專利名稱：一種制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計量測試量值傳遞技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種在金屬鉭片上制備納米厚度標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法。
背景技術(shù)：
從納米技術(shù)發(fā)展伊始，納米測量和表征技術(shù)就是納米科技發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，而納米計量技術(shù)在納米測量和表征工作中起標(biāo)準(zhǔn)和傳遞作用。當(dāng)前納米厚度薄膜被廣泛應(yīng)用于信息存儲、大規(guī)模集成電路、太陽能薄膜電池等應(yīng)用領(lǐng)域，納米薄膜的厚度往往決定這些產(chǎn)品的性能，對其進(jìn)行精確的測量和對納米測量儀器進(jìn)行量值溯源已成為納米計量迫切需要解決的問題。隨著納米技術(shù)以及納米技術(shù)中微加工技術(shù)的發(fā)展，對納米到微米尺度范圍的測試精度要求越來越高。很多納米技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域，如高密度信息存儲、大規(guī)模集成電路、薄膜太陽能電池等的研究發(fā)展都離不開對納米尺度薄膜的精確測量。新型納米薄膜材料的發(fā)展，始終與現(xiàn)代高新技術(shù)相聯(lián)系。尤其是隨著微電子、光電子技術(shù)及納米科技的飛速發(fā)展，所制備的納米薄膜材料的厚度越來越薄，大規(guī)模集成電路以及利用量子尺寸效應(yīng)的光電子等領(lǐng)域所使用的薄膜厚度大都小于lOOnm，其中集成電路的柵極材料以及磁性隧道結(jié)中的絕緣層等更是薄到只有幾納米，為了對所用薄膜的結(jié)構(gòu)和特性有更精確的控制，對薄膜的評價和檢測技術(shù)也隨之變得越來越重要，也對納米厚度薄膜測量儀器的需求快速增長，如X射線熒光測厚儀、輝光放電光譜儀、X射線光電子能譜儀和俄歇電子能譜儀等。這些儀器在對納米厚度薄膜進(jìn)行測量時，往往由于缺少納米尺度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，無法給出精確的厚度測量值，多數(shù)情況只能對給出同類薄膜樣品之間的厚度差異。為了使這些儀器給出的測量數(shù)值準(zhǔn)確可靠，則需要采用具有納米厚度的標(biāo)準(zhǔn)薄膜來校準(zhǔn)儀器的測量標(biāo)尺或派射速率。氧化鉭薄膜由于性質(zhì)穩(wěn)定，可以長期保存，是一種理想的成膜材料。當(dāng)前，制備氧化鉭薄膜的方法主要有物理氣相沉積方法、熱蒸發(fā)方法等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種工藝簡單、膜層厚度均勻、性質(zhì)穩(wěn)定、易于精確控制、且能長時間保存的制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是一種制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法，其特征是它包括如下步驟a、對金屬鉭片進(jìn)行表面處理，b、將金屬鉭片作為陽極、貴金屬絲作為陰極，在陽極、陰極上施加I 60V的電壓置入電解液中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)O. I 12小時，C、取出并清洗金屬鉭片，d、放入烘箱干燥。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題還可進(jìn)一步通過如下技術(shù)方案加以解決表面處理為用拋光液對厚度為100 500 μ m、表面積為500 IOOOmm2的金屬鉭片進(jìn)行化學(xué)拋光；電解液為濃度O. 01 O. 5 mo I/L的檸檬酸、草酸或硝酸貴金屬絲為鉬絲、金絲或銠絲；陽極、陰極相距40 IOOmm ;清洗金屬鉭片為用去離子水清洗金屬鉭片；干燥溫度為60 120°C,干燥時間為I 6小時；拋光液的組分由濃硫酸、硝酸和氫氟酸組成，其體積比為10 20 4 8 2 6。在本發(fā)明中，將金屬鉭片作為陽極，貴金屬絲作為陰極置入電解液中，通過控制電壓、陽極氧化反應(yīng)的時間、電解液濃度以及兩電極之間距離參數(shù)來獲得具有一定厚度且厚度均勻的標(biāo)準(zhǔn)納米薄膜，貴金屬絲可由貴金屬片替代，應(yīng)當(dāng)視為貴金屬絲的等同技術(shù)特征。電壓和電解液濃度越大，所得薄膜厚度越厚；反應(yīng)時間和兩電極之間距離則會影響薄膜的厚度和均勻程度。通過調(diào)節(jié)上述參數(shù)，選擇合適的參數(shù)組合，可以制備目標(biāo)所需厚度的納米氧化鉭標(biāo)準(zhǔn)薄膜。金屬鉭片陽極氧化的原理相當(dāng)于水的電解原理。當(dāng)電流通過時，將發(fā)生以下的反應(yīng)在陰極上，按下列反應(yīng)放出H2 :2H+ +2e — H2;在陽極上，40H- 4e—2H20 + 02，析出氧氣，作為陽極的鉭片被其上析出的氧所氧化，形成無水氧化鉭薄膜。本發(fā)明所涉物質(zhì)(材料、組分)均可在中國國內(nèi)市場購得。本發(fā)明由于采用上述技術(shù)方案，提供了一套覆蓋納米尺寸范圍、具有標(biāo)準(zhǔn)厚度的氧化鉭納米薄膜，可以利用這些薄膜校準(zhǔn)X射線熒光測厚儀、輝光放電光譜儀、X射線光電子能譜儀和俄歇電子能譜儀等測厚儀器的厚度測量標(biāo)尺或濺射速率，解決了這類儀器在納米尺度薄膜測量的量值溯源問題。利用校準(zhǔn)后的這類儀器進(jìn)行納米薄膜厚度測量，改善了當(dāng)前國內(nèi)納米薄膜計量和表征缺少標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的現(xiàn)狀，有效地保證納米計量表征的量值傳遞，極大地方便了這類儀器表征納米厚度薄膜的精確測量，獲得更為精確的薄膜厚度測量結(jié)果
具體實施例方式實施例I :首先將厚度為100 μ m、表面積為IOOOmm2的金屬鉭片置入體積比為10
8 2的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距40mm的陽極、陰極上施加I. 2V的電壓置入濃度為O. 5 mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)12小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為90°C，優(yōu)選干燥時間為3. 5小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度為3nm。實施例2 :首先將厚度為500 μ m、表面積為500mm2的金屬鉭片置入體積比為20
4 6的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距80mm的陽極、陰極上施加60V的電壓置入濃度為O. 01 mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)O. I小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為90°C，優(yōu)選干燥時間為3. 5小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為112nm。實施例3 :首先將厚度為300 μ m、表面積為750mm2的金屬鉭片置入體積比為15
6 4的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距60mm的陽極、陰極上施加7. 9V的電壓置入濃度為O. 3 mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)6小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為90°C，優(yōu)選干燥時間為3. 5小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為15nm。實施例4 :首先將厚度為200 μ m、表面積為900mm2的金屬鉭片置入體積比為18 5 3的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距50mm的陽極、陰極上施加49. 2V的電壓置入濃度為O. I mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)10小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為90°C，優(yōu)選干燥時間為3. 5小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為lOOnm。實施例5 :首先將厚度為400 μ m、表面積為600mm2的金屬鉭片置入體積比為12
7 5的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距70mm的陽極、陰極上施加9. 8V的電壓置入濃度為O. 4mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)2小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為90°C，優(yōu)選干燥時間 為3. 5小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為20nm。實施例6 :首先將厚度為100 μ m、表面積為IOOOmm2的金屬鉭片置入體積比為10
8 2的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距40mm的陽極、陰極上施加14V的電壓置入濃度為O. 5mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)12小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為60°C，優(yōu)選干燥時間為6小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為31nm。實施例7 :首先將厚度為500 μ m、表面積為500mm2的金屬鉭片置入體積比為20
4 6的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距80mm的陽極、陰極上施加39V的電壓置入濃度為O. 01 mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)0. I小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為60°C，優(yōu)選干燥時間為6小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為75nm。實施例8 :首先將厚度為300 μ m、表面積為750mm2的金屬鉭片置入體積比為15
6 4的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距60mm的陽極、陰極上施加20. 5V的電壓置入濃度為0. 3 mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)6小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為60°C，優(yōu)選干燥時間為6小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為40nm。實施例9 :首先將厚度為200 μ m、表面積為900mm2的金屬鉭片置入體積比為18
5 3的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距50mm的陽極、陰極上施加35V的電壓置入濃度為0. Imol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)10小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為60°C，優(yōu)選干燥時間為6小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為70nm。實施例10 :首先將厚度為400 μ m、表面積為600mm2的金屬鉭片置入體積比為12
7 5的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距70mm的陽極、陰極上施加22V的電壓置入濃度為O. 4mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)2小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為60°C，優(yōu)選干燥時間為6小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為45nm。
實施例11 :首先將厚度為ΙΟΟμπκ表面積為IOOOmm2的金屬鉭片置入體積比為10 : 8 : 2的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距40mm的陽極、陰極上施加28V的電壓置入濃度為O. 5 mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)12小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為120°C，優(yōu)選干燥時間為I小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為60nm。實施例12 :首先將厚度為500 μ m、表面積為500mm2的金屬鉭片置入體積比為20
4 6的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距80mm的陽極、陰極上施加4. IV的電壓置入濃度為O. 01 mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)O. I小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為120°C，優(yōu)選干燥時間為I小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為7nm。實施例13 :首先將厚度為300 μ m、表面積為750mm2的金屬鉭片置入體積比為15
6 4的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距60mm的陽極、陰極上施加40. 3V的電壓置入濃度為O. 3 mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)6小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為120°C，優(yōu)選干燥時間為I小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為80nm。實施例14 :首先將厚度為200 μ m、表面積為900mm2的金屬鉭片置入體積比為18
5 3的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距50mm的陽極、陰極上施加44V的電壓置入濃度為0. Imol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)10小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為120°C，優(yōu)選干燥時間為I小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為90nm。實施例15 :首先將厚度為400 μ m、表面積為600mm2的金屬鉭片置入體積比為12
7 5的濃硫酸、硝酸和氫氟酸中進(jìn)行化學(xué)拋光，然后將鉬絲、金絲或銠絲作為陰極、經(jīng)化學(xué)拋光后的金屬鉭片作為陽極，并在相距70mm的陽極、陰極上施加24. 2V的電壓置入濃度為O. 4mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)2小時，接著從檸檬酸、草酸或硝酸中 取出金屬鉭片，并用去離子水予以清洗，最后將用去離子水清洗過的金屬鉭片置入干燥溫度為60 120°C的烘箱內(nèi)干燥I 6小時。本實施例優(yōu)選干燥溫度為120°C，優(yōu)選干燥時間為I小時。本實施例經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的厚度約為50nm。
權(quán)利要求
1.一種制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法，其特征是它包括如下步驟 a、對金屬鉭片進(jìn)行表面處理， b、將金屬鉭片作為陽極、貴金屬絲作為陰極，在陽極、陰極上施加I 60V的電壓置入電解液中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)O. I 12小時， C、取出并清洗金屬鉭片， d、放入烘箱干燥。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法，其特征是表面處理為用拋光液對厚度為100 500 μ m、表面積為500 IOOOmm2的金屬鉭片進(jìn)行化學(xué)拋光。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法，其特征是電解液為濃度O.01 O. 5 mol/L的檸檬酸、草酸或硝酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法，其特征是貴金屬絲為鉬絲、金絲或銠絲。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法，其特征是陽極、陰極相距40 IOOmm0
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法，其特征是清洗金屬鉭片為用去離子水清洗金屬鉭片。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法，其特征是干燥溫度為60 120°C，干燥時間為I 6小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法，其特征是拋光液的組分由濃硫酸、硝酸和氫氟酸組成，其體積比為10 20 4 8 2 6。
全文摘要
本發(fā)明涉及計量測試量值傳遞技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種在金屬鉭片上制備納米厚度標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法。一種制備標(biāo)準(zhǔn)氧化鉭薄膜的方法，它包括如下步驟a、對金屬鉭片進(jìn)行表面處理，b、將金屬鉭片作為陽極、貴金屬絲作為陰極，在陽極、陰極上施加1～60V的電壓置入電解液中進(jìn)行陽極氧化反應(yīng)0.1～12小時，c、取出并清洗金屬鉭片，d、放入烘箱干燥。本發(fā)明提供了一套覆蓋納米尺寸范圍、具有標(biāo)準(zhǔn)厚度的氧化鉭納米薄膜，改善了當(dāng)前國內(nèi)納米薄膜計量和表征缺少標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的現(xiàn)狀，有效地保證納米計量表征的量值傳遞，獲得更為精確的薄膜厚度測量結(jié)果。
文檔編號C25D11/26GK102634837SQ20121009696
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者吳立敏, 徐建, 朱麗娜, 陸敏, 陳永康 申請人:上海市計量測試技術(shù)研究院