一种bmn陶瓷靶材的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于陶瓷靶材制备领域，具体涉及一种BMN陶瓷靶材的制备方法。
【背景技术】
[0002] 靶材是磁控溅射镀膜的溅射源，靶材的好坏对薄膜的性能起至关重要的作用，因 此高品质的靶材是保证薄膜质量的前提和基础，大量研宄表明，影响靶材品质的因素主要 有：纯度、致密度、结构取向、晶粒大小及分布、尺寸、形状等，其中衡量靶材品质最重要的指 标是靶材的相对密度、纯度、结晶取向及其微观结构的均匀性。
[0003] 溅射过程对靶材的致密度的要求很高，如果靶材结构的致密性较差，具有高能量 密度的Ar+轰击靶材时，会导致靶表面大块物质的剥落，从而使得薄膜表面具有较多的大 颗粒。这将严重影响薄膜表面的平整度，最终导致薄膜性能的恶化。此外，磁控溅射过程中 高能量密度的Ar+轰击，也会导致靶材的升温，为了能够更好地承受靶材内部的热应力，因 此需要获得高密度和高强度的靶材。
[0004] 靶材的纯度是靶材品质的主要性能指标之一。薄膜性能的好坏很大程度上受靶材 纯度的影响。溅射沉积薄膜的主要污染源是靶材中的杂质以及靶材气孔中的氧气和水。实 际应用中，靶材的用途对其所含杂质含量有不同的要求。
[0005] 人们已采用射频磁控溅射（RF splitting)、脉冲激光沉积（PLD)、金属有机物沉积 (MOD)、化学溶液分解等方法制备了 BMN底电极薄膜。然而，要通过射频磁控溅射法和脉冲 激光沉积等方法制备高质量的BMN薄膜，前提是必须制备高质量的BMN陶瓷靶材。
[0006] 因为陶瓷靶材的好坏将直接影响到薄膜的化学成分、致密性和结晶状况。通常，靶 材的密度不仅影响溅射时的沉积速率、溅射膜粒子的密度和放电现象等，还影响着溅射薄 膜的电学和光学性能。因此，如何获得结构均匀致密的BMN陶瓷靶材是获得高性能薄膜材 料的关键所在。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的之一是克服现有技术中获得的BMN陶瓷靶材性能较差的问题，提供 一种BMN陶瓷靶材的制备方法，应用本方法能够获得结构均匀致密的BMN陶瓷靶材。
[0008] 为解决上述技术问题，采用的技术方案是：
[0009] 一种BMN陶瓷靶材的制备方法，具有如下步骤：
[0010] 步骤一 ：BMN粉体的制备
[0011] 以Bi2O3, MgO和Nb2O5粉末为起始原料，使摩尔比为1. 65:1:1. 5,以无水乙醇为介 质球磨6~IOh，将物料于80~100°C恒温干燥箱中干燥；
[0012] 将混合好的物料在空气或氧气气氛中预烧，温度为700~900°C，保温1~4h，然 后自然降温至室温，得到BMN粉体；
[0013] 步骤二：生坯的制备
[0014] 将所述步骤一制得的BMN粉体进行二次球磨6~10h，于80~100°C恒温干燥箱 中干燥，后研磨并过筛，添加粘合剂造粒；
[0015] 将造粒好的粉料单轴压制成型，制成直径为65mm厚为6mm的BMN生坯，压力为 IOMPa ；
[0016] 步骤三：靶材的烧结
[0017] 将成型的BMN陶瓷在500~700°C保温40~50h脱胶，升温时间为10~15h，之 后在氧气气氛中1000~ll〇〇°C烧结，保温2~10h，得到所需的靶材。
[0018] 进一步的，所述步骤一中的球磨时间为8h，ZrO#_作为研磨体，ZrO 2球、Bi 203, MgO 和Nb2O5粉末总重量和无水乙醇的质量比为1:2:1 ;所述预烧中，分别在750 °C、800 °C、850 °C 和900°C下保温2小时煅烧。优选的预烧温度为850°C。
[0019] 进一步的，所述步骤一中采用氧气气氛替代空气，以5°C /min的速率升温，在 500~600 °C开始充入O2，750~900 °C保温之后随炉冷却，在500~600 °C停止充入O2。
[0020] 进一步的，所述步骤二中的二次球磨为8h，过筛120目；所述的粘合剂为5wt%聚 乙烯醇溶液，所述的聚乙烯醇溶液和预烧粉料的质量比约为1:10 ;所述步骤二中的将造粒 好的粉料静置时间为24h，生坯成型保压时间为5min，在300MPa下等静压静置5min。
[0021] 进一步的，所述步骤三中的排胶温度为600°C，升温时间为12h，保温时间为36h ; 所述步骤三中的烧结为将所述BMN生坯从室温升至100°C保温lOmin，后从100°C升至烧结 温度1000~1KKTC，升温速率为5°C /min。优选的烧结温度为1050°C。
[0022] 本发明的有效果为：本发明方法制备的BMN陶瓷靶材具有结构致密、性能优良的 优点，制备的BMN陶瓷靶材结构致密，气孔较少，晶粒规整，大小约为2~5 y m，靶材的组分 化学式为Bi1.MMgNV5C^97，其相对密度达到最大值97. 03wt %，并且介电性能优异，IMHz下 的介电常数为170. 4,介电损耗为6. 25X10'
【附图说明】
[0023] 图1为本发明在不同温度下合成的BMN预烧粉体的XRD图谱，（a)750 °C， (b) 800°C, (c)850〇C, (d)900°C ；
[0024] 图2为本发明850 °C合成BMN预烧粉体的SEM二次电子像图；
[0025] 图3为本发明900 °C合成BMN预烧粉体的SEM二次电子像图；
[0026] 图4为本发明经850 °C预烧后球磨12h的BMN粉体的SEM二次电子像；
[0027] 图5为本发明不同烧结温度下的BMN陶瓷的XRD图谱，（a) 1010°C，（b) 1030°C， (c) 1050°C, (d) 1070°C, (e) 1090°C ；
[0028] 图6不同烧结温度下制备BMN陶瓷阳离子摩尔比；
[0029] 图7为不同烧结温度保温2h下烧结的BMN陶瓷断面的SEM二次电子像； (a) IOlO0C, (b) 1030°C, (c) 1050°C, (d) 1070°C, (e) 1090°C ；
[0030] 图8为BMN陶瓷样品的相对密度和线性收缩率随烧结温度的变化曲线；
[0031] 图9为不同烧结温度下BMN陶瓷的频率特性曲线，（a) lkHz-lMHz，（b) IMHz ;
[0032] 图10为通过XRF测得的不同保温对B丽陶瓷组分变化的影响；
[0033] 图11为不同保温时间条件下制备BMN陶瓷断面的二次电子像，（a) 2h，（b)4h， (c)6h，（d)8h，（e)10h;
[0034] 图12为BMN陶瓷样品的相对密度和线性收缩率随烧结保温时间的变化曲线；
[0035] 图13为1050 °C下不同保温时间条件下制备BMN陶瓷的频率特性曲线， (a)IkHz-IMHz, (b)lMHz〇
【具体实施方式】
[0036] 下面结合实施例进一步说明本发明，而不是限制本发明的范围。
[0037] 实施例IBMN陶瓷靶材的制备
[0038] -、原料
[0039] 原料为三氧化二祕的纯度为99. Owt %采购于温州市化学用料厂，氧化镁纯度为 97. Owt%采购于上海振欣试剂厂，五氧化二铌纯度为99. 5wt%采购于国药集团化学试剂有 限公司，还包括蒸馏水和无水乙醇。
[0040] 二、BMN陶瓷靶材的制备
[0041] 步骤一 ：BMN粉体的制备
[0042] 根据化学式Bih5Mg1.。％.50 7,对预处理后的Bi203、Mg0、Nb205等原料进行质量计算。 考虑烧结过程中Bi 2O3的挥发，Bi过量IOwt %称量。配料后，将称得的原料放入球磨罐混 合，以无水乙醇作为分散剂，球、料、乙醇质量比为1:2:1进行球磨，球磨时间为8h。主要目 的是使原料均匀混合，并且细化粉料。球磨后将粉料进行烘干、研磨、过120目筛网。分别 在750 °C、800 °C、850 °C和900 °C下保温2小时预烧。预烧时尽量将粉料压实，以减少煅烧过 程中Bi的挥发。
[0043] 步骤二：生坯的制备
[0044] 将预烧后的粉料进行二次球磨，球磨时间为8h。二次球磨的目的主要是细化结晶 的粉料，提高后续烧结的反应活性。球磨后经过干燥、研磨、过120目筛网，添加粘合剂进行 造粒。粘合剂采用5wt%聚乙烯醇（PVA)溶液作为造粒的粘合剂，PVA溶液和预烧粉料的质 量比约为1:10。
[0045] 造粒后的粉料静置24小时后压片。压片机所用压力为lOMPa，保压时间为5min， 随后使其压力缓慢得到释放，随后在300MPa下等静压静置5min，使其更加紧实，从而获得 表面光洁、无裂纹的米白色BMN溅射用靶材生坯。
[0046] 步骤三：祀材的烧结
[0047] 本发明方法采用的烧成工艺是常压烧结。由于靶材生坯中添加了粘合剂聚乙烯 醇，在高温环境下聚乙烯醇容易受热分解。为了减少烧结过程中粘合剂的快速排出，导致靶 材内部含有大量气孔以及内部应力分布不均的情况，烧结前，需对靶材生坯进行高温排胶 处理。由于陶瓷靶材尺寸较大，排胶过程中收缩应