因素，而且还要综合考虑其它性能(如介电随温度、频率和电场等变化)。研究表明，(Ta2O5)1-x(TiO2)x陶瓷随掺杂浓度不同，其介电性能也存在着一定差异。Cava等人在Ta2O5-TiO2体系高温固溶区(即TiO2掺杂摩尔浓度x≤0.13)，主要研究了x＝0.02，0.04，0.06，0.08，0.10和0.125等几个组分，其中只有x＝0.08组分的介电系数超过100(为126.2)，其余全小于100。由于介电系数大于100的组分少，因此，为后期的高介电常数器件的研制或工业生产提供的选择性较少。二、Guo等人主要对(Ta2O5)0.92(TiO2)0.08组分的烧结工艺进行了详细的研究，其特点是预烧条件为1350℃保温一般为48小时，烧结条件分别为1400℃保温28小时、1450℃保温24小时和1600℃(常规烧结炉的最高温度)保温6小时，介电系数分别为161.4、198.0和231.4。显而易见，也同样存在制备周期较长，效率低，并且能耗较大，不利于工业生产等问题。
综上所述，在Ta2O5-TiO2体系高温固溶区，即x＝0.01-0.13范围内，寻找既高效、节能又能使更多组分(即(Ta2O5)1-x(TiO2)x)的介电系数大于100的烧结工艺，是我们当前迫切的任务。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备周期短、能耗低和在其高温固溶区，即x＝0.01-0.13范围内使更多组分的介电系数大于100的烧结工艺。
本发明是通过以下方案实现的(1)将Ta2O5和TiO2粉料按配比(1-x)Ta2O5∶xTiO2在x＝0.01-0.13摩尔比的范围内进行配料，然后经球磨混合并烘干后，在1200℃下预烧12小时，再将预烧后的粉料进行球磨，并烘干；(2)将质量浓度为3％的聚乙烯醇(PVA)胶掺入烘干后的粉料，胶的重量为粉料总重量的6％，在200兆帕压力下，压制成片状坯体；(3)以100℃/小时的速率升温至1550℃，并保温1小时，然后以150℃/小时的速率降至室温，最终烧结成致密的片状陶瓷体。
与现有工艺相比，本工艺的明显优势是(1)相对已有文献的工艺，本工艺中的预烧温度降低到了1200℃，仅保温12小时；烧结时仅在1550℃保温1小时，显然，制备周期明显的缩短了，效率大大提高了；制备所需能耗也大幅度地降低了，十分便于未来的工业生产；(2)本工艺在TiO2掺杂摩尔浓度x≤0.13范围内，各组分的介电系数都有较大的提高，如x＝0.02、0.04、0.06和0.08等组分的介电系数，相对于Cava的工艺下的分别提高到4.4、4.6、2.0和1.6倍；本工艺下x＝0.08和0.04组分的介电系数与Guo等人分别在1450℃保温24小时和在1600℃保温6小时的介电系数相当(见表1)，已达到了目前(Ta2O5)1-x(TiO2)x体系介电系数最好的水平；(3)本工艺在TiO2掺杂摩尔浓度x≤0.13范围内的烧结，有多个组分的介电常数大于100，为将来的高介电常数器件的研制或工业生产提供了较大范围的选择性。
具体实施例方式
本发明所提供的是一种快速节能烧结高介电常数(Ta2O5)1-x(TiO2)x陶瓷的工艺。该工艺核心部分为将Ta2O5和TiO2粉料按配比(1-x)Ta2O5∶xTiO2在x＝0.01-0.13摩尔比的范围内进行配料，然后经18小时球磨混合后，在1200℃下预烧12小时，再将预烧后的粉料进行球磨18小时，并烘干；将质量浓度为3％的聚乙烯醇(PVA)胶掺入粉料后(胶的重量为粉料总重量的6％)，称取约1.5-1.8克重量的粉料，在200兆帕压力下，压制成直径为13mm、厚度为2mm的片状坯体；以100℃/小时的速率升温至1550℃，并保温1小时，然后以150℃/小时的速率降至室温，最终烧结成致密的片状陶瓷体，其直径一般为11.6mm，高为1.8mm；经用砂纸打磨使得陶瓷片表面平整并具有较好的平行度后，喷镀电极，最后，采用HP4284A LCR精密测量仪在25℃条件下对样品的介电性能进行测试，测试频率为1MHz，介电性能测定结果见表1。
表1所列为分别在本工艺和Cava等人的工艺下制备的(Ta2O5)1-x(TiO2)x陶瓷的相应样品的介电性能比较。
表1 不同工艺下(Ta2O5)1-x(TiO2)x陶瓷介电性能参数
以上以举例的方式对本发明的若干具体实施方式
进行了说明，但上述说明不能解释为限制本发明的保护范围。相反，在阅读以上说明后，对本领域的技术人员显而易见的一切变形或者等同方案都在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种快速烧结(Ta2O5)1-x(TiO2)x体系陶瓷的工艺，其特征在于，包括以下步骤(1)将Ta2O5和TiO2粉料按配比(1-x)Ta2O5∶xTiO2在x＝0.01-0.13摩尔比的范围内进行配料，然后经球磨混合并烘干后，在1200℃下预烧12小时，再将预烧后的粉料进行球磨，并烘干；(2)将质量浓度为3％的聚乙烯醇(PVA)胶掺入烘干后的粉料，胶的重量为粉料总重量的6％，在200兆帕压力下，压制成片状坯体；(3)以100℃/小时的速率升温至1550℃，并保温1小时，然后以150℃/小时的速率降至室温，最终烧结成致密的片状陶瓷体。
全文摘要
快速烧结(Ta
文档编号C04B35/462GK1686935SQ20051006477
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月22日 优先权日2005年4月22日
发明者王越, 朱学文, 蒋毅坚 申请人:北京工业大学