目前大規模生產中,鐵氧體粉料的制備還是以氧化物法為主,其工藝要點如下:
(1)原料
原料要求純度高,一般采用化學試劑,雜質往往與鐵形成非磁性物質,嚴重地降低鐵氧體的磁導率。K+、Na+等堿金屬離子,不僅影響磁導率,還由于有較高的導電性,會增大高頻損耗,最為有害。SiO2是普遍存在的雜質,它與Fe2O3化合成硅酸鐵,同時放出氧氣,使制品氣孔率增加,降低磁導率。
(2)預燒及燒結
為了減少制品的燒成收縮率,使反應完全,提高鐵氧體的品質因素及磁導率等性能。往往要將球磨后的混合物進行預燒。一種方法是在500℃左右的低溫預燒:另一種方法是在1000℃左右的高溫預燒。有時甚至要采用兩次預燒,即在低溫預燒后經過粉磨,再進行高溫預燒。
燒結是鐵氧體生產過程中關鍵之一,燒結溫度一般控制在1000~1400℃。由于鐵氧體中鐵離子通常為三價,為了避免Fe3+的還原,必須保證氧化氣氛。燒成設備多采用硅碳棒電窯,一般高磁導率的軟磁材料必須緩慢降溫,以消除其內應力。而作為記憶元件的矩磁材料,則必須快速冷卻,以滿足一定的磁性要求。
另外值得一提的是各向異性鐵氧體陶瓷的生產方法。這種方法生產的各向異性鐵氧體晶粒按一定方向排列,其磁能積(BH)max比一般的各向異性硬鐵氧體大出3~4倍,生產方法有兩種:其一是在磁場條件下成型,干燥燒成。其二是采用顆粒較大呈扁平狀或條狀的原料。因為它們在成型過程易于定向排列,成型后采用熱壓燒結。例如:α-Fe2O3呈六角形薄板、γ-MnOOH呈薄條狀,ZnO呈扁平狀,用它們可作為生產尖晶石型錳-鋅鐵氧體磁頭的原料。
(1) 鐵氧體單晶薄膜的制備
20世紀70年代初人們發現石榴石鐵氧體單晶薄膜可以產生圓柱形的磁疇(磁泡)。由于磁泡作為高密度、低功率、高可靠性的存儲器十分有前途,導致了單晶薄膜的研究與制備。
薄膜的厚度通常≤1μm。這樣薄的膜必須附著在某些襯底上(襯底也稱基片)才能實際應用。襯底材料是非強磁性材料。為了使薄膜能牢固地附著于基片上而不破裂,除了精巧的工藝過程以外,選擇合適的基片材料十分重要。對基片的要求原則上是:薄膜與基片的熱膨脹系數相近。
生長鐵氧體單晶薄膜的技術主要有濺射法(Sputtering Method),化學氣相沉淀法(Chemical Vapor Deposition Method,即CVD)以及液相外延法(Liquid Phase Epitaxial Growth Method)。目前使用較多、質量較好、設備簡單的是液相外延法。液相外延法的基本方法是把準備外延在基片上的鐵氧體的組分,在助熔劑中高溫熔化,然后降低溫度使溶液成過飽和狀態,此時將基片浸入,再迅速降低溫度,促使薄膜在基片上外延生長。由于浸入方式不同,又可以分為傾注法與浸漬法兩類。目前以浸漬法占優勢。
(2)鐵氧體多晶薄膜的制備
鐵氧體多晶薄膜是半導體集成電路發展的必然要求。到目前已有電弧等離子體噴涂法、射頻濺射法、氣相法、噴霧熱分解法、涂覆法或化學附著后燒成法以及金屬真空蒸發高溫氧化法等。從目前看來,電弧等離子體噴涂法和射頻濺射法可制得質地均勻、致密的薄膜,適宜批量生產。
電弧等離子體噴涂法的原理是用電極間的弧光放電產生數百安培的電流,形成等離子焰,其溫度可高達2000℃,將由運載氣體輸送過來的鐵氧體粉料(顆粒度≤40μm)熔化,噴射到陶瓷基片上得到薄膜。
2. 鐵氧體薄膜的制備