一种制备氧化钒薄膜的新工艺

收稿日期:2002-12-17.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60106003);华中科技大学研究生科技创新基金资助项目(Y CJ-02-003).材料、结构及工艺
一种制备氧化钒薄膜的新工艺
王宏臣1,易新建1,2,黄 光3,肖 静1,陈四海1
(华中科技大学1.光电子工程系;2.激光国家重点实验室;3.图像识别与人工智能教育部重点实验室,湖北武汉430074)
摘 要: 采用两步法工艺,即先在衬底上溅射一层金属钒膜,再对其进行氧化的方法,在硅和氮化硅衬底上制备了高电阻温度系数的混合相VO x 多晶薄膜。

电学测试结果表明:厚度为50nm 的氧化钒薄膜的方块电阻和电阻温度系数(T CR)在室温时分别达到50k 和0.021K -1。

关键词: 红外探测器;氧化钒薄膜;离子束溅射淀积;热敏薄膜
中图分类号: TN213 文献标识码: A 文章编号: 1001-5868(2003)04-0280-03
A New Method for Preparation of Vanadiu m Oxide Thin Film
WANG Hong chen 1,YI Xin jian 1,2,H UANG Guang 3,XIAO Jing 1,CHEN Si hai 1
(1.Dept.of Optoelectronic Engineering;2.State Key Laboratory for Laser Technology;3.State Key Laboratory for Imaging Processing and Intelligent Control,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,CHN)
Abstract: M ix ed phase vanadium oxide thin films w ith high temperature coefficient of resistance (TCR)are made on Si and Si 3N 4substrates using a new method.The tests indicate that the square resistance and TCR of the vanadium oxide thin film (50nm )are 50k and 0.021K -1at room temperature,respectively.Key words: IR detectors;vanadium ox ide thin film;ion sputtering deposition;thermo
sensitive thin film
1 引言
非致冷热红外探测器可以在室温下正常工作,与必须在低温致冷系统协助下才能正常工作的光子探测器相比,在低成本、低功耗、长寿命、宽谱段探测、微型化和可靠性等诸多方面都具有明显的优势[1,2]。

在非致冷红外成像领域,以热敏电阻微测辐射热计为核心的非致冷红外焦平面已经取得重要突破并达到实用化,在军事和部分民用领域获得了广泛的应用,成为热成像技术中最令人注目的突破之一
[3]。

非致冷红外微测辐射热计是利用探测器敏感元的热敏特性来探测红外辐射的,因此材料的热敏特
性是决定微测辐射热计探测性能的重要因素。

各国研究者都在积极探索开发新的高性能热敏材料。

衡量薄膜材料热敏特性优良与否的指标有多个,如薄膜的电阻温度系数、方块电阻、1/f 噪声和光谱吸收率。

薄膜的电阻温度系数被定义为薄膜的电阻率随温度的相对变化率。

热敏薄膜材料的电阻温度系数与材料的电荷载流子浓度和迁移率等因素有关。

以VO 2为基的混合相氧化钒(VO x )薄膜在室温附近电阻温度系数可以达到- 2.00 10-2K -1,大约是金属薄膜的5~10倍,而且具有较小的1/f 噪声和合适的方块电阻以及较高的红外光谱吸收率,其制备工艺又与CMOS 工艺兼容,所以该薄膜材料是目前用于微测辐射热计热敏材料的理想选择。

2 氧化钒薄膜的制备
制备氧化钒薄膜的方法很多,如反应离子溅射、
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激光蒸发、电子束蒸发、溶胶 凝胶、CVD等[4~6],不同方法和工艺所制备的氧化钒薄膜性能相差很大。

利用反应离子溅射镀膜方法制备氧化钒薄膜是在离子束溅射镀膜的过程中通入反应气体(O2),对离子束溅射出的沉积在加热衬底上的钒原子层进行氧化,生成所需的氧化钒薄膜[7]。

采用这种方法所制备的氧化钒薄膜比较致密,而且与衬底的粘附性较好,工艺成本低。

因此这种方法是国内外制备红外探测器用氧化钒薄膜的常用的方法。

本实验室已经采用这种方法在Si和石英衬底上制备出了性能较优良的氧化钒薄膜[8]。

但是在试验过程中我们发现这种方法存在一些缺点:首先,这种工艺需要对反应气体(O2)和惰性气体(Ar)的流量比进行精确控制。

其次,氧化钒薄膜对制备条件的要求特别苛刻,其性能对制备过程中的反应气体流量特别敏感,因此在制备薄膜的过程中气体流量必须精确动态控制。

而需要控制的反应气体流又与制备过程中的衬底温度、离子束能量密度等因素密切相关,所以控制难度很大。

为了改善制备氧化钒薄膜的性能和提高薄膜制备的重复性,本文采用了一种新的离子束溅射镀膜工艺制备氧化钒薄膜。

新工艺称为两步法,首先在衬底上溅射一层金属钒膜,然后,通过氧化这层金属钒膜制备氧化钒薄膜。

2.1 溅射钒膜
采用离子束溅射镀膜工艺在Si或者Si3N4衬底上淀积一层致密的金属钒膜,镀膜时间为3min,衬底上生长的金属钒膜呈银灰色,薄膜的方块电阻约为0.3k 。

2.2 氧化扩散和退火
采用程控的开管式扩散炉对溅射在衬底上的金属钒膜进行氧化和后退火工艺。

将镀有金属钒薄膜的衬底放在充满氩气的退火炉中加热,当温度升高到预定的氧化温度后,开启氧气阀,调节氧气和氩气的流量比到设定值,开始氧化工艺。

氧化一段时间后,关闭氧气阀,衬底在氩气环境中退火,退火结束后,衬底在氩气环境中自然冷却至室温。

退火可以改善薄膜氧化均匀一致性,补偿薄膜中的部分缺陷,从而提高薄膜性能。

对经氧化退火后的各种衬底之上的VO x多晶薄膜进行了SEM分析,其中硅衬底和氮化硅衬底之上的氧化钒薄膜的SEM照片分别如图1和图2所示。

从上面两图可知:所制备的VO x多晶薄膜表面呈明显的晶粒状,而且薄膜表面光滑、致密,
均匀性好。

图1 Si衬底上制备的V O x薄膜的SEM
照片
图2 Si3N4衬底上制备的VO x薄膜的SEM照片
3 VO x薄膜的电学性能测试
为了测试氧化钒薄膜的电阻温度特性,我们设计了一套电阻率 温度测试系统,系统结构图如图3所示。

该测试系统是由控温和测温系统以及四探针电阻率测试系统构成的。

控温系统为一芯片控制的低温试验箱,箱内温度在-40~150!范围内精确可调,温度控制精度优于0.5!。

当试验箱内温度调节到设定温度并稳定后再进行测量,这样就可以避免由于薄膜温度不稳定而引起的测量误差。

通过这个测试系统可以测量氧化钒薄膜在不同温度下的方块电阻,再根据由台阶仪测得的薄膜厚度换算出
氧化钒薄膜在不同温度下的电阻率。

图3 电阻率 温度测试系统原理示意图
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∀半导体光电#2003年第24卷第4期王宏臣等: 一种制备氧化钒薄膜的新工艺
采用上述的电阻温度测试系统对所制备的氧化钒多晶薄膜进行了电阻性能测量,氧化钒薄膜在25 !时的方块电阻R∃值约为50k ,在高温时(90 !)薄膜的方块电阻为0.5k ,仅为室温时的1%,薄膜的电阻均匀性在10mm 10mm的范围内优于3%。

氧化钒薄膜典型的测试曲线如图4所示。

从图中可以获知薄膜的电阻温度系数(TCR)在25 !时达到了-0.021K-1,而且薄膜在其相变温度处(68!)存在一个较明显的突变,电阻率迅速降低,其电阻温度系数很大,如果可以利用这个区域进行红外探测,则红外探测器的探测率将会大大提高,目前国外已经开展了这个方面的研究工作。

图4 氧化钒薄膜的电阻温度曲线
4 结论
非致冷红外成像技术代表了新型红外成像技术的发展方向,微测辐射热计为非致冷热红外成像的核心部件,而微测辐射热计的热敏电阻材料是决定辐射热计红外探测性能的重要因素。

因此制备具有高热敏特性的热敏材料是红外探测器的核心技术之一。

本文分析了传统制备氧化钒薄膜采用的反应离子溅射工艺存在的一些问题,针对这些问题,提出了一种称为两步法的制备氧化钒薄膜的新方法。

采用新方法可以大大降低制备氧化钒薄膜所需设备的控制精度,提高薄膜的热敏性能和可重复性。

文中采用这种新工艺在硅和氮化硅衬底上制备出了用于非致冷红外探测器高性能的氧化钒薄膜。

电学测试结果表明,薄膜在室温下的薄膜方块电阻约为50k ,均匀性优于3%,电阻温度系数在室温时达到了-0.021K-1,可以满足高性能氧化钒非致冷微测辐射热计的制作需要。

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211-212.
作者简介:
王宏臣(1979-),男,河南人,2000年考入华中科技大学光电系攻读硕士学位,2002年转为直接攻读物理电子学专业博士学位。

主要研究方向为非致冷红外传感器和MOMES(微光机电系统),已发表论文多篇。

E mail:w anghong ch@
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