专利名称：一种制备标准氧化钽薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及计量测试量值传递技术领域，尤其是涉及一种在金属钽片上制备纳米厚度标准氧化钽薄膜的方法。
背景技术：
从纳米技术发展伊始，纳米测量和表征技术就是纳米科技发展的基础和保障，而纳米计量技术在纳米测量和表征工作中起标准和传递作用。当前纳米厚度薄膜被广泛应用于信息存储、大规模集成电路、太阳能薄膜电池等应用领域，纳米薄膜的厚度往往决定这些产品的性能，对其进行精确的测量和对纳米测量仪器进行量值溯源已成为纳米计量迫切需要解决的问题。随着纳米技术以及纳米技术中微加工技术的发展，对纳米到微米尺度范围的测试精度要求越来越高。很多纳米技术的关键领域，如高密度信息存储、大规模集成电路、薄膜太阳能电池等的研究发展都离不开对纳米尺度薄膜的精确测量。新型纳米薄膜材料的发展，始终与现代高新技术相联系。尤其是随着微电子、光电子技术及纳米科技的飞速发展，所制备的纳米薄膜材料的厚度越来越薄，大规模集成电路以及利用量子尺寸效应的光电子等领域所使用的薄膜厚度大都小于lOOnm，其中集成电路的栅极材料以及磁性隧道结中的绝缘层等更是薄到只有几纳米，为了对所用薄膜的结构和特性有更精确的控制，对薄膜的评价和检测技术也随之变得越来越重要，也对纳米厚度薄膜测量仪器的需求快速增长，如X射线荧光测厚仪、辉光放电光谱仪、X射线光电子能谱仪和俄歇电子能谱仪等。这些仪器在对纳米厚度薄膜进行测量时，往往由于缺少纳米尺度的标准物质对仪器进行校准，无法给出精确的厚度测量值，多数情况只能对给出同类薄膜样品之间的厚度差异。为了使这些仪器给出的测量数值准确可靠，则需要采用具有纳米厚度的标准薄膜来校准仪器的测量标尺或派射速率。氧化钽薄膜由于性质稳定，可以长期保存，是一种理想的成膜材料。当前，制备氧化钽薄膜的方法主要有物理气相沉积方法、热蒸发方法等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、膜层厚度均匀、性质稳定、易于精确控制、且能长时间保存的制备标准氧化钽薄膜的方法。本发明解决其技术问题采用的技术方案是一种制备标准氧化钽薄膜的方法，其特征是它包括如下步骤a、对金属钽片进行表面处理，b、将金属钽片作为阳极、贵金属丝作为阴极，在阳极、阴极上施加I 60V的电压置入电解液中进行阳极氧化反应O. I 12小时，C、取出并清洗金属钽片，d、放入烘箱干燥。本发明所要解决的技术问题还可进一步通过如下技术方案加以解决表面处理为用抛光液对厚度为100 500 μ m、表面积为500 IOOOmm2的金属钽片进行化学抛光；电解液为浓度O. 01 O. 5 mo I/L的柠檬酸、草酸或硝酸贵金属丝为钼丝、金丝或铑丝；阳极、阴极相距40 IOOmm ;清洗金属钽片为用去离子水清洗金属钽片；干燥温度为60 120°C,干燥时间为I 6小时；抛光液的组分由浓硫酸、硝酸和氢氟酸组成，其体积比为10 20 4 8 2 6。在本发明中，将金属钽片作为阳极，贵金属丝作为阴极置入电解液中，通过控制电压、阳极氧化反应的时间、电解液浓度以及两电极之间距离参数来获得具有一定厚度且厚度均匀的标准纳米薄膜，贵金属丝可由贵金属片替代，应当视为贵金属丝的等同技术特征。电压和电解液浓度越大，所得薄膜厚度越厚；反应时间和两电极之间距离则会影响薄膜的厚度和均匀程度。通过调节上述参数，选择合适的参数组合，可以制备目标所需厚度的纳米氧化钽标准薄膜。金属钽片阳极氧化的原理相当于水的电解原理。当电流通过时，将发生以下的反应在阴极上，按下列反应放出H2 :2H+ +2e — H2;在阳极上，40H- 4e—2H20 + 02，析出氧气，作为阳极的钽片被其上析出的氧所氧化，形成无水氧化钽薄膜。本发明所涉物质(材料、组分)均可在中国国内市场购得。本发明由于采用上述技术方案，提供了一套覆盖纳米尺寸范围、具有标准厚度的氧化钽纳米薄膜，可以利用这些薄膜校准X射线荧光测厚仪、辉光放电光谱仪、X射线光电子能谱仪和俄歇电子能谱仪等测厚仪器的厚度测量标尺或溅射速率，解决了这类仪器在纳米尺度薄膜测量的量值溯源问题。利用校准后的这类仪器进行纳米薄膜厚度测量，改善了当前国内纳米薄膜计量和表征缺少标准物质的现状，有效地保证纳米计量表征的量值传递，极大地方便了这类仪器表征纳米厚度薄膜的精确测量，获得更为精确的薄膜厚度测量结果
具体实施例方式实施例I :首先将厚度为100 μ m、表面积为IOOOmm2的金属钽片置入体积比为10
8 2的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距40mm的阳极、阴极上施加I. 2V的电压置入浓度为O. 5 mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应12小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为90°C，优选干燥时间为3. 5小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度为3nm。实施例2 :首先将厚度为500 μ m、表面积为500mm2的金属钽片置入体积比为20
4 6的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距80mm的阳极、阴极上施加60V的电压置入浓度为O. 01 mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应O. I小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为90°C，优选干燥时间为3. 5小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为112nm。实施例3 :首先将厚度为300 μ m、表面积为750mm2的金属钽片置入体积比为15
6 4的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距60mm的阳极、阴极上施加7. 9V的电压置入浓度为O. 3 mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应6小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为90°C，优选干燥时间为3. 5小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为15nm。实施例4 :首先将厚度为200 μ m、表面积为900mm2的金属钽片置入体积比为18 5 3的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距50mm的阳极、阴极上施加49. 2V的电压置入浓度为O. I mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应10小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为90°C，优选干燥时间为3. 5小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为lOOnm。实施例5 :首先将厚度为400 μ m、表面积为600mm2的金属钽片置入体积比为12
7 5的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距70mm的阳极、阴极上施加9. 8V的电压置入浓度为O. 4mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应2小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为90°C，优选干燥时间 为3. 5小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为20nm。实施例6 :首先将厚度为100 μ m、表面积为IOOOmm2的金属钽片置入体积比为10
8 2的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距40mm的阳极、阴极上施加14V的电压置入浓度为O. 5mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应12小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为60°C，优选干燥时间为6小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为31nm。实施例7 :首先将厚度为500 μ m、表面积为500mm2的金属钽片置入体积比为20
4 6的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距80mm的阳极、阴极上施加39V的电压置入浓度为O. 01 mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应0. I小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为60°C，优选干燥时间为6小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为75nm。实施例8 :首先将厚度为300 μ m、表面积为750mm2的金属钽片置入体积比为15
6 4的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距60mm的阳极、阴极上施加20. 5V的电压置入浓度为0. 3 mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应6小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为60°C，优选干燥时间为6小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为40nm。实施例9 :首先将厚度为200 μ m、表面积为900mm2的金属钽片置入体积比为18
5 3的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距50mm的阳极、阴极上施加35V的电压置入浓度为0. Imol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应10小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为60°C，优选干燥时间为6小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为70nm。实施例10 :首先将厚度为400 μ m、表面积为600mm2的金属钽片置入体积比为12
7 5的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距70mm的阳极、阴极上施加22V的电压置入浓度为O. 4mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应2小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为60°C，优选干燥时间为6小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为45nm。
实施例11 :首先将厚度为ΙΟΟμπκ表面积为IOOOmm2的金属钽片置入体积比为10 : 8 : 2的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距40mm的阳极、阴极上施加28V的电压置入浓度为O. 5 mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应12小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为120°C，优选干燥时间为I小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为60nm。实施例12 :首先将厚度为500 μ m、表面积为500mm2的金属钽片置入体积比为20
4 6的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距80mm的阳极、阴极上施加4. IV的电压置入浓度为O. 01 mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应O. I小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为120°C，优选干燥时间为I小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为7nm。实施例13 :首先将厚度为300 μ m、表面积为750mm2的金属钽片置入体积比为15
6 4的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距60mm的阳极、阴极上施加40. 3V的电压置入浓度为O. 3 mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应6小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为120°C，优选干燥时间为I小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为80nm。实施例14 :首先将厚度为200 μ m、表面积为900mm2的金属钽片置入体积比为18
5 3的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距50mm的阳极、阴极上施加44V的电压置入浓度为0. Imol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应10小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为120°C，优选干燥时间为I小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为90nm。实施例15 :首先将厚度为400 μ m、表面积为600mm2的金属钽片置入体积比为12
7 5的浓硫酸、硝酸和氢氟酸中进行化学抛光，然后将钼丝、金丝或铑丝作为阴极、经化学抛光后的金属钽片作为阳极，并在相距70mm的阳极、阴极上施加24. 2V的电压置入浓度为O. 4mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸中进行阳极氧化反应2小时，接着从柠檬酸、草酸或硝酸中 取出金属钽片，并用去离子水予以清洗，最后将用去离子水清洗过的金属钽片置入干燥温度为60 120°C的烘箱内干燥I 6小时。本实施例优选干燥温度为120°C，优选干燥时间为I小时。本实施例经阳极氧化反应后的厚度约为50nm。
权利要求
1.一种制备标准氧化钽薄膜的方法，其特征是它包括如下步骤 a、对金属钽片进行表面处理， b、将金属钽片作为阳极、贵金属丝作为阴极，在阳极、阴极上施加I 60V的电压置入电解液中进行阳极氧化反应O. I 12小时， C、取出并清洗金属钽片， d、放入烘箱干燥。
2.根据权利要求I所述的一种制备标准氧化钽薄膜的方法，其特征是表面处理为用抛光液对厚度为100 500 μ m、表面积为500 IOOOmm2的金属钽片进行化学抛光。
3.根据权利要求I所述的一种制备标准氧化钽薄膜的方法，其特征是电解液为浓度O.01 O. 5 mol/L的柠檬酸、草酸或硝酸。
4.根据权利要求I所述的一种制备标准氧化钽薄膜的方法，其特征是贵金属丝为钼丝、金丝或铑丝。
5.根据权利要求I所述的一种制备标准氧化钽薄膜的方法，其特征是阳极、阴极相距40 IOOmm0
6.根据权利要求I所述的一种制备标准氧化钽薄膜的方法，其特征是清洗金属钽片为用去离子水清洗金属钽片。
7.根据权利要求I所述的一种制备标准氧化钽薄膜的方法，其特征是干燥温度为60 120°C，干燥时间为I 6小时。
8.根据权利要求2所述的一种制备标准氧化钽薄膜的方法，其特征是抛光液的组分由浓硫酸、硝酸和氢氟酸组成，其体积比为10 20 4 8 2 6。
全文摘要
本发明涉及计量测试量值传递技术领域，尤其是涉及一种在金属钽片上制备纳米厚度标准氧化钽薄膜的方法。一种制备标准氧化钽薄膜的方法，它包括如下步骤a、对金属钽片进行表面处理，b、将金属钽片作为阳极、贵金属丝作为阴极，在阳极、阴极上施加1～60V的电压置入电解液中进行阳极氧化反应0.1～12小时，c、取出并清洗金属钽片，d、放入烘箱干燥。本发明提供了一套覆盖纳米尺寸范围、具有标准厚度的氧化钽纳米薄膜，改善了当前国内纳米薄膜计量和表征缺少标准物质的现状，有效地保证纳米计量表征的量值传递，获得更为精确的薄膜厚度测量结果。
文档编号C25D11/26GK102634837SQ20121009696
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者吴立敏, 徐建, 朱丽娜, 陆敏, 陈永康 申请人:上海市计量测试技术研究院