DE102022132815B4

DE102022132815B4 - Substrat für einen keramischen Dünnfilm und Dünnfilmvorrichtung

Info

Publication number: DE102022132815B4
Application number: DE102022132815.5A
Authority: DE
Inventors: Federica Benes; Marius Steffens; Manfred Schweinzger
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2022-12-09
Filing date: 2022-12-09
Publication date: 2025-02-06
Anticipated expiration: 2042-12-10
Also published as: DE102022132815A1; WO2024120850A3; CN120303755A; WO2024120850A2; JP2025538396A

Abstract

Substrat (2) aufweisend eine Basisschicht (3), welche Titan aufweist, und eine Zwischenschicht (4), welche Titanoxid aufweist, wobei die Zwischenschicht durch eine zweistufige thermische Behandlung der Basisschicht (3) herstellbar ist, wobei während der thermischen Behandlung die Basisschicht (3) in einem ersten Schritt auf eine erste Haltetemperatur und in einem zweiten Schritt auf eine zweite Haltetemperatur, die höher als die erste Haltetemperatur ist, aufgeheizt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat für die Abscheidung eines keramischen Dünnfilms und eine Dünnfilmvorrichtung, die das Substrat und den keramischen Dünnfilm enthält, sowie Herstellungsverfahren für das Substrat und die Dünnfilmvorrichtung.
Keramische Dünnfilmelemente, die aus einem metallischen Substrat und einem dielektrischen keramischen Dünnfilm bestehen, werden in der Regel durch chemische Lösungsabscheidung (chemical solution deposition, CSD) hergestellt.
Die Substitution des keramischen Materials durch Fremdatome wird üblicherweise verwendet, um die Eigenschaften des keramischen Materials, wie z. B. die Dielektrizitätskonstante oder den piezoelektrischen Koeffizienten, zu verändern und an die jeweilige Anwendung anzupassen.
Die keramischen Dünnfilme können auf einem Metallsubstrat hergestellt werden, aber die übliche Verarbeitung umfasst viele Anwendungsschritte, um die endgültige Schichtdicke zu erreichen. Diese Verarbeitung begünstigt die atomare und ionische Interdiffusion zwischen dem Substrat und dem Dünnfilm und erhöht die Eigenspannung.
Darüber hinaus erhöhen sich durch die zahlreichen Beschichtungsschritte die Kosten und die Gesamtbearbeitungszeit, was auch dem fertigen Stapel schadet.
Im Allgemeinen wird als metallisches Trägermaterial für solche Vorrichtungen rostfreier Stahl gewählt, da dieser kostengünstig und gut verfügbar ist. Ein Beispiel aus dem Stand der Technik ist in WO 2021 / 249 844 A1 beschrieben. Andere Metalle, die als metallische Substrate geeignet sind, werden zum Beispiel in US 2004 / 0 175 585 A1 und in dem Nicht-Patent-Dokument J.F. Ihlefeld et al. beschrieben: Journal of Materials Research, Band 20, Ausgabe 10, Oktober 2005, S. 2838-2844. Geeignete keramische Materialzusammensetzungen sind zum Beispiel in WO 2021/064036 A1 und WO 2019 / 174 719 A1 beschrieben. In WO 2022 / 122 445 A2 werden keramische Dickschichten beschrieben, die solche geeigneten keramischen Materialzusammensetzungen enthalten und auf Keramiksubstraten abgeschieden werden.
Um eine Interdiffusion zwischen dem Edelstahlsubstrat und dem keramischen Dünnfilm zu vermeiden, wird in der Regel eine Zwischenschicht wie Lanthannickelat (LNO) aufgebracht.
Die LNO-Schicht trägt jedoch nicht zur Verringerung der Defekte bei, die bei der Kristallisierung dem Dünnfilm auf dem rostfreien Stahl bei hohen Temperaturen entstehen, wie z. B. atomare und ionische Interdiffusion und die Bildung einer unerwünschten Mischoxidschicht auf der Substratoberfläche.
Weiterhin scheint aus der DE 601 24 529 T2 eine dielektrische Dünnfilmstruktur insbesondere aus Bleizirkoniumtitanat bekannt. Als Träger kann eine Titanfolie fungieren. Eine Schicht zur Vermeidung der Interdiffusion wird aber nicht separat vorher ausgebildet.
Eine Titanfolie als Trägermaterial scheint auch aus der JP H10- 270 766 A bekannt.
Die wissenschaftlichen Publikationen von Chen et al. (CHEN, C.C.; CHEN, S.Y.; LIU, D.M: Structural evolution and optical properties of thin films prepared by thermal oxidation of sputtered Ti films. In: Journal of Applied Physics, 88, 2000, 8, 4628-4633) und Narushima et al. (NARUSHIMA, T. et al.: Evaluation of Photocatalytic Activity of the TiO2 Layer Formed on Ti by Thermal Oxidation. In: Interface Oral Health Science - Innovative Research on Biosis-Abiosis Intelligent Interface. 2014, S. 68-68) zeigen darüber hinaus strukturelle und optische Eigenschaften eines thermisch oxidierten Titanfilms.
In Anbetracht der Unzulänglichkeiten der Produkte und Verfahren des Standes der Technik ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Substrat, eine Dünnfilmvorrichtung und ein Herstellungsverfahren zu offenbaren.
Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Substrat, das gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Das Substrat umfasst zumindest eine Basisschicht und eine Zwischenschicht. Das Substrat ist so beschaffen, dass auf der Zwischenschicht eine keramische Dünnfilmschicht aufgebracht werden kann.
Die Basisschicht ist eine Metallschicht aufweisend Titan. Titan ist der Hauptbestandteil der Basisschicht. Die Basisschicht kann aus einer Zusammensetzung mit 100 Atom-% Titan (Ti) bestehen. Vorzugsweise besteht die Basisschicht aus Titan.
Andere mögliche, aber nicht erfindungsgemäße Materialien für die Metallschicht können Kupfer, Nickel oder Stahl umfassen oder daraus bestehen.
Die Basisschicht aus Titan hat mehrere Vorteile.
Da Titan elektrisch leitfähig ist, kann die Basisschicht als Basiselektrode dienen, mit der der Dünnfilm elektrisch kontaktiert werden kann.
Außerdem zeigt die Basisschicht ein flexibles oder elastisches mechanisches Verhalten.
Außerdem kann Titan in einer Luftatmosphäre gehandhabt und verarbeitet werden. Ein Ausschluss von Luftsauerstoff ist nicht erforderlich.
Die Zwischenschicht weist Titanoxid auf. Bei dem Titanoxid handelt es sich vorzugsweise um thermisch gewachsenes Titanoxid. Alternativ kann das Titanoxid auch anodisch gewachsenes Titanoxid sein.
Andere mögliche, aber nicht erfindungsgemäße Materialien für die Zwischenschicht können Kupferoxid, Nickeloxid oder oxidierte Stahloberflächen umfassen oder daraus bestehen.
Titanoxid (TiO₂) ist der Hauptbestandteil der Zwischenschicht. Die Zwischenschicht kann aus einer Zusammensetzung mit 100 Atom-% Titanoxid bestehen. Vorzugsweise besteht die Zwischenschicht aus Titanoxid.
Die beschriebene Zwischenschicht weist eine hohe Homogenität, insbesondere eine homogene Struktur und Zusammensetzung, und damit homogene elektrische und mechanische Eigenschaften auf. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften können genau eingestellt werden.
Eine durch natürliche Oxidation gebildete Oxidationsschicht würde verschiedene Fremdatome enthalten und nicht aus reinem Titanoxid bestehen.
In einer Ausführungsform ist das Substrat für die Abscheidung eines keramischen Dünnfilms konfiguriert.
Insbesondere kann die Zwischenschicht so beschaffen sein, dass eine keramische Dünnfilmschicht auf die Zwischenschicht aufgebracht werden kann.
Die Zwischenschicht hat eine geeignete Struktur, Dichte und Dicke, um eine Interdiffusion zwischen der Basisschicht und der Dünnfilm zu verhindern.
Außerdem ermöglicht die Zwischenschicht eine stabile und dauerhafte Ablagerung des Dünnfilms auf dem Substrat.
Die Zwischenschicht hat vorzugsweise eine geeignete Struktur und Mindestschichtdicke, um selbstheilende Oxidationseigenschaften zu zeigen.
Insbesondere kann die Zwischenschicht durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das Substrat, das die Bildung von neuem Titanoxid anregt, selbst geheilt werden.
In einer Ausführungsform sind die Zwischenschicht und die Basisschicht direkt nebeneinander liegende Schichten. Zwischen diesen beiden Lagen wird keine Schicht aufgebracht.
Außerdem sind zwischen der Zwischenschicht und der Basisschicht keine anderen Strukturen angeordnet.
Die Zwischenschicht verhindert die Bildung einer Mischoxidschicht zwischen der Basisschicht und der keramischen Dünnfilmschicht.
In einer Ausführungsform besteht das Substrat aus der Basisschicht und der Zwischenschicht.
Es sind keine weiteren Funktionsschichten erforderlich. Die Basisschicht kann als Basiselektrode dienen.
In anderen Ausführungsformen kann das Substrat eine separate Elektrodenschicht oder zusätzliche Struktur- oder Schutzschichten aufweisen.
Die Elektrodenschicht oder mehrere Elektrodenschichten können aus einem leitfähigen Metall wie Gold, Chrom, Silber, Platin, Kupfer, Titan oder einer Kombination davon oder einem Metalloxid mit einer Dicke von bis zu 1 µm bestehen.
Beispiele für Metalloxide sind Lanthan-Nickel-Oxid (LNO), Indium-Zinn-Oxid (ITO) und Aluminium-Zink-Oxid (AZO).
Darüber hinaus kann die Elektrode aus einem Stapel von mehreren übereinanderliegenden Metallschichten bestehen, z. B. einem Cr/Ni/Ag-Stapel oder einem Cr/Ni/Au-Stapel.
Die Elektrodenschicht kann durch chemische Lösungsabscheidung, Sputtern, Lithografie, Siebdruck, Tintenstrahldruck oder eine andere geeignete Technik aufgebracht werden.
In einer Ausführungsform hat die Basisschicht eine Dicke zwischen 5 µm und 1000 µm. Vorzugsweise hat die Basisschicht eine Dicke zwischen 5 µm und 200 µm, noch bevorzugter zwischen 5 µm und 100 µm. Damit ist die Basisschicht hochflexibel. Der Materialverbrauch für die Herstellung des Substrats kann reduziert werden.
In einer Ausführungsform hat die Basisschicht eine Oberflächenrauhigkeit Ra von weniger als 0,5 µm, vorzugsweise weniger als 0,3 µm. Damit ist die Oberfläche der Basisschicht geeignet, um darauf eine glatte Zwischenschicht zu bilden. So können die geometrischen und strukturellen Eigenschaften der Zwischenschicht genau angepasst werden.
In einer Ausführungsform hat die Zwischenschicht eine Dicke zwischen 0,1 µm und 2 µm, vorzugsweise zwischen 0,8 µm und 1 µm.
Die Dicke der Zwischenschicht ist vorzugsweise deutlich höher als die Dicke einer natürlichen Oxidationsschicht auf der Titanbasisschicht. Die Zwischenschicht mit der beschriebenen Dicke weist die gewünschten mechanischen und elektrischen Eigenschaften auf. Insbesondere weist die Zwischenschicht selbstheilende Eigenschaften auf.
Aufgrund der gewählten Dicke ist die Zwischenschicht sehr flexibel. Der Materialverbrauch für die Herstellung des Substrats kann reduziert werden. Andererseits hat die Zwischenschicht eine ausreichende Dicke, um eine Interdiffusion zwischen der Basisschicht und der keramischen Dünnfilmschicht zu verhindern.
Ferner betrifft die Erfindung eine Dünnfilmvorrichtung, die das zuvor beschriebene Substrat und die keramische Dünnfilmschicht umfasst.
Durch die Kombination des beschriebenen Substrats mit einer Basisschicht aus Titan und einer Zwischenschicht aus Titanoxid und dem keramischen Dünnfilm kann die Interdiffusion, insbesondere die atomare und ionische Interdiffusion, zwischen der Basisschicht und dem Dünnfilm während eines Herstellungsverfahrens oder eines Abscheidungsverfahrens des keramischen Dünnfilms auf dem Substrat unterdrückt werden. So bestehen das Substrat und der Dünnfilm aus homogenen Materialphasen mit nur wenigen oder vorzugsweise keinen Verunreinigungen. Dadurch können die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Substrats genau eingestellt werden.
Die keramische Dünnfilmschicht wird auf die Zwischenschicht aufgebracht oder abgeschieden.
In einer Ausführungsform sind die Zwischenschicht und die keramische Dünnfilmschicht direkt nebeneinander liegende Schichten. Die Zwischenschicht ist geeignet, die keramische Dünnfilmschicht aufzunehmen.
In anderen Ausführungsformen können zwischen der Zwischenschicht und der keramischen Dünnfilmschicht weitere funktionelle oder strukturelle Schichten angeordnet sein, z. B. eine innere Elektrodenschicht.
In einer Ausführungsform besteht die Dünnfilmvorrichtung aus dem Substrat und der keramischen Dünnfilmschicht. Weitere Schichten sind nicht erforderlich.
In einer Ausführungsform kann der keramische Dünnfilm eine polykristalline, eine oligokristalline oder eine monokristalline Struktur aufweisen.
In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung als dielektrische Elektrodenstruktur verwendet werden, um ein elektrisches Feld an ein ausgewähltes Objekt anzulegen.
In einer Ausführungsform umfasst die Dünnfilmvorrichtung eine innere Elektrodenschicht für die elektrische Verbindung.
In einer Ausführungsform umfasst die Dünnfilmvorrichtung mehrere innere Elektrodenschichten. In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung als Vielschichtelektrodenkondensator oder als keramischer Vielschichtkondensator verwendet werden. An die Dünnfilmschicht zwischen zwei oder mehreren inneren Elektrodenschichten kann ein elektrisches Feld angelegt werden.
In einer Ausführungsform kann die Vorrichtung mehrere, z. B. zwei oder mehrere keramische Dünnfilmschichten umfassen. Die keramischen Dünnfilmschichten können zwischen den einzelnen Elektrodenschichten angeordnet sein. Die keramischen Dünnfilmschichten und die Elektrodenschichten können einen Stapel bilden.
Die Dünnfilmvorrichtung kann durch eine obere Elektrode ergänzt werden. Auf die obere Elektrode wird keine weitere keramische Dünnfilmschicht aufgebracht. Die obere Elektrode vervollständigt die Dünnfilmvorrichtung auf einer Seite der Dünnfilmvorrichtung, die der durch das Substrat vervollständigten Seite gegenüberliegt.
Die obere Elektrode kann, muss aber nicht die gesamte Fläche der keramischen Dünnfilmschicht bedecken und kann unterschiedliche Formen aufweisen.
Das elektrische Feld kann in einer Stapelrichtung der Schichten angelegt werden. So kann der Stapel eine Vielschichtige Elektrodenkondensatorstruktur bilden, bei der mehrere Kondensatorelemente in Reihe geschaltet sind.
Das elektrische Feld kann auch in einer Richtung senkrecht zur Stapelrichtung angelegt werden. Die inneren Elektroden können die äußeren Elektroden auf zwei Seiten des Stapels senkrecht zur Stapelrichtung kontaktieren. Auf diese Weise kann ein keramischer Vielschichtkondensator (MLCC) gebildet werden.
In einer Ausführungsform umfasst der keramische Dünnfilm ein keramisches Material, das eine Perowskit-Keramik mit der allgemeinen Struktur ABO₃ ist.
In einer Ausführungsform umfasst der keramische Dünnfilm ein keramisches Material mit einer keramischen Zusammensetzung Ba(Zr_xTi_1-x)O₃, wobei vorzugsweise 0,05 ≤ x ≤ 0,6 erfüllt ist.
In einer Ausführungsform kann die keramische Dünnfilmschicht aus dem keramischen Material bestehen.
Außerdem kann das keramische Material Dotierstoffe enthalten, um die Eigenschaften der Keramik zu verändern.
In einer Ausführungsform umfasst das keramische Material y Gew.-% eines Seltenerdmetall-Dotierstoffs, insbesondere Yttrium, wobei vorzugsweise 0,2 ≤ y ≤ 2 erfüllt ist. Das Verhältnis y bezieht sich auf 100 Gew.-% Ba(Zr_xTi_1-x)O₃.
In einer Ausführungsform umfasst das keramische Material z Gew.-% eines Übergangsmetall-Dotierstoffs, insbesondere Mangan, wobei vorzugsweise 0,11 ≤ z ≤ 1 erfüllt ist. Das Verhältnis z bezieht sich auf 100 Gew.-% Ba(Zr_xTi_1-x)O₃.
Das keramische Material hat günstige elektrische und mechanische Eigenschaften, insbesondere wenn es in einem Dünnfilm verwendet wird. Außerdem ist das Material umweltverträglich, da es bleifrei ist.
In alternativen Ausführungsformen wird ein Blei enthaltendes keramisches Material wie (Pb_xZr_1-x)TiO₃ mit bevorzugten x-Werten zwischen 0,4 und 0,6 (0,4 ≤ x ≤ 0,6) oder Pb(MnNb_1-x)O₃ + PbTiO₃ mit bevorzugten x-Werten zwischen 0,2 und 0,4 (0,2 ≤ x ≤ 0,4) gewählt, die bei Verwendung in einem Dünnfilm ebenfalls günstige elektrische und mechanische Eigenschaften aufweisen.
In einer Ausführungsform ist die Dünnfilmvorrichtung als kreisförmige Platte ausgeführt.
Eine runde Form hat Vorteile bei der Herstellung, Handhabung und Anwendung, z. B. hinsichtlich der mechanischen Stabilität.
In einer Ausführungsform ist die Dünnfilmvorrichtung als dreidimensional gefaltete Folie ausgeführt.
Die gefaltete Folie kann auf flexible Weise an die Form verschiedener Anwendungsobjekte angepasst werden.
Insbesondere kann die Folie elastisch sein und sich in verschiedene Formen falten und anschließend wieder in ihre ursprüngliche Form zurückfalten lassen.
Insbesondere kann die Folie mehrere Schnitte oder Aussparungen nach der japanischen Kirigami-Technik aufweisen, um die gewünschten flexiblen Eigenschaften für das Falten zu erreichen.
In einer Ausführungsform hat der keramische Dünnfilm eine Dicke zwischen 0,3 µm und 5 µm, vorzugsweise zwischen 0,3 µm und 1,5 µm.
Da diese Abmessungen ausreichen, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen, kann der Verbrauch an keramischem Material reduziert werden. Die Dünnfilmschicht hat vorzugsweise homogene mechanische und elektrische Eigenschaften.
Erfindungsgemäß kann die zuvor beschriebene Dünnfilmvorrichtung als dielektrische Elektrodenstruktur oder als Kondensatorstruktur oder als Vielschichtkondensatorstruktur, wie zuvor im Detail beschrieben, verwendet werden.
Ferner betrifft die Erfindung eine dielektrische Elektrodenstruktur, eine Kondensatorstruktur, eine Vielschichtkondensatorstruktur, insbesondere eine Vielschicht-Elektroden-Kondensatorstruktur oder eine Vielschicht-Keramik-Kondensatorstruktur (MLCC), die die zuvor im Detail beschriebene Dünnfilmvorrichtung umfasst.
Ferner betrifft die Erfindung eine medizinische Vorrichtung für die medizinische, diagnostische oder therapeutische Behandlung, z. B. die elektrische Krebsbehandlung, das die Dünnfilmvorrichtung oder insbesondere die dielektrische Elektrodenstruktur umfasst.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats für die Abscheidung eines Dünnfilms, das mehrere Schritte umfasst.
Das Substrat und der keramische Dünnfilm können wie zuvor beschrieben konfiguriert werden. Insbesondere können das zuvor beschriebene Substrat und der keramische Dünnfilm nach dem folgenden Verfahren hergestellt werden.
In einem ersten Schritt wird eine Titanfolie als Basisschicht bereitgestellt.
In einem weiteren Schritt wird die Basisschicht thermisch behandelt, um eine Zwischenschicht zu bilden, die direkt an die Basisschicht angrenzt. Die Zwischenschicht umfasst Titanoxid oder besteht aus Titanoxid.
Durch die Bildung der Titanoxidschicht direkt auf der Basisschicht wird die Bildung einer natürlichen Mischmetall-Oxidationsschicht verhindert.
Erfindungsgemäß wird die Basisschicht während der thermischen Behandlung in einem ersten Schritt auf eine erste Haltetemperatur, vorzugsweise zwischen 550 °C und 620 °C, und in einem zweiten Schritt auf eine zweite Haltetemperatur, vorzugsweise zwischen 640 °C und 700 °C, erhitzt.
Durch die beschriebene schrittweise thermische Verarbeitung kann eine dichte Basisschicht ohne offene Porosität hergestellt werden.
Durch die beschriebene thermische Behandlung wird die Zwischenschicht mit den gewünschten Eigenschaften gebildet.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Dünnfilmvorrichtung, die das Substrat für die Abscheidung eines Dünnfilms umfasst. Das Verfahren kann die vorgenannten Schritte umfassen. Ferner kann das Verfahren mehrere zusätzliche Schritte umfassen.
In einem Schritt wird ein keramisches Material für eine keramische Dünnfilmschicht in einem viskosen Zustand bereitgestellt. Das keramische Material im viskosen Zustand kann eine viskose Paste sein, die organische Substanzen und/oder Lösungsmittel enthält.
In einem weiteren Schritt wird das keramische Material im viskosen Zustand auf einer von der Basisschicht abgewandten Oberfläche der Zwischenschicht angeordnet, um eine keramische Dünnfilmschicht zu bilden.
Nach der Abscheidung wird die abgeschiedene keramische Dünnfilmschicht getrocknet, vorzugsweise auf einer Heizplatte. Vorzugsweise erfolgt die Trocknung des keramischen Dünnfilms bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 250 °C. In diesem Schritt können restliche Lösungsmittel entfernt werden.
Nach dem Trocknen wird die getrocknete keramische Dünnfilmschicht kalziniert oder pyrolysiert. Vorzugsweise wird die Kalzinierung des Dünnfilms in zwei Schritten bei Temperaturen zwischen 300 °C und 600 °C durchgeführt, vorzugsweise in einem Ofen. Ein erster Kalzinierungsschritt kann zwischen 300 °C und 400 °C durchgeführt werden. Ein zweiter Kalzinierungsschritt kann zwischen 500 °C und 600 °C durchgeführt werden. In diesem Schritt können restliche organische Substanzen entfernt werden.
In einem weiteren Schritt wird die kalzinierte keramische Dünnfilmschicht kristallisiert, vorzugsweise in einem Ofen. Die Kristallisation des Dünnfilms wird vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 600 °C und 700 °C durchgeführt.
In einer Ausführungsform erfolgt die Abscheidung des keramischen Materials durch Schlitzdüsenbeschichtung (slot die coating).
Durch die Beschichtung mit Schlitzdüsen kann die keramische Dünnfilmschicht in einer gewünschten Dicke und Struktur aufgebracht werden.
Alternative Methoden für die Abscheidung der Dünnfilmschicht sind Spin-Coating oder Dip-Coating, Sprühpyrolyse und Tintenstrahldruck. Alternativ kann die Dünnfilmschicht auch durch physikalische Verfahren wie Sputtern, physikalische Gasphasenabscheidung (PLD) oder Aerosolabscheidung aufgebracht werden. In diesem Fall wird ein festes keramisches Target und/oder Keramikpulver mit der gewünschten Zusammensetzung verwendet.
In einer Ausführungsform wird das keramische Material durch Stapeln mehrerer Teilschichten abgeschieden, wobei jede Teilschicht eine Dicke zwischen 0,1 µm und 0,5 µm aufweist.
Vorzugsweise hat jede Teilschicht eine Dicke zwischen 0,2 µm und 0,3 µm. Die erforderliche Dicke der Teilschichten wird durch die Auswahl eines geeigneten viskosen keramischen Materials, z. B. einer geeigneten keramischen Paste mit einer geeigneten Zusammensetzung, erreicht. Vorzugsweise besteht die Keramikpaste aus einem organischen Polymermaterial.
Durch das Aufbringen der Teilschichten mit der beschriebenen Dicke kann die gesamte keramische Dünnfilmschicht durch das Aufbringen von nur wenigen Teilschichten, vorzugsweise einer bis fünf Teilschichten, gebildet werden.
Der gesamte Prozess der Abscheidung, Trocknung, Kalzinierung/Pyrolyse und Kristallisation kann ein- bis fünfmal durchgeführt werden, bis die endgültige Dicke der keramischen Dünnfilme erreicht ist.
Durch die Verringerung der Anzahl der Teilschichten kann eine homogene Struktur der keramischen Dünnfilmschicht erreicht werden. Die Anfälligkeit für Defekte oder Beschädigungen während der Herstellung wird verringert.
In einer Ausführungsform umfasst die Bereitstellung des keramischen Materials im viskosen Zustand mehrere Schritte. Vorzugsweise umfassen die Schritte ein Verfahren zur Abscheidung einer chemischen Lösung.
In einem Schritt wird eine erste Lösung durch Auflösen eines Bariumsalzes, z. B. Bariumacetat, hergestellt. Das Bariumsalz kann in Eisessig, Wasser und Ethanolamin aufgelöst werden.
Optional können ein Yttriumsalz, z. B. Yttriumacetat, und ein Mangansalz, z. B. Manganacetat, in der ersten Lösung gelöst werden, um ein dotiertes Keramikmaterial zu erhalten.
In einem weiteren Schritt wird eine zweite Lösung durch Auflösen eines organischen Polymers in einem geeigneten Lösungsmittel, z. B. in Ethanol und Essigsäure, hergestellt. Bei dem organischen Polymer kann es sich um Polyvinylpyrrolidon (PVP) handeln.
In einem weiteren Schritt werden Titantetraethoxid und Zirkoniumpropoxid in der zweiten Lösung aufgelöst. Gleichzeitig kann die Lösung gerührt werden.
Dann werden die erste und die zweite Lösung gemischt und vorzugsweise gerührt, um ein Sol-Gel zu bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Lösung durch Auflösen einer stöchiometrischen Menge Bariumacetat und gegebenenfalls Yttriumacetat und Manganacetat in 5 bis 15 Molen Eisessig und 2 bis 8 Molen Wasser und Ethanolamin hergestellt. Ferner werden 0,1 bis 0,8 Mol Polyvinylpyrrolidon in 3 bis 10 Mol Ethanol und 15 bis 30 Mol Essigsäure gelöst, um die zweite Lösung herzustellen. Titantetraethoxid und Zirkoniumpropoxid werden der zweiten Lösung unter Rühren stöchiometrisch zugesetzt. Dann wird die erste Lösung zur zweiten Lösung gegeben. Beide Lösungen werden unter Rühren miteinander vermischt.
Vorzugsweise bildet die resultierende Lösung eine Keramikpaste mit einer Viskosität zwischen 10 und 100 cP (1 cP = 10^-3 kg/ms).
In einer Ausführungsform wird die geometrische Form der Dünnfilmvorrichtung durch Schneiden, z. B. durch mechanisches Schneiden oder Laserschneiden, oder durch Stanzen gestaltet.
In einer Ausführungsform wird die Dünnfilmvorrichtung durch Schneiden oder Stanzen und Falten der Dünnfilmvorrichtung dreidimensional geformt. Insbesondere kann die Dünnfilmvorrichtung durch die Kirigami-Technik, eine Kombination aus Schneiden und Origami-Falten, dreidimensional geformt werden. Ausgeschnittene oder ausgestanzte Abschnitte können die Dünnfilmvorrichtung flexibler machen. Die Dünnfilmvorrichtung kann an die äußere Form verschiedener Gegenstände angepasst werden, auf denen die Vorrichtung angebracht wird.
Die Anwendung der Kirigami-Technik ermöglicht es, flache Vorrichtungsstrukturen in dreidimensionale Strukturen zu verwandeln, wenn eine Kraft aufgebracht wird, und wieder in die ursprüngliche flache Struktur zurückzukehren, wenn die Kraft entfernt wird, ohne dass das Vorrichtung verformt wird.
Kirigami-Schneidevorrichtungen sind anderen keramischen Dünnfilmvorrichtungen überlegen, da sie sich an bewegliche oder sich ausdehnende Elemente anpassen und den Kontakt mit diesen Elementen optimieren können, insbesondere bei größeren Kontaktflächen. Beispielhafte Elemente sind bewegliche Maschinenelemente oder ein menschlicher oder tierischer Körper.
In die Vorrichtungen können unterschiedlich gestaltete Motive geschnitten oder gestanzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Dünnfilmvorrichtung in einer Querschnittsansicht.
2 zeigt eine REM-Aufnahme (Rasterelektronenmikroskopie) eines Querschnitts der ersten Ausführungsform der Dünnfilmvorrichtung.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Dünnfilmvorrichtung in einer Querschnittsansicht.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Dünnfilmvorrichtung in einer Querschnittsansicht.
5 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Dünnfilmvorrichtung in einer Querschnittsansicht.
6 zeigt ein Prozessschema mit den wichtigsten Herstellungsschritten.
7 zeigt eine mögliche kreisförmige Form der fertigen Dünnfilmvorrichtung.
8 zeigt eine mögliche dreidimensionale gefaltete Form der fertigen Dünnfilmvorrichtung.
9 zeigt zwei REM-Aufnahmen. Rechts ist der Querschnitt der ersten Ausführungsform der Dünnfilmvorrichtung zu sehen. Links ist zum Vergleich ein Querschnitt durch eine anders hergestellte Dünnfilmvorrichtung abgebildet.
10 zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Verlustleistung von der elektrischen Frequenz für die beiden in 9 gezeigten Dünnfilmvorrichtungen.
11 zeigt die Abhängigkeit der Kapazitätsdichte und der elektrischen Verlustleistung von der elektrischen Frequenz für die erste Ausführungsform der Dünnfilmvorrichtung.
12 zeigt die Abhängigkeit der Kapazität und der elektrischen Verlustleistung von der Temperatur für die erste Ausführungsform der Dünnfilmvorrichtung. Es wurde ein Temperaturbereich um die Körpertemperatur (37 °C) gewählt.
13 zeigt die Abhängigkeit der Kapazität und der elektrischen Verlustleistung von der Temperatur für unterschiedlich hergestellte keramische Vorrichtungen, die zum Vergleich in 9, links, dargestellt sind. Auch hier wird ein Temperaturbereich um die Körpertemperatur (37 °C) gewählt.
14 zeigt die dielektrische Durchschlagsfestigkeit der ersten Ausführungsform der Dünnfilmvorrichtung. Gemessen wird die Abhängigkeit des elektrischen Stroms vom elektrischen Feld. Der Durchschlagspunkt liegt bei etwa 33 kV/mm.

Ähnliche oder scheinbar identische Elemente in den Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Figuren und die Proportionen in den Figuren sind nicht skalierbar.
1 zeigt eine Ausführungsform der Dünnfilmvorrichtung 1. Die Dünnfilmvorrichtung 1 umfasst ein Substrat 2, das die Basisschicht 3 und eine Zwischenschicht 4 sowie eine keramische Dünnfilmschicht 5 umfasst.
Die genannten Schichten sind in einem Stapel angeordnet und bilden ein Vielschichtvorrichtung 1.
Die Basisschicht 3 besteht aus Titanmetall. Vorzugsweise besteht die Schicht 3 aus Titan (Ti).
Die Basisschicht 3 kann aus einer Ti-Folie bestehen. Die Dicke der Ti-Folie kann zwischen 5 µm und 1000 µm liegen, vorzugsweise zwischen 5 µm und 100 µm.
Unmittelbar auf einer Oberfläche der Basisschicht 3 ist die Zwischenschicht 4 angeordnet. Zwischen der Basisschicht 3 und der Zwischenschicht 4 ist keine weitere Schicht oder Struktur angeordnet.
Die Zwischenschicht 4 umfasst Titanoxid TiO₂ oder besteht vorzugsweise aus Titanoxid. Das Titanoxid hat vorzugsweise eine Rutilstruktur.
Die Dicke der Zwischenschicht kann zwischen 0,1 µm und 2 µm, vorzugsweise zwischen 0,8 µm und 1 µm liegen.
Das Substrat 2 kann als Elektrode für den Kontakt mit dem keramischen Dünnfilm fungieren. Alternativ kann in einer anderen Ausführungsform eine separate Elektrodenschicht vorgesehen werden, die als untere Elektrode zwischen dem Substrat 2 und der keramischen Dünnfilmschicht 5 oder als obere Elektrode konfiguriert ist, wobei die keramische Dünnfilmschicht 5 zwischen dem Substrat und der oberen Elektrode liegt.
Auf der Oberfläche der Zwischenschicht 4, die der Kontaktfläche zur Basisschicht 3 gegenüberliegt, wird die keramische Dünnfilmschicht 5 abgeschieden.
Der keramische Dünnfilm kann eine Dicke zwischen 0,3 µm und 5 µm, vorzugsweise zwischen 1,5 µm und 5 µm haben.
In der gezeigten Ausführungsform grenzt die keramische Dünnfilmschicht 5 direkt an die Zwischenschicht 4. Dazwischen sind keine weiteren Schichten oder Strukturen angeordnet.
Der keramische Dünnfilm 5 kann ein keramisches Material mit der Zusammensetzung Ba(Zr_xTi_1-x)O₃ umfassen oder daraus bestehen, wobei vorzugsweise 0,05 ≤ x ≤ 0,6 erfüllt ist.
In Tabelle 1 sind die Ergebnisse einer EDX-Messung (energiedispersive Röntgenspektroskopie; energy-dispersive X-ray spectroscopy) der Zusammensetzung der Basisschicht, der Zwischenschicht und der keramischen Dünnfilm einer beispielhaften keramischen Dünnfilmvorrichtung dargestellt. Die Verhältnisse der verschiedenen Elemente sind in Atom-% angegeben. Tabelle 1:

O Ti Zr Ba

Keramischer Dünnfilm 67 14 2 18

Zwischenschicht 65 35 - -

Basisschicht - 100 - -
Ferner enthält das keramische Material vorzugsweise Dotierstoffe, um die Eigenschaften der Keramik zu verändern.
Insbesondere umfasst das keramische Material z. B. y Gew.-% eines Seltenerdmetall-Dotierstoffs, insbesondere Yttrium, wobei 0,2 ≤ y ≤ 2 erfüllt ist. Das Verhältnis y bezieht sich auf 100 Gew.-% Ba(Zr_xTi_1-x)O₃. Ferner enthalten die keramischen Werkstoffe z.B. z Gew.-% eines Übergangsmetalldotierstoffs, insbesondere Mangan, wobei 0,11 ≤ z ≤ 1 erfüllt ist. Das Verhältnis z bezieht sich auf 100 Gew.-% Ba(Zr_xTi_1-x)O₃.
2 zeigt eine REM-Aufnahme eines Querschnitts durch die Dünnfilmvorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform. Dargestellt sind die Basisschicht 3, die Zwischenschicht 4 und die keramische Dünnfilmschicht 5. Die gezeigte Oberfläche der Basisschicht 3 hat eine vorteilhaft niedrige Oberflächenrauhigkeit Ra von weniger als 0,3 µm.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1.
Anders als bei der ersten Ausführungsform umfasst die zweite Ausführungsform der Vorrichtung 1 einige zusätzliche Schichten.
Zwischen der Zwischenschicht 4 und der Dünnfilmschicht 5 ist eine metallische innere Elektrodenschicht 6 zur elektrischen Kontaktierung angeordnet.
Auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Dünnfilmschicht 5 wird eine zweite Elektrode 7 abgeschieden.
Die zweite Ausführungsform der Dünnfilmvorrichtung 1 kann als elektrischer Kondensator verwendet werden, während die erste Ausführungsform als dielektrische Elektrodenstruktur zum Anlegen eines elektrischen Feldes an ein ausgewähltes Objekt, insbesondere an einen menschlichen Körper, z. B. für medizinische, diagnostische oder therapeutische Anwendungen, verwendet werden kann.
Aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften kann die Dünnfilmvorrichtung 1 im Allgemeinen bei Körpertemperatur verwendet werden.
In 4 ist eine Vorrichtung 1 in Form eines Vielschichtelektrodenkondensators dargestellt. Die Kondensatorvorrichtung 1 wird durch Stapeln mehrerer keramischer Dünnfilmschichten 5 und Elektrodenschichten 7 aufgebaut. Auf diese Weise wird eine Reihe von einzelnen Kondensatorelementen gebildet.
In 5 ist eine Vorrichtung 1 in Form eines keramischen Vielschichtkondensators (MLCC) dargestellt. Die Kondensatorvorrichtung 1 umfasst mehrere keramische Dünnfilmschichten 5 und Elektrodenschichten 7, wobei die Elektrodenschichten abwechselnd von zwei verschiedenen äußeren Elektroden auf gegenüberliegenden Seitenflächen der Vorrichtung 1 kontaktiert werden.
In 6 sind ausgewählte Schritte des Herstellungsprozesses der ersten Ausführungsform der Dünnfilmvorrichtung 1 grafisch zusammengefasst.
Eine erste Lösung wird durch Auflösen von z. B. Bariumacetat, Yttriumacetat und Manganacetat in Eisessig, Wasser und Ethanolamin hergestellt. In einer zweiten Lösung wird Polyvinylpyrrolidon in Ethanol und Essigsäure aufgelöst. Titantetraethoxid und Zirkoniumpropoxid werden der zweiten Lösung unter Rühren zugesetzt. Die erste und die zweite Lösung werden gemischt, um ein Sol-Gel zu bilden.
Im grafisch dargestellten Schritt S1 wird die Titanfolie für das Substrat 2 bereitgestellt und in einem Ofen in einer Luftatmosphäre thermisch behandelt, indem sie in einem ersten Schritt auf eine Temperatur zwischen 550 °C und 620 °C und in einem zweiten Schritt auf eine Temperatur zwischen 640 °C und 700 °C erhitzt wird. Durch das beschriebene thermische Behandlungsverfahren wird die Zwischenschicht 4 auf der Oberfläche der Titanbasisschicht 3 gebildet.
In Schritt S2 wird das vorbereitete Sol-Gel z. B. durch Spin-Coating, Dip-Coating oder Slot-Die-Coating mit einer Dicke von bis zu 0,05 mm auf das Substrat 2 aufgebracht. In Schritt S3 wird der Dünnfilm 5 dann z. B. auf einer Heizplatte bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 250 °C getrocknet. Anschließend wird in Schritt S4 der keramische Dünnfilm zweimal pyrolysiert, indem die Vorrichtung 1 in einem Ofen unter Luftatmosphäre bei Temperaturen zwischen 300 °C und 400 °C und anschließend bei 500 °C und 600 °C erhitzt wird.
Außerdem wird der keramische Dünnfilm 5 in einem Ofen zwischen 600 °C und 700 °C unter Luftatmosphäre kristallisiert.
Der Prozess der Abscheidung, Trocknung, Kalzinierung/Pyrolyse und Kristallisation wird drei- bis fünfmal durchgeführt, bis die endgültige Dicke der keramischen Dünnfilm 5 in Schritt S5 erreicht ist.
Anschließend kann aus der vorgesehenen Schichtstruktur eine bevorzugte geometrische Form ausgestanzt oder ausgeschnitten werden, um eine gewünschte Form der Vorrichtung 1 zu erhalten.
7 zeigt eine beispielhafte kreisförmig gestanzte Form einer fertigen Dünnfilmvorrichtung mit einem Durchgangsloch in der Mitte.
Das kreisförmige Element kann einen Durchmesser zwischen 10 mm und 25 mm haben und eine konzentrische Durchgangsbohrung mit einem Durchmesser zwischen 3 mm und 4 mm aufweisen.
Im Allgemeinen kann der keramische Dünnfilm 5 eine ganze Oberfläche des Substrats 2 oder nur einen bestimmten Bereich bedecken. Beispielsweise kann ein Abschnitt des Substrats in der Nähe des Randes des Substrats unbedeckt bleiben, wie z. B. in 7 gezeigt.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1, alternativ zu 7. Die Vorrichtung 1 wird in der Kirigami-Technik hergestellt.
Die Darstellung in 8 ist nur ein Beispiel für ein Kirigami-Muster. Durch Schneiden oder Stanzen verschiedener Motive in die vorgesehene Vielschichtstruktur können weitere unterschiedliche Muster erzeugt werden.
9 zeigt auf der rechten Seite erneut das REM-Bild eines Querschnitts durch die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dünnfilmvorrichtung 1. Ferner zeigt 9 zum Vergleich auf der linken Seite ein REM-Bild einer anderen Dünnfilmvorrichtung, die nach einem anderen als dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde.
Die Vorrichtung auf der linken Seite, die nicht Teil der Erfindung ist, besteht aus einem Substrat aus rostfreiem Stahl 8, auf dem eine unerwünschte Mischmetalloxidschicht 9 ausgebildet ist. Es sind keine glatten Oberflächen zwischen den einzelnen Schichten vorgesehen. Eine Zwischenschicht 10 zwischen der Metalloxidschicht und einer keramischen Dünnfilm 11 besteht aus Lanthan-Nickelat (Lanthan-Nickeloxid, LNO). Der keramische Dünnfilm besteht aus einer Barium-Zirkonium-Titanat-Keramik und unerwünschten Metallverunreinigungen, die durch Interdiffusion zwischen den Metall- und Metalloxidschichten und der keramischen Dünnfilm entstehen.
Die Verunreinigungen beeinträchtigen die mechanischen und insbesondere die elektrischen Eigenschaften der keramischen Dünnfilmschicht 5 erheblich.
In Tabelle 2 sind die Ergebnisse einer EDX-Messung der Zusammensetzung der Basisschicht, der Zwischenschicht und des keramischen Dünnfilms der nicht-erfinderischen Vorrichtung dargestellt. Die zuvor beschriebenen Verunreinigungen aufgrund von Interdiffusionseffekten sind zu erkennen. Die Verhältnisse der verschiedenen Elemente sind in Atom-% angegeben. Tabelle 2:

O Si Ti Cr Fe Ni Zr Ba La

Keramisc her Dünnfilm 64.7 - 11.8 - 1.12 - 1.9 19.3 1.1

Zwischen -schicht 49.3 0.3 1.4 2.4 3.8 21.4 0.4 2.6 18.3

Metalloxidschi cht 41.9 1.6 - 27.4 14.1 4.6 - - 6.4

Basisschicht - 1.6 - 17.1 73.8 6.1 - - -
10 zeigt die Verluste an elektrischer Leistung bei verschiedenen angelegten elektrischen Frequenzen im Vergleich zwischen der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 (durchgezogene Linie) und der nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Dünnfilmvorrichtung (gestrichelte Linie).
Die elektrischen Verluste werden als tan (delta) angegeben. Die Frequenz wird in Hertz (Hz) angegeben. Die Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.
In 10 ist deutlich zu erkennen, dass bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform die elektrischen Verluste geringer sind und weniger von der Frequenz abhängen. Insbesondere mit steigender Frequenz können die Verluste deutlich reduziert werden.
11 zeigt die Kapazitätsdichte in nF/cm² (durchgezogene Linie) und wiederum die elektrischen Verluste (gestrichelte Linie) für dieselbe erfindungsgemäße Ausführungsform der Dünnfilmvorrichtung 1. Wie aus 11 ersichtlich ist, sind die Kapazitätsdichte und die elektrischen Verluste nicht oder nur wenig von der angelegten elektrischen Frequenz abhängig.
Die Messungen wurden wieder bei Raumtemperatur durchgeführt.
12 zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Kapazität und der elektrischen Verluste von der Temperatur für die erfindungsgemäße erste Ausführungsform der Dünnfilmvorrichtung 1. In einem Temperaturbereich zwischen 19,5 °C und 42 °C weisen beide Werte eine Schwankung von weniger als 10 % auf. Somit ist die Dünnfilmvorrichtung 1 für Anwendungen bei Körpertemperatur, z. B. am menschlichen Körper, geeignet.
Insbesondere kann die Dünnfilmvorrichtung 1 als dielektrische Elektrodenstruktur für die Anwendung eines elektrischen Feldes auf den menschlichen Körper zur Krebsbehandlung durch tumorbehandelnde elektrische Felder verwendet werden.
13 zeigt zum Vergleich die Abhängigkeit der elektrischen Kapazität und der elektrischen Verluste von der Temperatur für die nicht erfindungsgemäße Ausführung der Vorrichtung. In einem Temperaturbereich zwischen 19,5 °C und 42 °C erfahren beide Werte eine große Schwankung.
Dadurch weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine geringere Temperaturabhängigkeit der elektrischen Kapazität und der elektrischen Verluste auf.
Darüber hinaus hat die Dünnfilmvorrichtung eine hohe dielektrische Durchschlagsfestigkeit.
14 zeigt die dielektrische Durchschlagsfestigkeit der ersten Ausführungsform der Dünnfilmvorrichtung. Gemessen wird die Abhängigkeit des elektrischen Stroms vom elektrischen Feld. Der Durchschlagspunkt liegt bei etwa 33 kV/mm.
Bezugszeichen

1: Dünnfilmvorrichtung
2: Substrat
3: Basisschicht
4: Zwischenschicht
5: Keramische Dünnfilmschicht
6,7: Elektrodenschichten
8: Substrat aus rostfreiem Stahl
9: Mischmetalloxidschicht
10: LNO-Schicht
11: Keramische Dünnfilmschicht mit Verunreinigungen

Claims

Substrat (2) aufweisend eine Basisschicht (3), welche Titan aufweist, und eine Zwischenschicht (4), welche Titanoxid aufweist, wobei die Zwischenschicht durch eine zweistufige thermische Behandlung der Basisschicht (3) herstellbar ist, wobei während der thermischen Behandlung die Basisschicht (3) in einem ersten Schritt auf eine erste Haltetemperatur und in einem zweiten Schritt auf eine zweite Haltetemperatur, die höher als die erste Haltetemperatur ist, aufgeheizt wird.
Substrat (2) nach Anspruch 1, wobei das Titanoxid Titandioxid TiO₂ ist.
Substrat (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwischenschicht (4) für die Abscheidung eines keramischen Dünnfilms (5) geeignet beschaffen ist.
Substrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zwischenschicht (4) und die Basisschicht (3) direkt aneinandergrenzen.
Substrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat (2) aus der Basisschicht (3) und der Zwischenschicht (4) besteht.
Substrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Basisschicht (3) eine Dicke zwischen 5 µm und 1000 µm aufweist.
Substrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Basisschicht (3) eine Oberflächenrauhigkeit Ra von weniger als 0,3 µm aufweist.
Substrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zwischenschicht eine höhere Dicke hat als die Dicke einer natürlichen Oxidationsschicht auf der Basisschicht aufweist.
Substrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Zwischenschicht (4) eine Dicke zwischen 0,1 µm und 2 µm aufweist.
Substrat (2) nach Anspruch 9, wobei die Zwischenschicht (4) eine Dicke zwischen 0,8 µm und 1 µm aufweist.
Substrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Basisschicht (3) aus Titan und die Zwischenschicht (4) aus Titanoxid besteht.
Substrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Zwischenschicht (4) selbstheilende Oxidationseigenschaften aufweist.
Substrat (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Basisschicht (3) eine Dicke zwischen 5 µm und 100 µm aufweist.
Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Zwischenschicht eine geeignete Struktur, Dichte und Dicke aufweist, um eine atomare oder ionische Interdiffusion zwischen der Basisschicht und dem Dünnfilm zu verhindern.
Substrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Substrat eine separate Elektrodenschicht und/oder zusätzliche Strukturschichten und/oder Schutzschichten aufweist.
Substrat (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die separate Elektrodenschicht aus einem leitfähigen Metall oder einem Metalloxid besteht, wobei die Elektrodenschicht eine maximale Dicke von bis zu 1 µm aufweist.
Substrat (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das leitfähige Metall Gold, Chrom, Silber, Platin, Kupfer, Titan oder eine Kombination davon ist.
Substrat (2) nach Anspruch 16, wobei das Metalloxid Lanthan-Nickel-Oxid, Indium-Zinn-Oxid oder Aluminium-Zink-Oxid ist.
Substrat (2) nach Anspruch 15, wobei die separate Elektrodenschicht aus einem Stapel von mehreren übereinanderliegenden Metallschichten besteht, bevorzugt einem Chrom-Nickel-Silber-Stapel oder einem Chrom-Nickel-Gold-Stapel.
Substrat (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die separate Elektrodenschicht durch chemische Lösungsabscheidung, Sputtern, Lithografie, Siebdruck oder Tintenstrahldruck aufgebracht wird.
Dünnfilmvorrichtung (1) aufweisend das Substrat (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 20 und die auf der Zwischenschicht angeordnete keramische Dünnfilmschicht (5).
Dünnfilmvorrichtung (1) nach Anspruch 21, wobei die Zwischenschicht (4) und die keramische Dünnfilmschicht (5) direkt aneinandergrenzen.
Dünnfilmvorrichtung (1) nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Dünnfilmvorrichtung (1) zwischen der Zwischenschicht und der keramischen Dünnfilmschicht (5) weitere funktionelle Schichten oder strukturelle Schichten umfasst.
Dünnfilmvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Dünnfilmvorrichtung (1) aus dem Substrat (2) und der keramischen Dünnfilmschicht (5) besteht.
Dünnfilmvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Dünnfilmvorrichtung (1) genau eine innere Elektrodenschicht (6, 7) oder mehrere innere Elektrodenschichten (6, 7) umfasst.
Dünnfilmvorrichtung (1) nach Anspruch 25, wobei die Dünnfilmvorrichtung (1) mehrere keramische Dünnfilmschichten (5) umfasst.
Dünnfilmvorrichtung (1) nach Anspruch 26, wobei die keramischen Dünnfilmschichten und die inneren Elektrodenschichten (6, 7) einen Stapel bilden, wobei jede einzelne keramische Dünnfilmschicht (5) jeweils zwischen zwei inneren (6, 7) Elektrodenschichten angeordnet ist.
Dünnfilmvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei die Dünnfilmvorrichtung (1) eine obere Elektrode umfasst, auf die keine weitere keramische Dünnfilmschicht aufgebracht ist, wobei die obere Elektrode die Dünnfilmvorrichtung auf einer Seite vervollständigt, die der durch das Substrat vervollständigten Seite gegenüberliegt.
Dünnfilmvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, wobei der keramische Dünnfilm ein keramisches Material umfasst, das eine Perowskit-Keramik mit der allgemeinen Struktur ABO₃ ist.
Dünnfilmvorrichtung (1) nach Anspruch 29, wobei die keramische Dünnfilmschicht (5) ein keramisches Material mit einer Zusammensetzung Ba(Zr_xTi_1-x)O₃ umfasst, wobei 0,05 ≤ x ≤ 0.6 erfüllt ist, oder ein keramisches Material (Pb_xZr_1-x)TiO₃ umfasst, wobei 0,4 ≤ x ≤ 0,6 erfüllt ist, oder ein keramisches Material Pb(Mn_xNb_1-x)O₃ + PbTiO₃ umfasst, wobei 0,2 ≤ x ≤ 0,4 erfüllt ist.
Dünnfilmvorrichtung (1) nach Anspruch 30, wobei die keramischen Werkstoffe weiterhin y Gew.-% eines Seltenerdmetall-Dotierstoffs, insbesondere Yttrium, und z Gew.-% eines Übergangsmetall-Dotierstoffs, insbesondere Mangan, enthalten, wobei 0,2 ≤ y ≤ 2 und 0,1 ≤ z ≤ 1 erfüllt sind.
Dünnfilmvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 31, wobei die Dünnfilmvorrichtung (1) als kreisförmige Platte ausgebildet ist.
Dünnfilmvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 31, wobei die Dünnfilmvorrichtung (1) als dreidimensional gefaltete Folie ausgebildet ist.
Dünnfilmvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 33, wobei die keramische Dünnfilmschicht (5) eine Dicke zwischen 0,3 µm und 5 µm, vorzugsweise zwischen 0,3 µm und 1,5 µm, aufweist.
Dielektrische Elektrodenstruktur aufweisend eine Dünnfilmvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 34.
Kondensatorstruktur aufweisend eine Dünnfilmvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 34.
Keramische Vielschichtkondensatorstruktur mit einer Dünnfilmvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 34.
Medizinische Vorrichtung für die medizinische, diagnostische oder therapeutische Behandlung mit einer Dünnfilmvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 21 bis 34 oder einer dielektrischen Elektrodenstruktur nach Anspruch 35.
Verfahren zur Herstellung eines Substrats (2) für die Abscheidung eines keramischen Dünnfilms (5), das die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellung einer Titanfolie zur Bildung einer Basisschicht (3), - thermische Behandlung der Basisschicht (3) zur Bildung einer unmittelbar an die Basisschicht (3) angrenzenden Zwischenschicht (4) aufweisend Titanoxid, wobei während der thermischen Behandlung die Basisschicht (3) in einem ersten Schritt auf eine erste Haltetemperatur und in einem zweiten Schritt auf eine zweite Haltetemperatur, die höher als die erste Haltetemperatur ist, aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei während der thermischen Behandlung der Basisschicht (3) die erste Haltetemperatur zwischen 550 °C und 620 °C und die zweite Haltetemperatur zwischen 640 °C und 700 °C liegt.
Verfahren zur Herstellung einer Dünnfilmvorrichtung (1), das die Schritte zur Herstellung des Substrats (2) nach einem der Ansprüche 39 bis 40 umfasst und ferner die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellung eines keramischen Materials für eine keramische Dünnfilmschicht (5) in einem viskosen Zustand, - Ablagerung des keramischen Materials im viskosen Zustand auf einer von der Basisschicht (3) abgewandten Oberfläche der Zwischenschicht (4) zur Bildung einer keramischen Dünnfilmschicht (5), - Trocknen der abgeschiedenen keramischen Dünnfilmschicht (5), - Kalzinierung der getrockneten keramischen Dünnfilmschicht (5), - Kristallisierung der kalzinierten keramischen Dünnfilmschicht (5).
Verfahren nach Anspruch 41, wobei die Bereitstellung des keramischen Materials im viskosen Zustand die folgenden Schritte umfasst: - Auflösen eines Bariumsalzes in einer ersten Lösung, - Auflösen eines organischen Polymers in einer zweiten Lösung, - Auflösen von Titantetraethoxid und Zirkoniumpropoxid in der zweiten Lösung, - Mischen der ersten und der zweiten Lösung zur Bildung eines Sol-Gels.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das organische Polymer der zweiten Lösung Polyvinylpyrrolidon ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 43, wobei die Ablagerung des keramischen Materials durch Schlitzdüsenbeschichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei das keramische Material durch Stapeln mehrerer Teilschichten abgeschieden wird, wobei jede Teilschicht eine Dicke zwischen 0,1 µm und 0,5 µm, vorzugsweise zwischen 0,2 µm und 0,3 µm, aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 45, wobei das Trocknen der keramischen Dünnfilmschicht (5) bei einer Temperatur zwischen 150 °C und 250 °C, das Kalzinieren der Dünnfilmschicht (5) in zwei Schritten bei Temperaturen zwischen 300 °C und 600 °C und das Kristallisieren der Dünnfilmschicht (5) bei einer Temperatur zwischen 600 °C und 700 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 46, wobei eine geometrische Form der Dünnfilmvorrichtung (1) durch Schneiden oder Stanzen gestaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 41 bis 47, wobei die Dünnfilmvorrichtung (1) durch Schneiden und Falten der Dünnfilmvorrichtung, insbesondere durch Anwendung der Kirigami-Technik, dreidimensional geformt wird.