[发明专利]一种改善微弧氧化技术制备BaTiO3和SrTiO3介电薄膜表面形貌的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子工程技术领域，具体是一种有效改善微弧氧化技术制备BaTiO₃或SrTiO₃介电薄膜表面形貌的方法。

背景技术

当今世界对电子元器件小型化、高性能的要求以及薄膜制备技术的发展，介电薄膜材料应运而生。钛酸盐系介电薄膜，如BaTiO₃、SrTiO₃、BiTiO₃、LaTiO₃等具有较高的介电常数和较低的介质损耗，是非常理想的高压陶瓷电容器制备材料，被誉为“电子工业的支柱”。目前用于制备钛酸盐系介电薄膜的技术较多，主要包括脉冲激光沉积法、磁控溅射沉积法、溶胶-凝胶法、金属有机物化学气相沉积法等，这些方法虽然各有优点和特色，但也存在各自的局限性，如脉冲激光沉积法可制备的薄膜种类多且成分易控制，但成膜面积小；溶胶-凝胶法具有易于搀杂改性，成本低，成膜面积大等优点，但工序比较繁琐且随后的热处理容易导致表面微裂纹。这些都制约着介电薄膜的进一步发展和应用。我国在介电薄膜的制备技术与国际先进工艺差距明显，因此开发出合适的制备钛酸盐系介电薄膜的技术极为重要。微弧氧化技术一种直接在有色金属表面原位生长陶瓷膜的新技术，具有快速、高效，低成本特点；适于制备大尺寸和复杂外形的介电薄膜，处理过程温度低(甚至室温)，无需气氛控制。采用微弧氧化技术在Ti基体表面原位生长出介电薄膜，是一种制备工艺上的创新，具有良好的工业化生产前景。

然而由于MAO成膜必须依赖于弧光放电，导致表面局部产生高温区域，所以MAO制备的薄膜均存在着表面形貌较差、粗糙度值较大的缺点，这一缺点限制了MAO所生成的介电薄膜应用于实际生成中。可以预想，若能在Ti金属表面快速制备性能更为优异、表面形貌较好BaTiO₃或SrTiO₃介电薄膜，不仅可用于高容量、小体积电容器的制造，更为下一代动态随机存取存储器的开发提供技术支持。对该技术进行深入的研究，将为我国突破介电薄膜制备技术落后的局面开创一条新途径，进一步为我国微电子、信息产业提供材料方面的技术支持。

发明内容

本发明的目的在于克服现有工艺困难，提供一种在Ti(Wt％＞95％)金属表面采用直流微弧氧化技术制备出表面形貌较好的BaTiO₃或SrTiO3薄膜的方法、薄膜的表面粗糙度值最低可达0.89um，薄膜具有更为优异的介电性能，工序简单、成膜速度快：6～60min可生成15～60um厚的陶瓷层，薄膜与基体Ti的结合为冶金结合。

本发明的目的可通过如下技术方案实现。

(1)配制电解液：电解液采用M(OH)₂或M(CH3COO)₂为主溶液(X为Ba或Sr)，溶液浓度在0.05mol/L～X之间选择(X为该溶液60℃时的极限溶解度)，同时添加总含量为0.05～5g/L纳米TiO2和甘油、乙二醇等有机溶剂中的一种或几种。

(2)设置直流微弧氧化电源电参数：采用直流脉冲电源，脉冲波形为方波，模式为恒电流模式；电流密度为100～500mA/cm²，脉冲频率为50～250Hz，占空比为60％～95％；处理时间为6～60min。

(3)微弧氧化：将Ti金属连接到阳极，并置于电解液中进行微弧氧化反应，反应过程中控制电解液温度保持在50～60℃之间；反应后取下Ti金属基板，用蒸馏水冲洗后，再在蒸馏水中浸泡1～2小时，烘干后即获得介电薄膜。

所述步骤(1)所述的电解液在60℃时的极限溶解度，Ba(OH)₂和Ba(CH3COO)₂溶液，X分别为0.6mol/L和2.0mol/L；Sr(OH)₂和Sr(CH3COO)₂溶液，X分别为0.3mol/L和0.8mol/L。

所述步骤(1)所述的添加剂含量，所用添加剂为纳米TiO2和甘油、乙二醇等有机溶剂中的一种或几种，添加剂总含量为0.05～5g/L，单个添加剂的含量为0.05～5g/L。复合添加剂的含量可进一步优选为0.25g/L纳米TiO2、0.125g/L乙二醇和0.5g/L甘油。

所述步骤(3)中钛金属基体在微弧氧化之前还需要进行如下步骤：将钛金属表面经砂纸打磨后，用氢氟酸和硝酸按体积比1∶3混合的混合液进行预处理，然后分别丙酮和蒸馏水中清洗，吹干备用。