專利名稱：Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生長VO2薄膜的工藝。
背景技術(shù)：
VO2薄膜由于其優(yōu)異的光電性能與熱敏特性越來越受到人們的重視，是近二十年來國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于光電開關(guān)器件、熱敏電阻與室溫紅外探測(cè)器。在紅外探測(cè)器方面，采用在Si基底上生長取向VO2薄膜，有利于將大面積的VO2探測(cè)器陣列與Si基信號(hào)讀出與處理部件進(jìn)行單片集成。VO2具有四種同素異型結(jié)構(gòu)VO2(A)、VO2(B)、VO2(M)和VO2(R)，其中VO2(B)(單斜結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)a＝1.203nm、b＝0.369nm、c＝0.642nm)和VO2(M)(單斜結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)a＝0.575nm、b＝0.542nm、c＝0.538nm)結(jié)構(gòu)相近、在室溫附近為半導(dǎo)體，具有高熱電阻溫度系數(shù)(TCR)值(TCRVO2(B)≈-2％/K，TCRVO2(M)≈-4％/K)是應(yīng)用于Si基底室溫紅外探測(cè)器的理想熱敏材料；而VO2(A)(四方結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)a＝0.844nm、b＝0.844nm、c＝0.768nm)和VO2(R)(金紅石結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)a＝0.455nm、b＝0.455nm、c＝0.288nm)熱電阻溫度系數(shù)(TCR)值低。目前采用的溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積法、化學(xué)氣相沉積法、磁控濺射法等工藝在Si基生長的VO2薄膜具有VO2(A)和/或VO2(R)，熱電阻溫度系數(shù)較低，嚴(yán)重影響了室溫紅外探測(cè)器的探測(cè)靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決目前工藝在Si基生長的VO2薄膜具有VO2(A)和/或VO2(R)，熱電阻溫度系數(shù)低，嚴(yán)重影響了室溫紅外探測(cè)器的探測(cè)靈敏度的問題，而提供的一種Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝。Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝按以下步驟進(jìn)行(一)清洗Si基底除去氧化膜；(二)將Si基底和單質(zhì)V靶置于沉積室，向沉積室內(nèi)通入Ar氣再抽真空，并反復(fù)操作4～10次，Si基底溫度保持為400℃；(三)再次通入Ar氣并打開射頻磁控濺射鍍膜系統(tǒng)電源；(四)待Ar氣電離產(chǎn)生等離子體后逐漸加大射頻功率電壓至300V，隨即通入O2氣，O2氣和Ar氣的氣體總流量為23～27sccm，沉積室壓力控制為0.30～0.35Pa，Si基底保持溫度為400℃，單質(zhì)V靶與Si基底間的距離為58～62mm，Si基底偏壓為0V，Si基表面VO2薄膜達(dá)到設(shè)定厚度后停止射頻濺射、隨沉積室冷卻至200℃，然后再停止O2氣和Ar氣的通入；(五)將濺射生長有VO2薄膜的Si基底封入石英管，抽真空，石英管中真空度降為10-3～10-2Pa，抽真空石英管放入電阻爐退火，退火溫度為450℃～500℃，退火時(shí)間為8～15h，然后真空石英管隨電阻爐冷卻至室溫，即得到生長混合同素異型結(jié)構(gòu)的Si基VO2薄膜；其步驟(四)中O2氣流量占?xì)怏w總流量的7.8％。本發(fā)明在Si基上生長的混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜只含有高熱電阻溫度系數(shù)值的VO2(B)和VO2(M)兩種同素異型結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在Si基上生長的混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜表面光滑、粗糙度為6nm～15nm，VO2薄膜在25℃環(huán)境中熱電阻溫度系數(shù)(TCR)高為-1.50％/K～-5.65％/K，VO2薄膜在25℃環(huán)境中電阻率適中為0.06Ω·cm～10.44Ω·cm，提高了Si基室溫紅外探測(cè)器的探測(cè)性能，尤其Si基室溫紅外探測(cè)器的探測(cè)靈敏度提高了5～10％。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝按以下步驟進(jìn)行(一)清洗Si基底除去氧化膜；(二)將Si基底和單質(zhì)V靶置于沉積室，向沉積室內(nèi)通入Ar氣再抽真空，并反復(fù)操作4～10次，Si基底溫度保持為400℃(三)再次通入Ar氣并打開射頻磁控濺射鍍膜系統(tǒng)電源；(四)待Ar氣電離產(chǎn)生等離子體后逐漸加大射頻功率電壓至300V，隨即通入O2氣，O2氣和Ar氣的氣體總流量為23～27sccm，沉積室壓力控制為0.30～0.35Pa，Si基底保持溫度為400℃，單質(zhì)V靶與Si基底間的距離為58～62mm，Si基底偏壓為0V，Si基表面VO2薄膜達(dá)到設(shè)定厚度后停止射頻濺射、隨沉積室冷卻至200℃，然后再停止O2氣和Ar氣的通入；(五)將濺射生長有VO2薄膜的Si基底封入石英管，抽真空，石英管中真空度降為10-3～10-2Pa，抽真空石英管放入電阻爐退火，退火溫度為450℃～500℃，退火時(shí)間為8～15h，然后真空石英管隨電阻爐冷卻至室溫，即得到生長混合同素異型結(jié)構(gòu)的Si基VO2薄膜；其步驟(四)中O2氣流量占?xì)怏w總流量的7.8％。
本實(shí)施方式中設(shè)定Si基表面VO2薄膜厚度為2.8μm，Si基表面VO2薄膜的厚度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定。本實(shí)施方式步驟(二)中Si基底溫度保持為400℃可除去基底表面殘留的水和揮發(fā)性雜質(zhì)。
本實(shí)施方式中步驟(二)和(四)中Si基底溫度以熱電偶測(cè)得的溫度為準(zhǔn)；步驟(三)中射頻磁控濺射鍍膜系統(tǒng)為射頻磁控濺射鍍膜機(jī)；步驟(四)中氣體流量用質(zhì)量流量計(jì)控制，Si基表面VO2薄膜的厚度以石英晶振測(cè)得為準(zhǔn)；步驟(五)中用KSW-12-11B型控溫儀表控溫，電阻爐采用SX3/12-10型箱式電阻爐。本實(shí)施方式薄膜表面粗糙度利用原子力顯微鏡自帶軟件檢測(cè)，本實(shí)施方式VO2薄膜粗糙度為6nm～15nm。本實(shí)施方式用X-射線檢測(cè)制備的VO2薄膜，確定VO2薄膜為非晶態(tài)氧化釩，只含有VO2(B)和VO2(M)兩種同素異型結(jié)構(gòu)，其中VO2(B)為(011)晶面取向生長，VO2(M)為非取向生長方式。
具體實(shí)施例方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是以p-Si(100)作為Si基底。其它與實(shí)施方式一相同。
本實(shí)施方式中以p-Si(100)為基底，p-Si(100)基底電阻率為8～12Ω·cm。
具體實(shí)施例方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(一)按以下步驟除去Si基底的氧化膜Si基底先用丙酮超聲振蕩清洗4～6min，再用去離子水沖洗去除殘余的丙酮，然后用乙醇超聲振蕩清洗4～6min，再用去離子水沖洗去除殘余的乙醇，之后用氫氟酸溶液清洗2～3min；其中氫氟酸溶液按體積比由1倍體積的氫氟酸和8倍體積的去離子水組成。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施例方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(二)中最后一次抽真空，沉積室內(nèi)真空度為10-6～10-5Pa。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施例方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(二)中反復(fù)操作5～9次。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施例方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(二)中反復(fù)操作6～8次。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施例方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(四)中O2氣和Ar氣的氣體總流量為25sccm。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施例方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(四)中沉積室壓力控制為0.33Pa。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施例方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(四)中單質(zhì)V靶與Si基底間的距離為60mm。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施例方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(五)濺射生長有VO2薄膜的Si基底封入石英管前用酒精和去離子水混合溶液清洗表面，其中酒精與去離子水的體積比為1～2∶1。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
本實(shí)施方式可有效的去除VO2薄膜表面的雜質(zhì)或氧化膜，尤其是清除由于長時(shí)間暴露于空氣中形成的氧化膜。
具體實(shí)施例方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(五)中退火溫度為450℃，退火時(shí)間為14h。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施例方式
十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(五)中退火溫度為500℃，退火時(shí)間為9h。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施例方式
十三本實(shí)施方式Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝按以下步驟進(jìn)行(一)清洗Si基底除去氧化膜；(二)將Si基底和單質(zhì)V靶置于沉積室，向沉積室內(nèi)通入Ar氣再抽真空，并反復(fù)操作4～10次，Si基底溫度保持為400℃；(三)再次通入Ar氣并打開射頻磁控濺射鍍膜系統(tǒng)電源；(四)待Ar氣電離產(chǎn)生等離子體后逐漸加大射頻功率電壓至300V，隨即通入O2氣，O2氣和Ar氣的氣體總流量為25sccm，沉積室壓力控制為0.33Pa，Si基底保持溫度為400℃，單質(zhì)V靶與Si基底間的距離為60mm，Si基底偏壓為0V，Si基表面VO2薄膜達(dá)到設(shè)定厚度后停止射頻濺射、隨沉積室冷卻至200℃，然后再停止O2氣和Ar氣的通入；(五)將濺射生長有VO2薄膜的Si基底封入石英管，抽真空，石英管中真空度降為10-3～10-2Pa，抽真空石英管放入電阻爐退火，退火溫度為500℃，退火時(shí)間為8h，然后真空石英管隨電阻爐冷卻至室溫，即得到生長混合同素異型結(jié)構(gòu)的Si基VO2薄膜；其步驟(四)中O2氣流量占?xì)怏w總流量的7.8％。
本實(shí)施方式中設(shè)定Si基表面VO2薄膜厚度為2.8μm。本發(fā)明在Si基上生長的混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜表面均方根粗糙度為14.92nm，室溫(25℃)TCR為-2.98％/K，室溫電阻率為6.29Ω·cm。
具體實(shí)施例方式
十四本實(shí)施方式Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝按以下步驟進(jìn)行(一)清洗Si基底除去氧化膜；(二)將Si基底和單質(zhì)V靶置于沉積室，向沉積室內(nèi)通入Ar氣再抽真空，并反復(fù)操作4～10次，Si基底溫度保持為400℃；(三)再次通入Ar氣并打開射頻磁控濺射鍍膜系統(tǒng)電源；(四)待Ar氣電離產(chǎn)生等離子體后逐漸加大射頻功率電壓至300V，隨即通入O2氣，O2氣和Ar氣的氣體總流量為25sccm，沉積室壓力控制為0.33Pa，Si基底保持溫度為400℃，單質(zhì)V靶與Si基底間的距離為60mm，Si基底偏壓為0V，Si基表面VO2薄膜達(dá)到設(shè)定厚度后停止射頻濺射、隨沉積室冷卻至200℃，然后再停止O2氣和Ar氣的通入；(五)將濺射生長有VO2薄膜的Si基底封入石英管，抽真空，石英管中真空度降為10-3～10-2Pa，抽真空石英管放入電阻爐退火，退火溫度為450℃，退火時(shí)間為10h，然后真空石英管隨電阻爐冷卻至室溫，即得到生長混合同素異型結(jié)構(gòu)的Si基VO2薄膜；其步驟(四)中O2氣流量占?xì)怏w總流量的7.8％。
本實(shí)施方式中設(shè)定Si基表面VO2薄膜厚度為3.0μm。本發(fā)明在Si基上生長的混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜表面均方根粗糙度為6.22nm，室溫(25℃)TCR為-5.65％/K，室溫電阻率為1.42Ω·cm。
具體實(shí)施例方式
十五本實(shí)施方式Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝按以下步驟進(jìn)行(一)清洗Si基底除去氧化膜；(二)將Si基底和單質(zhì)V靶置于沉積室，向沉積室內(nèi)通入Ar再抽真空，并反復(fù)操作4～10次，Si基底溫度保持為400℃；(三)再次通入Ar氣并打開射頻磁控濺射鍍膜系統(tǒng)電源；(四)待Ar氣電離產(chǎn)生等離子體后逐漸加大射頻功率電壓至300V，隨即通入O2氣，O2氣和Ar氣的氣體總流量為25sccm，沉積室壓力控制為0.33Pa，Si基底保持溫度為400℃，單質(zhì)V靶與Si基底間的距離為60mm，Si基底偏壓為0V，Si基表面VO2薄膜達(dá)到設(shè)定厚度后停止射頻濺射、隨沉積室冷卻至200℃，然后再停止O2氣和Ar氣的通入；(五)將濺射生長有VO2薄膜的Si基底封入石英管，抽真空，石英管中真空度降為10-3～10-2Pa，抽真空石英管放入電阻爐退火，退火溫度為450℃，退火時(shí)間為15h，然后真空石英管隨電阻爐冷卻至室溫，即得到生長混合同素異型結(jié)構(gòu)的Si基VO2薄膜；其步驟(四)中O2氣流量占?xì)怏w總流量的7.8％。
本實(shí)施方式中設(shè)定Si基表面VO2薄膜厚度為2.8μm。本發(fā)明在Si基上生長的混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜表面均方根粗糙度為9.341nm，室溫(25℃)TCR為-4.62％/K，室溫電阻率為0.06Ω·cm。
權(quán)利要求
1.Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝，其特征在于Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝按以下步驟進(jìn)行(一)清洗Si基底除去氧化膜；(二)將Si基底和單質(zhì)V靶置于沉積室，向沉積室內(nèi)通入Ar氣再抽真空，并反復(fù)操作4～10次，Si基底溫度保持為400℃；(三)再次通入Ar氣并打開射頻磁控濺射鍍膜系統(tǒng)電源；(四)待Ar氣電離產(chǎn)生等離子體后逐漸加大射頻功率電壓至300V，隨即通入O2氣，O2氣和Ar氣的氣體總流量為23～27sccm，沉積室壓力控制為0.30～0.35Pa，Si基底保持溫度為400℃，單質(zhì)V靶與Si基底間的距離為58～62mm，Si基底偏壓為0V，Si基表面VO2薄膜達(dá)到設(shè)定厚度后停止射頻濺射、隨沉積室冷卻至200℃，然后再停止O2氣和Ar氣的通入；(五)將濺射生長有VO2薄膜的Si基底封入石英管，抽真空，石英管中真空度降為10-3～10-2pa，抽真空石英管放入電阻爐退火，退火溫度為450℃～500℃，退火時(shí)間為8～15h，然后真空石英管隨電阻爐冷卻至室溫，即得到生長混合同素異型結(jié)構(gòu)的Si基VO2薄膜；其步驟(四)中O2氣流量占?xì)怏w總流量的7.8％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝，其特征在于步驟(一)按以下步驟除去Si基底的氧化膜Si基底先用丙酮超聲振蕩清洗4～6min，再用去離子水沖洗去除殘余的丙酮，然后用乙醇超聲振蕩清洗4～6min，再用去離子水沖洗去除殘余的乙醇，之后用氫氟酸溶液清洗2～3min；其中氫氟酸溶液按體積比由1倍體積的氫氟酸和8倍體積的去離子水組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝，其特征在于步驟(二)中最后一次抽真空，沉積室內(nèi)真空度為10-6～10-5Pa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝，其特征在于步驟(四)中O2氣和Ar氣的氣體總流量為25sccm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝，其特征在于步驟(四)中沉積室壓力控制為0.33Pa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝，其特征在于步驟(四)中單質(zhì)V靶與Si基底間的距離為60mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝，其特征在于步驟(五)濺射生長有VO2薄膜的Si基底封入石英管前用酒精和去離子水混合溶液清洗表面，其中酒精與去離子水的體積比為1～2∶1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝，其特征在于步驟(五)中退火溫度為450℃，退火時(shí)間為14h。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO2薄膜的工藝，其特征在于步驟(五)中退火溫度為500℃，退火時(shí)間為9h。
全文摘要
Si基生長混合同素異型結(jié)構(gòu)VO
文檔編號(hào)C23C14/08GK1963997SQ20061015107
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月27日
發(fā)明者王銀玲, 李美成, 吳敢, 陳學(xué)康, 趙連城 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)