一种采用磁控溅射法制备PBZ薄膜用的PBZ靶材的制备方法

摘要

本发明公开了一种采用磁控溅射法制备PBZ薄膜用的PBZ靶材的制备方法，先按照PBZ即锆酸铅钡的化合物分子式(Pb1-xBax)ZrO3其中03O4、BaCO3、ZrO2三种原料进行混合，再一次球磨、预烧、二次球磨，采用等静压技术压片成型为直径为40～100mm的坯体，排胶后坯体于1100-1300℃烧结，制得磁控溅射用PBZ靶材。本发明首次采用固相法制得PBZ靶材，可以满足不同尺寸要求的磁控溅射用的PBZ靶材，以制备不同性能要求的PBZ薄膜。

说明书

技术领域

本发明属于电子信息材料与元器件领域，特别涉及一种用于制备PBZ(锆酸铅钡)薄 膜的PBZ靶材的制备方法。

背景技术

反铁电材料具有良好的压电、热释电和介电性能，并且易与半导体技术集成等特点而 成为国际上研究新颖的功能材料和器件的热点，尤其随着电子技术、信息技术和控制技术 的发展，器件的小型化和集成化，对材料提出了新的要求。

铅基陶瓷是一种在电能量存储、能量转换、大位移致动器等领域中都具有广泛应用的 材料。不过，铅的化合物及其蒸气都是有毒的，过量吸入会对人体的健康带来很大的损害。 为此，各国的研究团体都不惜投入大量人力物力进行关于无铅电子陶瓷的研究和开发，目 的只是为了找到无铅材料去代替铅基陶瓷。但是，到目前为止，无铅陶瓷的各项性能不仅 远远跟后者无法相比，而且稳定性也不及铅基陶瓷。例如，PbZrO3为基的反铁电陶瓷材料 的储能密度可达到1J/cm³以上，将其制成电容器的储能密度为0.2～0.3J/cm³，比优质的油浸 纸介电容器的储能密度0.017J/cm³大10-20倍。

PBZ(锆酸铅钡)是一种含铅的复合钙钛矿结构的陶瓷材料，也是一种反铁电材料，具 有良好的性能，在MEMS，数据存储等方面具有很好的应用前景。由于传统的体相材料及大 体积多层结构电容(MLCCs)由于受到自身体相材料微观结构和性能的影响，不能承受高电场 强度，从而导致了相对低的储能密度，不适合高电场强度下的储能技术。PBZ材料薄膜化之 后，在较低的操作电压下可以获得高于体相材料击穿强度强几十倍的电场强度，因而能够 获得高的储能密度和大的电热温变，提高材料的能量转换性能。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种磁控溅射用的PBZ靶材的制备方法，以满足工业化大量 制备PBZ薄膜要求。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种采用磁控溅射法制备PBZ薄膜用的PBZ靶材的制备方法，步骤如下：

(1)配制原料

按照PBZ即锆酸铅钡的化合物分子式(Pb_1-xBa_x)ZrO₃其中0<x<1的元素摩尔质量比， 将Pb₃O₄、BaCO₃、ZrO₂三种原料进行混合；

(2)一次球磨

将步骤(1)混合后的原料，按照原料与去离子水和锆球的质量比为1：1：1进行球磨， 球磨时间为4～8小时；

(3)预烧

将步骤(2)一次球磨后的原料烘干，再于800～1000℃进行预烧，保温1～4小时；

(4)二次球磨

将步骤(3)预烧后的原料，外加0.5～1wt％的PVA，按照原料与去离子水和锆球的质 量比为1：1：1进行球磨，球磨时间为10～14小时；

(5)过筛

二次球磨后原料进行烘干，烘干后原料过40～200目筛；

(6)成型

将步骤(5)过筛后的粉粒放入压片机中压制成型为坯体，为让靶材在压制过程中受力 均匀，首次采用等静压技术，工作压力为100-200Mpa，保压时间为1-5min，压制直径为40～ 100mm的磁控溅射用靶材；

(7)排胶

将步骤(6)成型后的坯体放入低温炉中进行排胶，排胶温度为600～800℃；

(8)烧结

将步骤(7)排胶后坯体于1100-1300℃高温烧结，保温时间为3～7小时，制得磁控溅 射用PBZ靶材；烧结过程中，为避免靶材在烧结过程中，采用埋烧和压烧方法防止Pb挥发 和靶材弯曲变形。

所述步骤(1)的原料为分析纯试剂。

所述步骤(7)的排胶温度为700℃。

所述步骤(8)的烧结温度为1200℃，保温时间为6小时。

所述步骤(8)是将坯体置于马弗炉中进行烧结。

本发明的有益效果：

本发明首次采用固相法制得磁控溅射用的PBZ靶材，提供的烧结后靶材直径为32mm～ 80mm，可以满足不同尺寸要求的磁控溅射用的PBZ靶材，以制备不同性能要求的PBZ薄 膜。

具体实施方式

PBZ薄膜制备方法一般包括物理方法和化学方法；物理方法包括脉冲激光沉积(PLD)、 溅射、真空蒸发、分子束外延(MBE)等，化学方法主要包括溶胶-凝胶(Sol_Gel)、化学气相 沉积(CVD，MOCVD)等。磁控溅射法属于物理方法，它能够以较低的成本制备实用的大面 积薄膜，制膜可以用陶瓷靶材，也可以在氧气气氛中使用金属或合金靶材通过反应溅射获 得所需薄膜。

实施例1

(1).配料

制备PBZ靶材所用原料采用分析纯的Pb₃O₄、BaCO₃、ZrO₂，PBZ的化合物分子式为 (Pb_1-xBa_x)ZrO₃(x＝0.15)，三种原料按照(Pb_0.85Ba_0.15)ZrO₃中元素的摩尔质量比进行混合。

(2).原料一次球磨

上述三种原材料按照所需比例混合，按照原料与去离子水和锆球的质量比为1：1：1， 球磨6小时。

(3).预烧

一次球磨完成后将原料烘干，烘干之后放入中温马弗炉进行预烧，升温5℃/min,保温时 间为2小时，温度为950℃。

(4).原料二次球磨

预烧完成之后，加入1wt％的PVA，按照原料与去离子水和锆球的质量比为1：1：1， 二次球磨12小时。

(5).过筛

二次球磨完成后烘干，烘干之后的原料过80目筛。

(6).压片成型

过筛之后的粉粒放入压片机进行压片，直径为40mm，为让靶材在压制过程中受力均匀， 采用等静压技术，工作压力为100Mpa，保压时间为3min。

(7).排胶

压片完成后的生坯放入低温炉进行排胶，排胶温度700℃。

(8).烧结

排胶完成后进行高温烧结，烧结温度为1200℃，升温5℃/min，保温时间为6小时，制 得磁控溅射用PBZ靶材。

烧结完成之后的PBZ靶材直径缩小为32mm。

实施例2

(1).配料

制备PBZ靶材所用原料采用分析纯的Pb₃O₄、BaCO₃、ZrO₂，PBZ的化合物分子式为 (Pb_1-xBa_x)ZrO₃(x＝0.2)，三种原料按照(Pb_0.8Ba_0.2)ZrO₃中元素的摩尔质量比进行混合。

(2).原料一次球磨

上述三种原材料按照所需比例混合，按照原料与去离子水和锆球的质量比为1：1：1， 球磨6小时。

(3).预烧

一次球磨完成后将原料烘干，烘干之后放入中温马弗炉进行预烧，升温5℃/min,保温时 间为1小时，温度为1000℃。

(4).原料二次球磨

预烧完成之后，加入1wt％的PVA，按照原料与去离子水和锆球的质量比为1：1：1， 二次球磨12小时。

(5).过筛

二次球磨完成后烘干，烘干之后的原料过80目筛。

(6).压片成型

过筛之后的粉粒放入压片机进行压片，直径为50mm，为让靶材在压制过程中受力均匀， 采用等静压技术，工作压力为100Mpa，保压时间为4min。

(7).排胶

压片完成后的生坯放入低温炉进行排胶，排胶温度700℃。

(8).烧结

排胶完成后进行高温烧结，烧结温度为1250℃，5℃/min，保温时间为4小时，制得磁 控溅射用PBZ靶材。

烧结完成之后的PBZ靶材直径缩小为40mm。

实施例3

(1).配料

制备PBZ靶材所用原料采用分析纯的Pb₃O₄、BaCO₃、ZrO₂，PBZ的化合物分子式为 (Pb_1-xBa_x)ZrO₃(x＝0.4)，三种原料按照(Pb_0.6Ba_0.4)ZrO₃中元素的摩尔质量比进行混合。

(2).原料一次球磨

上述三种原材料按照所需比例混合，按照原料与去离子水和锆球的质量比为1：1：1， 球磨6小时。

(3).预烧

一次球磨完成后将原料烘干，烘干之后放入中温马弗炉进行预烧，升温5℃/min,保温时 间为1小时，温度为1000℃。

(4).原料二次球磨

预烧完成之后，加入1wt％的PVA，按照原料与去离子水和锆球的质量比为1：1：1， 二次球磨12小时。

(5).过筛

二次球磨完成后烘干，烘干之后的原料过80目筛。

(6).压片成型

过筛之后的粉粒放入压片机进行压片，直径为100mm，为让靶材在压制过程中受力均 匀，采用等静压技术，工作压力为150Mpa，保压时间为5min。

(7).排胶

压片完成后的生坯放入低温炉进行排胶，排胶温度700℃。

(8).烧结

排胶完成后进行高温烧结，烧结温度为1300℃，升温5℃/min，保温时间为4小时，制 得磁控溅射用PBZ靶材。

烧结完成之后的PBZ靶材直径缩小为80mm。