DESCRIPTION
La présente invention concerne des compositions de céramique à constante diélectrique élevée comprenant des particules ou grains conducteurs et une couche barrière isolante à la frontière de ces grains; ces compositions conviennent à la fabrication de condensateurs multicouches (ML capacitors) de haute capacité. La réalisation de condensateurs multicouches permet d'augmenter la capacité et, simultanément, de réduire la taille des condensateurs; de telles structures sont obtenues en empilant les électrodes paires ou impaires deux par deux, en alternance, les électrodes paires (et impaires, respectivement) étant connectées entre elles par la tranche de manière que le total des aires des éléments de chaque groupe constitue la surface effective totale du condensateur.
L'utilisation de céramiques à grains limités par une couche barrière (grain boundary barrier layer ceramics) pour la fabrication de condensateurs miniaturisés à haute capacité (condensateurs GBBL) est connue depuis de nombreuses années. Ainsi, déjà en 1960, le document GB-A-849-938 mentionnait la densification par frittage à 1450 C sous hydrogène de grains de PaTiO2 de pureté élevée de manière à fournir du PaTiO2 semi-conducteur poreux présentant une granulométrie moyenne de 1 pm. Par oxydation à l'air sous pression atmosphérique entre 650 et 10000 C, on a incorporé à ce matériau une couche barrière isolante intergranulaire d'oxyde d'une épaisseur d'environ 10 nm.
Les propriétés des condensateurs obtenus à partir de tels diélectriques étaient les suivantes: permittivité effective x (ou e) environ 100 000, tangente de l'angle de perte 6 environ 0,03 (Q = environ 50 à 5 kHz et 5 V efficaces rms).
Ce matériau étant désavantagé par une porosité excessive, une instabilité aux changements de température et une tension de claquage assez basse, il a été plus tard abandonné dans la technique et remplacé par le titanate de strontium semi-conducteur dopé par des métaux de transition tels que le lanthane, le niobium et le tungstène et fritté soit sans additifs, soit en mélange avec des matériaux susceptibles de fournir la couche barrière sous la forme d'une phase de frittage liquéfiable, de tels matériaux comprenant par exemple la zircone, le tungstène de bismuth, le germanate de plomb et d'autres [voir par exemple le document JP-A-77.10595 (1977)1. Lorsque le frittage est effectué sans ladite phase liquéfiable de frittage,
on peut ensuite introduire le matériau isolant intergranulaire limite en revêtant la surface de la plaque frittée par un oxyde métallique et en faisant diffuser celui-ci à l'état fondu par cuisson sous atmosphère oxydante dans le corps de la céramique (voir BP-A-75-27995).
Le document JP-A-74-129896 divulgue également la préparation d'une céramique frittée en moulant un coulis contenant du SrTiO3, du Nb2Os, du GeO2 et un liant organique en forme de disques et en cuisant les disques moulés à 1350-1480" C en atmosphère contenant de l'hydrogène. La phase limite intergranulaire isolante est réalisée en revêtant le disque d'une poudre de Bizou et en le cuisant à 1300" C, ce qui provoque la diffusion de l'oxyde fondu dans la céramique. On a ainsi obtenu des matériaux présentant des permittivités de l'ordre de 3-5 x 104 et des facteurs Q d'environ 100.
Le document JP-A-76-648 divulgue le frittage de mélanges comprenant du SrTiO3, du Nb2Os et du CoO2 à 1450 C dans une atmosphère N2/H2. La phase limite d'enrobage des grains provient de la diffusion à l'état liquide à 1100" C d'oxydes susceptibles de former des verres, ceux-ci étant choisis parmi six2, P2O3, GeO2, P2Os,
Al203, MgO, ZnO, Bizou et TiO2.
Le document JP-A-83-97820 concerne la préparation de céramiques semi-conductrices par moulage sous pression et frittage à 13501450" C sous atmosphère 1:99 d'hydrogène et d'azote de mélanges de SrTiO3, WO3, Ge2O, Al203. Pour constituer la couche barrière isolante, on fait diffuser dans la céramique un mélange fondu de
PbO, B203 et Bi2O2. Comme propriétés électriques optimales, on a obtenu des valeurs de permittivité (E) et de facteur Q d'environ 100,000 et 200, respectivement, en utilisant SiO2 et Au203 en rapport pondéral d'environ 1,5 à 5,0. La dimension moyenne des grains était de l'ordre de 60 à 120 llm et la résistivité de la couche frontière in terstitielle de l'ordre de 2 x 109 il cm.
Le document JP-A-77-10596 décrit le dopage de SrTiO3 par mélange avec des oxydes tels que Nb2Os, Ta2Os, WO3 ou TiO2 et cuisson à environ 1400 C sous atmosphère réductrice. Une quantité d'environ 1% en poids d'agent de dopage est suffisante pour qu'on obtienne des résistivités inférieures à 10 Il cm. Cette référence mentionne également l'utilisation de SiO2 comme additif de frittage, ce matériau favorisant le grossissement des grains semi-conducteurs au frittage et l'obtention de grains d'une taille supérieure à 10 ,um ayant la préférence pour les condensateurs bicouches (BL). Cette référence enseigne aussi que, par addition de ZrO2 au SrTiO3 à fritter, on augmente le facteur Q et la résistivité.
La phase limite était fournie, dans ce cas, par la diffusion d'un mélange à l'état fondu de PbO, B203 et Bi2O3. Comme valeurs types des propriétés électriques, on cite
E '- 30000 et Q ¯ 200.
Les références ci-dessus décrivent de manière générale des céramiques à grains relativement gros qui conviennent à la fabrication de condensateurs bicouches. Or, la permittivité effective (ou constante diélectrique effective) de céramiques à couche barrière comprenant des couches isolantes à la périphérie des grains semi-conducteurs dépend de la taille des grains et de l'épaisseur de la couche isolante intergranulaire. La relation fournissant la capacité d'un condensateur en fonction des propriétés de la céramique et de ses dimensions de grains est la suivante (voir, par exemple, Ultrahigh
Dielectric Capacitance in TiO2 Ceramics par M.F. YAN et
W.W. RHODES, Bell Laboratories, Murray Hill, N.J. 07974) Adv.
Ceram. (1983) Addition Interfaces Electr. Ceram. [7].226-238:
C = Kgb x D/d x S/e où S et e représentent l'aire et l'épaisseur en cm de la plaquette de céramique diélectrique, respectivement, et D, Kgb et d représentent, respectivement, le diamètre des grains, la constante diélectrique intrinsèque de la couche limite isolante interstitielle et son épaisseur, c'est-à-dire la distance intergranulaire. Ainsi, on parvient à des valeurs de permittivité de l'ordre de 104 à 105 avec des grains de 10 à 50 ttm et des couches de séparation de 102 à 103 nm (0,1 à 1 pm).
Cependant, les diélectriques dont les grains dépassent environ 510 llm ne conviennent pas aux condensateurs ML dont l'épaisseur des couches est de l'ordre de 30 llm ou moins; aussi, on s'efforce de simultanément réduire la taille des grains et l'épaisseur de la couche barrière intergranulaire. On a obtenu des résultats intéressants dans ce sens par frittage en présence d'une phase liquide constituée par du germanate de plomb et des borates (voir Characterization of Internal Boundary Layer Capacitors par H.D. PARK et D.A.
PAYNE,
Advances in Ceramics, vol. 1, pp. 242-253, 1982), les grains utilisés ayant environ 0,5 à 2 llm de diamètre et l'épaisseur de la couche barrière était de l'ordre de 100 nm (0,1 llm). On a ainsi obtenu des permittivités effectives dans la gamme des 103 avec relativement peu de pertes diélectriques (tangente 3 aux alentours de 10-2; Q = 100) et de faibles variations dues à la température (5-10%); voir également les documents US-A-4,158,219 et 4,237,084. Le paramètre dénommé tangente 6 représente le facteur de dissipation, 6 étant la différence (en unités angulaires) entre 90" et l'angle e de déphasage tensionintensité du courant alternatif appliqué au condensateur.
Idéalement, au cas où le condensateur ne présenterait aucune perte, e serait égal à x/2 et 6 serait égal à zéro. Q est l'inverse de tangente o;
Q = I/tangente 6.
Il était cependant désirable d'apporter de nouvelles améliorations aux résultats de la technique connue et de fournir des céramiques de permittivité encore plus élevée sans concéder trop de pertes en ce qui concerne la stabilité thermique et le facteur Q. Le procédé de la présente invention, tel que défini à la revendication 1, constitue un pas en avant dans la direction recherchée; ce pas a été franchi lorsque les présents inventeurs ont découvert avec surprise que certains traitements à haute température en présence d'air après frittage fournissaient des effets bénéfiques sur les propriétés diélectriques des condensateurs; en effet, suivant les conditions opératoires utilisées, on pouvait normalement s'attendre à une altération des propriétés semi-conductrices des grains de SrTiO3 par suroxydation.
Les conditions dans lesquelles on peut effectuer les traitements suivant l'invention sont détaillées ci-dessous: dans le cas où on effectue un recuit, on chauffe l'objet fritté à l'air dans un four à une température prédéterminée et pendant un temps de durée variable. Les températures sont de l'ordre de 800 à 1100" C et les temps de recuit de l'ordre de 0,5 à 5 h.
Lorsqu'on se contente de refroidir l'objet fritté à l'air, on remplace le gaz dans lequel le frittage a été effectué (généralement de l'azote et de l'hydrogène) par de l'air. La température à laquelle s'effectue ce changement peut être égale à la température de frittage ou inférieure; habituellement, on introduit l'air vers 1100-1200" C ou, de préférence, au-dessous, c'est-à-dire vers 1050 ou 1000" C, ou même plus bas, alors que le frittage lui-même a lieu entre 1200 et 1400" C. Le taux de refroidissement dans ces conditions est de l'ordre d'environ 100 à 200" C/h. Dans certains cas, le traitement de recuit a été combiné avec un post-traitement de diffusion, comme on le verra plus loin.
La poudre semi-conductrice dopée, par exemple au niobium, utilisée comme phase granulaire interne dans le présent procédé peut être obtenue en mélangeant du SrTiO2 et du Nb2Os et en cuisant le mélange sous atmosphère réductrice, par exemple à 1450-1500" C en présence d'un mélange H2/Ar ou H2/N2 contenant (V/V) 1-10% de H2. En alternative, on peut également soumettre à une telle cuisson un mélange broyé de TiO2, Nb2Os et SrCO3. Après dopage, on broie le matériau à la granulométrie choisie (correspondant à des grains d'une taille de 0,5 à 5 llm) par les moyens habituels, par exemple dans un moulin à billes en présence de billes de céramiques ou de métaux durs.
On peut introduire de façon similaire d'autres métaux de dopage, par exemple le tungstène et le lanthane.
Lorsqu'on dispose de SrTiO3 dopé à la granulométrie recherchée, on en mélange les grains avec les matériaux constituant l'agent liquéfiable d'aide au frittage et à la densification, ces matériaux fournissant également par la suite, après la cuisson, la phase limite intergranulaire isolante désirée. De tels matériaux peuvent être utilisés sous forme de compositions pulvérulentes d'oxydes de métaux à l'état solide qu'on mélange mécaniquement.
D'une autre manière, on peut fournir ces matériaux sous forme de composés organométalliques, habituellement des alcoxydes, qu'on gélifie au contact du SrTiO3, un revêtement ou film de structure métalloxane recouvrant alors les grains de celui-ci. Cette technique constitue une particularité nouvelle supplémentaire de l'invention. Habituellement, cette addition s'effectue par imprégnation de
la poudre dopée de SrTiO3 en mélangeant celle-ci (dont les grains
ont une dimension d'environ 0,8 à 5 llm) sous atmosphère inerte
(par exemple de l'azote pur ou de l'argon) avec une solution organique des composés à déposer pour former la couche barrière.
Des solvants tels que éthanol, propanol, butanol, acétylacétone et autres
solvants compatibles à l'eau conviennent; la concentration des composés organométalliques dans la solution est d'environ 5 à 20% en poids, mais ces limites ne sont pas critiques et peuvent être outrepassées de part et d'autre. Habituellement, on peut incorporer à la solution une petite quantité d'eau et de catalyseurs de gélification, par exemple de petites quantités de HCI ou d'un autre acide minéral; les bases, telles que des amines ou NH40H, conviennent également. Ces catalyseurs provoquent la formation d'une couche de gel à la surface des grains, cette couche de gel étant, après coup, séchée et chauffée à l'air pour la transformer en composés métalliques isolants ou en oxydes isolants correspondant aux métaux inclus dans cette couche de gel.
Comme traitement thermique, on peut, par exemple, chauffer à 500-600 C, à l'air, de 1 à 2 h ou plus longtemps si désiré, de manière que la couche se densifie et que les résidus organiques restants s'éliminent par oxydation.
Comme composés métalliques utilisables pour former les solutions d'alcoxydes, on peut citer ceux des métaux généralement employés dans la technique pour constituer la phase favorisant le frittage. Par exemple, des solutions contenant de l'hexanoate de plomb et un alcoxyde de germanium, ou des alcoxydes de bore et de bismuth, ou encore des alcoxydes de silicium et d'aluminium peuvent convenir. Par imprégnation avec de telles solutions, suivie de séchage et chauffage comme indiqué ci-dessus, on parvient à des couches de germanate de plomb, boro-bismuthate de plomb ou de silicate d'alumine, respectivement. Plusieurs couches successives en combinaisons peuvent être parfois avantageuses; on peut notamment compléter une ou plusieurs couches de silicate d'alumine par une ou plusieurs couches de germanate de plomb.
Il est intéressant de noter que la présence d'une couche d'aluminosilicate sur les grains de titanate de strontium dopé aura pour effet d'inhiber le grossissement de ces grains semi-conducteurs pendant le frittage, ce qui est avantageux et inattendu puisqu'une des références précitées dit précisément le contraire.
Un autre avantage relatif à l'emploi de solutions d'alcoxydes (cette technique est communément appelée Sol-gel ) pour l'apport de la phase liquéfiable nécessaire au frittage et fournissant ultérieurement la couche limite intergranulaire est lié à un contrôle amélioré de l'épaisseur de la couche barrière qu'on peut exercer en laissant plus ou moins longtemps les grains de la poudre conductrice (ou semi-conductrice) en contact avec une solution des composés organométalliques, de manière que se forme la couche barrière isolante. En d'autres termes, on peut faire varier la quantité de matériau de revêtement qui se dépose à l'état humide en réglant les conditions opératoires, ce qui entraîne une variation correspondante des propriétés électriques de la céramique résultant du procédé.
Ainsi,
I'épaisseur effective de la couche interstitielle enrobant les grains peut être aussi faible que 0,8 à 1,5 nm bien que, naturellement, on puisse la rendre plus épaisse en prolongeant le temps de contact avec la solution d'imprégnation, la température et les autres paramètres réactionnels (concentrations des matières dissoutes, types de solvants, pH, de manière à agir sur la vitesse de gélification, etc.). On peut également agir sur l'épaisseur de la couche interstitielle en répétant l'opération de revêtement après séchage de la poudre consécutivement à un premier revêtement. L'épaisseur effective du revêtement qu'on obtient comme décrit ci-dessus peut être estimée par comparaison avec une plaquette témoin, par exemple en verre, qu'on soumet à des conditions opératoires identiques et qu'on soumet ensuite (c'est-à-dire après séchage et chauffage) à des mesures optiques.
En général, on obtient des résultats avantageux lorsque le gain de poids subi par la poudre consécutivement au traitement de revêtement des grains semi-conducteurs est de l'ordre de 10-4 à 10-2 ou plus (c'est-à-dire 0,01 à 1% ou plus). Un autre avantage de la présente invention est de permettre une réduction de la température de
frittage, ce qui entraîne une réduction de la tendance au grossisse
ment des grains au cours du frittage.
Comme on l'a brièvement mentionné plus haut, les matériaux
destinés à constituer la phase liquéfiable d'aide au frittage peuvent
être également apportés sous forme pulvérulente et simplement mé
langés au SrTiO3 dopé. Pour réaliser ce but, on mélange le SrTiO3
pulvérulent avec une quantité choisie de l'agent d'aide au frittage en
poudre, après quoi on moule sous pression ce mélange en présence
d'un liant susceptible d'être éliminé après coup par décomposition
(ainsi, on peut utiliser une solution d'un polymère volatil ou facile
ment combustible, tel que l'alcool polyvinylique ou le polyvinyl
butyral).
Il est à remarquer que l'utilisation sous forme de poudre des
agents liquéfiables d'aide au frittage n'est pas à considérer comme
une simple alternative à l'emploi, dans ce but, d'alcoxydes métalliques suivant la technique Sol-gel susmentionnée. En effet, une combinaison des deux techniques peut être avantageuse. Ainsi, par exemple, on peut additionnellement mélanger des grains de SrTiO3 déjà revêtus par Sol-gel avec une quantité supplémentaire d'agent d'aide au frittage en poudre avant d'entreprendre l'opération de frittage proprement dite. Comme composés qu'on peut utiliser comme agents complémentaires de la phase liquide de frittage à incorporer sous forme pulvérulente, on peut citer des composés et oxydes tels que PbO, GeO2, Bi2O3, H3BO3, Bacs3, P2Os et SrTiO3.
L'utilisation de SrTiO3 en tant que composant additionnel de la phase liquide de frittage lors du frittage des grains de SrTiO2 dopé semiconducteur est nouvelle et procure des avantages notables en ce qui concerne la stabilisation de la phase liquide ainsi que la permittivité et le facteur Q de la céramique frittée. Les compositions additionnelles préférées d'aide au frittage sont les suivantes (en % en poids):
PbO 78% - GeO2 22%; PbO 45% - B2O3 5% - Pi2O3 50%;
PbO 25%-B2O3 20%-Bi203 20%-GeO2 5%Par 10%-P2Os 20%.
Lorsqu'on utilise SrTiO3 comme complément d'aide de frittage à la phase liquide, on l'ajoute de préférence au taux de 5% en poids à l'une des compositions préférées ci-dessus.
Les conditions de frittage permettant la conversion des grains de
SrTiO3 semi-conducteurs en mélange avec le matériau incorporé par la technique Sol-gel et constituant la phase liquide de frittage et, ultérieurement, d'enrobage desdits grains, avec ou sans apport additionnel de matériau pulvérulent, de manière à réaliser une céramique granulaire à couche interstitielle limite de constante diélectrique élevée, comportent en premier lieu un compactage ou moulage de la poudre sous pression en présence d'un liant mélangé à la poudre de manière à réaliser un objet en vert (un disque, une plaquette, etc.), puis on fritte et densifie cet objet à une température habituellement comprise entre 1000 et 1300 C sous un gaz inerte comme l'argon ou l'azote ou en atmosphère réductrice afin de ne pas risquer de perdre les propriétés semi-conductrices du SrTiO3 dopé.
Comme atmosphère réductrice, on peut employer des dilutions d'hydrogène ou de monoxyde de carbone dans un gaz inerte tel que l'azote, le CO2 ou un gaz rare. On a ainsi obtenu des permittivités de l'ordre de 106 accompagnées de facteurs Q peu élevés. Par un traitement thermique ultérieur approprié, par exemple par recuite à l'air, on peut relever le facteur Q et la résistance mécanique de la céramique aux dépens, dans une certaine mesure, de la permittivité.
En général, on a préparé des disques frittés en mélangeant la poudre revêtue de la phase liquéfiable (en présence ou en l'absence d'une quantité additionnelle de celle-ci en poudre) avec 1-3% d'un liant tel que le polyvinylbutyral (prises de 1-2 g de poudre), en pressant l'échantillon en forme au moyen d'une presse à piston, les disques pressés ayant environ 10-20 mm de diamètre et 1-3 mm d'épaisseur, en effectuant le frittage 1-6 h à une température donnée, en fixant des électrodes de part et d'autre du disque et en mesurant ses propriétés de diélectrique (capacitance et facteur de perte Q) par les moyens habituels. La formule utilisée est la suivante (C mesuré en picofarads = 10-l2F):
C = 0,0885g x S/e à partir de laquelle on a calculé E (la permittivité, aussi désignée par x), S étant en cm2 et e en rm.
Les électrodes (Cu, Ag, Pt ou Au) ont été appliquées par pulvérisation sous vide par les techniques connues ou par sérigraphie en utilisant une peinture ou pâte métallique dont le liant est détruit à la cuisson; une telle application peut se faire directement sur l'objet en vert (la cuisson correspondant alors au frittage) ou après coup sur l'objet déjà fritté. Puis, après frittage, soit on a refroidi les disques à l'air, soit on les a recuits comme indiqué à la revendication 1.
On a pu également mettre en oeuvre le post-traitement thermique à l'air de l'invention en le combinant avec un post-traitement de diffusion similaire à celui, connu, de l'état de la technique. Ainsi, dans les conditions appliquées, la céramique frittée est soumisse à un traitement de recuit et, simultanément, on fait diffuser à l'intérieur de la matière de celle-ci un matériau vitreux à l'état fondu, de manière à encore améliorer ses propriétés diélectriques. Par exemple, on a dispersé des mélanges de divers oxydes métalliques vitrifiables dans des liants et on a appliqué les pâtes ainsi obtenues sur les faces des disques de céramique frittée; puis on a chauffé dans une gamme de températures de l'ordre de 800 à 1000" C, de manière que les oxydes fondent et que le liquide diffuse dans les pores du substrat.
Dans certains cas, on a pu combiner ce traitement avec la pose des électrodes; ainsi, on a pétri des oxydes vitrifiables pulvérulents avec une pâte ou peinture métallique (par exemple Ag ou Pt), on a appliqué cette pâte sur les faces des disques de céramique et on a cuit le tout comme déjà décrit ci-dessus. Lors de cette cuisson, les oxydes, fondus, diffusent dans la céramique, tandis que le métal se dépose à la surface de celle-ci, fournissant ainsi les électrodes recherchées.
On donne ci-dessous quelques-unes des compositions qu'on préfère pour réaliser le traitement de diffusion susmentionné: (a) Bizou 36% -CuO 4% -Ag pâte 60% (b) PbO 32% - GeO2 8% -Ag pâte 60% (c) PbO 30% - GeO2 8% - SrTiO2 2% - Ag pâte 60% (d) PbO 18%-Bi2O2 20%-P2O2 2% - Ag pâte 60% (e) PbO 78,05%-GeO2 21,95% (f) PbO76%-GeO2 19%-PaO 5% (gl) PbO (g2) PbO 60% -PbF 40% (h) PbO 20% - Pi2O3 20% - B2O3 40% - CuO 20% (i) PbO 66% - GeO2 12%-Bi203 20%-B203 2%
Selon une variante, on a utilisé,
pour la diffusion, les vapeurs desdits oxydes fondus. Pour la mise en oeuvre de cette variante, on a réalisé la fusion des solides dans un creuset (put) et on a disposé les disques de céramiques dans l'ouverture de celui-ci en les fixant par des crochets à environ 1-3 cm du niveau de la matière en fusion.
Dans cette variante, on a utilisé de préférence la composition (h) cidessus (fusion 800" C) et un mélange (en poids) 4:6 P2O3/PbO (température du liquide en fusion 900" C).
Les exemples qui suivent illustrent l'invention en détail.
Exemple 1
On a préparé une poudre de SrTiO3 dopée (I) semi-conductrice en mélangeant 79,63 g de SrCO3 très pur, 43,1 g de TiO2 (dimension des grains 0,75 km) et 1,01 g de Nb2Os (0,7 mole %). On a chauffé le mélange 2 h à 1100" C à l'air (creuset de platine) et, après refroidissement, on Fa encore chauffé 4h à 1480" C dans un mélange H2/Ar à 10% de H2 (V/V) de manière à assurer un effet réducteur et à provoquer l'apparition des propriétés semi-conductrices. Puis on a moulu la poudre 24 h dans un moulin plastique de 250 ml contenant 20 billes WC/Co de 9 mm de diamètre et, comme liquide de broyage, un mélange 3:1 (V/V) d'éther de pétrole et de butanol. On a ainsi obtenu une poudre de granulométrie 0,5-5 11 environ.
On a ensuite essoré la poudre et on l'a séchée. Sa résistivité, mesurée par les moyens habituels, était de 4,88 Q cm. La poudre semi-conductrice a ensuite été immergée dans un excès d'une solution organique (PEG) contenant 0,53 g de tétraéthoxyde de germanium, 1,37 g de 2-éthylhexanoate de plomb11, 6 g d'acétylacétone, 13 g d'éthanol et 10 mg de HCI (sous la forme d'une solution éthanolique 0,1N). Après repos d'environ 1/2 h, on a essoré la poudre, on l'a séchée 16 h à 90" C, puis on l'a chauffée 1 h à l'air à 550" C (4" C/min). On a répété ce traitement 4 fois en succession.
Puis on a mêlé à cette poudre 1,5% en poids de polyvinylbutyral (PVB) en utilisant une solution de ce polymère dans un mélange 75:25 (V/V) d'éther de pétrole/tbutanol, on l'a séchée, passée sur un tamis de mailles 300 llm et moulée sous pression en disques à vert de 1 mm (3T/cm2). On a chauffé à l'air, 1 h à 550" C pour détruire le liant (0,5" C/min).
On a ensuite fritté les disques verts suivant les conditions indiquées au tableau I et on a mesuré les propriétés diélectriques comme suit:
Après frittage, on a appliqué des électrodes de Pt sur les disques par pulvérisation suivant les moynes habituels et on a mesuré les propriétés du diélectrique à 1,5 kHz au moyen d'un appareil électrotest HEWLETT-PACKARD HP-4192-AIF pourvu d'un ohmmétre à lampe à haute impédance. Les résultats des mesures, en termes de permittivité E, facteur Q et résistance ohmique, figurent également au tableau I.
Tableau I
EMI4.1
<tb> <SEP> Frittage <SEP> Propriétés <SEP> diélectriques
<tb> Echan
<tb> tillon <SEP> ,atm, <SEP> chauffage <SEP> temp.# <SEP> Q <SEP> R
<tb> <SEP> ( c/min) <SEP> ( c) <SEP> (min) <SEP> (M@)
<tb> I'-C <SEP> N2 <SEP> 10 <SEP> 1250 <SEP> 180 <SEP> 6692 <SEP> 2,8 <SEP> 10
<tb> I'-E <SEP> N2 <SEP> 10 <SEP> 1100 <SEP> 240 <SEP> 840 <SEP> 000 <SEP> 0,6 <SEP> 2,4
<tb> I'-F <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1350 <SEP> 60 <SEP> 240 <SEP> 000 <SEP> 0,4 <SEP> 22
<tb> I'-G <SEP> N2 <SEP> 8 <SEP> 1060 <SEP> 120 <SEP> 4857 <SEP> 2,9 <SEP> 65
<tb>
On a recuit l'échantillon I'E à l'air plus ou moins longtemps à diverses températures. Les résultats, consignés au tableau II, indiquent que le recuit diminue la permittivité mais augmente le facteur Q.
Tableau II
EMI4.2
<tb> Température <SEP> Temps <SEP> x <SEP> 105 <SEP>
<tb> <SEP> ("C) <SEP> (h)
<tb> <SEP> 650 <SEP> 1 <SEP> 3,6 <SEP> 1,2
<tb> <SEP> 780 <SEP> 1 <SEP> 1,6 <SEP> 2,4
<tb> <SEP> 800 <SEP> 3 <SEP> 1,2 <SEP> 2,6
<tb>
Par électromicrographie, on a constaté que la granulométrie de cet échantillon était d'environ 2 llm. La couche barrière isolante
avait environ 1 à 100 nm.
Exemple 2
On a mélangé et broyé les ingrédients suivants dans un moulin en zircone en présence de 1 kg de billes de ZrO2: 923,78 g (6,26 moles) de SrCO3, 500 g (6,26 moles) de TiO2 et 11,72 g (0,044 mole) de Nb2O0. Comme phase porteuse, on a utilisé de l'eau. On a séché le gâteau de poudre à l'air, puis on l'a chauffé 2 h à 1100" C à l'air dans un creuset d'alumine (taux de mise en température, 400" C/h). On a procédé ensuite à une réduction en chauffant 2-4 h à 1450-1480" C sous un mélange de 10:90 (V/V) d'hydrogène/azote. La vitesse de chauffage était d'environ 300 à 420" C/h. Puis on a broyé le produit réduit dans un moulin en polyéthyléne en présence de billes WC/Co jusqu'à une granulométrie de 0,5 à 5 llm. Comme liquide de broyage, on a utilisé un mélange 75:25 d'éther de pétrole/t-butanol.
On a lavé le SrTiO2 dopé moulu ainsi obtenu avec de l'acétone et, après l'avoir séché, on l'a mis en contact, 30 min environ, dans une boîte à gants, avec une solution choisie de type Sol-gel . Pour cela, on a utilisé les solutions suivantes, dénommées HM9SIA et PGI.
HM9SIA (abrégé HM): on a mélangé et chauffé V2 h à 70" C 41,6 g de Si(EtO)4, 30 g de n-butanol, 7,9 g de dibutoxyde acétylacétate chélate d'aluminium et 1,84 g de HCI (sous la forme d'une solution 0,1N dans l'éthanol). Après refroidissement, on a ajouté 3,3 g de H2O et 182 g d'EtOH. On a chauffé à nouveau V2 h à 50" C et on a laissé refroidir.
PGI: on a porté 2h à l'ébullition à reflux un mélange de 15 g d'acétylacétone, 2,12 g de tétraéthoxyde de germanium, 5,48 g de 2éthylhexanoate de Pb", 25,5 g de n-butanol et 1,76 g de HCI (sous forme de solution 0,1N dans l'éthanol); on a laissé refroidir et utilisé cette solution à température ambiante.
Après avoir mis en contact le temps voulu sous azote le SrTiO3 réduit broyé avec la solution d'alcoxydes, on a essoré le coulis sur verre fritté sous pression réduite, puis on l'a séché 16 h à l'air à 90 C. On a ensuite densifié la poudre en la chauffant 1 h à 550" C, la vitesse de montée en température étant de 60 à 240" C/h suivant les cas. Pendant ce traitement, tous les résidus organiques sont détruits et éliminés; si nécessaire, on peut effectuer ce traitement dans l'oxy- gène pour accélérer les processus de combustion. La poudre ainsi densifiée est maintenant prête pour être moulée et frittée soit sans adjonction d'autres additifs, soit après mélange avec une quantité additionnelle de phase liquéfiable en poudre.
Pour obtenir les disques pressés, on a mélangé la poudre de titanate avec environ 1,5% en poids de polyvinylbutyral (PVB) dans une solution d'acétone/isopropanol. Pour ce faire, on ajoute à la dispersion de SrTiO3 la quantité requise de PVB sous la forme d'une solution à 20 g de PVB pour 120 g d'un mélange 1:1 d'acétone/ n-butanol.
Après avoir agité 30 min, on évapore, on passe la poudre enrobée de PVB sur un tamis de mailles 300 llm et on la presse en forme de disques dans un moule en acier inoxydable sous 25 tonneslcm2. Puis on chauffe les disques verts 1 h à l'air à 550" C pour détruire le liant (0,5-1" C/min) après quoi on effectue le frittage.
Ce frittage a été effectué dans des fours tubulaires en Au203 équipés de tubulures pour l'introduction de gaz, c'est-à-dire, d'un côté, de l'azote pur, de l'autre, un mélange 10:90 (V/V) d'hydrogène/azote. Le débit de chacun de ces gaz était sous contrôle de vannes et de débitmètres. Par réglage approprié de ces organes, on pouvait régler de façon précise le contenu en hydrogène du gaz dans lequel s'effectue le frittage, et cela dans une plage approximative de 0,01 à 5% en volume. Des rapports H2/N2 dans la gamme de 0,1 à 1% ont été reconnus avantageux. Les températures de frittage varient entre environ 900 et 1500 C et les temps de frittage de 1 h à plusieurs heures. Il est évident qu'on recherche des conditions de frittage douces afin de réduire la tendance au grossissement des grains semiconducteurs.
Dans certains cas, on a réalisé la formation des électrodes sur les faces des disques pendant le frittage par application, sur le disque vert , de peintures ou pâtes à métalliser, par exemple contenant du platine, du cuivre. de l'argent et autres métaux peu oxydables. Le tableau III qui suit résume certaines données opératoires et les résultats correspondants obtenus, en termes de propriétés des diélectriques. Le tableau indique la mise en oeuvre des post-traitements thermiques de l'invention, tels que refroidissement en présence d'air après frittage (C). Un tel traitement (analogue à une recuite) est indiqué par le taux de refroidissement en "C/h. L'absence d'un tel traitement correspond aux essais de contrôle.
La seconde colonne du tableau indique le nombre de couches appliquées par Sol-gel sur le SrTiO2 dopé ainsi que le type de solution.
Tableau III
EMI5.1
<tb> <SEP> Solution <SEP> Frittage <SEP> Propriétés
<tb> Essai <SEP> Sol-gel <SEP> <SEP> Sol-gel
<tb> <SEP> N" <SEP> nombre <SEP> de <SEP> temp. <SEP> temps <SEP> post-traitement <SEP> E <SEP> Q
<tb> <SEP> couches <SEP> ("C) <SEP> (h) <SEP> ("C/h) <SEP>
<tb> H4(1) <SEP> OHM, <SEP> 5PAGI <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 7760 <SEP> 10,5
<tb> H4(3) <SEP> OHM, <SEP> 5PSI <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5000 <SEP> 14,3
<tb> H4(4) <SEP> OHM,
<SEP> SPI <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> 180 <SEP> 9000 <SEP> 96,2
<tb> HS(1) <SEP> SPGI <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 7000 <SEP> 31
<tb> H5(2) <SEP> 5PGI <SEP> 1248 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 7500 <SEP> 9,7
<tb> H5(3) <SEP> 5PGI <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5200 <SEP> 17,0
<tb> H5(4) <SEP> 5PGI <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> 180 <SEP> 6000 <SEP> 99
<tb>
Le refroidissement à l'air augmente le facteur Q sans affecter défavorablement la permittivité. Par ailleurs, l'effet qui résulte de l'application d'une couche initiale d'aluminosilicate est une réduction de la croissance des grains au frittage avec pour conséquence une combinaison quelque peu supérieure des valeurs E et Q.
Exemple 3
On a mis enjeu les matériaux de l'exemple 2 dans des conditions opératoires approximativement similaires. Cependant, avant le frittage, on a ajouté à la poudre de SrTiO3 réduite et revêtue par Solgel une quantité supplémentaire de phase liquéfiable en poudre, cette opération étant conduite comme suit: on a porté à fusion à
1000" C (température de fusion du verre) dans un creuset d'alumine un mélange PbO-GeO2 78:22 en poids (dénommé PGO) et, après une période d'attente à l'état fondu (1-4 h), on a coulé le liquide dans des moules en acier inox. Après refroidissement, on a brisé les blocs et on les a reduits en poudre par broyage suivant la technique définie à l'exemple 2 (moulin de polyéthylène, billes de WC/Co) jusqu'à une taille des grains d'environ 1-5 llm.
On a ensuite mis en dispersion dans une solution 20:80 (V/V) acétone/isopropanol contenant du PVB la poudre de SiO2 et une proportion choisie de la poudre PGO. Au point de vue pondéral, on a utilisé environ 0,5 g de PVB pour 3 g de solides. On a ensuite essoré le coulis et on l'a traité et fritté en formes comme dans l'exem- ple 2.
On trouve réunis au tableau IV les résultats des mesures effectuées sur les disques frittés: les titres des colonnes de ce tableau renvoient aux mêmes paramètres que ceux du tableau III avec, en plus, la quantité en poids de phase liquéfiable rajoutée (PGO) ainsi que la nature et les conditions du post-traitement thermique à l'air: dans certains cas (C), il s'agit du refroidissement à l'air comme déjà évoqué à l'exemple 2; dans d'autres cas (A), il s'agit d'une recuite à la température et pendant le temps indiqué.
Tableau IV
EMI5.2
<tb> <SEP> Frittage <SEP> propriétés
<tb> Essai <SEP> N <SEP> Solution <SEP> Sol-gel <SEP> Phase <SEP> temp. <SEP> temps <SEP> post-traitement <SEP> @ <SEP> Q
<tb> <SEP> 1couche <SEP> liquéfiable <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> refr. <SEP> C( <SEP> C/h) <SEP> ou
<tb> <SEP> (% <SEP> en <SEP> poids) <SEP> recuite <SEP> A( <SEP> C,
<SEP> h)
<tb> <SEP> H1(2) <SEP> lHM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1170 <SEP> 2
<tb> <SEP> 1270 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 3400 <SEP> 16,2
<tb> <SEP> Ho(3) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A(1100,1) <SEP> 32000 <SEP> 5,3
<tb> <SEP> H3(l) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5100 <SEP> 18,3
<tb> Tablear IV (suite)
EMI6.1
<tb> <SEP> Frittage <SEP> Propriétés
<tb> Solution <SEP> Sol-gel <SEP> Phase
<tb> Essai <SEP> N0 <SEP> 1 <SEP> couche <SEP> liquéfiable <SEP>
temp. <SEP> temps <SEP> post-traitement
<tb> <SEP> ( <SEP> en <SEP> poids) <SEP> (O <SEP> C) <SEP> (h) <SEP> refr. <SEP> C(0 <SEP> C/h) <SEP> ou <SEP> E <SEP> Q
<tb> <SEP> recuite <SEP> A(0 <SEP> C,
<SEP> h)
<tb> <SEP> H3(2) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 10800 <SEP> 1,2
<tb> <SEP> H3(3) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 3700 <SEP> 10,8
<tb> <SEP> H3(4) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A(1100,1) <SEP> 9600 <SEP> 13
<tb> <SEP> H3(5) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C(180) <SEP> 11600 <SEP> 100
<tb> <SEP> H3(6) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1305 <SEP> 1
<tb> <SEP> pas <SEP> de <SEP> H2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5400 <SEP> 11
<tb> <SEP> H3(7) <SEP> lHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C(180) <SEP> 10650 <SEP> 116
<tb>
Exemple 4
Cet exemple est
destiné à illustrer l'application, après frittage, d'un post-traitement à l'air combiné avec la diffusion d'une composition vitreuse à l'état fondu à l'intérieur de la céramique. Le titanate de strontium réduit dopé est le même qu'aux exemples 2 et 3 ainsi que les conditions opératoires, cela jusqu'à l'étape de frittage des disques pressés.
On a alors appliqué sur les disques frittés environ 0,1 g d'une pâte préparée avec l'une des compositions mentionnées plus haut à la fin de la partie descriptive de cette demande. On a préparé une telle pâte en mélangeant simplement environ 3 g du solide pulvérisé avec une petite quantité d'une solution contenant 20 g de PVB dans 120 g de n-butanol (prises d'environ 0,1 g de cette solution). On a séché les disques ainsi revêtus et on les a chauffés un temps déterminé à la température choisie pour la diffusion. Le tableau VA qui suit rassemble un premier groupe de paramètres et de résultats.
Dans ce cas, on a préparé les grains de SrTiO2 dopé semi-conducteur en calcinant (1100 C, 2 h) un mélange de 1000 g de SrCO2, 541 g de TiO2 et 12,69 g de Nb2O5 et en le réduisant 4h à 1480 C dans un mélange H2/N2 comme décrit auparavant. Après pulvérisation comme décrit auparavant, on a appliqué une couche d'aluminosilicate au moyen de la solution HM9SIA (voir l'exemple 2) et, après les traitements habituels, on a mélangé la poudre avec 5% (en poids) de PGO (voir l'exemple 3); puis on a effectué le frittage comme indiqué au tableau VA. On a finalement appliqué le traitement de diffusion comme indiqué au même tableau, lequel réunit également les résultats des mesures diélectriques des condensateurs correspondants.
Les électrodes ont été déposées après coup par pulvérisation.
Tableau VA
EMI6.2
<tb> <SEP> Frittage <SEP> Diffusion <SEP> Propriétés <SEP> à <SEP> 100 <SEP> KHz
<tb> Essai <SEP> N <SEP> temp. <SEP> temps <SEP> composition <SEP> temp. <SEP> temps <SEP> gain <SEP> en <SEP> # <SEP> Q <SEP> #(#cm)
<tb> <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> poids <SEP> (%) <SEP> DC
<tb> H3(8) <SEP> 1245 <SEP> 3 <SEP> gl <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 9,4 <SEP> 4000 <SEP> 184 <SEP> 20 <SEP> x <SEP> 109
<tb> H3(11) <SEP> 1206 <SEP> 5 <SEP> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 3,5 <SEP> 6450 <SEP> 94 <SEP> 21x109 <SEP>
<tb> H3(12) <SEP> 1180 <SEP> 6 <SEP> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 1,07 <SEP> 5100 <SEP> 96 <SEP> 94x <SEP> 108
<tb> H3(13) <SEP> 1180 <SEP> 6 <SEP> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 0,78 <SEP>
6000 <SEP> 100 <SEP> 14x109
<tb>
Dans un autre groupe d'essais, on a appliqué deux couches successives de silicate d'alumine au moyen du traitement Sol-gel susmentionné (solution HM), mais sans addition supplémentaire de phase liquéfiable en poudre. De plus, on a effectué le frittage avec peu d'hydrogène, c'est-à-dire moins de 0,4% dans l'azote (V/V). Les paramètres opératoires, les conditions de diffusion et les résultats sont consignés au tableau VB ci-après:
Tableau VB
EMI6.3
<tb> <SEP> Frittage <SEP> Diffusion <SEP> Propriétés <SEP> à <SEP> 100 <SEP> kHz
<tb> Essai <SEP> N <SEP> temp. <SEP> temps <SEP> composition <SEP> temp.
<SEP> temps <SEP> gain <SEP> en <SEP> # <SEP> <SEP> Q <SEP> #(#.cm)
<tb> <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> poids(%) <SEP> DC <SEP>
<tb> H34(1) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> gl <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 2,36 <SEP> 16800 <SEP> 25,3 <SEP> 27x <SEP> 105
<tb> H34(2) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> g2 <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3,2 <SEP> 14200 <SEP> 27 <SEP> 17x <SEP> 106
<tb> H34(3) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> gl <SEP> 910 <SEP> 3 <SEP> 3,3 <SEP> 21600 <SEP> 59 <SEP> 83 <SEP> x <SEP> 10S <SEP>
<tb> H34(4) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> g2 <SEP> 910 <SEP> 3 <SEP> 5,3 <SEP> 5650 <SEP> 133 <SEP> 11x109 <SEP>
<tb> H34(5) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 19,2 <SEP> 3450 <SEP> 31 <SEP> 36x <SEP>
107 <SEP>
<tb> <SEP> H34(6) <SEP> 1284 <SEP> 2 <SEP> g2 <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3,8 <SEP> 11200 <SEP> 30 <SEP> 2x108 <SEP>
<tb> <SEP> H34(7) <SEP> 1284 <SEP> 2 <SEP> gl <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3,5 <SEP> 11100 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> x <SEP> 105
<tb> <SEP> H34(8) <SEP> 1256 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 1200 <SEP> 2 <SEP> 7,7 <SEP> 2800 <SEP> 16 <SEP> 28x108 <SEP>
<tb> <SEP> H34(9) <SEP> 1256 <SEP> 4 <SEP> e <SEP> 1200 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 000 <SEP> 13 <SEP> 29 <SEP> x <SEP> 108
<tb>
On a conduit un troisième groupe d'essais semblables aux précédents, les échantillons ayant reçu une couche unique d'aluminosilicate Sol-gel par l'entremise de la solution HM, mais pas de phase liquéfiable additionnelle.
Les disques ont été frittés sous azote contenant une quantité d'hydrogène ne dépassant pas 0,4% (V/V). Les résultats figurent au tableau VC ci-après:
Tableau VC
EMI7.1
<tb> <SEP> Frittage <SEP> Diffusion <SEP> Propriétés <SEP> a <SEP> 100 <SEP> kHz
<tb> Essai <SEP> N
<tb> <SEP> temp. <SEP> temps <SEP> composition <SEP> temp.
<SEP> temps <SEP> gain <SEP> en <SEP> E <SEP> Q <SEP> #(#.cm)
<tb> H33(1) <SEP> 1362 <SEP> 2 <SEP> f <SEP> 1100 <SEP> 1,5 <SEP> 17,4 <SEP> 17400 <SEP> 22,3 <SEP> 125 <SEP> x <SEP> 108
<tb> H33(10) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 21,6 <SEP> 5100 <SEP> 118 <SEP> 164x108 <SEP>
<tb> H33(11) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> gl <SEP> 910 <SEP> 3 <SEP> 9,4 <SEP> 7700 <SEP> 115 <SEP> 1010 <SEP>
<tb> H33(12) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> g2 <SEP> 910 <SEP> 3,4 <SEP> 10,9 <SEP> 5800 <SEP> 152 <SEP> 124x <SEP> 108 <SEP>
<tb>
Exemple 5
On a mélangé, comme décrit à l'exemple 3, du titanate de strontium dopé par 0,7 mole % de niobium tel que préparé comme indiqué à l'exemple 2 avec des matériaux liquéfiables d'aide au frittage, aucun revêtement préalable résultant de la technique Sol-gel n'étant appliqué.
Les compositions d'aide au frittage utilisées étaient les suivantes (en poids): PbO 78% -GeO2 22% (PGO); PbO 45%
B203 5% - Bizou 50% (BPBO); PbO 25% - B203 20% - GeO2 5% Bizou 20% - BaO 10% - P2Os 20% (ZPhBa). Dans certains cas, les compositions contenaient, en outre, 5% en poids (par rapport au total de la composition) de SrTiO2.
Par pression, on a formé des disques comme décrit aux exemples précédents et on a soumis ceux-ci à un frittage sous azote ou à un mélange H2/N2 comme décrit auparavant. Puis on a fait subir aux échantillons frittés un traitement de recuite (A) ou de refroidissement à l'air (C) suivant l'invention dans les conditions résumées au tableau VI qui suit. Les conditions opératoires, telles que nature et quantité de la phase liquéfiable, les conditions de frittage et les propriétés diélectriques figurent aussi au tableau. Les échantillons de contrôle n'ont subi aucun post-traitement à l'air.
Tableau VI
EMI7.2
<tb> <SEP> Fnttage <SEP> Propriétés <SEP>
<tb> Essai <SEP> N <SEP> Agent <SEP> de <SEP> frittage <SEP> diélectriques
<tb> <SEP> (%) <SEP> temp. <SEP> temps <SEP> post-traitement
<tb> <SEP> ( C) <SEP> (h) <SEP> C( C/h);
<SEP> A( C,h);A( C,h) <SEP> # <SEP> Q
<tb> <SEP> H7(2) <SEP> PGO <SEP> (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 11500 <SEP> 29,3
<tb> <SEP> H7(3) <SEP> PGO(5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A(1100, <SEP> 1) <SEP> 4300 <SEP> 62,5
<tb> <SEP> H7(4) <SEP> PGO <SEP> (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> C(180) <SEP> 4700 <SEP> 112
<tb> <SEP> H8(2) <SEP> 3PGO:2BPBO <SEP> (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 13400 <SEP> 37,3
<tb> <SEP> H8(3) <SEP> 3PGO:2BPBO(5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A(1100, <SEP> 1) <SEP> 5640 <SEP> 66,5
<tb> <SEP> H8(4) <SEP> 3PGO:2BPBO <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> A(1100, <SEP> 1) <SEP> 3300 <SEP> 80
<tb> <SEP> H8(5) <SEP> 3PGO:
:2BPBO <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C(180) <SEP> 10300 <SEP> 138
<tb> <SEP> H11(2) <SEP> PGO <SEP> (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 13300 <SEP> 3,9
<tb> <SEP> H11(3) <SEP> PGO <SEP> (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A(1100, <SEP> 1) <SEP> 3900 <SEP> 60
<tb> <SEP> H12(1) <SEP> ZPhBa(5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> A(1100, <SEP> 1) <SEP> 3200 <SEP> 94
<tb> H12(2) <SEP> ZPhBa <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C(180) <SEP> 6400 <SEP> 150
<tb> H14(2) <SEP> ZPhBa <SEP> (15) <SEP> 1100 <SEP> 1 <SEP> C(180) <SEP> 930 <SEP> 5,2
<tb> H14(3) <SEP> ZPhBa(15) <SEP> 1100 <SEP> 1 <SEP> A(1000,
<SEP> 1) <SEP> 5500 <SEP> 32
<tb> H15(1) <SEP> 95PGO/5SrTiO3 <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C(180) <SEP> 3650 <SEP> 98
<tb> <SEP> H16(1) <SEP> BPBO/SrTiO3 <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C(180) <SEP> 9900 <SEP> 94
<tb> H17(1) <SEP> ZPhBa/SrTiO3 <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C(180) <SEP> 4500 <SEP> 130
<tb> H19(1) <SEP> BPBO/SrTiO3 <SEP> (15) <SEP> 970 <SEP> 3 <SEP> C(de <SEP> 840 <SEP> 1650 <SEP> 39
<tb>
DESCRIPTION
The present invention relates to ceramic compositions with a high dielectric constant comprising conductive particles or grains and an insulating barrier layer on the border of these grains; these compositions are suitable for the manufacture of high capacity ML capacitors. The production of multilayer capacitors makes it possible to increase the capacity and, simultaneously, to reduce the size of the capacitors; such structures are obtained by stacking the even or odd electrodes two by two, alternately, the even (and odd, respectively) electrodes being connected together by the edge so that the total of the areas of the elements of each group constitutes the surface total effective of the capacitor.
The use of grain ceramics limited by a barrier layer (grain boundary barrier layer ceramics) for the manufacture of high capacity miniaturized capacitors (GBBL capacitors) has been known for many years. Thus, already in 1960, document GB-A-849-938 mentioned the densification by sintering at 1450 ° C. under hydrogen of PaTiO2 grains of high purity so as to provide porous semiconductor PaTiO2 having an average particle size of 1 μm. By oxidation in air at atmospheric pressure between 650 and 10000 C, an intergranular insulating barrier oxide layer with a thickness of about 10 nm was incorporated into this material.
The properties of the capacitors obtained from such dielectrics were as follows: effective permittivity x (or e) approximately 100,000, tangent of the loss angle 6 approximately 0.03 (Q = approximately 50 to 5 kHz and 5 V rms rms ).
This material being disadvantaged by excessive porosity, instability at temperature changes and a fairly low breakdown voltage, it was later abandoned in the art and replaced by semiconductor strontium titanate doped with transition metals such as lanthanum, niobium and tungsten and sintered either without additives or mixed with materials capable of providing the barrier layer in the form of a liquefiable sintering phase, such materials comprising for example zirconia, bismuth tungsten , lead germanate and others [see for example JP-A-77.10595 (1977) 1. When the sintering is carried out without said liquefiable sintering phase,
the limiting intergranular insulating material can then be introduced by coating the surface of the sintered plate with a metal oxide and by diffusing the latter in the molten state by firing under an oxidizing atmosphere in the body of the ceramic (see BP-A- 75-27995).
Document JP-A-74-129896 also discloses the preparation of a sintered ceramic by molding a grout containing SrTiO3, Nb2Os, GeO2 and an organic binder in the form of discs and by baking the discs molded at 1350-1480 " C in an atmosphere containing hydrogen. The insulating intergranular limit phase is carried out by coating the disc with Bizou powder and baking it at 1300 "C, which causes the diffusion of the molten oxide in the ceramic. We thus obtained materials with permittivities on the order of 3-5 x 104 and Q factors of around 100.
Document JP-A-76-648 discloses the sintering of mixtures comprising SrTiO3, Nb2Os and CoO2 at 1450 C in an N2 / H2 atmosphere. The limiting phase of coating of the grains comes from the diffusion in the liquid state at 1100 "C of oxides capable of forming glasses, these being chosen from six2, P2O3, GeO2, P2Os,
Al203, MgO, ZnO, Bizou and TiO2.
Document JP-A-83-97820 relates to the preparation of semiconductor ceramics by pressure molding and sintering at 13501450 "C under a 1:99 atmosphere of hydrogen and nitrogen of mixtures of SrTiO3, WO3, Ge2O, Al203. To constitute the insulating barrier layer, a molten mixture of
PbO, B203 and Bi2O2. As optimal electrical properties, permittivity (E) and Q factor values of about 100,000 and 200 were obtained, respectively, using SiO2 and Au203 in a weight ratio of about 1.5 to 5.0. The average grain size was in the range of 60 to 120 µm and the resistivity of the interstitial boundary layer in the range of 2 x 109 µl.
The document JP-A-77-10596 describes the doping of SrTiO3 by mixing with oxides such as Nb2Os, Ta2Os, WO3 or TiO2 and baking at around 1400 C under a reducing atmosphere. An amount of about 1% by weight of doping agent is sufficient to obtain resistivities of less than 10 11 cm. This reference also mentions the use of SiO2 as a sintering additive, this material promoting the enlargement of the semiconductor grains in sintering and obtaining grains of a size greater than 10 μm having the preference for bilayer capacitors (BL ). This reference also teaches that, by adding ZrO2 to SrTiO3 to be sintered, the Q factor and the resistivity are increased.
The limit phase was provided, in this case, by the diffusion of a melt mixture of PbO, B203 and Bi2O3. As typical values of electrical properties, we cite
E '- 30000 and Q ¯ 200.
The above references generally describe relatively large grain ceramics which are suitable for the manufacture of two-layer capacitors. However, the effective permittivity (or effective dielectric constant) of barrier layer ceramics comprising insulating layers at the periphery of the semiconductor grains depends on the grain size and on the thickness of the intergranular insulating layer. The relationship providing the capacitance of a capacitor as a function of the properties of the ceramic and its grain dimensions is as follows (see, for example, Ultrahigh
Dielectric Capacitance in TiO2 Ceramics by M.F. YAN and
W.W. RHODES, Bell Laboratories, Murray Hill, N.J. 07974) Adv.
Ceram. (1983) Addition Interfaces Electr. Ceram. [7] .226-238:
C = Kgb x D / dx S / e where S and e represent the area and the thickness in cm of the dielectric ceramic plate, respectively, and D, Kgb and d represent, respectively, the diameter of the grains, the constant intrinsic dielectric of the interstitial insulating boundary layer and its thickness, that is to say the intergranular distance. Thus, permittivity values of the order of 104 to 105 are obtained with grains of 10 to 50 ttm and separation layers of 102 to 103 nm (0.1 to 1 pm).
However, dielectrics whose grains exceed approximately 510 μm are not suitable for ML capacitors whose thickness of the layers is of the order of 30 μm or less; also, efforts are made to simultaneously reduce the grain size and the thickness of the intergranular barrier layer. Interesting results have been obtained in this sense by sintering in the presence of a liquid phase consisting of lead germanate and borates (see Characterization of Internal Boundary Layer Capacitors by H.D. PARK and D.A.
PAYNE,
Advances in Ceramics, vol. 1, pp. 242-253, 1982), the grains used having approximately 0.5 to 2 μm in diameter and the thickness of the barrier layer was of the order of 100 nm (0.1 μm). We thus obtained effective permittivities in the 103 range with relatively few dielectric losses (tangent 3 around 10-2; Q = 100) and slight variations due to temperature (5-10%); see also documents US-A-4,158,219 and 4,237,084. The parameter called tangent 6 represents the dissipation factor, 6 being the difference (in angular units) between 90 "and the angle e of phase-shift voltage-intensity of the alternating current applied to the capacitor.
Ideally, if the capacitor does not show any loss, e would be equal to x / 2 and 6 would be equal to zero. Q is the inverse of tangent o;
Q = I / tangent 6.
It was however desirable to bring further improvements to the results of the known technique and to provide ceramics of even higher permittivity without conceding too many losses with regard to thermal stability and the Q factor. The process of the present invention, as defined in claim 1, constitutes a step forward in the desired direction; this step was taken when the present inventors discovered with surprise that certain treatments at high temperature in the presence of air after sintering provided beneficial effects on the dielectric properties of the capacitors; indeed, depending on the operating conditions used, one could normally expect an alteration of the semiconductor properties of the SrTiO3 grains by overoxidation.
The conditions under which the treatments according to the invention can be carried out are detailed below: in the case where an annealing is carried out, the sintered object is heated in air in an oven at a predetermined temperature and for a time of variable duration. The temperatures are of the order of 800 to 1100 "C and the annealing times of the order of 0.5 to 5 h.
When you just cool the sintered object with air, you replace the gas in which the sintering was performed (usually nitrogen and hydrogen) with air. The temperature at which this change takes place may be equal to or lower than the sintering temperature; air is usually introduced around 1100-1200 "C or, preferably, below, that is to say around 1050 or 1000" C, or even lower, while the sintering itself takes place between 1200 and 1400 "C. The cooling rate under these conditions is of the order of about 100 to 200" C / h. In some cases, the annealing treatment has been combined with diffusion post-processing, as will be seen below.
The doped semiconductor powder, for example niobium, used as an internal granular phase in the present process can be obtained by mixing SrTiO2 and Nb2Os and baking the mixture under a reducing atmosphere, for example at 1450-1500 "C in the presence of an H2 / Ar or H2 / N2 mixture containing (V / V) 1-10% H2. Alternatively, it is also possible to subject to such a cooking a ground mixture of TiO2, Nb2Os and SrCO3. After doping, it is ground the material with the chosen particle size (corresponding to grains with a size of 0.5 to 5 μm) by the usual means, for example in a ball mill in the presence of ceramic or hard metal balls.
Other doping metals can be introduced similarly, for example tungsten and lanthanum.
When SrTiO3 doped with the desired particle size is available, the grains are mixed with the materials constituting the liquefiable aid for sintering and densification, these materials also subsequently providing, after cooking, the limit phase insulating intergranular desired. Such materials can be used in the form of pulverulent compositions of metal oxides in the solid state which are mixed mechanically.
In another way, these materials can be supplied in the form of organometallic compounds, usually alkoxides, which are gelled in contact with SrTiO3, a coating or film of metalloxane structure then covering the grains thereof. This technique constitutes an additional new feature of the invention. Usually this addition is done by impregnating
powder doped with SrTiO3 by mixing it (including grains
have a dimension of about 0.8 to 5 µm) under an inert atmosphere
(for example pure nitrogen or argon) with an organic solution of the compounds to be deposited to form the barrier layer.
Solvents such as ethanol, propanol, butanol, acetylacetone and others
water-compatible solvents are suitable; the concentration of organometallic compounds in the solution is approximately 5 to 20% by weight, but these limits are not critical and can be exceeded on both sides. Usually, a small amount of water and gelling catalysts can be incorporated into the solution, for example, small amounts of HCl or other mineral acid; bases, such as amines or NH40H, are also suitable. These catalysts cause the formation of a gel layer on the surface of the grains, this gel layer being, after the fact, dried and heated in air to transform it into insulating metal compounds or into insulating oxides corresponding to the metals included in this layer of gel.
As a heat treatment, it is possible, for example, to heat at 500-600 ° C., in air, for 1 to 2 hours or longer if desired, so that the layer densifies and the remaining organic residues are eliminated by oxidation.
As metal compounds which can be used to form the solutions of alkoxides, mention may be made of those of the metals generally used in the art to constitute the phase promoting sintering. For example, solutions containing lead hexanoate and a germanium alkoxide, or alkoxides of boron and bismuth, or alkoxides of silicon and aluminum may be suitable. By impregnation with such solutions, followed by drying and heating as indicated above, layers of lead germanate, lead boro-bismuthate or alumina silicate are obtained, respectively. Several successive layers in combinations can sometimes be advantageous; in particular, one or more layers of alumina silicate can be supplemented with one or more layers of lead germanate.
It is interesting to note that the presence of an aluminosilicate layer on the doped strontium titanate grains will have the effect of inhibiting the magnification of these semiconductor grains during sintering, which is advantageous and unexpected since a of the aforementioned references says precisely the opposite.
Another advantage relating to the use of solutions of alkoxides (this technique is commonly called Sol-gel) for the supply of the liquefiable phase necessary for sintering and subsequently providing the intergranular boundary layer is linked to improved control of the thickness of the barrier layer which can be exerted by leaving the grains of the conductive (or semi-conductive) powder in contact with a solution of the organometallic compounds for a longer or shorter time, so that the insulating barrier layer is formed. In other words, the amount of coating material which is deposited in the wet state can be varied by adjusting the operating conditions, which results in a corresponding variation in the electrical properties of the ceramic resulting from the process.
So,
The effective thickness of the interstitial layer coating the grains can be as small as 0.8 to 1.5 nm although, naturally, it can be made thicker by extending the contact time with the impregnation solution, the temperature and the other reaction parameters (concentrations of dissolved materials, types of solvents, pH, so as to act on the gelling rate, etc.). It is also possible to act on the thickness of the interstitial layer by repeating the coating operation after drying of the powder following a first coating. The effective thickness of the coating which is obtained as described above can be estimated by comparison with a control plate, for example made of glass, which is subjected to identical operating conditions and which is then subjected (ie i.e. after drying and heating) to optical measurements.
In general, advantageous results are obtained when the weight gain undergone by the powder following the coating treatment of the semiconductor grains is of the order of 10-4 to 10-2 or more (i.e. 0.01 to 1% or more). Another advantage of the present invention is to allow a reduction in the temperature of
sintering, resulting in a reduction in the tendency to get fat
grains during sintering.
As was briefly mentioned above, the materials
intended to constitute the liquefiable phase of sintering aid may
also be provided in powder form and simply mixed
dipped in doped SrTiO3. To achieve this goal, we mix SrTiO3
pulverulent with a selected amount of the sintering aid agent
powder, after which this mixture is pressure molded in the presence
a binder capable of being removed afterwards by decomposition
(thus, a solution of a volatile or easy polymer can be used
combustible, such as polyvinyl alcohol or polyvinyl
butyral).
It should be noted that the use in powder form of
liquefiable sintering agents are not to be considered as
a simple alternative to the use, for this purpose, of metallic alkoxides according to the above-mentioned Sol-gel technique. Indeed, a combination of the two techniques can be advantageous. Thus, for example, it is additionally possible to mix grains of SrTiO 3 already coated with Sol-gel with an additional quantity of powdered sintering aid agent before undertaking the actual sintering operation. As compounds which can be used as agents complementary to the liquid sintering phase to be incorporated in pulverulent form, mention may be made of compounds and oxides such as PbO, GeO2, Bi2O3, H3BO3, Bacs3, P2Os and SrTiO3.
The use of SrTiO3 as an additional component of the liquid sintering phase during the sintering of the semiconductor doped SrTiO2 grains is new and provides notable advantages with regard to the stabilization of the liquid phase as well as the permittivity and the Q factor. sintered ceramic. The preferred additional sintering aid compositions are as follows (in% by weight):
PbO 78% - GeO2 22%; PbO 45% - B2O3 5% - Pi2O3 50%;
PbO 25% -B2O3 20% -Bi203 20% -GeO2 5% By 10% -P2Os 20%.
When SrTiO3 is used as additional sintering aid for the liquid phase, it is preferably added at the rate of 5% by weight to one of the preferred compositions above.
The sintering conditions allowing the conversion of the grains of
SrTiO3 semiconductors mixed with the material incorporated by the Sol-gel technique and constituting the liquid phase of sintering and, subsequently, coating of said grains, with or without additional supply of pulverulent material, so as to produce a granular ceramic with high interstitial layer of high dielectric constant, first of all comprises compacting or molding the powder under pressure in the presence of a binder mixed with the powder so as to produce an object in green (a disc, a wafer, etc.), then this object is sintered and densified at a temperature usually between 1000 and 1300 C under an inert gas such as argon or nitrogen or in a reducing atmosphere so as not to risk losing the semiconductor properties of doped SrTiO3.
As the reducing atmosphere, dilutions of hydrogen or carbon monoxide can be used in an inert gas such as nitrogen, CO2 or a rare gas. Permittivities of the order of 106 were thus obtained accompanied by low Q factors. By a suitable subsequent heat treatment, for example by air annealing, the Q factor and the mechanical strength of the ceramic can be raised at the expense, to some extent, of the permittivity.
In general, sintered discs have been prepared by mixing the powder coated with the liquefiable phase (in the presence or absence of an additional quantity of it in powder form) with 1-3% of a binder such as polyvinyl butyral (taken from 1-2 g of powder), by pressing the shaped sample by means of a piston press, the pressed discs having about 10-20 mm in diameter and 1-3 mm in thickness, making sintering 1-6 h at a given temperature, fixing electrodes on either side of the disc and measuring its dielectric properties (capacitance and loss factor Q) by the usual means. The formula used is as follows (C measured in picofarads = 10-l2F):
C = 0.0885g x S / e from which we calculated E (the permittivity, also designated by x), S being in cm2 and e in rm.
The electrodes (Cu, Ag, Pt or Au) were applied by vacuum spraying by known techniques or by screen printing using a paint or metallic paste whose binder is destroyed during cooking; such an application can be done directly on the green object (cooking then corresponds to sintering) or afterwards on the object already sintered. Then, after sintering, either the discs are air-cooled or they are annealed as indicated in claim 1.
It was also possible to implement the thermal air post-treatment of the invention by combining it with a diffusion post-treatment similar to that known in the prior art. Thus, under the applied conditions, the sintered ceramic is subjected to an annealing treatment and, at the same time, a vitreous material in the molten state is diffused inside the material, so as to further improve its dielectric properties. For example, mixtures of various vitrifiable metal oxides were dispersed in binders and the pastes thus obtained were applied to the faces of the sintered ceramic discs; then it was heated in a range of temperatures of the order of 800 to 1000 "C, so that the oxides melt and the liquid diffuses into the pores of the substrate.
In some cases, it was possible to combine this treatment with the placement of the electrodes; thus, pulverulent vitrifiable oxides were kneaded with a metallic paste or paint (for example Ag or Pt), this paste was applied to the faces of the ceramic discs and the whole was cooked as already described above. During this firing, the molten oxides diffuse into the ceramic, while the metal is deposited on the surface of the ceramic, thus providing the desired electrodes.
Some of the compositions which are preferred for carrying out the above-mentioned diffusion treatment are given below: (a) Bizou 36% -CuO 4% -Ag paste 60% (b) PbO 32% - GeO2 8% -Ag paste 60% (c) PbO 30% - GeO2 8% - SrTiO2 2% - Ag paste 60% (d) PbO 18% -Bi2O2 20% -P2O2 2% - Ag paste 60% (e) PbO 78.05% -GeO2 21.95% (f) PbO76% -GeO2 19% -PaO 5% (gl) PbO (g2) PbO 60% -PbF 40% (h) PbO 20% - Pi2O3 20% - B2O3 40% - CuO 20% ( i) PbO 66% - GeO2 12% -Bi203 20% -B203 2%
According to a variant, we used,
for diffusion, the vapors of said molten oxides. For the implementation of this variant, the solids were melted in a crucible (put) and the ceramic disks were placed in the opening thereof, fixing them by hooks at approximately 1-3 cm the level of the molten material.
In this variant, use was preferably made of the composition (h) above (fusion 800 "C) and a mixture (by weight) 4: 6 P2O3 / PbO (temperature of the molten liquid 900" C).
The following examples illustrate the invention in detail.
Example 1
A semiconductor doped SrTiO3 powder (I) was prepared by mixing 79.63 g of very pure SrCO3, 43.1 g of TiO2 (grain size 0.75 km) and 1.01 g of Nb2Os (0, 7 mole%). The mixture was heated for 2 hours at 1100 "C in air (platinum crucible) and, after cooling, it was further heated for 4 hours at 1480" C in an H2 / Ar mixture containing 10% H2 (V / V) so as to ensure a reducing effect and to cause the appearance of semiconductor properties. The powder was then ground for 24 h in a 250 ml plastic mill containing 20 WC / Co balls 9 mm in diameter and, as grinding liquid, a 3: 1 mixture (V / V) of petroleum ether and butanol. There was thus obtained a powder with a particle size of 0.5-5 11 approximately.
The powder was then wrung out and dried. Its resistivity, measured by the usual means, was 4.88 Q cm. The semiconductor powder was then immersed in an excess of an organic solution (PEG) containing 0.53 g of germanium tetraethoxide, 1.37 g of lead 2-ethylhexanoate11, 6 g of acetylacetone, 13 g of ethanol and 10 mg of HCl (in the form of an 0.1N ethanolic solution). After standing for about 1/2 h, the powder was drained, dried for 16 h at 90 "C, then heated for 1 h in air at 550" C (4 "C / min This treatment was repeated 4 times in succession.
Then 1.5% by weight of polyvinyl butyral (PVB) was mixed with this powder using a solution of this polymer in a 75:25 (V / V) mixture of petroleum ether / tbutanol, it was dried, passed through a 300 µm mesh screen and pressure molded into 1 mm green discs (3T / cm2). Was heated in air, 1 h at 550 "C to destroy the binder (0.5" C / min).
The green disks were then sintered under the conditions indicated in Table I and the dielectric properties were measured as follows:
After sintering, Pt electrodes were applied to the discs by spraying according to the usual means and the properties of the dielectric were measured at 1.5 kHz using a HEWLETT-PACKARD HP-4192-AIF electrotest apparatus provided with a high impedance lamp ohmmeter. The results of the measurements, in terms of permittivity E, factor Q and ohmic resistance, are also shown in Table I.
Table I
EMI4.1
<tb> <SEP> Sintering <SEP> Properties <SEP> dielectrics
<tb> Echan
<tb> furrow <SEP>, atm, <SEP> heating <SEP> temp. # <SEP> Q <SEP> R
<tb> <SEP> (c / min) <SEP> (c) <SEP> (min) <SEP> (M @)
<tb> I'-C <SEP> N2 <SEP> 10 <SEP> 1250 <SEP> 180 <SEP> 6692 <SEP> 2.8 <SEP> 10
<tb> I'-E <SEP> N2 <SEP> 10 <SEP> 1100 <SEP> 240 <SEP> 840 <SEP> 000 <SEP> 0.6 <SEP> 2.4
<tb> I'-F <SEP> N2 <SEP> 7 <SEP> 1350 <SEP> 60 <SEP> 240 <SEP> 000 <SEP> 0.4 <SEP> 22
<tb> I'-G <SEP> N2 <SEP> 8 <SEP> 1060 <SEP> 120 <SEP> 4857 <SEP> 2.9 <SEP> 65
<tb>
The I'E sample was air annealed for varying lengths of time at various temperatures. The results, recorded in Table II, indicate that the annealing decreases the permittivity but increases the Q factor.
Table II
EMI4.2
<tb> Temperature <SEP> Time <SEP> x <SEP> 105 <SEP>
<tb> <SEP> ("C) <SEP> (h)
<tb> <SEP> 650 <SEP> 1 <SEP> 3.6 <SEP> 1,2
<tb> <SEP> 780 <SEP> 1 <SEP> 1.6 <SEP> 2.4
<tb> <SEP> 800 <SEP> 3 <SEP> 1,2 <SEP> 2.6
<tb>
By electromicrography, it was found that the particle size of this sample was approximately 2 μm. The insulating barrier layer
was about 1 to 100 nm.
Example 2
The following ingredients were mixed and ground in a zirconia mill in the presence of 1 kg of ZrO2 beads: 923.78 g (6.26 moles) of SrCO3, 500 g (6.26 moles) of TiO2 and 11.72 g (0.044 mole) of Nb2O0. As the carrier phase, water was used. The powder cake was air dried, then heated for 2 h at 1100 "C in air in an alumina crucible (heat-up rate, 400" C / h). A reduction was then carried out by heating 2-4 h at 1450-1480 "C under a mixture of 10:90 (V / V) of hydrogen / nitrogen. The heating rate was approximately 300 to 420" C / h. Then the reduced product was ground in a polyethylene mill in the presence of WC / Co beads to a particle size of 0.5 to 5 μm. As the milling liquid, a 75:25 mixture of petroleum ether / t-butanol was used.
The ground doped SrTiO2 thus obtained was washed with acetone and, after having dried it, it was brought into contact, approximately 30 min, in a glove box, with a chosen solution of the Sol-gel type. For this, the following solutions were used, called HM9SIA and PGI.
HM9SIA (abbreviated HM): V2 h was mixed and heated at 70 "C 41.6 g of Si (EtO) 4.30 g of n-butanol, 7.9 g of dibutoxide acetylacetate aluminum chelate and 1.84 g of HCl (in the form of a 0.1N solution in ethanol) After cooling, 3.3 g of H2O and 182 g of EtOH were added. V2 h was heated again at 50 ° C. and allowed to cool.
PGI: a mixture of 15 g of acetylacetone, 2.12 g of germanium tetraethoxide, 5.48 g of Pb 2-ethylhexanoate, 25.5 g of n-butanol and 1 is heated to reflux for 2 hours at reflux. 76 g HCl (as 0.1N solution in ethanol); allowed to cool and used at room temperature.
After bringing the crushed reduced SrTiO3 into contact with the alkoxides solution for a sufficient time under nitrogen, the grout was drained on sintered glass under reduced pressure, then it was dried in the air for 16 h at 90 C. then densified the powder by heating it for 1 hour at 550 "C, the rate of temperature rise being from 60 to 240" C / h depending on the case. During this treatment, all organic residues are destroyed and eliminated; if necessary, this treatment can be carried out in oxygen to accelerate the combustion processes. The powder thus densified is now ready to be molded and sintered either without the addition of other additives, or after mixing with an additional quantity of liquefiable powder phase.
To obtain the pressed discs, the titanate powder was mixed with about 1.5% by weight of polyvinyl butyral (PVB) in an acetone / isopropanol solution. To do this, the required amount of PVB is added to the dispersion of SrTiO3 in the form of a 20 g solution of PVB per 120 g of a 1: 1 mixture of acetone / n-butanol.
After having stirred for 30 min, it is evaporated, the powder coated with PVB is passed over a 300 μm mesh screen and it is pressed in the form of discs in a stainless steel mold under 25 tonnes / cm 2. Then the green disks are heated for 1 hour in air at 550 "C to destroy the binder (0.5-1" C / min) after which the sintering is carried out.
This sintering was carried out in Au203 tubular furnaces equipped with pipes for the introduction of gas, that is to say, on the one hand, pure nitrogen, on the other, a 10:90 mixture (V / V) hydrogen / nitrogen. The flow of each of these gases was controlled by valves and flow meters. By appropriate adjustment of these members, it was possible to precisely regulate the hydrogen content of the gas in which the sintering is carried out, and this within an approximate range of 0.01 to 5% by volume. H2 / N2 ratios in the range of 0.1 to 1% have been found to be advantageous. The sintering temperatures vary between around 900 and 1500 ° C. and the sintering times from 1 hour to several hours. It is obvious that soft sintering conditions are sought in order to reduce the tendency of the semiconductor grains to enlarge.
In some cases, electrodes have been formed on the faces of the discs during sintering by applying, to the green disc, paints or pastes to be metallized, for example containing platinum, copper. silver and other poorly oxidizable metals. Table III below summarizes certain operating data and the corresponding results obtained, in terms of dielectric properties. The table indicates the implementation of the thermal post-treatments of the invention, such as cooling in the presence of air after sintering (C). Such treatment (analogous to annealing) is indicated by the cooling rate in "C / h. The absence of such treatment corresponds to the control tests.
The second column of the table indicates the number of layers applied by Sol-gel on the doped SrTiO2 as well as the type of solution.
Table III
EMI5.1
<tb> <SEP> Solution <SEP> Sintering <SEP> Properties
<tb> Trial <SEP> Sol-gel <SEP> <SEP> Sol-gel
<tb> <SEP> N " <SEP> number <SEP> from <SEP> temp. <SEP> time <SEP> post-processing <SEP> E <SEP> Q
<tb> <SEP> layers <SEP> ("C) <SEP> (h) <SEP> ("C / h) <SEP>
<tb> H4 (1) <SEP> OHM, <SEP> 5PAGI <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 7760 <SEP> 10.5
<tb> H4 (3) <SEP> OHM, <SEP> 5PSI <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5000 <SEP> 14.3
<tb> H4 (4) <SEP> OHM,
<SEP> SPI <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> 180 <SEP> 9000 <SEP> 96.2
<tb> HS (1) <SEP> SPGI <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 7000 <SEP> 31
<tb> H5 (2) <SEP> 5PGI <SEP> 1248 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 7500 <SEP> 9.7
<tb> H5 (3) <SEP> 5PGI <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5200 <SEP> 17.0
<tb> H5 (4) <SEP> 5PGI <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> 180 <SEP> 6000 <SEP> 99
<tb>
Air cooling increases the Q factor without adversely affecting the permittivity. On the other hand, the effect which results from the application of an initial layer of aluminosilicate is a reduction in the growth of the grains during sintering with the consequence of a somewhat greater combination of the values E and Q.
Example 3
The materials of Example 2 were brought into play under approximately similar operating conditions. However, before sintering, an additional quantity of liquefiable powdered phase was added to the powder of SrTiO3 reduced and coated with Solgel, this operation being carried out as follows:
1000 "C (glass melting temperature) in an alumina crucible a PbO-GeO2 mixture 78:22 by weight (called PGO) and, after a waiting period in the molten state (1-4 h), the liquid was poured into stainless steel molds. After cooling, the blocks were broken and reduced to powder by grinding according to the technique defined in example 2 (polyethylene mill, WC / Co balls) until 'at a grain size of about 1-5 µm.
The SiO2 powder and a selected proportion of the PGO powder were then dispersed in a 20:80 (V / V) acetone / isopropanol solution containing PVB. From a weight point of view, about 0.5 g of PVB was used per 3 g of solids. The grout was then wrung out and treated and sintered into shapes as in Example 2.
The results of the measurements carried out on the sintered discs are found in table IV: the titles of the columns of this table refer to the same parameters as those of table III with, in addition, the quantity by weight of liquefiable phase added (PGO) as well as the nature and conditions of the air thermal post-treatment: in some cases (C), this is air cooling as already mentioned in Example 2; in other cases (A), it is annealing at the temperature and for the time indicated.
Table IV
EMI5.2
<tb> <SEP> Sintering <SEP> properties
<tb> Trial <SEP> N <SEP> Solution <SEP> Sol-gel <SEP> Phase <SEP> temp. <SEP> time <SEP> post-processing <SEP> @ <SEP> Q
<tb> <SEP> 1 layer <SEP> liquefiable <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> refr. <SEP> C ( <SEP> C / h) <SEP> or
<tb> <SEP> (% <SEP> in <SEP> weight) <SEP> annealed <SEP> A ( <SEP> C,
<SEP> h)
<tb> <SEP> H1 (2) <SEP> lHM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1170 <SEP> 2
<tb> <SEP> 1270 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 3400 <SEP> 16.2
<tb> <SEP> Ho (3) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 4% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A (1100.1) <SEP> 32000 <SEP> 5.3
<tb> <SEP> H3 (l) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1230 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5100 <SEP> 18.3
<tb> Tablear IV (continued)
EMI6.1
<tb> <SEP> Sintering <SEP> Properties
<tb> Solution <SEP> Sol-gel <SEP> Phase
<tb> Trial <SEP> N0 <SEP> 1 <SEP> layer <SEP> liquefiable <SEP>
temp. <SEP> time <SEP> post-processing
<tb> <SEP> ( <SEP> in <SEP> weight) <SEP> (O <SEP> C) <SEP> (h) <SEP> refr. <SEP> C (0 <SEP> C / h) <SEP> or <SEP> E <SEP> Q
<tb> <SEP> annealed <SEP> A (0 <SEP> C,
<SEP> h)
<tb> <SEP> H3 (2) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 10800 <SEP> 1,2
<tb> <SEP> H3 (3) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> <SEP> 3700 <SEP> 10.8
<tb> <SEP> H3 (4) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A (1100.1) <SEP> 9600 <SEP> 13
<tb> <SEP> H3 (5) <SEP> îHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C (180) <SEP> 11600 <SEP> 100
<tb> <SEP> H3 (6) <SEP> 1HM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1305 <SEP> 1
<tb> <SEP> no <SEP> from <SEP> H2 <SEP> - <SEP> <SEP> 5400 <SEP> 11
<tb> <SEP> H3 (7) <SEP> lHM <SEP> PGO <SEP> 5% <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C (180) <SEP> 10650 <SEP> 116
<tb>
Example 4
This example is
intended to illustrate the application, after sintering, of an air post-treatment combined with the diffusion of a vitreous composition in the molten state inside the ceramic. The doped reduced strontium titanate is the same as in Examples 2 and 3 as well as the operating conditions, this up to the sintering step of the pressed discs.
About 0.1 g of a paste prepared with one of the compositions mentioned above at the end of the descriptive part of this application was then applied to the sintered discs. Such a paste was prepared by simply mixing about 3 g of the pulverized solid with a small amount of a solution containing 20 g of PVB in 120 g of n-butanol (taken around 0.1 g of this solution). The discs thus coated were dried and heated for a determined time at the temperature chosen for diffusion. The following table VA brings together a first group of parameters and results.
In this case, the semiconductor doped SrTiO2 grains were prepared by calcining (1100 C, 2 h) a mixture of 1000 g of SrCO2, 541 g of TiO2 and 12.69 g of Nb2O5 and reducing it for 4 hours to 1480 C in an H2 / N2 mixture as described above. After spraying as described above, an aluminosilicate layer was applied using the HM9SIA solution (see example 2) and, after the usual treatments, the powder was mixed with 5% (by weight) of PGO (see Example 3); then the sintering was carried out as indicated in table VA. Finally, the diffusion treatment was applied as indicated in the same table, which also brings together the results of the dielectric measurements of the corresponding capacitors.
The electrodes were deposited after spraying.
VA table
EMI6.2
<tb> <SEP> Sintering <SEP> Diffusion <SEP> Properties <SEP> to <SEP> 100 <SEP> KHz
<tb> Trial <SEP> N <SEP> temp. <SEP> time <SEP> composition <SEP> temp. <SEP> time <SEP> gain <SEP> in <SEP> # <SEP> Q <SEP> # (# cm)
<tb> <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> weight <SEP> (%) <SEP> DC
<tb> H3 (8) <SEP> 1245 <SEP> 3 <SEP> gl <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 9.4 <SEP> 4000 <SEP> 184 <SEP> 20 <SEP> x <SEP> 109
<tb> H3 (11) <SEP> 1206 <SEP> 5 <SEP> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 3.5 <SEP> 6450 <SEP> 94 <SEP> 21x109 <SEP>
<tb> H3 (12) <SEP> 1180 <SEP> 6 <SEP> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 1.07 <SEP> 5100 <SEP> 96 <SEP> 94x <SEP> 108
<tb> H3 (13) <SEP> 1180 <SEP> 6 <SEP> gl <SEP> 920 <SEP> 3 <SEP> 0.78 <SEP>
6000 <SEP> 100 <SEP> 14x109
<tb>
In another group of tests, two successive layers of alumina silicate were applied by means of the above-mentioned Sol-gel treatment (HM solution), but without additional addition of liquefiable powder phase. In addition, the sintering was carried out with little hydrogen, that is to say less than 0.4% in nitrogen (V / V). The operating parameters, the diffusion conditions and the results are recorded in Table VB below:
Table VB
EMI6.3
<tb> <SEP> Sintering <SEP> Diffusion <SEP> Properties <SEP> to <SEP> 100 <SEP> kHz
<tb> Trial <SEP> N <SEP> temp. <SEP> time <SEP> composition <SEP> temp.
<SEP> time <SEP> gain <SEP> in <SEP> # <SEP> <SEP> Q <SEP> # (#. Cm)
<tb> <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> weight (%) <SEP> DC <SEP>
<tb> H34 (1) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> gl <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 2.36 <SEP> 16800 <SEP> 25.3 <SEP> 27x <SEP> 105
<tb> H34 (2) <SEP> 1300 <SEP> 3 <SEP> g2 <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3.2 <SEP> 14200 <SEP> 27 <SEP> 17x <SEP> 106
<tb> H34 (3) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> gl <SEP> 910 <SEP> 3 <SEP> 3.3 <SEP> 21600 <SEP> 59 <SEP> 83 <SEP> x <SEP> 10S <SEP>
<tb> H34 (4) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> g2 <SEP> 910 <SEP> 3 <SEP> 5.3 <SEP> 5650 <SEP> 133 <SEP> 11x109 <SEP>
<tb> H34 (5) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 19.2 <SEP> 3450 <SEP> 31 <SEP> 36x <SEP>
107 <SEP>
<tb> <SEP> H34 (6) <SEP> 1284 <SEP> 2 <SEP> g2 <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3.8 <SEP> 11200 <SEP> 30 <SEP> 2x108 <SEP>
<tb> <SEP> H34 (7) <SEP> 1284 <SEP> 2 <SEP> gl <SEP> 930 <SEP> 3 <SEP> 3.5 <SEP> 11100 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> x <SEP> 105
<tb> <SEP> H34 (8) <SEP> 1256 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 1200 <SEP> 2 <SEP> 7.7 <SEP> 2800 <SEP> 16 <SEP> 28x108 <SEP>
<tb> <SEP> H34 (9) <SEP> 1256 <SEP> 4 <SEP> e <SEP> 1200 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 000 <SEP> 13 <SEP> 29 <SEP> x <SEP> 108
<tb>
A third group of tests similar to the previous ones was carried out, the samples having received a single layer of aluminosilicate Sol-gel by means of the HM solution, but no additional liquefiable phase.
The discs were sintered under nitrogen containing a quantity of hydrogen not exceeding 0.4% (V / V). The results are shown in Table VC below:
Table VC
EMI7.1
<tb> <SEP> Sintering <SEP> Diffusion <SEP> Properties <SEP> a <SEP> 100 <SEP> kHz
<tb> Trial <SEP> N
<tb> <SEP> temp. <SEP> time <SEP> composition <SEP> temp.
<SEP> time <SEP> gain <SEP> in <SEP> E <SEP> Q <SEP> # (#. Cm)
<tb> H33 (1) <SEP> 1362 <SEP> 2 <SEP> f <SEP> 1100 <SEP> 1.5 <SEP> 17.4 <SEP> 17400 <SEP> 22.3 <SEP> 125 <SEP> x <SEP> 108
<tb> H33 (10) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> f <SEP> 940 <SEP> 3 <SEP> 21.6 <SEP> 5100 <SEP> 118 <SEP> 164x108 <SEP>
<tb> H33 (11) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> gl <SEP> 910 <SEP> 3 <SEP> 9.4 <SEP> 7700 <SEP> 115 <SEP> 1010 <SEP>
<tb> H33 (12) <SEP> 1284 <SEP> 4 <SEP> g2 <SEP> 910 <SEP> 3.4 <SEP> 10.9 <SEP> 5800 <SEP> 152 <SEP> 124x <SEP> 108 <SEP>
<tb>
Example 5
Strontium titanate doped with 0.7 mol% of niobium as prepared as indicated in Example 2 was mixed, as described in Example 3, with liquefiable sintering aid materials, no preliminary coating resulting from the Sol-gel technique not being applied.
The sintering aid compositions used were the following (by weight): PbO 78% -GeO2 22% (PGO); PbO 45%
B203 5% - Bizou 50% (BPBO); PbO 25% - B203 20% - GeO2 5% Bizou 20% - BaO 10% - P2Os 20% (ZPhBa). In some cases, the compositions also contained 5% by weight (based on the total of the composition) of SrTiO2.
By pressure, discs were formed as described in the previous examples and these were subjected to sintering under nitrogen or to an H 2 / N 2 mixture as described above. Then, the sintered samples were subjected to an annealing (A) or air cooling (C) treatment according to the invention under the conditions summarized in Table VI which follows. The operating conditions, such as nature and quantity of the liquefiable phase, the sintering conditions and the dielectric properties are also shown in the table. The control samples were not subjected to any air post-treatment.
Table VI
EMI7.2
<tb> <SEP> Fnttage <SEP> Properties <SEP>
<tb> Trial <SEP> N <SEP> Agent <SEP> from <SEP> sintering <SEP> dielectrics
<tb> <SEP> (%) <SEP> temp. <SEP> time <SEP> post-processing
<tb> <SEP> (C) <SEP> (h) <SEP> C (C / h);
<SEP> A (C, h); A (C, h) <SEP> # <SEP> Q
<tb> <SEP> H7 (2) <SEP> PGO <SEP> (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 11500 <SEP> 29.3
<tb> <SEP> H7 (3) <SEP> PGO (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A (1100, <SEP> 1) <SEP> 4300 <SEP> 62.5
<tb> <SEP> H7 (4) <SEP> PGO <SEP> (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> C (180) <SEP> 4700 <SEP> 112
<tb> <SEP> H8 (2) <SEP> 3PGO: 2BPBO <SEP> (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 13400 <SEP> 37.3
<tb> <SEP> H8 (3) <SEP> 3PGO: 2BPBO (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A (1100, <SEP> 1) <SEP> 5640 <SEP> 66.5
<tb> <SEP> H8 (4) <SEP> 3PGO: 2BPBO <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> A (1100, <SEP> 1) <SEP> 3300 <SEP> 80
<tb> <SEP> H8 (5) <SEP> 3PGO:
: 2BPBO <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C (180) <SEP> 10300 <SEP> 138
<tb> <SEP> H11 (2) <SEP> PGO <SEP> (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 13300 <SEP> 3.9
<tb> <SEP> H11 (3) <SEP> PGO <SEP> (5) <SEP> 1263 <SEP> 2 <SEP> A (1100, <SEP> 1) <SEP> 3900 <SEP> 60
<tb> <SEP> H12 (1) <SEP> ZPhBa (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> A (1100, <SEP> 1) <SEP> 3200 <SEP> 94
<tb> H12 (2) <SEP> ZPhBa <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C (180) <SEP> 6400 <SEP> 150
<tb> H14 (2) <SEP> ZPhBa <SEP> (15) <SEP> 1100 <SEP> 1 <SEP> C (180) <SEP> 930 <SEP> 5.2
<tb> H14 (3) <SEP> ZPhBa (15) <SEP> 1100 <SEP> 1 <SEP> A (1000,
<SEP> 1) <SEP> 5500 <SEP> 32
<tb> H15 (1) <SEP> 95PGO / 5SrTiO3 <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C (180) <SEP> 3650 <SEP> 98
<tb> <SEP> H16 (1) <SEP> BPBO / SrTiO3 <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C (180) <SEP> 9900 <SEP> 94
<tb> H17 (1) <SEP> ZPhBa / SrTiO3 <SEP> (5) <SEP> 1248 <SEP> 3 <SEP> C (180) <SEP> 4500 <SEP> 130
<tb> H19 (1) <SEP> BPBO / SrTiO3 <SEP> (15) <SEP> 970 <SEP> 3 <SEP> C (from <SEP> 840 <SEP> 1650 <SEP> 39
<tb>