對向靶反應磁控濺射製備氧化釩薄膜的方法
2023-07-07 06:30:01 1
專利名稱：對向靶反應磁控濺射製備氧化釩薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及一種對向靶反應磁控濺射製備氧化釩薄膜的方法，屬於氧化釩薄膜製備技術。
背景技術：
自從1959年Morin發現氧化釩薄膜相變特性以來，對氧化釩薄膜的研究一直在不斷進行。二氧化釩薄膜具有由低溫半導體相轉變為高溫金屬相的相變特性，並伴隨著電阻率、磁化率、光透射率和反射率的突變，使其在微電子和光電子領域具有眾多的應用。由於釩是多價金屬，可以和氧結合形成多種氧化物，特別是以VO2為基的氧化釩混合相多晶薄膜雖然不具有溫度相變特性，但是由於它在室溫附近具有極高的電阻溫度係數，能達到-2×10-2K-1以上，是一般金屬薄膜的5～10倍。因此以VO2為基的氧化釩混合相多晶薄膜是目前用來製作紅外探測和紅外成像器件熱敏電阻的理想材料。
目前濺射鍍膜是最常用的製備氧化釩薄膜的方法。現有的反應濺射工藝為了使沉積的氧化釩薄膜具有高TCR值和低的室溫電阻，不僅需要精確控制澱積薄膜的工藝參數，以形成適當成分的氧化釩薄膜，而且需要在澱積薄膜之後在高溫下進行長時間的熱退火，這不僅增加了工藝的難度，也降低了工藝的重複性。還有一種濺射製備氧化釩薄膜的方法是先沉積金屬釩膜，再經過氧化擴散和後退火形成氧化釩薄膜，例如CN 1392286A，這種方法雖然在濺射鍍膜過程中不需要嚴格控制反應氣體流量，但是氧化擴散和後退火工藝也需要較高的溫度。此外單靶濺射鍍膜時，靶材利用率低，基片溫升高。
發明內容
本發明的目的是提供一種對向靶反應磁控濺射製備氧化釩薄膜的方法，利用該方法製得的氧化釩薄膜具有高的電阻溫度係數和低的室溫電阻值。
本發明是通過以下技術方案加以實現的，一種製備氧化釩薄膜的方法，其特徵在於包括以下過程1)對玻璃基片或矽基片表面進行清洗。矽片採用標準半導體清洗方法清洗，然後烘乾備用。玻璃基片清洗過程如下用丙酮進行超聲清洗，經去離子水衝洗，然後用乙醇超聲清洗，再經去離子水衝洗，烘乾備用；2)若採用矽為基片，先在矽片表面採用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法沉積一層氧化矽薄膜；3)製備氧化釩薄膜真空室內高純金屬釩靶材對向放置，將玻璃基片或矽基片置於基片架上，背底真空＜3×10-4Pa，以流量體積比為100∶1～140∶1的氬氣和氧氣通入真空室至工作氣壓1.5～2Pa，並以濺射功率為190～240W，基片溫度為25～200℃，濺射時間為30～75分鐘濺射成膜。
上述的氬氣和氧氣流量體積比為120∶1～130∶1。
本發明的優點在於，採用對向靶濺射的方式，因此靶材利用率高，濺射速率高，濺射均勻，濺射過程基片溫度低，濺射後的氧化釩薄膜不需進行高溫熱處理。由本發明製備的氧化釩薄膜在20～30℃之間的電阻溫度係數能達到-3×10-2K-1以上，對溫度的敏感性遠高於普通金屬熱敏電阻，室溫方塊電阻可以達到50KΩ/□以下，可用來製作低噪聲的微熱探測器件。
圖1為本發明製得的氧化釩薄膜的X射線光電子能譜分析(XPS)譜圖。圖中1#曲線對應+5價釩，其在薄膜中所佔體積比例為35.03％；2#曲線對應+4價釩，其在薄膜中所佔體積比例為51.46％；3#曲線對應+3價釩，其在薄膜中所佔體積比例為13.51％；4#曲線為1#，2#，3#曲線的疊加。
圖2為本發明製得的氧化釩薄膜的原子力顯微鏡(AFM)形貌像。
圖3為本發明製得的氧化釩薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。由圖中可以看出本發明製得的氧化釩薄膜晶粒均勻、緻密性好。
圖4為本發明實施例1製得的氧化釩薄膜的電阻溫度曲線；
圖5為本發明實施例2製得的氧化釩薄膜的電阻溫度曲線。
具體實施例方式
實施例1在玻璃基片上製備高電阻溫度係數的氧化釩薄膜，具體步驟如下1)清洗玻璃基片，過程如下用丙酮進行超聲清洗，經去離子水衝洗，然後用乙醇超聲清洗，再經去離子水衝洗；2)採用對向靶反應磁控濺射法，在上述玻璃基片製備氧化釩薄膜，打開真空室，放入玻璃基片，先抽低真空，然後開高閥，抽高真空至3×10-4Pa以下，以流量體積比為120∶1的氬氣和氧氣通入真空室至工作氣壓2Pa，並以濺射功率為240W，基片溫度為25℃，濺射時間為30分鐘濺射成膜。；3)對上述氧化釩薄膜進行電阻溫度特性測試，測得室溫方塊電阻28.5KΩ/□，20～30℃之間電阻溫度係數為-3.3×10-2K-1，電阻溫度曲線如圖4所示。
實施例2在矽基片上製備高電阻溫度係數的氧化釩薄膜，具體步驟如下1)將矽片進行表面清洗，以去除矽片表面的汙染有機物、灰塵以及金屬離子雜質，過程如下將濃硫酸(濃度為98％)與雙氧水按體積比3∶1混合配製成清洗液，將矽片在此清洗液中浸泡40分鐘，用去離子水衝洗矽片，然後用氨水、雙氧水和去離子水按體積比1∶40∶50混合，浸泡矽片30分鐘，再用去離子水衝洗。採用PECVD方法在矽片上先沉積一層氧化矽薄膜，背底真空為4.5×10-1Pa，工作氣壓為4.3Pa，基片溫度為150℃，工作氣體為N2O和SiH4，氣流量分別為12ml/min和38ml/min，澱積時間為10分鐘，SiO2層厚度約為1000；2)採用對向靶反應磁控濺射法，在上述矽基片製備氧化釩薄膜，打開真空室，放入矽基片，先抽低真空，然後開高閥，抽高真空至3×10-4Pa以下，以流量體積比為120∶1的氬氣和氧氣通入真空室至工作氣壓2Pa，並以濺射功率為240W，基片溫度為25℃，濺射時間為45分鐘濺射成膜。；
3)對上述氧化釩薄膜進行電阻溫度特性測試，測得室溫方塊電阻45KΩ/□，20～30℃之間電阻溫度係數-3.5×10-2K-1，電阻溫度曲線如圖5所示。
實施例3本實施例與實施例2相似，不同之處在於步驟2的工藝參數為以流量體積比為130∶1的氬氣和氧氣通入真空室至工作氣壓1.5Pa，濺射功率為195W，濺射時間75分鐘，基片溫度為200℃，對氧化釩薄膜進行電阻溫度特性測試，測得室溫方塊電阻1.4KΩ/□，20～30℃之間附近電阻溫度係數-2.4×10-2K-1。
權利要求
1.一種對向靶反應磁控濺射製備氧化釩薄膜的方法，其特徵在於包括以下過程1)對玻璃基片或矽基片表面進行清洗矽片採用標準半導體清洗方法清洗，然後烘乾備用；玻璃基片清洗過程，用丙酮進行超聲清洗，經去離子水衝洗，然後用乙醇超聲清洗，再經去離子水衝洗，烘乾備用；2)若採用矽為基片，先在矽片表面採用等離子體增強化學氣相沉積方法沉積一層氧化矽薄膜；3)製備氧化釩薄膜真空室內高純金屬釩靶材對向放置，將玻璃基片或矽基片置於基片架上，背底真空＜3×10-4Pa，以流量體積比為100∶1～140∶1的氬氣和氧氣通入真空室至工作氣壓1.5～2Pa，並以濺射功率為190～240W，基片溫度為25～200℃，濺射時間為30～75分鐘濺射成膜。
2.按權利要求1所述的對向靶反應磁控濺射製備氧化釩薄膜的方法，其特徵在於氬氣和氧氣流量體積比為120∶1～130∶1。
全文摘要
本發明涉及一種對向靶反應磁控濺射製備氧化釩薄膜的方法，屬於薄膜製備技術。包括①玻璃和矽基片表面清洗。②若採用矽為基片，先在矽片表面用PECVD方法沉積一層氧化矽薄膜。③採用了具有靶材利用率高、濺射薄膜均勻的對向靶反應磁控濺射法沉積氧化釩薄膜，工藝條件為背底真空＜3×10
文檔編號C23C14/54GK1752270SQ200510014470
公開日2006年3月29日 申請日期2005年7月12日 優先權日2005年7月12日
發明者胡明, 吳淼, 張之聖, 劉志剛, 呂宇強 申請人:天津大學