专利名称：超细高氮氮化钽粉末及其制备方法
技术领域：
本发明涉及氮化钽粉末及其制备，特别是超细高氮氮化钽粉末及其制备方法。
背景技术：
氮化钽膜具有一系列优良的电学性能，如良好的热稳定性，较低的温度系数，因而在半导体、集成电路中有着重要应用。氮化钽薄膜还是一种良好的扩散阻碍膜，在铜和硅半导体连接处，为了防止铜原子向硅基体中扩散，用氮化钽膜作为扩散阻碍材料有着广泛的应用。同时，氮化钽薄膜硬度高、化学稳定性好、耐腐蚀性强、耐热和耐冲性能强，使其在工业上有很广阔的应用前景，现已成功地用于制作传真机上的高速热打印头和一些防腐耐磨材料。为了使氮化钽膜在半导体、集成电路等技术领域中的应用进一步扩展，例如将它和高比容钽粉混合，生产具有更高的内聚孔隙度、更好的热力学稳定性的高比容、低等效串联电阻的固体电容器等，就要求氮化钽粉末必须含氮量高，且其费氏粒度Fsss必须小于1um，用这种超细高氮氮化钽粉末制得的氮化钽薄膜才能满足其技术要求。Akhil Jain(Kenneth Brezinsky.Journal of American CeramicSociety，2003，86(2)222～226)等人研究了在沸腾床中，借助于微波燃烧合成Ta2N粉，但该产品的总氮含量低(理论值为3.74％)，不能满足上述技术要求，而且该制备方法设备复杂，不易产业化；H Wiesenberger(W Lengauer，P Ettmayer.ActaMaterials，1998，46(2)651～666)等人对金属钽块与氮气发生氮化情况进行了研究，认为氮化钽的生成温度必须大于等于1830℃，这样的高温对设备提出了很高的要求，且得到的是氮化钽块，加工成氮化钽薄膜的工艺和设备也必然是复杂的。
发明内容
本发明目的是克服上述已有技术存在的氮化钽粉末总氮含量低，或必须高温合成，以及制备方法及其设备复杂，技术要求高，不易产业化等缺陷，提供一种总氮含量高，费氏粒度Fsss＜1um的超细高氮氮化钽粉末，以及利用普通真空反应容器在较低的常规冶炼温度下制备该粉末的方法，实现超细高氮氮化钽粉末的产业化，满足氮化钽膜在半导体、集成电路等技术领域中进一步扩展应用的技术要求和市场需求。
为实现发明目的，本发明制备出了按重量百分比计的氮含量为6.8～7.40％，杂质总含量＜0.0090％，余量为钽，粉末费氏粒度Fsss＜1um的超细高氮氮化钽粉末。
为制备出这种超细高氮氮化钽粉末，本发明采用了两种不同的制备方法采用的第一种制备方法包括将按重量百分比计的氧含量≤0.4％，费氏粒度Fsss＜1um的低氧钽粉装入普通真空反应容器中，抽真空至压力≤0.1Pa后，升温到400～750℃，恒温1小时后充入纯度≥99.999％的高纯氮气，再升温到700～1200℃，并保持氮气压力为0.02～0.16Mpa，恒温3～5小时，然后冷却到室温后将反应产物破碎、过筛，经酸洗去除杂质，再水洗至溶液PH值为中性后烘干。
采用的第二种制备方法包括将按重量百分比计的氧含量＞0.4％，费氏粒度Fsss＜1um的高氧钽粉与用量为所述高氧钽粉重量的2～10％的镁粉充分混合均匀，装入普通真空反应容器中，抽真空至压力≤0.1Pa后，升温到400～550℃，恒温1小时后充入纯度≥99.999％的高纯氩气，升温到700～800℃，恒温2～5小时，然后抽除氩气，充入纯度≥99.999％的高纯氮气，再升温到950～1200℃，并保持氮气压力为0.02～0.16Mpa，恒温3～5小时，然后冷却到室温后将反应产物破碎、过筛，经酸洗去除杂质，再水洗至溶液PH值为中性后烘干。
本发明的优点在于采用普通真空反应容器，且反应温度在1200℃以下即可制备出超细高氮氮化钽粉末，大大节约了设备投资和能源成本，设备简单可靠，操作方便，易于实现工业化生产。采用本发明方法制备的产品用本技术领域通常使用的X射线衍射仪XRD(Cu靶，Kα射线)测定粉末的晶体结构，证明获得的产品为氮化钽；再以氧/氮联测仪分析其中氮含量，按重量百分比计均大于等于6.8％，最高可达7.39％；通过扫描电镜SEM照片可知所获高氮氮化钽粉末的费氏粒度Fsss＜1um，已成功地用在半导体、集成电路的进一步扩展应用领城中。
图1是本发明的超细高氮氮化钽粉末的扫描电镜SEM照片。
具体实施方法下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1将氧含量为0.28％(重量百分比，以下实施例都相同)、费氏粒度Fsss为0.84um的25kg低氧钽粉装入普通真空反应容器中，抽真空至压力≤0.1Pa后升温到750℃恒温1小时，再充入纯度≥99.999％的高纯氮气(氮气纯度以下实施例都相同)，升温到1200℃恒温3小时，并保持氮气压力在0.02Mpa，然后冷却到室温。将反应产物破碎、过筛，用当量浓度为3～5个化学当量的酸(盐酸，或硫酸，或硝酸；以下实施例相同)10L进行酸洗，再水洗至溶液PH值为中性后烘干。对制备的粉末取样分析，其化学成分及重量百分比与费氏粒度见表1。
实施例2将含氧量为0.40％、费氏粒度Fsss为0.80um的25kg低氧钽粉装入普通真空反应容器中，抽真空至压力≤0.1Pa后升温到450℃恒温1小时，再充入氮气，升温到700℃恒温5小时，并保持氮气压力在0.16Mpa，然后冷却到室温。将反应产物破碎、过筛，用当量浓度为3～5个化学当量的酸10L进行酸洗，再水洗至溶液PH值为中性后烘干。对制备的粉末取样分析，其化学成分及重量百分比与费氏粒度见表1。
实施例3将含氧量为0.35％、费氏粒度Fsss为0.78um的25kg低氧钽粉装入普通真空反应容器中，抽真空至压力≤0.1Pa后升温到550℃恒温1小时，再充入氮气，升温到900℃恒温5小时，并保持氮气压力在0.12Mpa，然后冷却到室温。将反应产物破碎、过筛，用当量浓度为3～5个化学当量的酸10L进行酸洗，再水洗至溶液PH值为中性后烘干。对制备的粉末取样分析，其化学成分及重量百分比与费氏粒度见表1。
实施例4将含氧量为1.20％、费氏粒度Fsss为0.84um的25kg高氧钽粉与2.5kg镁粉(用量为所述高氧钽粉重量的10％)充分混合均匀，装入普通真空反应容器中，抽真空至压力≤0.1Pa后升温到400℃恒温1小时，再充入纯度≥99.999％的高纯氩气(氩气纯度以下实施例都相同)，升温到700～800℃恒温2小时，然后抽除氩气，再充入氮气，升温到950℃恒温5小时，并保持氮气压力在0.02Mpa，然后冷却到室温。将反应产物破碎、过筛，用当量浓度为3～5个化学当量的酸30L进行酸洗，再水洗至溶液PH值为中性后烘干。对制备的粉末取样分析，其化学成分及重量百分比与费氏粒度见表1。
实施例5将含氧量为0.6％、费氏粒度Fsss为0.80um的25kg高氧钽粉与0.5kg镁粉(用量为所述高氧钽粉重量的2％)充分混合均匀，装入普通真空反应容器中，抽真空至压力≤0.1Pa后升温到550℃恒温1小时，再充入氩气，升温到700～800℃恒温5小时，然后抽除氩气，再充入氮气，升温到950℃恒温5小时，并保持氮气压力在0.16Mpa，然后冷却到室温。将反应产物破碎、过筛，用当量浓度为3～5个化学当量的酸20L进行酸洗，再水洗至溶液PH值为中性后烘干。对制备的粉末取样分析，其化学成分及重量百分比与费氏粒度见表1。
实施例6将含氧量为0.67％、费氏粒度Fsss为0.66um的20kg高氧钽粉与1kg镁粉(用量为所述高氧钽粉重量的5％)充分混合均匀，装入普通真空反应容器中，抽真空至压力≤0.1Pa后升温到400℃恒温1小时，再充入氩气，升温到700～800℃恒温3小时，然后抽除氩气，再充入氮气，升温到1200℃恒温3小时，并保持氮气压力在0.12Mpa，然后冷却到室温。将反应产物破碎、过筛，用当量浓度为3～5个化学当量的酸20L进行酸洗，再水洗至溶液PH值为中性后烘干。对制备的粉末取样分析，其化学成分及重量百分比与费氏粒度见表1。
表1本发明超细高氮氮化钽粉末的化学成分、重量百分比及费氏粒度 如表1所示，本发明方法制取的超细高氮氮化钽粉末的总氮含量按重量百分比计时均高于6.8％，最高为7.39％，杂质Fe、Ni、Cr、Si、K和Na等的总含量小于0.0090％，在通常允许的杂质含量范围内，余量为Ta，且粉末费氏粒度Fsss均小于1um(附图1为实施例2的扫描电镜SEM照片，其余与该照片基本相同)。
权利要求
1.一种超细高氮氮化钽粉末，其特征在于按重量百分比计的氮含量为6.8～7.40％，杂质总含量＜0.0090％，余量为钽，粉末的费氏粒度Fsss＜1um。
2.一种权利要求1所述的超细高氮氮化钽粉末的制备方法，包括将按重量百分比计的氧含量≤0.4％，费氏粒度Fsss＜1um的低氧钽粉装入普通真空反应容器中，抽真空至压力≤0.1Pa后，升温到400～750℃，恒温1小时后充入高纯氮气，再升温到700～1200℃，并保持氮气压力为0.02～0.16Mpa，恒温3～5小时，然后冷却到室温后将反应产物破碎、过筛，经酸洗去除杂质，再水洗至溶液PH值为中性后烘干。
3.一种权利要求1所述的超细高氮氮化钽粉末的制备方法，包括将按重量百分比计的氧含量＞0.4％，费氏粒度Fsss＜1um的高氧钽粉与用量为所述高氧钽粉重量的2～10％的镁粉充分混合均匀，装入普通真空反应容器中，抽真空至压力≤0.1Pa后，升温到400～550℃，恒温1小时后充入高纯氩气，升温到700～800℃，恒温2～5小时，然后抽除氩气，充入高纯氮气，再升温到950～1200℃，并保持氮气压力为0.02～0.16Mpa，恒温3～5小时，然后冷却到室温后将反应产物破碎、过筛，经酸洗去除杂质，再水洗至溶液PH值为中性后烘干。
全文摘要
本发明公开了一种超细高氮氮化钽粉末及其制备方法。该氮化钽粉末的氮含量为6.8～7.40％，杂质总含量＜0.0090％，余量为钽，费氏粒度Fsss＜1um。其制备方法1为将氧含量≤0.4％的低氧钽粉装入普通真空反应器，抽真空至压力≤0.1Pa后升温到400～750℃，恒温后充入氮气再升温到700～1200℃，并在氮气压力为0.02～0.1 6Mpa下恒温；其制备方法2为将氧含量＞0.4％的高氧钽粉与为钽粉重量2～10％的镁粉混合装入普通真空反应器，抽真空至压力≤0.1Pa后升温到400～550℃，恒温后充入高纯氩气升温到700～800℃，恒温后抽除氩气充入氮气，再升温到950～1200℃，并在氮气压力为0.02～0.16Mpa下恒温，二种制备方法的反应产物在冷却到室温后破碎、过筛，酸洗除杂，水洗烘干。
文档编号C01B21/00GK1699147SQ20051003158
公开日2005年11月23日 申请日期2005年5月24日 优先权日2005年5月24日
发明者潘泽强, 王时光, 杨声海, 何坤池 申请人:株洲硬质合金集团有限公司