一種bmn陶瓷靶材的制備方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于陶瓷靶材制備領域，具體涉及一種BMN陶瓷靶材的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 靶材是磁控濺射鍍膜的濺射源，靶材的好壞對薄膜的性能起至關(guān)重要的作用，因 此高品質(zhì)的靶材是保證薄膜質(zhì)量的前提和基礎，大量研宄表明，影響靶材品質(zhì)的因素主要 有：純度、致密度、結(jié)構(gòu)取向、晶粒大小及分布、尺寸、形狀等，其中衡量靶材品質(zhì)最重要的指 標是靶材的相對密度、純度、結(jié)晶取向及其微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。
[0003] 濺射過程對靶材的致密度的要求很高，如果靶材結(jié)構(gòu)的致密性較差，具有高能量 密度的Ar+轟擊靶材時，會導致靶表面大塊物質(zhì)的剝落，從而使得薄膜表面具有較多的大 顆粒。這將嚴重影響薄膜表面的平整度，最終導致薄膜性能的惡化。此外，磁控濺射過程中 高能量密度的Ar+轟擊，也會導致靶材的升溫，為了能夠更好地承受靶材內(nèi)部的熱應力，因 此需要獲得高密度和高強度的靶材。
[0004] 靶材的純度是靶材品質(zhì)的主要性能指標之一。薄膜性能的好壞很大程度上受靶材 純度的影響。濺射沉積薄膜的主要污染源是靶材中的雜質(zhì)以及靶材氣孔中的氧氣和水。實 際應用中，靶材的用途對其所含雜質(zhì)含量有不同的要求。
[0005] 人們已采用射頻磁控濺射（RF splitting)、脈沖激光沉積（PLD)、金屬有機物沉積 (MOD)、化學溶液分解等方法制備了 BMN底電極薄膜。然而，要通過射頻磁控濺射法和脈沖 激光沉積等方法制備高質(zhì)量的BMN薄膜，前提是必須制備高質(zhì)量的BMN陶瓷靶材。
[0006] 因為陶瓷靶材的好壞將直接影響到薄膜的化學成分、致密性和結(jié)晶狀況。通常，靶 材的密度不僅影響濺射時的沉積速率、濺射膜粒子的密度和放電現(xiàn)象等，還影響著濺射薄 膜的電學和光學性能。因此，如何獲得結(jié)構(gòu)均勻致密的BMN陶瓷靶材是獲得高性能薄膜材 料的關(guān)鍵所在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的之一是克服現(xiàn)有技術(shù)中獲得的BMN陶瓷靶材性能較差的問題，提供 一種BMN陶瓷靶材的制備方法，應用本方法能夠獲得結(jié)構(gòu)均勻致密的BMN陶瓷靶材。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是：
[0009] 一種BMN陶瓷靶材的制備方法，具有如下步驟：
[0010] 步驟一 ：BMN粉體的制備
[0011] 以Bi2O3, MgO和Nb2O5粉末為起始原料，使摩爾比為1. 65:1:1. 5,以無水乙醇為介 質(zhì)球磨6~IOh，將物料于80~100°C恒溫干燥箱中干燥；
[0012] 將混合好的物料在空氣或氧氣氣氛中預燒，溫度為700~900°C，保溫1~4h，然 后自然降溫至室溫，得到BMN粉體；
[0013] 步驟二：生坯的制備
[0014] 將所述步驟一制得的BMN粉體進行二次球磨6~10h，于80~100°C恒溫干燥箱 中干燥，后研磨并過篩，添加粘合劑造粒；
[0015] 將造粒好的粉料單軸壓制成型，制成直徑為65mm厚為6mm的BMN生坯，壓力為 IOMPa ；
[0016] 步驟三：靶材的燒結(jié)
[0017] 將成型的BMN陶瓷在500~700°C保溫40~50h脫膠，升溫時間為10~15h，之 后在氧氣氣氛中1000~ll〇〇°C燒結(jié)，保溫2~10h，得到所需的靶材。
[0018] 進一步的，所述步驟一中的球磨時間為8h，ZrO#_作為研磨體，ZrO 2球、Bi 203, MgO 和Nb2O5粉末總重量和無水乙醇的質(zhì)量比為1:2:1 ;所述預燒中，分別在750 °C、800 °C、850 °C 和900°C下保溫2小時煅燒。優(yōu)選的預燒溫度為850°C。
[0019] 進一步的，所述步驟一中采用氧氣氣氛替代空氣，以5°C /min的速率升溫，在 500~600 °C開始充入O2，750~900 °C保溫之后隨爐冷卻，在500~600 °C停止充入O2。
[0020] 進一步的，所述步驟二中的二次球磨為8h，過篩120目；所述的粘合劑為5wt%聚 乙烯醇溶液，所述的聚乙烯醇溶液和預燒粉料的質(zhì)量比約為1:10 ;所述步驟二中的將造粒 好的粉料靜置時間為24h，生坯成型保壓時間為5min，在300MPa下等靜壓靜置5min。
[0021] 進一步的，所述步驟三中的排膠溫度為600°C，升溫時間為12h，保溫時間為36h ; 所述步驟三中的燒結(jié)為將所述BMN生坯從室溫升至100°C保溫lOmin，后從100°C升至燒結(jié) 溫度1000~1KKTC，升溫速率為5°C /min。優(yōu)選的燒結(jié)溫度為1050°C。
[0022] 本發(fā)明的有效果為：本發(fā)明方法制備的BMN陶瓷靶材具有結(jié)構(gòu)致密、性能優(yōu)良的 優(yōu)點，制備的BMN陶瓷靶材結(jié)構(gòu)致密，氣孔較少，晶粒規(guī)整，大小約為2~5 y m，靶材的組分 化學式為Bi1.MMgNV5C^97，其相對密度達到最大值97. 03wt %，并且介電性能優(yōu)異，IMHz下 的介電常數(shù)為170. 4,介電損耗為6. 25X10'
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明在不同溫度下合成的BMN預燒粉體的XRD圖譜，（a)750 °C， (b) 800°C, (c)850〇C, (d)900°C ；
[0024] 圖2為本發(fā)明850 °C合成BMN預燒粉體的SEM二次電子像圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明900 °C合成BMN預燒粉體的SEM二次電子像圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明經(jīng)850 °C預燒后球磨12h的BMN粉體的SEM二次電子像；
[0027] 圖5為本發(fā)明不同燒結(jié)溫度下的BMN陶瓷的XRD圖譜，（a) 1010°C，（b) 1030°C， (c) 1050°C, (d) 1070°C, (e) 1090°C ；
[0028] 圖6不同燒結(jié)溫度下制備BMN陶瓷陽離子摩爾比；
[0029] 圖7為不同燒結(jié)溫度保溫2h下燒結(jié)的BMN陶瓷斷面的SEM二次電子像； (a) IOlO0C, (b) 1030°C, (c) 1050°C, (d) 1070°C, (e) 1090°C ；
[0030] 圖8為BMN陶瓷樣品的相對密度和線性收縮率隨燒結(jié)溫度的變化曲線；
[0031] 圖9為不同燒結(jié)溫度下BMN陶瓷的頻率特性曲線，（a) lkHz-lMHz，（b) IMHz ;
[0032] 圖10為通過XRF測得的不同保溫對B麗陶瓷組分變化的影響；
[0033] 圖11為不同保溫時間條件下制備BMN陶瓷斷面的二次電子像，（a) 2h，（b)4h， (c)6h，（d)8h，（e)10h;
[0034] 圖12為BMN陶瓷樣品的相對密度和線性收縮率隨燒結(jié)保溫時間的變化曲線；
[0035] 圖13為1050 °C下不同保溫時間條件下制備BMN陶瓷的頻率特性曲線， (a)IkHz-IMHz, (b)lMHz〇
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合實施例進一步說明本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明的范圍。
[0037] 實施例IBMN陶瓷靶材的制備
[0038] -、原料
[0039] 原料為三氧化二祕的純度為99. Owt %采購于溫州市化學用料廠，氧化鎂純度為 97. Owt%采購于上海振欣試劑廠，五氧化二鈮純度為99. 5wt%采購于國藥集團化學試劑有 限公司，還包括蒸餾水和無水乙醇。
[0040] 二、BMN陶瓷靶材的制備
[0041] 步驟一 ：BMN粉體的制備
[0042] 根據(jù)化學式Bih5Mg1.。％.50 7,對預處理后的Bi203、Mg0、Nb205等原料進行質(zhì)量計算。 考慮燒結(jié)過程中Bi 2O3的揮發(fā)，Bi過量IOwt %稱量。配料后，將稱得的原料放入球磨罐混 合，以無水乙醇作為分散劑，球、料、乙醇質(zhì)量比為1:2:1進行球磨，球磨時間為8h。主要目 的是使原料均勻混合，并且細化粉料。球磨后將粉料進行烘干、研磨、過120目篩網(wǎng)。分別 在750 °C、800 °C、850 °C和900 °C下保溫2小時預燒。預燒時盡量將粉料壓實，以減少煅燒過 程中Bi的揮發(fā)。
[0043] 步驟二：生坯的制備
[0044] 將預燒后的粉料進行二次球磨，球磨時間為8h。二次球磨的目的主要是細化結(jié)晶 的粉料，提高后續(xù)燒結(jié)的反應活性。球磨后經(jīng)過干燥、研磨、過120目篩網(wǎng)，添加粘合劑進行 造粒。粘合劑采用5wt%聚乙烯醇（PVA)溶液作為造粒的粘合劑，PVA溶液和預燒粉料的質(zhì) 量比約為1:10。
[0045] 造粒后的粉料靜置24小時后壓片。壓片機所用壓力為lOMPa，保壓時間為5min， 隨后使其壓力緩慢得到釋放，隨后在300MPa下等靜壓靜置5min，使其更加緊實，從而獲得 表面光潔、無裂紋的米白色BMN濺射用靶材生坯。
[0046] 步驟三：祀材的燒結(jié)
[0047] 本發(fā)明方法采用的燒成工藝是常壓燒結(jié)。由于靶材生坯中添加了粘合劑聚乙烯 醇，在高溫環(huán)境下聚乙烯醇容易受熱分解。為了減少燒結(jié)過程中粘合劑的快速排出，導致靶 材內(nèi)部含有大量氣孔以及內(nèi)部應力分布不均的情況，燒結(jié)前，需對靶材生坯進行高溫排膠 處理。由于陶瓷靶材尺寸較大，排膠過程中收縮應