相变温度可调的氧化钒薄膜的制备方法

文档序号:3260901阅读:296来源:国知局
专利名称:相变温度可调的氧化钒薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜的制备方法,尤其涉及一种氧化钒薄膜的制备方法。
背景技术
对氧化钒性质比较全面的研究最早是由贝尔实验室的F.J.Morin完成的。在此之后,随着对氧化钒性质的研究逐渐深入,发现氧化钒晶格结构和空间排列各不相同,各种晶体结构的电学性质也差别很大,最受关注的一个相结构是相变的二氧化钒VO2。
VO2单晶材料有优良的电学(在转换温度68℃处,在0.1℃温度变化范围内,其电阻率变化可达5个数量级)、光学性能,VO2单晶的半导体相一金属相相变属于一级相变,伴随相变单晶出现小的原子位移,但体积膨胀系数很大(约0.044%)。
VO2多晶材料在特定温度附近发生半导体—金属相转变,这种相变导致电阻率突变。据此研究的临界热敏电阻(CTR)是一种开关型温度器件。VO2多晶薄膜的电阻率变化一般在2~4个数量级,这完全由制备条件所决定。因此,制备性能好、成本低的多晶相变氧化钒薄膜近来成为研究的热点。
文献“Thermochromism of rapid annealed VO2and Sn-doped VO2thinfilms”,Thin Solid Films,290-291(1999)30-33.报导了VO2相变材料的制备,主要由VO2单相形成,具有较高的相变温度点,能够在68℃左右发生相变,得到电阻、透过率的变化。该方法在制备过程中掺入了杂质,杂质改变了区域的应力水平,使得材料不够稳定,容易产生偏析,从而影响其性能的稳定性;VO2相变温度为68℃,因相变温度过高,不利于材料的推广应用。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处,提供一种相变温度可调的氧化钒薄膜的制备方法。制备出的一系列薄膜,其相变温度在28℃~67℃可调。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是,一种相变温度可调的氧化钒薄膜的制备方法,依次包括如下步骤(1)在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜,再沉积一层氮化硅薄膜;(2)采用离子束反应溅射法,在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜,离子束反应溅射工艺条件为背底真空4×10-4Pa~3×10-3Pa,氧气压强6×10-4Pa~8×10-3Pa,氩气压强1×10-2Pa~2.3×10-2Pa,离子束流功率8W~60W,衬底温度120℃~450℃,溅射时间10~45分钟,溅射采用的靶材为钒靶(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片,进行退火处理,退火工艺条件为气体为氩气或氮气,退火温度250℃~580℃,退火时间20~240分钟,得到相变的氧化钒薄膜。
在上述(2)中,更好的工艺条件为背底真空6×10-4Pa~1.6×10-3Pa,氩气压强1.05×10-2Pa~1.8×10-2Pa,离子束流功率10W~25W,衬底温度150℃~350℃,溅射时间15~30分钟。
在上述(3)中,更好的工艺条件为退火温度300℃~500℃,退火时间30~150分钟。
在上述(3)中,气体流量较好的是10~70立方厘米/秒。
本发明的优点在于(1)在本发明中,不需要掺入杂质,只需采用不同的工艺条件,金属钒与氧反应就可生成一系列相变的钒氧化物,从而实现相变温度点的移动,从28℃~67℃。因此,利用由本发明制备的相变的氧化钒薄膜,可制作出相变温度在28℃~67℃可调节的工作在室温的可控开关。
(2)由于为薄膜形态,电阻跨度范围很大,可以跨越3~5个数量级,红外透过率改变大,在温度低于特定温度时,红外透过率高;在温度高于特定温度时,红外透过率低。因此,由本发明制备的相变的氧化钒薄膜,不仅可用于制作光或微波等功能开关,而且可用于微光机电(MOEMS)领域,制备各类高集成度的电子、光学器件等。
(3)由本发明制备的氧化钒薄膜具有热致相变性能,相变温度更接近室温,可用于节能涂层、光学数据存储、微波开关电路、超灵敏光开关、非制冷红外焦平面技术、以及太阳能、智能窗口、激光防护等。
总之,通过本发明制备的一系列相变的氧化钒薄膜,因具有不同的相变温度点,可以作成适用于不同温度的开关,广泛用于变换环境温度条件下的自动控制;保证温度控制操作时的高质量、高速度;既提高了响应率,又保证了封装体积较小。


图1表示本发明实施例1的电阻温度曲线,横坐标为温度(℃),纵坐标为方块电阻的自然对数值。
图2表示本发明实施例2的电阻温度曲线,横坐标为温度(℃),纵坐标为方块电阻的自然对数值。
图3表示本发明实施例3的电阻温度曲线,横坐标为温度(℃),纵坐标为方块电阻的自然对数值。
图4表示本发明实施例4的电阻温度曲线,横坐标为温度(℃),纵坐标为方块电阻的自然对数值。
具体实施例方式
实施例1相变温度为28℃氧化钒薄膜的制备方法,依次包括如下步骤(1)将硅片通过标准的RCA清洗,去除硅片表面的污染有机物、灰尘以及金属离子杂质,采用离子束溅射法,在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜,采用的靶材是二氧化硅靶材,背底真空为3×10-3Pa,通入氩气至2.6×10-2Pa,离子束功率为25W,溅射时间20分钟,其薄膜厚度约为50纳米,然后再沉积一层氮化硅薄膜,采用的靶材是氮化硅靶材,背底真空为2.4×10-3Pa,通入氩气至2.6×10-2Pa,离子束功率为25W,溅射时间45分钟,其薄膜厚度约为100纳米。
上述氧化硅薄膜、氮化硅薄膜也可采用磁控溅射沉积,等离子体增强化学气相沉积等薄膜沉积方法。
(2)采用离子束反应溅射法,在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜,离子束反应溅射工艺条件为背底真空4×10-4Pa,通入氧气和氩气,氧气压强6×10-4Pa,氩气压强1×10-2Pa,离子束流功率60W,衬底温度120℃,溅射时间10分钟,溅射采用的靶材可为99.999%的高纯钒靶。
(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片,对样片进行退火处理,退火工艺条件为气体为氩气,流量是10立方厘米/秒,退火温度580℃,退火时间20分钟,得到相变的氧化钒薄膜。
通过对上述氧化钒薄膜进行电阻温度系数的测量,测得薄膜的相变温度为28℃,电阻温度曲线由图1所示,曲线1代表升温情况下的电阻温度曲线,曲线2代表降温情况下的电阻温度曲线,在高温和低温下,两条曲线部分重合,变化趋势如图1所示。
实施例2 相变温度为39℃氧化钒薄膜的制备方法,依次包括如下步骤(1)将硅片通过标准的RCA清洗,去除硅片表面的污染有机物、灰尘以及金属离子杂质,采用离子束溅射法,在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜,其薄膜厚度约为100纳米,再沉积一层氮化硅薄膜,其薄膜厚度约为50纳米。
(2)采用离子束反应溅射法,在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜,离子束反应溅射工艺条件为背底真空9×10-4Pa,通入氧气和氩气,氧气压强1×10-3Pa,氩气压强1.5×10-2Pa,离子束流功率25W,衬底温度350℃,溅射时间25分钟,溅射采用的靶材可为99.999%的高纯钒靶。
(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片,对样片进行退火处理,退火工艺条件为气体为氮气,流量是30立方厘米/秒,退火温度410℃,退火时间90分钟,得到相变的氧化钒薄膜。
通过对上述氧化钒薄膜进行电阻温度系数的测量,测得薄膜的相变温度为39℃,电阻温度曲线由图2所示,曲线3代表升温情况下的电阻温度曲线,曲线4代表降温情况下的电阻温度曲线,在高温和低温下,两条曲线部分重合,变化趋势如图2所示。
实施例3相变温度为57℃氧化钒薄膜的制备方法,依次包括如下步骤(1)将硅片通过标准的RCA清洗,去除硅片表面的污染有机物、灰尘以及金属离子杂质,采用离子束溅射法,在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜,其薄膜厚度约为70纳米,再沉积一层氮化硅薄膜,其薄膜厚度约为85纳米。
(2)采用离子束反应溅射法,在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜,离子束反应溅射工艺条件为背底真空1.6×10-3Pa,通入氧气和氩气,氧气压强6.1×10-3Pa,氩气压强1.8×10-2Pa,离子束流功率45W,衬底温度270℃,溅射时间30分钟,溅射采用的靶材可为99.999%的高纯钒靶。
(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片,对样片进行退火处理,退火工艺条件为气体为氩气,流量是50立方厘米/秒,退火温度500℃,退火时间150分钟,得到相变的氧化钒薄膜。
通过对上述氧化钒薄膜进行电阻温度系数的测量,测得薄膜的相变温度为57℃,电阻温度曲线由图3所示,曲线5代表升温情况下的电阻温度曲线,曲线6代表降温情况下的电阻温度曲线,在高温和低温下,两条曲线部分重合,变化趋势如图3所示。
实施例4相变温度为67℃氧化钒薄膜的制备方法,依次包括如下步骤(1)将硅片通过标准的RCA清洗,去除硅片表面的污染有机物、灰尘以及金属离子杂质,采用离子束溅射法,在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜,其薄膜厚度约为90纳米,再沉积一层氮化硅薄膜,其薄膜厚度约为75纳米。
(2)采用离子束反应溅射法,在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜,离子束反应溅射工艺条件为背底真空3×10-3Pa,通入氧气和氩气,氧气压强8×10-3Pa,氩气压强2.3×10-2Pa,离子束流功率8W,衬底温度450℃,溅射时间45分钟,溅射采用的靶材可为99.999%的高纯钒靶。
(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片,对样片进行退火处理,退火工艺条件为气体为氮气,流量是70立方厘米/秒,退火温度250℃,退火时间240分钟,得到相变的氧化钒薄膜。
通过对上述氧化钒薄膜进行电阻温度系数的测量,测得薄膜的相变温度为28℃,电阻温度曲线由图4所示,曲线7代表升温情况下的电阻温度曲线,曲线8代表降温情况下的电阻温度曲线,在高温和低温下,两条曲线部分重合,变化趋势如图4所示。
权利要求
1.一种相变温度可调的氧化钒薄膜的制备方法,其特征在于,依次包括如下步骤(1)在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜,再沉积一层氮化硅薄膜;(2)采用离子束反应溅射法,在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜,离子束反应溅射工艺条件为背底真空4×10-4Pa~3×10-3Pa,氧气压强6×10-4Pa~8×10-3Pa,氩气压强1×10-2Pa~2.3×10-2Pa,离子束流功率8W~60W,衬底温度120℃~450℃,溅射时间10~45分钟,溅射采用的靶材为钒靶;(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片,进行退火处理,退火工艺条件为气体为氩气或氮气,退火温度250℃~580℃,退火时间20~240分钟,得到相变的氧化钒薄膜。
2.根据权利要求1所述的氧化钒薄膜的制备方法,其特征在于在上述(2)中,背底真空6×10-4Pa~1.6×10-3Pa,氩气压强1.05×10-2Pa~1.8×10-2Pa,离子束流功率10W~25W,衬底温度150℃~350℃,溅射时间15~30分钟。
3.根据权利要求1所述的氧化钒薄膜的制备方法,其特征在于在上述(3)中,退火温度300℃~500℃,退火时间30~150分钟。
4.根据权利要求1所述的氧化钒薄膜的制备方法,其特征在于在上述(3)中,气体的流量是10~70立方厘米/秒。
5.根据权利要求1所述的氧化钒薄膜的制备方法,其特征在于在沉积一层氧化硅薄膜之前,先对硅片进行清洗,去除硅片表面的污染有机物、灰尘以及金属离子杂质。
全文摘要
本发明提供了一种相变温度可调的氧化钒薄膜的制备方法,包括在硅片上沉积氧化硅薄膜、氮化硅薄膜;采用离子束反应溅射法沉积氧化钒薄膜,工艺条件为背底真空4×10
文档编号C23C14/08GK1598040SQ200410060770
公开日2005年3月23日 申请日期2004年8月25日 优先权日2004年8月25日
发明者王双保, 周少波, 陈四海, 陈长虹, 易新建 申请人:华中科技大学
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