专利名称：Nb的制作方法
技术领域：
本发明属于介电陶瓷制备领域。
背景技术：
随着电子科技的发展，微电子线路的尺寸被做得越来越小，所以对微小元器件性能的要求也越来越高。对电容元器件来说，介电性质限制了其最小化程度。现代的电子材料将不再能够满足微电子线路中电容元器件的性能要求。例如动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，简称DRAM)中的电容电介质层是用SiO2或Si3N4制成的，在常规测量条件(1MHz频率和25℃)下它们的相对介电系数εr分别为3.8和6.0，这已经远远不能满足当前越来越大的存储能力的需求。要研制生产1G以上存储能力的DRAM，寻找一种高介电系数，低介电损耗的新型材料已经成为当务之急。
由于Nb2O5与半导体工艺兼容，经过掺杂改性的Nb2O5相对介电系数能够达到100以上，因而成为DRAM的首选材料。研究Nb2O5掺杂改性的方法是先将掺杂的Nb2O5制备成陶瓷，找出使其介电性能达到最优的掺杂比例和制备工艺，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新型材料。
目前，国际上已经有一些研究小组正在从事这方面的研究工作。例如文章1Journal of Materials Research(《材料研究学报》杂志)1996年第11卷题为“Dielectric properties of TiO2-Nb2O5crystallographic shear structures”(“TiO2-Nb2O5晶体学切变结构的介电性能研究”)。文章指出在Nb2O5中掺杂少量的TiO2，可以大幅度提高其介电系数。纯Nb2O5的相对介电系数在常规测量条件下为29.9；掺杂7.7mol％、28.6mol％和50mol％TiO2的Nb2O5陶瓷的相对介电系数分别为82、129和101。文章2MaterialsLetters(《材料快报》杂志)2002年第54卷题为“Dielectric behaviors ofNb2O5(0.95):0.05TiO2ceramic and single crystal”(“掺杂5mol％TiO2的Nb2O5陶瓷和单晶介电性能研究”)，研究了掺杂5mol％TiO2的Nb2O5陶瓷和单晶的介电性能。其陶瓷的相对介电系数为175，损耗为0.10。
但他们的研究工作存在着以下一些问题文章11.对于(Nb2O5)1-x(TiO2)x体系陶瓷的制备工艺制备周期偏长，能耗偏大，不利于工业生产实用化。他们采用的二次预烧(先在1300℃，再次在1350℃)工艺复杂，温度偏高，时间偏长(几昼夜)；烧结时间偏长(16-24小时)；氧气退火工艺(在1100℃保温2小时，然后8个小时从1100℃降到500℃)时间长，工艺复杂；2.研究表明Nb2O5-TiO2体系陶瓷随着掺杂浓度不同，其介电性能显著不同。文章1仅仅研究了掺杂8mol％、28mol％和50mol％TiO23个组分的体系陶瓷，且最高的相对介电系数也小于130。因此，高介电系数器件的研制和生产实用化的选择空间很小；文章2制备工艺中预烧和烧结为1300℃，24小时和1400℃，24小时。预烧和烧结温度偏高，保温时间偏长，介电系数比较低，且仅仅研究了5％mol掺杂浓度的烧结工艺，也同样存在制备周期长，效率低，能耗大，介电系数小，工业生产选择性少，不利于工业生产实用化的问题。
发明内容
一种制备周期短、能耗低并使(Nb2O5)1-x(TiO2)x体系陶瓷多种组分(X＝0.01～0.13)的介电系数大于120的烧结工艺。
本发明提供了一种Nb2O5-TiO2体系介电陶瓷烧结工艺，其特征在于，包括以下步骤1)配料在X＝0.01～0.13范围内将Nb2O5和TiO2粉料按配比(Nb2O5)1-x(TiO2)x进行配料，机械球磨12小时，烘干；2)预烧以200℃/小时的升温速率升温至1250℃，保温18小时。再将预烧后的粉料机械球磨12小时，烘干；3)造粒成型在预烧后的粉料中将掺入3％质量浓度的聚乙烯醇(PVA)胶进行造粒，其中胶的重量为粉料总重量的6％；在200MPa压力下，压制成坯体片；4)烧结以100℃/小时的升温速率升温至1350℃～1380℃，并保温2～15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。
与现有的工艺相比，本工艺的明显优势是(1)只用一次预烧，预烧温度降低到1250℃，仅保温18小时；烧结温度降低到1350℃～1380℃，仅保温2～15小时；不需用氧气气氛退火。制备周期明显缩短，生产效率大大提高，因此制备所需能耗大幅度地降低，十分有利于未来的工业生产实用化；(2)在TiO2掺杂摩尔浓度X＝0.01～0.13范围内，本工艺各组分的介电系数都有较大的提高，达到120以上，是目前Nb2O5-TiO2体系陶瓷介电系数最高水平。如X＝0.05组分的陶瓷介电系数与文章2工艺相比提高了30％；本工艺下X＝0.08组分的陶瓷介电系数与文章1工艺的相比是后者的2倍；(3)在TiO2掺杂摩尔浓度X＝0.01～0.13范围内，本工艺所有组分的介电系数均大于120，为将来的高介电系数器件的研制和生产实用化提供了很大的选择空间。
具体实施例方式
实施例一将Nb2O5和TiO2粉料按配比(Nb2O5)0.95(TiO2)0.05进行配料，机械球磨12小时，烘干；以200℃/小时的速率升温至1250℃预烧，保温18小时。再将预烧后的粉料机械球磨12小时，烘干；在预烧后的粉料中将掺入3％质量浓度的聚乙烯醇(PVA)胶进行造粒，其中胶的重量为粉料总重量的6％；在200MPa压力下，压制成坯体片；将坯体以100℃/小时的速率升温至1380℃烧结，并保温2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；在陶瓷片上下表面喷镀金电极，用HP4284ALCR精密测量仪在常规测量条件下(1MHz频率和25℃)测量其介电性能。测量结果见表1。
实施例二将Nb2O5和TiO2粉料按配比(Nb2O5)0.92(TiO2)0.08进行配料，机械球磨12小时，烘干；以200℃/小时的速率升温至1250℃预烧，保温18小时。再将预烧后的粉料机械球磨12小时，烘干；在预烧后的粉料中将掺入3％质量浓度的聚乙烯醇(PVA)胶进行造粒，其中胶的重量为粉料总重量的6％；在200MPa压力下，压制成坯体片；将坯体以100℃/小时的速率升温至1370℃烧结，并保温15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；在陶瓷片上下表面喷镀金电极，用HP4284A LCR精密测量仪在常规测量条件下(1MHz频率和25℃)测量其介电性能。测量结果见表1。
表1不同工艺下(Nb2O5)1-x(TiO2)x体系陶瓷介电性能
注[1]为文章2工艺下的介电性能；[2]为文章1工艺下的介电性能。
权利要求
1.一种Nb2O5-TiO2体系介电陶瓷烧结工艺，其特征在于，包括以下步骤1)配料在X＝0.01～0.13范围内将Nb2O5和TiO2粉料按配比(Nb2O5)1-x(TiO2)x进行配料，机械球磨12小时，烘干；2)预烧以200℃/小时的升温速率升温至1250℃，保温18小时。再将预烧后的粉料机械球磨12小时，烘干；3)造粒成型在预烧后的粉料中将掺入3％质量浓度的聚乙烯醇(PVA)胶进行造粒，其中胶的重量为粉料总重量的6％；在200MPa压力下，压制成坯体片；4)烧结以100℃/小时的升温速率升温至1350℃～1380℃，并保温2～15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
本发明属于介电陶瓷制备领域。现有的工艺制备周期长，效率低，能耗大，介电系数小，工业生产选择性少，不利于工业生产实用化的问题。本发明提供了一种Nb
文档编号C04B35/622GK1724463SQ20051008522
公开日2006年1月25日 申请日期2005年7月22日 优先权日2005年7月22日
发明者王越, 张秋林, 蒋毅坚 申请人:北京工业大学