專利名稱：絕熱性能良好的多孔硅基氧化釩薄膜及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種絕熱性能良好的多孔硅基氧化釩薄膜及制備方法，屬于氧化釩薄膜熱敏電阻技術(shù)。
背景技術(shù)：
以VO2為基的氧化釩薄膜VOx在室溫下具有高的電阻溫度系數(shù)，能達(dá)到-2×10-2K-1以上，是一般金屬薄膜的5～10倍，是目前用來制作熱敏傳感器、紅外探測(cè)器和紅外成像器件的理想材料。要實(shí)現(xiàn)氧化釩薄膜熱敏感性能在上述領(lǐng)域的應(yīng)用，襯底的絕熱性能至關(guān)重要，以保證微器件在低輸入功率下的高靈敏度。目前用于氧化釩薄膜的襯底材料主要是單晶硅，硅由于具有高的熱導(dǎo)率，為156W/M·K，紅外輻射引起薄膜的熱量增加，很容易通過襯底散失掉，不利于氧化釩薄膜優(yōu)異熱敏感電阻性能的實(shí)現(xiàn)；也有在硅上涂覆絕熱層如聚酰亞胺作為襯底的，但其制備工藝與Si CMOS工藝不兼容，很難實(shí)現(xiàn)器件的批量生產(chǎn)和低成本。因此為了使氧化釩薄膜的熱敏性能得到充分體現(xiàn)，且制作工藝與Si CMOS工藝兼容，需要具有低熱導(dǎo)率的硅類襯底材料；采用懸臺(tái)、懸臂等微結(jié)構(gòu)，主要缺點(diǎn)是機(jī)械穩(wěn)定性不好。多孔硅具有低的熱導(dǎo)率，可降至1W/M·K以下，是很好的熱絕緣材料，同時(shí)也使結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能得到提高。除了良好的絕熱性能和機(jī)械性能以外，多孔硅在MEMS中作為絕熱層應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)還在于多孔硅與IC工藝的兼容性。制備出的多孔硅表面平整，不僅可以淀積平整的薄膜，還可以形成高質(zhì)量的外延單晶層，為進(jìn)一步在多孔硅絕熱層上制備為傳感器提供了條件。采用多孔硅作為絕熱層以替代傳統(tǒng)的熱隔離結(jié)構(gòu)，可以大大提高微熱敏傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種絕熱性能良好的多孔硅基氧化釩薄膜及制備方法，該多孔基氧化釩薄膜具有良好的熱絕緣性能，其制備方法簡(jiǎn)單。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)，一種絕熱性能良好的多孔硅基氧化釩薄膜，其特征在于，在單晶硅基層上，依次為多孔硅層，二氧化硅層和氧化釩薄膜層，所述的多孔硅層孔隙率為60-80％、厚度為20-110μm和孔徑為10-50nm的多孔硅，所述的二氧化硅層厚度為980-1020的，所述的氧化釩薄膜層厚度為0.1μm-0.5μm。
上述的多孔硅基氧化釩薄膜的制備方法，其特征在于包括以下過程1)將厚度為380-500μm的p型100晶面的單面拋光單晶硅片放入質(zhì)量濃度為98％的硫酸與質(zhì)量濃度為30％的雙氧水按體積比3∶1的清洗液中，在室溫條件下浸泡，直至不起氣泡為止，除去表面的有機(jī)污染物；再用去離子水沖洗干凈，然后放入質(zhì)量濃度為20％的HF溶液中浸泡30秒除去表面的氧化層，用去離子水沖洗干凈，將硅片放在丙酮溶液中超聲清洗5分鐘，再放入無水乙醇中超聲清洗5分鐘，最后將硅片放入無水乙醇中備用；2)將經(jīng)步驟1)清洗好的單晶硅片放入按體積比為1∶1的質(zhì)量濃度為40％的HF與無水乙醇的腐蝕液中，在腐蝕液中以電流密度為40-80mA進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，腐蝕時(shí)間為30-50分鐘，然后取出利用去離子水洗滌，制得孔隙率為60-80％、厚度為20-110μm、孔徑為10-50nm的多孔硅；3)將步驟2)制得的多孔硅在背底真空為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，流量分別為12ml/min和38ml/min，淀積時(shí)間為10分鐘，在多孔硅襯底上生成厚度為980-1020二氧化硅薄膜層；4)將步驟3)制得的二氧化硅/多孔硅襯底置于DPS-III型超高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，采用質(zhì)量純度為99.9％的金屬釩作為靶材，在質(zhì)量純度為99.999％的氬氣與質(zhì)量純度為99.995％的氧氣作為工作氣體，以本底真空度為(2-3)×10-4Pa，濺射工作氣壓為1-2.0Pa，濺射功率為200-240W，濺射時(shí)間0.5-1小時(shí)，Ar、O2氣體流量分別為48ml/min和0.4ml/min，為工藝條件濺射得到厚度為0.1-0.5μm的氧化釩薄膜層，從而得到絕熱性能良好的多孔硅基氧化釩薄膜。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用對(duì)靶磁控濺射方法得到的薄膜致密，與襯底粘附性好，面積大且均勻，并且工藝條件容易控制，制備得到的多孔硅/二氧化硅/氧化釩結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行多孔硅襯底的腐蝕，便可以使氧化釩薄膜具有較好的絕熱性能，在0～100μW功率范圍之內(nèi)，硅基底上沉積的熱敏電阻的阻值隨功率下降的速率僅為2.1KΩ/μW，而在多孔硅層上沉積的電阻阻值下降速率可達(dá)到41.6KΩ/μW，下降速率是前者的近20倍。


圖1為本發(fā)明多孔硅基氧化釩薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1為硅基底，2為多孔硅層，3為二氧化硅層，4為氧化釩薄膜層；圖2為實(shí)施例1所制得的多孔硅基氧化釩薄膜的電阻隨溫度變化的曲線圖；圖3為本發(fā)明所制備的多孔硅基氧化釩薄膜與現(xiàn)有的硅基氧化薄釩膜的電阻隨功率變化曲線比較圖。圖中1為硅上制備氧化釩薄膜電阻隨功率變化的曲線，2為多孔硅上制備氧化釩薄膜電阻隨功率變化的曲線；圖4為以本發(fā)明方法在不同孔隙率的多孔硅上制備的氧化釩薄膜的電阻隨功率變化的曲線比較圖。圖中1為孔隙率為79％的多孔硅上制備的氧化釩薄膜電阻隨功率變化的曲線，2為孔隙率為73％的多孔硅上制備的氧化釩薄膜電阻隨功率變化的曲線，3為孔隙率為63％的多孔硅上制備的氧化釩薄膜電阻隨功率變化的曲線。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
1)采用厚度為420μm，長(zhǎng)2.5cm，寬1cm，p型100單面拋光單晶硅片作為襯底，對(duì)硅基片表面進(jìn)行如下處理取質(zhì)量濃度為98％的H2SO430毫升和質(zhì)量濃度為30％的H2O210毫升配成清洗液，將硅片放入清洗液中，在室溫條件下浸泡，放置40分鐘，除去了表面的有機(jī)污染物；將硅片從混合酸中取出后用去離子水沖洗3遍，再放入體積為30毫升、質(zhì)量濃度為20％的HF溶液中浸泡30秒除去表面的氧化層；再用去離子水沖洗干凈；將硅片放在體積為20毫升的丙酮溶液中超聲清洗5分鐘；將硅片取出，再放入體積為20毫升的無水乙醇中超聲清洗5分鐘；取出硅片放入無水乙醇中備用；采用雙槽電化學(xué)腐蝕的方法，腐蝕液為質(zhì)量濃度為40％的HF 35毫升與99.7％的無水乙醇35毫升的混合液，在80mA/cm2電流密度下腐蝕50分鐘，制備出的孔隙率為77％、厚度為100μm、腐蝕窗口面積為0.946cm2的多孔硅樣品；采用等離子體化學(xué)氣相沉積法(PECVD)方法在多孔硅片上先沉積一層氧化硅薄膜，具體做法是先將處理好的多孔硅置于真空室，抽背底真空至4.5×10-1Pa，工作氣體壓強(qiáng)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，淀積時(shí)間為10分鐘，得到的SiO2層厚度為1000；采用對(duì)靶反應(yīng)磁控濺射法，在上述附有氧化硅的多孔硅基片制備氧化釩薄膜，質(zhì)量純度為99.9％的金屬釩作為靶材，氬氣與氧氣的質(zhì)量純度分別為99.999％和99.995％，對(duì)靶反應(yīng)磁控濺射的具體步驟為抽背底真空至2×10-4Pa，氧氣和氬氣流量分別比為48ml/min0.4ml/min，，濺射氣壓2Pa，濺射功率為210W，濺射時(shí)間60分鐘，基片溫度為室溫，得到長(zhǎng)度為2cm，寬度為0.2cm，厚度為0.3μm的氧化釩薄膜層；對(duì)上述氧化釩薄膜進(jìn)行電阻功率特性測(cè)試，功率范圍為0-100μW，電阻功率曲線如圖3所示。在多孔硅層上沉積的電阻阻值下降速率可達(dá)到41.6 KΩ/μW，本發(fā)明的絕熱結(jié)構(gòu)性能較好。
實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1相似，不同之處在于步驟1中制備多孔硅的工藝參數(shù)中腐蝕時(shí)間為30分鐘，得到的薄膜的孔隙率為73％，厚度為42μm；步驟4的濺射功率為210W，時(shí)間為45分鐘，濺射氣壓為1.5Pa，電阻功率曲線如圖4所示。多孔硅的熱導(dǎo)率與其孔隙率，厚度成反比，孔隙率減小，氧化釩阻值隨功率下降的平均速率為85.7KΩ/μW。
實(shí)施例3本實(shí)施例與實(shí)施例1相似，不同之處在于步驟1中制備多孔硅的工藝參數(shù)中電流密度變?yōu)?0mA.cm-2，腐蝕時(shí)間仍為50分鐘，得到的薄膜的孔隙率為63％，厚度為21μm；步驟4的濺射功率變?yōu)?40W，時(shí)間為30分鐘，濺射氣壓為1Pa，電阻功率曲線如圖4所示。氧化釩阻值隨功率下降的平均速率為57.1KΩ/μW。
權(quán)利要求
1.一種絕熱性能良好的多孔硅基氧化釩薄膜，其特征在于，在單晶硅基層上，依次為多孔硅層，二氧化硅層和氧化釩薄膜層，所述的多孔硅層孔隙率為60-80％厚度為20-110μm和孔徑為10-50nm的多孔硅，所述的二氧化硅層厚度為980-1020的，所述的氧化釩薄膜層厚度為0.1-0.5um。
2.一種按權(quán)利要求1所述的絕熱性能良好的多孔硅基氧化釩薄膜的制備方法，其特征在于包括以下過程1)將厚度為380-500μm的p型100晶面的單面拋光單晶硅片放入質(zhì)量濃度為98％的硫酸與質(zhì)量濃度為30％的雙氧水按體積比3∶1的清洗液中，在室溫條件下浸泡，直至不起氣泡為止，除去表面的有機(jī)污染物；再用去離子水沖洗干凈，然后放入質(zhì)量濃度為20％的HF溶液中浸泡30秒除去表面的氧化層，用去離子水沖洗干凈，將硅片放在丙酮溶液中超聲清洗5分鐘，再放入無水乙醇中超聲清洗5分鐘，最后將硅片放入無水乙醇中備用；2)將經(jīng)步驟1)清洗好的單晶硅片放入按體積比為1∶1的質(zhì)量濃度為40％的HF與無水乙醇的腐蝕液中，在腐蝕液中以電流密度為40-80mA進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，腐蝕時(shí)間為30-50分鐘，然后取出利用去離子水洗滌，制得孔隙率為60-80％厚度為20-110μm孔徑為10-50nm的多孔硅；3)將步驟2)制得的多孔硅在背底真空為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，流量分別為12ml/min和38ml/min，淀積時(shí)間為10分鐘，在多孔硅襯底上生成厚度為980-1020二氧化硅薄膜層；4)將步驟3)制得的二氧化硅/多孔硅襯底置于超高真空對(duì)靶磁控濺射設(shè)備的真空室中，采用質(zhì)量純度為99.9％的金屬釩作為靶材，在質(zhì)量純度為99.999％的氬氣與質(zhì)量純度為99.995％的氧氣作為工作氣體，以本底真空度為(2-3)×10-4Pa，濺射工作氣壓為1-2.0Pa，濺射功率為200-240W，濺射時(shí)間0.5-1小時(shí)，氬與氧氣體流量分別為48ml/min和0.4ml/min，為工藝條件濺射得到厚度為0.1-0.5μm的氧化釩薄膜層，從而得到絕熱性能良好的多孔硅基氧化釩薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種絕熱性能良好的多孔硅基氧化釩薄膜及制備方法，屬于氧化釩薄膜熱敏電阻技術(shù)。所述的多孔硅基氧化釩薄膜，包括單晶硅基層、多孔硅層、二氧化硅層和氧化釩薄膜層。制備過程包括將單晶硅片依次在濃硫酸、去離子水、丙酮、乙醇中清洗；在氫氟酸與無水乙醇的混合液中電化學(xué)腐蝕，腐蝕后用去離子水洗滌，制得多孔硅層；在等離子體化學(xué)氣相沉積設(shè)備中在多孔硅層表面生成二氧化硅層；利用磁控濺射方法在二氧化硅/多孔硅襯底上，濺射得到絕熱性能良好的多孔硅基氧化釩薄膜層，從而得到絕熱性能良好的多孔硅基氧化釩薄膜本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，工藝條件容易控制，制得的薄膜致密，與襯底粘附性好，面積大且均勻，具有良好的絕熱性能。
文檔編號(hào)H01C17/12GK1889276SQ20061001490
公開日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月25日
發(fā)明者胡明, 梁繼然, 呂宇強(qiáng), 張之圣, 劉志剛 申請(qǐng)人:天津大學(xué)