一種在鎢合金基底上製備鈦酸鋇薄膜的方法與流程
2023-05-24 06:58:41
本發明涉及電介質材料製造領域，具體涉及一種在鎢合金基底上製備鈦酸鋇薄膜的方法。
背景技術：
高介電常數的BaTiO3薄膜在嵌入式電容和高儲能元件等領域有重要的應用前景，特別是Ni、Cu等賤金屬襯底上直接沉積BaTiO3薄膜，近年來引起了廣泛關注，尤其是，因襯底和薄膜之間失配引起的殘餘應力及氧空位遷移、再分布等引起的漏電流更是吸引了人們的目光。
鎢及其合金由於具有熔點高、強度大、導電導熱性能好、抗蝕性能強及高溫力學性能良好等優點，被廣泛應用於高溫加熱、玻璃熔煉、高溫結構支撐件等高溫領域。
實驗過程中發現多層BaTiO3薄膜形成的同質界面的勢壘高度也要大於晶界形成的背靠背的雙肖特基勢壘高度。此外，研究表明面內壓應力可以提高BaTiO3基-多層陶瓷電容器的介電常數（平行於襯底表面）。而隨著薄膜厚度的增加，殘餘壓應力呈下降趨勢。因此有必要研發一種以阻礙氧空位的遷移，增加BaTiO3薄膜面內壓應力，同時可以起到降低介電損耗和提高介電常數作用的多層薄膜結構。
技術實現要素：
本發明提供一種在鎢合金基底上製備鈦酸鋇薄膜的方法，該方法顯著改善和控制了材料的組織結構，使得製備的鎢合金與鈦酸鋇薄膜能達到完美的匹配，還可以增加BaTiO3薄膜面內壓應力，因此可以起到降低介電損耗和提高介電常數的作用，解決了現有BaTiO3薄膜因製備、服役產生氧空位而導致漏電流、介電損耗增加，甚至失效的問題。
為了實現上述目的，本發明提供了一種在鎢合金基底上製備鈦酸鋇薄膜的方法，該鎢合金基體由如下重量組分組成：費氏粒度為1-1.5um的WC粉90-95份，費氏粒度為0.5-0.8um的Co粉8-12份， B粉1-2份、石墨粉0.5-1份；
該方法包括如下步驟：
（1）製備鎢合金基體
按上述材料配方選取各材料組份；
選用1Kg攪拌球磨機，先加入B粉、C粉和Co粉，按500ml/kg的比例加入戊醇作為研磨介質，按球料比例5：1加入研磨球，進行攪拌研磨，研磨球直徑D7，球磨機攪拌速度480rpm，填充係數為0.85，研磨1小時；
然後再加入碳化鎢研磨5-7小時，形成料漿，形成料漿；
過濾、乾燥，過濾的目數為40-50目，乾燥溫度為70-85℃，製成硬質合金混合料粒；
將硬質合金混合料粒通過模壓或擠壓或注塑成型，製成硬質合金毛坯；
將硬質合金毛坯進入燒結爐進行燒結成型，燒結成型時的燒結溫度為1400-1425℃、Ar壓力為8-10Mpa、燒結時間為30-100min，得到鎢合金基體；
（2）基體預處理
所述基體預處理，可依次進行研磨拋光、超聲清洗和離子源清洗；
（3）將納米BaTiO3粉末在1000℃下壓製成直徑為75mm的BaTiO3靶材；
將BaTiO3靶材依次用無水乙醇、去離子水中分別清洗5min，以將BaTiO3靶材表面的雜質清潔乾淨，然後再在烘箱中將BaTiO3靶材烘乾；
（4）一次濺射
將預處理後的基體固定在磁控濺射設備中內腔室的樣品臺上，同時在磁控濺射設備中內腔室中固定好BaTiO3靶材，再將磁控濺射設備內腔抽至真空度為10-4Pa；
往設備內通入Ar和O2直至工作壓強達到1.2Pa，並設定濺射設備的濺射功率為145W、襯底溫度為380-420℃、基體旋轉速度為10-20rpm的濺射參數進行第一次濺射；
在第一次濺射過程中，隨時檢測薄膜的濺射厚度，直至達到設定厚度，濺射完成後，降溫到室溫後取出樣品並放置在樣品盒中；
（5）二次濺射
將第一次濺射樣品放置在管式爐中，通入保護性氣體N2約2min，直至裡面的空氣被趕出乾淨，然後將管式爐升溫到750℃，升溫速度為10℃/min，在750℃恆溫加熱30min進行熱處理，然後降到室溫，降溫速度為10℃/min；
將完成熱處理後的濺射樣品進行第二次濺射，第二次濺射參數中的基體溫度設置為420-450℃，濺射設備的濺射功率為145W、基體旋轉速度為10-20rpm，
第二次濺射完成後將濺射樣品放置在管式爐中，通入保護性氣體N2 2min，直至裡面的空氣被趕出乾淨，然後將管式爐升溫到770℃，升溫速度為10℃/min，在770oC恆溫加熱30min，然後降到室溫，降溫速度為10℃/min。
優選的，在所述步驟（2）中，所述研磨拋光，可將基體先在600目的金剛石砂輪盤上進行粗磨10min，然後在1200目的金剛石砂輪盤上進行細磨10min，再用W2.5的金剛石拋光粉進行拋光至試樣表面均勻光亮，所述超聲清洗，可將研磨拋光後的基體按以下順序清洗，丙酮超聲清洗5min→無水乙醇超聲清洗5min→烘乾待用，所述離子源清洗，可採用霍爾離子源對基體進行清洗5min，壓強為2×10-2Pa，基體溫度為300℃，氬氣通量為10sccm，偏壓為-100V，陰極電流為29.5A，陰極電壓為19V，陽極電流為7A，陽極電壓為80V，以清除基體表面的吸附氣體以及雜質，提高沉積塗層與基體的結合強度以及成膜質量。
該方法顯著改善和控制了材料的組織結構，使得製備的鎢合金與鈦酸鋇薄膜能達到完美的匹配，還可以增加BaTiO3薄膜面內壓應力，因此可以起到降低介電損耗和提高介電常數的作用，解決了現有BaTiO3薄膜因製備、服役產生氧空位而導致漏電流、介電損耗增加，甚至失效的問題。
具體實施方式
實施例一
本實施例鎢合金基體由如下重量組分組成：費氏粒度為1-1.5um的WC粉90份，費氏粒度為0.5-0.8um的Co粉8份， B粉1份、石墨粉0.5份。
按上述材料配方選取各材料組份。
選用1Kg攪拌球磨機，先加入B粉、C粉和Co粉，按500ml/kg的比例加入戊醇作為研磨介質，按球料比例5：1加入研磨球，進行攪拌研磨，研磨球直徑D7，球磨機攪拌速度480rpm，填充係數為0.85，研磨1小時。
然後再加入碳化鎢研磨5小時，形成料漿，形成料漿。
過濾、乾燥，過濾的目數為40目，乾燥溫度為70℃，製成硬質合金混合料粒。
將硬質合金混合料粒通過模壓或擠壓或注塑成型，製成硬質合金毛坯。
將硬質合金毛坯進入燒結爐進行燒結成型，燒結成型時的燒結溫度為1400℃、Ar壓力為8Mpa、燒結時間為30min，得到鎢合金基體。
基體預處理，所述基體預處理，可依次進行研磨拋光、超聲清洗和離子源清洗。所述研磨拋光，可將基體先在600目的金剛石砂輪盤上進行粗磨10min，然後在1200目的金剛石砂輪盤上進行細磨10min，再用W2.5的金剛石拋光粉進行拋光至試樣表面均勻光亮，所述超聲清洗，可將研磨拋光後的基體按以下順序清洗，丙酮超聲清洗5min→無水乙醇超聲清洗5min→烘乾待用，所述離子源清洗，可採用霍爾離子源對基體進行清洗5min，壓強為2×10-2Pa，基體溫度為300℃，氬氣通量為10sccm，偏壓為-100V，陰極電流為29.5A，陰極電壓為19V，陽極電流為7A，陽極電壓為80V，以清除基體表面的吸附氣體以及雜質，提高沉積塗層與基體的結合強度以及成膜質量。
將納米BaTiO3粉末在1000℃下壓製成直徑為75mm的BaTiO3靶材；將BaTiO3靶材依次用無水乙醇、去離子水中分別清洗5min，以將BaTiO3靶材表面的雜質清潔乾淨，然後再在烘箱中將BaTiO3靶材烘乾。
將預處理後的基體固定在磁控濺射設備中內腔室的樣品臺上，同時在磁控濺射設備中內腔室中固定好BaTiO3靶材，再將磁控濺射設備內腔抽至真空度為10-4Pa；往設備內通入Ar和O2直至工作壓強達到1.2Pa，並設定濺射設備的濺射功率為145W、襯底溫度為380℃、基體旋轉速度為10rpm的濺射參數進行第一次濺射。
在第一次濺射過程中，隨時檢測薄膜的濺射厚度，直至達到設定厚度，濺射完成後，降溫到室溫後取出樣品並放置在樣品盒中。
將第一次濺射樣品放置在管式爐中，通入保護性氣體N2約2min，直至裡面的空氣被趕出乾淨，然後將管式爐升溫到750℃，升溫速度為10℃/min，在750℃恆溫加熱30min進行熱處理，然後降到室溫，降溫速度為10℃/min；將完成熱處理後的濺射樣品進行第二次濺射，第二次濺射參數中的基體溫度設置為420℃，濺射設備的濺射功率為145W、基體旋轉速度為10rpm。
第二次濺射完成後將濺射樣品放置在管式爐中，通入保護性氣體N2 2min，直至裡面的空氣被趕出乾淨，然後將管式爐升溫到770℃，升溫速度為10℃/min，在770oC恆溫加熱30min，然後降到室溫，降溫速度為10℃/min。
實施例二
本實施例的鎢合金材料基體由如下重量組分組成：費氏粒度為1-1.5um的WC粉95份，費氏粒度為0.5-0.8um的Co粉12份， B粉2份、石墨粉1份。
按上述材料配方選取各材料組份。
選用1Kg攪拌球磨機，先加入B粉、C粉和Co粉，按500ml/kg的比例加入戊醇作為研磨介質，按球料比例5：1加入研磨球，進行攪拌研磨，研磨球直徑D7，球磨機攪拌速度480rpm，填充係數為0.85，研磨1小時。
然後再加入碳化鎢研磨7小時，形成料漿，形成料漿。
過濾、乾燥，過濾的目數為50目，乾燥溫度為85℃，製成硬質合金混合料粒。
將硬質合金混合料粒通過模壓或擠壓或注塑成型，製成硬質合金毛坯。
將硬質合金毛坯進入燒結爐進行燒結成型，燒結成型時的燒結溫度為1425℃、Ar壓力為10Mpa、燒結時間為100min，得到鎢合金基體。
基體預處理，所述基體預處理，可依次進行研磨拋光、超聲清洗和離子源清洗。所述研磨拋光，可將基體先在600目的金剛石砂輪盤上進行粗磨10min，然後在1200目的金剛石砂輪盤上進行細磨10min，再用W2.5的金剛石拋光粉進行拋光至試樣表面均勻光亮，所述超聲清洗，可將研磨拋光後的基體按以下順序清洗，丙酮超聲清洗5min→無水乙醇超聲清洗5min→烘乾待用，所述離子源清洗，可採用霍爾離子源對基體進行清洗5min，壓強為2×10-2Pa，基體溫度為300℃，氬氣通量為10sccm，偏壓為-100V，陰極電流為29.5A，陰極電壓為19V，陽極電流為7A，陽極電壓為80V，以清除基體表面的吸附氣體以及雜質，提高沉積塗層與基體的結合強度以及成膜質量。
將納米BaTiO3粉末在1000℃下壓製成直徑為75mm的BaTiO3靶材；將BaTiO3靶材依次用無水乙醇、去離子水中分別清洗5min，以將BaTiO3靶材表面的雜質清潔乾淨，然後再在烘箱中將BaTiO3靶材烘乾。
將預處理後的基體固定在磁控濺射設備中內腔室的樣品臺上，同時在磁控濺射設備中內腔室中固定好BaTiO3靶材，再將磁控濺射設備內腔抽至真空度為10-4Pa；往設備內通入Ar和O2直至工作壓強達到1.2Pa，並設定濺射設備的濺射功率為145W、襯底溫度為420℃、基體旋轉速度為20rpm的濺射參數進行第一次濺射。
在第一次濺射過程中，隨時檢測薄膜的濺射厚度，直至達到設定厚度，濺射完成後，降溫到室溫後取出樣品並放置在樣品盒中。
將第一次濺射樣品放置在管式爐中，通入保護性氣體N2約2min，直至裡面的空氣被趕出乾淨，然後將管式爐升溫到750℃，升溫速度為10℃/min，在750℃恆溫加熱30min進行熱處理，然後降到室溫，降溫速度為10℃/min；將完成熱處理後的濺射樣品進行第二次濺射，第二次濺射參數中的基體溫度設置為450℃，濺射設備的濺射功率為145W、基體旋轉速度為20rpm。
第二次濺射完成後將濺射樣品放置在管式爐中，通入保護性氣體N2 2min，直至裡面的空氣被趕出乾淨，然後將管式爐升溫到770℃，升溫速度為10℃/min，在770oC恆溫加熱30min，然後降到室溫，降溫速度為10℃/min。