专利名称：一种氧化钒薄膜的制备方法
技术领域：
一种氧化钒薄膜的制备方法，属于电子材料技术领域，具体涉及一种制备氧化钒薄膜的方法。
背景技术：
自二十世纪五十年代末首次发现氧化钒薄膜具有温度相变特性以来，氧化钒薄膜引起了各国研究者的广泛兴趣。研究结果表明在众多的钒氧化物中，至少有8种氧化钒具有从高温金属相到低温半导体相的转化特性，转换温度低至-163℃，高至258℃，而二氧化钒(VO2)由于其转换温度在室温附近最引人注目。同时，二氧化钒薄膜具有可逆的温度相变特性，其典型的相变温度为68℃，在常温下，二氧化钒薄膜为单斜晶结构的半导体态，具有较高的电阻率和红外光波透过率；当二氧化钒薄膜温度升高到相变温度时，其微观结构以及光电特性发生突变，由单斜晶结构转变为四方晶格结构，并呈现出金属态，电阻率迅速降低，对红外光波呈现较高的反射能力，而且这种变化是可逆的。由于氧化钒(尤其是二氧化钒)薄膜的这一温度-相变特性，所以氧化钒薄膜材料在诸如新型光存储器件、新型MOS晶体管开关电路、相变型红外光学开关、智能窗以及抗强激光辐射自动保护等领域均有很好的应用前景。特别是以二氧化钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜在室温时虽然不具有温度相变特性，但由于它具有较高的电阻温度系数，在25℃时其电阻温度系数(TCR)的典型值为2％，是一般金属薄膜的5-10倍，因此氧化钒薄膜是目前用来制作非制冷红外探测器热敏电阻的理想材料。以氧化钒薄膜作为热敏电阻的红外焦平面在非制冷红外成像系统上也获得了非常广泛的应用。
钒的价态有很多，与氧气反应可以形成多种相结构，至少有8种相结构的氧化钒具有温度相变特性。目前有多种方法可以制备氧化钒薄膜，如电子束蒸发镀膜(C V Ramana，O MHussain，B.Srinivasulu，et al.Spectroscopic characterization of electron-beam evaporated V2O5thin films.Thin Solid Films，1997，305219-266)，反应离子溅射(S D Hansen，C RAita.Lowtemperature reactive sputter deposition of vanadium oxide.J.Vac.Sci.Technol，1985，A3(3)660-663)，化学气相沉积(E E Chain.Effect of oxygen in ion-beam sputter deposition of vanadiumoxide.J.Vac.Sci.Technol.，1987，A5(4)1762-1766)，脉冲激光沉积(R.T.Rajendra Kumar，B.Karunagaran，D.Mangalaraj，et al.Pulsed laser deposited vanadium oxide thin films for uncooledinfrared detectors，Sensors and Actuators，2003，A10762-67)和溶胶-凝胶法(Sol-Gel)(Coordination Chemistry ReviewsJacques Livage，Optical and electrical properties of vanadiumoxides synthesized from alkoxides，1999，190-192391-403，和Thin Solid FilmsSongwei Lu，Lisong Hou，Fuxi Gan，Surface analysis and phase transition of gel-derived VO2thin films，1999，35340-44)等。采用不同的制备方法在不同的衬底上所制备的氧化钒薄膜的微观结构及其光学、电学、磁学特性都有较大的差别。
氧化钒薄膜具有至少13种不同的相结构，各种相结构的制备工艺条件比较近似，单一相的制备工艺条件范围非常窄，且其稳定存在的条件又非常苛刻，因而要制备具有严格化学配比的单一相氧化钒薄膜非常困难。在制备过程中要严格控制各个工艺参数，才能制备出满足需求的性能良好的氧化钒薄膜。工艺参数稍微改变，则所制备的氧化钒薄膜的特性就会大不相同，降低了工艺的可重复型，增加了工艺的控制难度。由于离子束溅射镀膜时，离子束溅射出的粒子具有较大能量，在镀膜时会对已有的膜层产生轰击，能有效去除薄膜缺陷，因此采用离子束溅射镀膜生成的膜层一般比较致密，与衬底的粘附性比较好，而且薄膜的均匀性也容易得到保证。因此，国内外一般都采用反应离子溅射镀膜的工艺直接生成所需的氧化钒薄膜，但是在该过程中，由于反应气体流量受到离子束能量、本底真空、衬底温度、靶表面状态等诸多因素的制约，使得对反应气体流量的精确控制十分重要，这就使得要寻找一种具有可重复性的采用反应离子溅射镀膜工艺制备氧化钒的方法变得非常困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反应离子溅射镀膜的氧化钒薄膜的制备方法，该方法可克服以往反应离子溅射中存在的困难，可严格控制反应气体流量，降低制备的工艺难度，增加工艺的可重复性，能制备性能优良的以二氧化钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜。
本发明详细技术方案为一种氧化钒薄膜的制备方法，如图1所示，其特征是依次包括以下步骤1、准备衬底基片，所准备的衬底基片需要表面清洁；2、采用反应离子溅射镀膜工艺制备氧化钒薄膜，具体工艺条件为靶材纯金属钒；本底真空度＜10-3Pa；溅射温度200±1℃；O2∶Ar＝1∶1.5～1∶2.5；工作气压2.8±0.6Pa左右；溅射过程中O2流量1.6～2.6sccn；溅射过程中Ar流量3.9±0.2sccm；溅射电压240～250V；溅射过程中对气体流量进行动态的精确控制，直至镀膜结束；
3、在氩气环境中自然冷却至室温。
需要说明的是，由于氧化钒薄膜的稳定存在的条件非常苛刻，因此，通过步骤1-步骤3所制得的氧化钒薄膜最好在真空条件下保存。
利用本发明所述的方法制备的氧化钒薄膜为一种以二氧化钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜，其X射线光电子能谱(XPS)如图2所示。薄膜的电学特性如附图3所示，在40-60℃之间，薄膜的电阻发生明显的突变，证明该氧化钒混合相多晶薄膜在这个温度区间发生了相变。薄膜的电阻-温度系数(TCR)在30℃时，达到3％以上。
本发明的有益效果1、通过严格控制反应气体流量，降低制备的工艺难度，增加工艺的可重复性；2、通过本发明能够制备性能优良的以二氧化钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜。
图1为本发明流程图。
图2为利用本发明所制备的氧化钒薄膜的XPS谱图。
图3为利用本发明所制备的氧化钒薄膜的电阻-温度关系曲线。
具体实施例方式
具体实施方式
一1、采用镀有Si3N4薄膜的Si片做衬底，镀膜前对衬底进行清洗、烘干备用。
2、采用反应离子溅射镀膜工艺制备氧化钒薄膜，具体工艺条件为靶材纯金属钒；本底真空度＜10-3Pa；溅射温度200±1℃；O2∶Ar＝1∶1.6；工作气压2.8±0.6Pa；溅射过程中O2流量2.4sccm；溅射过程中Ar流量3.9±0.2sccm；溅射电压240V；溅射过程中对气体流量进行动态的精确控制，直至镀膜结束；3、在氩气环境中自然冷却至室温。
按照上述实施方式所制得的氧化钒薄膜，通过XPS分析仪分析得出为一种以二氧化钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜；其电阻-温度系数(TCR)在30℃时，达到3.5％以上。
具体实施方式
二步骤1、3相同，在此不再赘述；步骤2为采用反应离于溅射镀膜工艺制备氧化钒薄膜，具体工艺条件为靶材纯金属钒；本底真空度＜10-3Pa；溅射温度200℃左右；O2∶Ar＝1∶2.0；工作气压2.8Pa左右；溅射过程中O2流量1.8sccm；溅射过程中Ar流量3.9sccm左右；溅射电压245V；溅射过程中对气体流量进行动态的精确控制，直至镀膜结束；按照上述实施方式所制得的氧化钒薄膜，通过XPS分析仪分析得出为一种以二氧化钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜；其电阻-温度系数(TCR)在30℃时，达到5％以上。
具体实施方式
三步骤1、3相同，在此不再赘述；步骤2为采用反应离子溅射镀膜工艺制备氧化钒薄膜，具体工艺条件为靶材纯金属钒；本底真空度＜10-3Pa；溅射温度200℃左右；O2∶Ar＝1∶2.4；工作气压2.8Pa左右；溅射过程中O2流量1.6sccm；溅射过程中Ar流量3.9sccm左右；溅射电压250V；溅射过程中对气体流量进行动态的精确控制，直至镀膜结束；按照上述实施方式所制得的氧化钒薄膜，通过XPS分析仪分析得出为一种以二氧化钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜；其电阻-温度系数(TCR)在30℃时，达到3.2％以上。
权利要求
1.一种氧化钒薄膜的制备方法，其特征是依次包括以下步骤1)、准备衬底基片，所准备的衬底基片需要表面清洁；2)、采用反应离子溅射镀膜工艺制备氧化钒薄膜，具体工艺条件为靶材纯金属钒；本底真空度＜10-3Pa；溅射温度200±1℃；O2∶Ar＝1∶1.5～1∶2.5；工作气压2.8±0.6Pa左右；溅射过程中O2流量1.6～2.6sccm；溅射过程中Ar流量3.9±0.2sccm；溅射电压240～250V；溅射过程中对气体流量进行动态的精确控制，直至镀膜结束；3)、在氩气环境中自然冷却至室温。
全文摘要
一种氧化钒薄膜的制备方法，属于电子材料技术领域，具体涉及一种制备氧化钒薄膜的方法。本发明采用反应离子溅射镀膜工艺制备氧化钒薄膜，通过严格控制反应气体流量，降低制备的工艺难度，增加工艺的可重复性；通过本发明能够制备性能优良的以二氧化钒为基础的氧化钒混合相多晶薄膜，其电阻—温度系数(TCR)在30℃时，达到3％以上。
文档编号C23C14/08GK1966758SQ20051002208
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月18日 优先权日2005年11月18日
发明者吴志明, 蒋亚东, 王涛, 宋建伟 申请人:电子科技大学