JPH09118564A - 高誘電定数及び低温度係数を有するパイロクロールを基本とする酸化物 - Google Patents

高誘電定数及び低温度係数を有するパイロクロールを基本とする酸化物

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JPH09118564A
JPH09118564A JP8262618A JP26261896A JPH09118564A JP H09118564 A JPH09118564 A JP H09118564A JP 8262618 A JP8262618 A JP 8262618A JP 26261896 A JP26261896 A JP 26261896A JP H09118564 A JPH09118564 A JP H09118564A
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perovskite
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pyrochlore
low
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JP8262618A
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Robert J Cava
ジョセフ カヴァ ロバート
James Joseph Krajewski
ジョセフ クラジャウスキー ジェームス
William Frederick Peck
フレデリック ペック ウィリアム
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    • H01B3/00Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は高誘電定数及び低温度係数を有する
パイロクロールを基本とする酸化物を提供する。 【解決手段】 室温付近で、誘電定数をPb2(Nb、
Mg、Ti)26+xパイロクロール及びPb(Nb、M
g、Ti)O3ペロブスカイトの相混合物であるバルク
セラミックスについて測定した。パイロクロールの誘電
定数の負の温度係数が、ペロブスカイトの誘電定数の正
の温度係数により、非常に良く補償される組成帯が見出
された。これらの組成は、約200の誘電定数を有し、
1MHzではQはほぼ200で、広く研究されている高
誘電定数低Qチタン酸バリウム−ストロンチウムと低誘
電定数高Qチタン酸バリウム−ランタンの中間の誘電体
族を作っている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【本発明の分野】本発明は容量要素の作製に有用な結晶
性セラミック材料に係り、セラミック材料は高い誘電定
数と、チタン酸バリウムストロンチウム・セラミック材
料に比べ、減少した誘電体の温度係数を有する。
【0002】
【本発明の背景】マイクロエレクトロニクス及び携帯用
デバイスの寸法を小さくしようとする努力が、現在用い
られている誘電材料の特性に、かなりの制約を置いてい
る。たとえば、大容量ダイナミックランダムアクセスメ
モリー(DRAM)の場合、かってチタン酸バリウムス
トロンチウム(BST)のような高い誘電定数を有する
新種の材料を、マイクロエレクトロニクス容量に用いる
ことが考えられた(テイー・エイモリ(T.Eimor
i)ら、IEDM93 631(1993))。マイク
ロ波通信に用いるような巨視的な要素の場合、40−9
0の誘電定数と0−20ppm/℃の誘電定数温度係数
を有するBa2Ti920及びBaLn2Ti514のよう
なバルクセラミックスが、現在活発に開発されている。
(ティー・ネガス(T.Negas)、ジー・イエガー
(G.Yeager)、エス・ベル(S.Bell)及
びエヌ・コーツ(N.Coats)、アメリカン・セラ
ミック・ソサイアティ・ブリテン(Am.Cer.So
c.Bull.)72 80(1993)及びエス・ニ
シガキ(S.Nishigaki)、エイチ・カトー
(H.Kato)、エス・ヤノ(S.Yano)及びア
ール・キムラ(R.Kimura)、セラミック・ブリ
テン(Ceramic Bulletin)66140
5(1987)。
【0003】誘電定数の低い温度係数は、具体的な用途
に対し、容量特性の高い温度安定性が要件である時、重
要である。そのような安定性は強誘電性に伴う誘電定数
Kの高い温度依存性により、BSTのような高誘電定数
材料では、不可能である。
【0004】室温以下のキューリー温度(Tc)を有す
る強誘電体の高い負の温度係数を、室温以上のTcを有
する強誘電体の高い正の温度係数で平均化することは、
この分野の長い間の問題である。(エヌ・エイ・アンド
リーバ(N.A.Andreeva)、オー・エイ・グ
ルシェフスカヤ(O.A.Grushevskaya)
及びヴィ・アイ・ツコフスキー(V.I.Zhukov
skii)、ブリテン・アカデミック・サイエンス(B
ull.Acad.Sci.)USSR、フィジックス
・シリーズ(Phys.Ser.)24 1281(1
960)。そのように混合することにより、比較的大き
な誘電定数、比較的小さな温度依存性及び平衡状態で用
いられる高いTC強誘電体の量に依存する室温付近での
無視できない損失係数を持つと予想される。
【0005】高温強誘電体ペロブスカイトPbNb2/3
Mg1/33及びPbTiO3及びそれらの混合物、プロ
セス及び化学的置換については、非常によく研究されて
いる。(たとえば、エム・テイ・ラナガン(M.T.L
anagan)、エヌ・ヤング(N.Yang)、ディ
ー・シー・デューブ(D.C.Dube)及びエス ジ
ー・ジャン(S−J.Jang)、ジャーナル・アメリ
カン・セラミック・ソサイアティ(J.Am.Cera
m.Soc.)72 481(1989);ジェイ・チ
ェン(J.Chen)、エイチ・エム・チャン(H.
M.Chan)、エム・ピー・ハーマー(M.P.Ha
rmer)、ジャーナル・アメリカン・セラミック・ソ
サイアティ(J.Am.Ceram>Soc)72 5
93(1989);エム・レジェン(M.LeJeun
e)及びジェイ・ピー・ボイロット(J.P.Boil
ot)、アメリカン・セラミック・ソサイアティ・ブリ
テン(Am.Ceram.Soc.Bull.)64
679(1985);及びエス・エル・スワルツ(S.
L.Swartz)、ティー・アール・シュラウト
(T.R.Shrout)、ダヴリュ・エイ・シュルツ
(W.A.Schulze)及びエル・イー・クロス
(L.E.Cross)、ジャーナル・アメリカン・セ
ラミック・ソサイアティ(J.Am.Ceram.So
c.)67 311(1984))。パイロクローレ構
造Pb2(Nb、Mg)26+x低Tc強誘電体も、かなり
注目をあびてきた。(ティー・アール・シュラウト
(T.R.Shrout)及びエス・エル・スワルツ
(S.L.Swartz)、マテリアル・リサーチ・ブ
リテン(Mat.Res.Bull.)18 663
(1983);及びジェイ・ディー・シーグワース
(J.D.Siegwarth)、ダヴリュー・エヌ・
ローレス(W.N.Lawless)及びエイ・ジェイ
・モロー(A.J.Morrow);ジャーナル・アプ
ライド・フィジックス(J.Appl.Phys.)4
7 3789(1976))。しかし、全体をペロブス
カイト相材料として意図したセラミックス中の不純物相
として以外は、一般に実際的な関心がもたれなかった
(ジェイ・チェン(J.Chen)及びエム・ピー・ハ
ーマー(M.P.Harmer)、ジャーナル・アメリ
カン・セラミック・ソサイアティ(J.Am.Cera
m.Soc.73 68(1990)及びジェイ・チェ
ン(J.Chen)、エイ・ゴートン(A.Gorto
n)、エイチ・エム・チャン(H.M.Chan)及び
エム・ピー・ハーマー(M.P.Harmer)ジャー
ナル・アメリカン・セラミック・ソサイアティ(J.A
m.Ceram.Soc.69 303(198
6))。Pb2(Nb、Zn)26+x パイロクロール−
PbTiO3 ペロブスカイト系の研究により、120付
近のKと、室温付近で約200ppm/℃のTCK(誘
電定数の温度係数)を有する多相セラミックスが見出さ
れている。(ジェイ・チェン(J.Chen)、エイ・
ゴートン(A.Gorton)、エイチ・エム・チャン
(H.M.Chan)及びエム・ピー・ハーマー(M.
P.Harmer)、ジャーナル・アメリカン・セラミ
ック・ソサイアティ(J.Am.Ceram.Soc.
69 303(1986))。同じ業者は70−100
の範囲のKと、+200ないし−125ppm/℃で、
K=90である組成で最低のTCKとなる低TCKセラ
ミックスの存在を、Bi23−NiO−ZnO−Nb2
5系で見出した。(エイチ・シー・リング(H.C.
Ling)、エム・エフ・ヤン(M.F.Yan)及び
ダヴリュ・ダヴリュ・ローデス(W.W.Rhode
s)、ジャーナル・マテリアル・リサーチ(J.Ma
t.Res.)5 1752(1990))。
【0006】
【本発明の要約】本発明は高TcペロブスカイトPb
(Nb、Mg、Ti)O3 を少量添加した低Tcパイク
ロール相Pb2(Nb、Mg、Ti)26+x の温度依存
性を平衡させる。
【0007】得られた材料はほぼ200の誘電定数をも
ち、それは20℃を中心とする80℃の温度範囲で、±
100ppm変化する。Q値はペロブスカイトの存在に
より、ほぼ200である。それらの特性を考えると、こ
れらの新しい誘電材料は、マイクロエレクトロニクス用
に考えられるBSTとバルク用に考えられているBLT
の中間の種類と考えられる。
【0008】本発明において、Pb2(Nb、Mg、T
i)26.5+x パイクロールとPb(Nb、Mg、T
i)O3 ペロブスカイトを適当に混合して作られた誘電
材料は、ほぼ200の誘電定数と、室温付近でパーセン
ト以下のKの温度依存性をもつことがわかった。これら
の材料の化学的性質が、PZTのようなよく研究された
強誘電体ペロブスカイトと非常に似ているとすれば、そ
れらの材料を用いた電子デバイスの作製ですでに用いら
れ、よく知られた同じバルク形成プロセス及び薄膜堆積
技術が直接移せるはずである。比較的大きな誘電定数と
誘電定数の低い温度係数を組み合わせることにより、こ
れらの材料は、小体積、小面積及び良好な熱的安定性容
量要素を必要とするエレクトロニクスの用途に対する条
件を満たす可能性がある。
【0009】
【本発明の詳細な説明】本発明において、高い誘電定数
とその小さな温度依存性の良い組合せは、平面状の四元
系PbO−MgO−Nb25−TiO2で可能なことが
わかった。この場合、ペロブスカイト及びパイロクロー
ルが平衡にあり、たとえば1PbO:Σ(Mg+Ti+
Nb)=1が好ましい。最も適切で好ましい材料は、P
2Mg1/3Nb2/30.65−PbTiO3−PbMg1/3
Nb2/33三角形の中にある。
【0010】これらの材料の粉末X線回折評価により、
Nb、Mg及びTiはパイクロール及びペロブスカイト
両相で広い範囲の固溶体を形成し、単一相及び多相材料
の両方の誘電定数を有し、多相材料は遷移金属比の関数
として、著しく変化することがわかった。適切に補償さ
れた材料である好ましい混合物は、(回折測定から見積
って)90−95%Pb2(Nb、Mg、Ti)26+x
パイクローレと5−10%Pb(Nb、Mg、Ti)O
3 ペロブスカイトの混合物であった。パイロクロールの
TCKを補償するために必要な比較的少量のペロブスカ
イト相は、合成材料のQ値を妨げ、強誘電体ペロブスカ
イトの損失に支配され、劣化ないし極めて低い値にな
る。
【0011】以下の例は例を示すことを意図したもの
で、いずれにしても、本発明の視野を限定することを意
図したものではない。
【0012】
【例】セラミック合成の出発材料は、PbO、Nb
25、TiO2及びMg(OH)2であった。粉末は適当
なモル比率で混合し、攪拌モーター及び乳棒で、機械的
に粉砕した。粉末は高密度の被覆されたAl23るつぼ
中で、大気中において燃焼した。最初の処理は約800
℃で約16時間、続いて約850℃で16時間であっ
た。再粉砕後、粉末は約4時間、約925℃において燃
焼し、約3時間、約1000℃において燃焼した。粉末
は次に3度目の粉砕をし、0.5インチ径のペレットに
加圧し、直径20mm、高さ4mmのカバーされたるつ
ぼ中で、約4時間、約1100℃において、次に約3時
間、約1200℃において燃焼した。カバーと短い反応
時間は、PbOの揮発性に対する予防策で、ペレットの
誘電特性を試験する前に、表面を粉砕した。PbOの損
失は示されなかった。
【0013】ペレット表面に塗った1:1Ga:In合
金で、接触を作った。HP4192Aインピーダンス・
アナライザで100kHz及び1MHzにおいて、誘電
定数及び誘電正接(損失正接)を測定した。RANSC
O温度可変容器内で、−20ないし60℃において温度
変化をさせた。
【0014】本発明において、Pb−Nb−Mg−Ti
−O相図の研究は、(Nb25+MgO+TiO2)の
合成に対するPbOの比が1:1に等しい三元面、たと
えばPbTiO3を含む面及びPbMg1/3Nb2/33
ロブスカイト、Pb2Nb27及びPb2Mg1/3Nb2/3
6.5パイロクロールに中心を置いた。20℃における
誘電定数及びそれらの温度依存性を、各種の組成で測定
した。
【0015】図1に示された相図の特定の一つの領域
は、高誘電定数(K)と誘電定数の低温度依存性(TC
K)の良好な組合せを示すことがわかった。図1は1P
bO:(xNb+yMg+zTi)O5/2x+y+2
z四元面のこの小さな部分中の100ないし400Kに
おけるΔK=50の間隔でとった輪郭を示す。ここで、
x+y+z=1である。K=200の輪郭の付近で、図
1の影をつけた領域により示されているのは、低誘電定
数における負から、高誘電定数における正へ、TCKが
符号を変える組成の組である。正のTCKが増すにつ
れ、誘電定数が高くなり、Pb(Nb、Mg、Ti)O
3ペロブスカイト相の比率が増す。この影をつけた組成
領域の2つの部分を、より詳細に調べるため、選択し
た。0.15Ti付近と、0.20−0.25Ti含有
量の間で、室温付近で高いKと低いTCKの最も平衡の
とれた組成を見出すのが目的である。
【0016】詳細に検討した最善の材料についての誘電
体のデータが、表1に示されている。ここに示されたデ
ータは、図1中の影をつけた領域の0.25Tiとの交
点付近の領域に集中している。表1及び図2及び図3
は、100kHzのデータを示し、1MHzにおけるデ
ータは、著しく異なる。
【表1】
【0017】平衡のとれた組成に対する誘電定数は、1
80−240の範囲で、Dの値(=tanδ)は0.0
05−0.007の範囲にある。材料の一般的な振舞い
は、組成のわずかな変化に対して、比較的一定、すなわ
ち200付近のKに対して、材料はよく平衡がとれる
が、室温付近のKの詳細な温度依存性は、組成のわずか
な変化に、かなり敏感である。これはたとえば表1にお
いて、Pb1±0.03Nb0 .65Mg0.105Ti0.245xの特
性に対するPb過剰及び欠乏の関数として、明らかであ
る。また、Nb、Mg及びTi含有量に対し、T対Kの
詳細では、±1−2%の感度がある。
【0018】いくつかの代表的な材料についての誘電定
数の温度依存性が、図2及び図3に示されている。たと
えば、図2に示されている20℃付近のT対Kの極小
は、ペロブスカイト相とパイロクロール相についてのK
の正と負の温度係数間の、良好な平衡の結果である。図
3は鉛の過剰又は欠乏を導くT対Kの感度を示し、“化
学量論的”PbO:(Nb+Ti+Mg)=1:1の比
近くで、最も良く平衡した組成となる。図2及び表1
は、20℃付近を中心とし、高いKをもつ良く平衡のと
れた最善の材料は、Pb1.01Nb0.65Mg0.10Ti0.25
x で、誘電定数は約180、30℃におけるT対Kの
非常に浅い極小をもつことを示している。また、約23
0というかなり高い誘電定数を有する材料PbNb
0.645Mg0.105Ti0.25x は、電子的要素に対して通
常の動作温度として予想される20ないし60℃の温度
で、きわめて良く平衡し、その温度範囲でKの大きさは
0.2%変化することに、注意することが重要である。
【図面の簡単な説明】
【図1】Pb:Σ(Nb+Mg+Ti)=1:1の面に
おけるPbO−Nb25−MgO−TiO2相図の一部
で、輪郭は20℃における誘電定数の値を表わし、影に
した領域はT対Kの傾斜が低いKにおける負から、高い
Kにおける正に変化する組成領域を示す図。
【図2】最も良く補償されたいくつかの材料についての
20℃付近におけるKの温度変化を示す図。
【図3】Pb過剰及び欠乏の関数として、具体的なN
b:Mg:Ti比に対する20℃付近におけるKの温度
変化を示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェームス ジョセフ クラジャウスキー アメリカ合衆国 08869 ニュージャーシ ィ,ラリタン,オバート ドライヴ 10 (72)発明者 ウィリアム フレデリック ペック アメリカ合衆国 08807 ニュージャーシ ィ,ブリッジウォーター,マウンテンサイ ド レーン 120

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ヘロブスカイトとパイロクロールが本質
    的に平衡する面における四元系PbO−MgO−Nb2
    5−TiO2を含む高誘電定数と誘電定数の小さな温度
    依存性を有する誘電材料。
  2. 【請求項2】 1PbO:Σ(Mg+Ti+Nb)が約
    1である請求項1記載の誘電材料。
  3. 【請求項3】 Pb2Mg1/3Nb2/36.5−PbTiO
    3−PbMg1/3Nb2/33三角形内にある請求項1記載
    の誘電材料。
  4. 【請求項4】 低Tcパイクロール相Pb2(Nb、M
    g、Ti)26+xと高TcペロブスカイトPb(Nb、
    Mg、Ti)O3の誘電定数の低温度依存性を生じるの
    に効果的な量の混合物を含む誘電体材料。
  5. 【請求項5】 約90−95%Pb2(Nb、Mg、T
    i)26+Xパイロクロール及び約5−10%Pb(N
    b、Mg、Ti)O3ペロブスカイトを含む請求項3記
    載の誘電体材料。
  6. 【請求項6】 混合物はPbTiO3及びPbMg1/3
    2/33ペロブスカイトと Pb2Nb27及びPb2
    1/3Nb2/36.5パイロクロールを含む面を含む請求
    項1記載の材料。
  7. 【請求項7】 0.91.1、 0.6
    0.8、 0.050.15、及び 0.10 ±
    0.30であるPbxNbyMgzTiz酸化物を含む請
    求項1記載の誘電材料。
JP8262618A 1995-10-03 1996-10-03 高誘電定数及び低温度係数を有するパイロクロールを基本とする酸化物 Pending JPH09118564A (ja)

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