專利名稱：一種無坩堝快速生長厘米量級Ti:Ta₂O₅晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于Ti = Ta2O5晶體生長領(lǐng)域，涉及一種無坩堝快速生長厘米量級Ti = Ta2O5晶體的方法。
背景技術(shù)：
晶體材料在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中起著十分重要的作用，是信息時代的重要基石，也是發(fā)展高技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。主要的晶體制備技術(shù)主要有熔體生長,溶液生長,氣相生長,固相生長。無坩堝生長方法作為一種新型無坩堝晶體生長方法，具有無需坩堝，污染少，生長速度快等優(yōu)點，對于一些難以生長(包含提拉法不能生長的晶體)、易污染的晶體，顯示出很大的優(yōu)越性。浮區(qū)法是在生長的晶體與多晶棒之間有一段熔區(qū)，該熔區(qū)由表面張力所支撐。熔區(qū)自上而下，或者自下而上移動，以完成結(jié)晶過程。浮區(qū)法無需坩堝、無污染、生長速度快，適合生長高熔點的晶體。能夠提供高質(zhì)量、小尺寸的晶體，便于控制組分。應(yīng)用面廣，可用于 氧化物、半導(dǎo)體、金屬間化合物等多類材料，尤其是熔體反應(yīng)強烈的晶體。該方法的主要優(yōu)點是不需要坩堝，生長的晶體純度很高，并且摻雜均勻。也由于加熱不受坩堝熔點的限制，在生長高熔點材料方面有獨特的優(yōu)勢。與提拉法相比，研究材料的領(lǐng)域就寬廣了許多。浮區(qū)法為研究多體系、高熔點、合成難的晶體研究提供了一種新的研究方法和途徑。由于器件的小型化、集成化，對晶體尺寸要求越來越小。浮區(qū)法在晶體生長方面獲得了很多的應(yīng)用。Ta2O5(Tantalum Pent_oxide)是重要的介電材料和光波導(dǎo)材料，同時由于其易與半導(dǎo)體集成電路工藝相兼容，已成為新一代動態(tài)隨機存儲器(DRAM)的熱門候選材料。生長出聞介電常數(shù)的慘雜后Ta2O5基晶體并研究其物理性質(zhì)隨晶向的關(guān)系，對于開發(fā)聞性能Ta2O5基器件和聞K材料將提供擁有自主知識廣權(quán)的技術(shù)基礎(chǔ)具有重要意義。然而，Ta2O5的熔點接近1900°C，采用傳統(tǒng)的生長技術(shù)難以得到Ti = Ta2O5晶體，使得對Ti = Ta2O5物理性質(zhì)的研究遇到了困難。目前，對Ti : Ta2O5的研究主要集中在制備Ti : Ta2O5薄膜上，關(guān)于TiiTa2O5晶體生長的文獻很少。迄今為止，還沒有見到采用浮區(qū)法生長大尺寸Ti = Ta2O5晶體的報道。使用坩堝法生長晶體，由于其條件局限，生長周期長，成本高，而且實驗條件要求苛刻，儀器設(shè)備復(fù)雜，操作復(fù)雜，在生長高熔點晶體方面受到一定的限制。無坩堝法生長晶體無需坩堝、無污染、生長速度快，能夠提供高質(zhì)量、小尺寸的晶體，便于控制組分。與提拉法相比，研究材料的領(lǐng)域就寬廣了許多。無坩堝生長方法不僅豐富了晶體生長的手段、縮短了晶體生長的周期，還為研究多體系、高熔點、合成難的晶體研究提供了一種新的研究方法和途徑。人工無坩堝快速生長大尺寸Ti = Ta2O5晶體、并且提高其介電常數(shù)的技術(shù)依然是個挑戰(zhàn)也是一個研究熱點。至于此，本發(fā)明嘗試了使用光學(xué)浮區(qū)法快速生長厘米量級、無宏觀缺陷、高質(zhì)量Ti = Ta2O5晶體的無坩堝生長技術(shù)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有大尺寸厘米量級Ti = Ta2O5晶體生長技術(shù)中存在的空白，用光學(xué)浮區(qū)法生長出大尺寸(直徑是厘米級)、無宏觀缺陷的Ti = Ta2O5晶體不僅是重要的科學(xué)問題，對于開發(fā)聞性能Ta2O5基器件和聞介電材料(又稱聞K材料)方面將提供擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)基礎(chǔ)。本發(fā)明提供一種浮區(qū)法快速生長大尺寸(厘米級)Ti = Ta2O5晶體的方法?！N無坩堝快速生長厘米量級Ti = Ta2O5晶體的方法，包括以下步驟(I)配料和料棒制備將高純(不低于99. 99%)符合化學(xué)計量比的TiO2和Ta2O5粉料經(jīng)過混合球磨、預(yù)燒；將預(yù)燒后的多晶粉料裝入橡膠管中，然后放入等靜壓下壓制成棒狀的多晶棒；(2)料棒和籽晶安裝將步驟(I)壓制好的一根多晶棒固定在單晶爐的中軸線上部料棒桿上作為料棒，將另一根多晶棒放入中軸線的下部作為籽晶，籽晶和料棒在豎直方向成一條直線，調(diào)節(jié)料棒和籽晶的位置，使其接觸，接觸點與鹵素?zé)籼幱谕凰骄€上； (3)晶體生長設(shè)置升溫速率，用O. 5-lh升溫至料棒和籽晶融化，調(diào)整料棒和籽晶的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，待形成穩(wěn)定溶區(qū)后接種；通過聚焦鏡的移動，形成組分過冷，實現(xiàn)結(jié)晶;(4)降溫冷卻設(shè)置降溫時間，將生長完的晶體冷卻至室溫。本發(fā)明技術(shù)中優(yōu)選的是所述步驟(I)中TiO2摻雜Ta2O5化學(xué)計量比范圍是=TiO2占摻雜的Ta2O5的摩爾百分比不高于10at%，粉料的預(yù)燒溫度為1350°C，預(yù)燒時間為12 24小時。本發(fā)明技術(shù)中優(yōu)選的是所述步驟(3)的晶體生長過程中，料棒和籽晶的旋轉(zhuǎn)方向為反向，旋轉(zhuǎn)速度為l(T30rpm，設(shè)置晶體生長速度進行晶體生長，晶體生長速度為3_8mm/h0本發(fā)明技術(shù)中優(yōu)選的是所述步驟(4)中降溫時間為O. 5^1. 5h。本發(fā)明無坩堝快速生長大尺寸Ti = Ta2O5 (厘米級)晶體的技術(shù)關(guān)鍵在于由于Ti = Ta2O5晶體比較高的熔點，以及高溫到低溫要經(jīng)歷不同的相變，使得生長高質(zhì)量的Ti = Ta2O5晶體存在很多困難。根據(jù)晶體生長基礎(chǔ)理論，過冷度是結(jié)晶的驅(qū)動力。只有當(dāng)固液界面處的過冷度ΛΤΧ)時，才能實現(xiàn)結(jié)晶，從而實現(xiàn)晶體生長。浮區(qū)法在晶體生長的過程中的降溫過程，是通過聚焦鏡的移動，或者上下棒的移動，使熔區(qū)遠離聚焦點，使熔區(qū)溫度下降，從而實現(xiàn)結(jié)晶。即生長速率是晶體結(jié)晶的主要調(diào)節(jié)因素。浮區(qū)法生長大尺寸Ti = Ta2O5晶體生長工藝條件摸索包括多晶料棒燒結(jié)溫度的確定，以及調(diào)節(jié)生長速率、旋轉(zhuǎn)速率、晶體生長所需功率輸出。只有合適的晶體生長工藝，才能利用浮區(qū)法生長出大尺寸、高質(zhì)量、無宏觀缺陷的Ti = Ta2O5晶體。無坩堝快速生長大尺寸高介電常數(shù)Ti = Ta2O5晶體工藝條件的摸索是本發(fā)明的重點，并以此研究其物理性質(zhì)隨晶向的關(guān)系。因此，用浮區(qū)法生長出Ti = Ta2O5晶體不僅是重要的科學(xué)問題，對于開發(fā)高性能Ta2O5基器件和高介電材料(又稱高K材料)方面將提供擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)基礎(chǔ)。浮區(qū)法生長Ti : Ta2O5晶體周期短，耗能低，而且實驗條件要求寬松，儀器設(shè)備簡單，操作容易。與現(xiàn)有工藝相比，本發(fā)明工藝的明顯優(yōu)點I、克服現(xiàn)有Ti = Ta2O5晶體生長技術(shù)中存在的空白，用浮區(qū)法生長出大尺寸(厘米級)、無宏觀缺陷的Ti = Ta2O5晶體。2、本技術(shù)所使用的料棒不需要制備成陶瓷，只要預(yù)燒后制成料棒即可；并且籽晶用料棒和晶體都可，大大降低了能耗。3、本技術(shù)不需要坩堝，在空氣環(huán)境下即可生長，晶體生長方法操作簡單，可重復(fù)性強，成本相對較低。4、生長速度，是其他晶體生長方法無法達到的，生長周期短，制備效率高，能夠快速生長厘米量級、無宏觀缺陷、高質(zhì)量Ti = Ta2O5晶體。5、本工藝制備的Ti = Ta2O5晶體沒有氣泡、云層、包裹體等宏觀缺陷。粉末X射線衍射圖衍射峰非常尖銳，表明晶體生長質(zhì)量很好。6、采用無坩堝晶體生長技術(shù)，避免了高溫熔體對坩堝的腐蝕問題，消除了坩堝帶來的潛在污染。


圖I是對比例I及本發(fā)明實施例1-4所得Ti = Ta2O5晶體的晶體形貌圖；圖2是對比例I及本發(fā)明實施例1-4所得Ti : Ta2O5晶體的XRD粉末衍射圖像；圖3是對比例I及本發(fā)明實施例1-4所得Ti = Ta2O5晶體表面的Raman顯微圖像。
具體實施例方式本發(fā)明一種無坩堝快速生長厘米量級Ti = Ta2O5晶體的方法的生長裝置——四橢球光學(xué)浮區(qū)爐(Crystal Systems Co.，lOOOOH-HR-I-VPO-PC)。從晶體的形貌圖1，我們看以看出晶體透明，晶體質(zhì)量較高，直徑為5-10mm，長度為60_100mm。晶體的XRD粉末衍射圖像見圖2，可以看出，衍射峰非常尖銳，晶體生長質(zhì)量很好。從晶體的Raman顯微圖像3可以看出，摻雜之后的晶體峰位有明顯變化，說明摻雜之后，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這也是介電常數(shù)得到提高的微觀表征之一。以下實施例所用原料TiO2和Ta2O5的純度不低于99. 99%。對比例I(I)配料和料棒制備將高純原料TiO2和Ta2O5粉料按照化學(xué)計量比0at%進行混合，然后進行機械混合；放入高溫預(yù)燒爐中，預(yù)燒溫度為1350°C，預(yù)燒時間為12小時，獲得多晶粉料。將預(yù)燒后的多晶粉料裝入橡膠管中，然后放入等靜壓下壓制成棒狀的多晶棒；(2)料棒和籽晶安裝將壓制好的多晶棒固定在單晶爐的中軸線上部料棒桿上作為料棒，并將多晶棒放入中軸線的下部作為籽晶，籽晶和料棒在豎直方向成一條直線，調(diào)節(jié)料棒和籽晶的位置，使其接觸，接觸點與鹵素?zé)籼幱谕凰骄€上；(3)晶體生長設(shè)置升溫速率，用0. 5-lh升溫至料棒和籽晶融化，調(diào)整料棒和籽晶的旋轉(zhuǎn)方向為反向，旋轉(zhuǎn)速度分別為15rpm，待形成穩(wěn)定溶區(qū)后接種；然后設(shè)置晶體生長速度為8mm/h進行晶體生長；(4)降溫冷卻設(shè)置降溫時間，將生長完的晶體經(jīng)過降溫時間為0. 5h，冷卻至室溫;在室溫、IMHz條件下，生長出的Ti = Ta2O5晶體的介電常數(shù)沿生長方向和(001)方向分別為81. 17和25. 04。實施例I
(I)配料和料棒制備將高純原料TiO2和Ta2O5粉料按照化學(xué)計量比3at%進行混合，然后進行機械混合；放入高溫預(yù)燒爐中，預(yù)燒溫度為1350°C，預(yù)燒時間為14小時，獲得多晶粉料。將預(yù)燒后的多晶粉料裝入橡膠管中，然后放入等靜壓下壓制成棒狀的多晶棒；(2)料棒和籽晶安裝將壓制好的多晶棒固定在單晶爐的中軸線上部料棒桿上作為料棒，并將多晶棒放入中軸線的下部作為籽晶，籽晶和料棒在豎直方向成一條直線，調(diào)節(jié)料棒和籽晶的位置，使其接觸，接觸點與鹵素?zé)籼幱谕凰骄€上；(3)晶體生長設(shè)置升溫速率，用O. 5-lh升溫至料棒和籽晶融化，，調(diào)整料棒和籽晶的旋轉(zhuǎn)方向為反向，旋轉(zhuǎn)速度分別為20rpm，待形成穩(wěn)定溶區(qū)后接種；然后設(shè)置晶體生長速度為5mm/h進行晶體生長；(4)降溫冷卻設(shè)置降溫時間，將生長完的晶體經(jīng)過降溫時間為lh，冷卻至室溫；在室溫、IMHz條件下，生長出的Ti : Ta2O5晶體的介電常數(shù)沿生長方向和(001)方向分別為296.72 和 36.73。
實施例2(I)配料和料棒制備將高純原料TiO2和Ta2O5粉料按照化學(xué)計量比5at%進行混合，然后進行機械混合；放入高溫預(yù)燒爐中，預(yù)燒溫度為1350°C，預(yù)燒時間為16小時，獲得多晶粉料。將預(yù)燒后的多晶粉料裝入橡膠管中，然后放入等靜壓下壓制成棒狀的多晶棒；(2)料棒和籽晶安裝將壓制好的多晶棒固定在單晶爐的中軸線上部料棒桿上作為料棒，并將多晶棒放入中軸線的下部作為籽晶，籽晶和料棒在豎直方向成一條直線，調(diào)節(jié)料棒和籽晶的位置，使其接觸，接觸點與鹵素?zé)籼幱谕凰骄€上；(3)晶體生長設(shè)置升溫速率，用O. 5-lh升溫至料棒和籽晶融化，，調(diào)整料棒和籽晶的旋轉(zhuǎn)方向為反向，旋轉(zhuǎn)速度分別為25rpm，待形成穩(wěn)定溶區(qū)后接種；然后設(shè)置晶體生長速度為3mm/h進行晶體生長；(4)降溫冷卻設(shè)置降溫時間，將生長完的晶體經(jīng)過降溫時間為I. 5h，冷卻至室溫;在室溫、IMHz條件下，生長出的Ti = Ta2O5晶體的介電常數(shù)沿生長方向和(001)方向分別為711. 34和35. 58。實施例3(I)配料和料棒制備將高純原料TiO2和Ta2O5粉料按照化學(xué)計量比8at%進行混合，然后進行機械混合；放入高溫預(yù)燒爐中，預(yù)燒溫度為1350°C，預(yù)燒時間為18小時，獲得多晶粉料。將預(yù)燒后的多晶粉料裝入橡膠管中，然后放入等靜壓下壓制成棒狀的多晶棒；(2)料棒和籽晶安裝將壓制好的多晶棒固定在單晶爐的中軸線上部料棒桿上作為料棒，并將多晶棒放入中軸線的下部作為籽晶，籽晶和料棒在豎直方向成一條直線，調(diào)節(jié)料棒和籽晶的位置，使其接觸，接觸點與鹵素?zé)籼幱谕凰骄€上；(3)晶體生長設(shè)置升溫速率，用O. 5-lh升溫至料棒和籽晶融化，，調(diào)整料棒和籽晶的旋轉(zhuǎn)方向為反向，旋轉(zhuǎn)速度分別為20rpm，待形成穩(wěn)定溶區(qū)后接種；然后設(shè)置晶體生長速度為3mm/h進行晶體生長；(4)降溫冷卻設(shè)置降溫時間，將生長完的晶體經(jīng)過降溫時間為lh，冷卻至室溫；在室溫、IMHz條件下，生長出的Ti = Ta2O5晶體的介電常數(shù)沿生長方向和(001)方向分別為576. 96 和 38.21。
實施例4(I)配料和料棒制備將高純原料TiO2和Ta2O5粉料按照化學(xué)計量比10at%進行混合，然后進行機械混合；放入高溫預(yù)燒爐中，預(yù)燒溫度為1350°C，預(yù)燒時間為24小時，獲得多晶粉料。將預(yù)燒后的多晶粉料裝入橡膠管中，然后放入等靜壓下壓制成棒狀的多晶棒；(2)料棒和籽晶安裝將壓制好的多晶棒固定在單晶爐的中軸線上部料棒桿上作為料棒，并將多晶棒放入中軸線的下部作為籽晶，籽晶和料棒在豎直方向成一條直線，調(diào)節(jié)料棒和籽晶的位置，使其接觸，接觸點與鹵素?zé)籼幱谕凰骄€上；(3)晶體生長設(shè)置升溫速率，用O. 5-lh升溫至料棒和籽晶融化，，調(diào)整料棒和籽晶的旋轉(zhuǎn)方向為反向，旋轉(zhuǎn)速度分別為30rpm，待形成穩(wěn)定溶區(qū)后接種；然后設(shè)置晶體生長速度為3mm/h進行晶體生長；(4)降溫冷卻設(shè)置降溫時間，將生長完的晶體經(jīng)過降溫時間為I. 5h，冷卻至室 溫;在室溫、IMHz條件下，生長出的Ti = Ta2O5晶體的介電常數(shù)沿生長方向和(001)方向分別為417. 04和40. 96。
權(quán)利要求
1.一種無坩堝快速生長厘米量級Ti = Ta2O5晶體的方法，包括以下步驟 (1)配料和料棒制備將純度不低于99.99%Ti02和Ta2O5的粉料按照化學(xué)計量比經(jīng)過混合球磨、預(yù)燒；將預(yù)燒后的多晶粉料裝入橡膠管中，然后放入等靜壓下壓制成棒狀的多晶棒; (2)料棒和籽晶安裝將步驟(I)壓制好的一根多晶棒固定在單晶爐的中軸線上部料棒桿上作為料棒，將另一根多晶棒放入中軸線的下部作為籽晶，籽晶和料棒在豎直方向成一條直線，調(diào)節(jié)料棒和籽晶的位置，使其接觸，接觸點與鹵素?zé)籼幱谕凰骄€上； (3)晶體生長設(shè)置升溫速率，用O.5-lh升溫至料棒和籽晶融化，調(diào)整料棒和籽晶的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，待形成穩(wěn)定溶區(qū)后接種；通過聚焦鏡的移動，形成組分過冷，實現(xiàn)結(jié)晶； (4)降溫冷卻設(shè)置降溫時間，將生長完的晶體冷卻至室溫。
2.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，步驟(I)中TiO2摻雜Ta2O5化學(xué)計量比范圍是=TiO2占摻雜的Ta2O5的摩爾百分比不高于10at%，粉料的預(yù)燒溫度為1350°C，預(yù)燒時間為12 24小時。
3.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，(3)的晶體生長過程中，料棒和籽晶的旋轉(zhuǎn)方向為反向，旋轉(zhuǎn)速度為l(T30rpm，設(shè)置晶體生長速度進行晶體生長，晶體生長速度為3-8mm/h。
4.按照權(quán)利要求I的方法，其特征在于，步驟(4)中降溫時間為O.5^1. 5h。
全文摘要
一種無坩堝快速生長厘米量級Ti:Ta2O5晶體的方法，屬于Ti:Ta2O5晶體生長領(lǐng)域。先將TiO2和Ta2O5粉料混合球磨、預(yù)燒，壓制成棒狀的多晶棒；將多晶棒分別作為料棒和籽晶安裝在單晶爐中，設(shè)置升溫速率，進行晶體生長，設(shè)置降溫時間，將生長完的晶體冷卻至室溫。本發(fā)明方法是一種快速生長厘米量級、無宏觀缺陷、高質(zhì)量Ti:Ta2O5晶體的無坩堝生長技術(shù)。
文檔編號C30B29/16GK102912438SQ20121035314
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者蔣毅堅, 徐宏, 馬云峰, 王越 申請人:北京工業(yè)大學(xué)