专利名称：一种制备二氧化钒薄膜快速热处理的方法
技术领域：
本发明是关于薄膜热处理的，尤其涉及氧化钒薄膜的快速热处理的方法。
背景技术：
二氧化钒是一种热敏和光敏材料。二氧化钒在低温时为单斜金红石结构；高温时转变为四方金红石结构，相变温度为68°C。在相变点附近二氧化钒的电阻率、磁化率和对光的透射率等都会发生可逆突变。由于二氧化钒具有这些特性，其在红外探测器、存储器、光通讯以及智能窗等方面有着广泛的应用。制备二氧化钒薄膜的方法主要有磁控溅射法、蒸发法、溶胶_凝胶法以及脉冲激光沉积法。所获得二氧化钒样品需经过热处理才能具有相变特性。因为四价钒是一个中间价态，在制备过程中工艺窗口很窄，因此制备过程需要对工艺条件精确控制，才能获得以四价钒为主的氧化钒薄膜。未经过热处理的氧化钒不具备相变特性。目前，国内主要是采用氮气保护热处理和真空热处理这两种常规热处理方法，这两种热处理方法需要花费数小时在升温、保温以及降温过程中，真空热处理还需要花费时间抽真空。快速热处理是一种高效的热处理方法。由于加热机制不一样，快速退火装置可以在数秒内将样品加热到近千摄氏度，升温速度极快。同时热处理保温时间也很短，一般都在数分钟以内，短则数秒钟。大大缩短了工艺时间和周期。采用快速热处理法处理二氧化钒薄膜并获得其相变特性的工艺技术还未有报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种二氧化钒薄膜的快速、高效的热处理方法，以达到优化二氧化钒薄膜结晶和成分从而提高其电学和光学性能、缩短热处理时间和工艺周期、节能高效的目的。本发明通过如下技术方案予以实现。具有如下步骤(1)将硅片切割成规定形状的衬底，浸泡于无水乙醇中，超声波清洗10分钟，再用去离子水冲洗干净，烘干；(2)将步骤(1)中清洗好的硅衬底置于真空室，采用对靶磁控溅射法在洁净的硅衬底上淀积一层氧化钒薄膜；所用靶材为质量纯度为99. 99%的金属钒，抽本体真空至 2. 5X IO-4Pa ；通入氩气和氧气，以氩气为工作气体，以氧气为反应气体，氩气和氧气流量分别为30-55sccm和0. 8-1. 3sccm ；调节工作压强至1. 0-2. OPa时开始溅射，溅射时间为 10-30分钟；(3)将步骤(2)溅射完的氧化钒薄膜制品放进快速退火炉中，设置退火温度为 5000C -550°C，升温速率为50°C /s，保温时间10_30s，降温时间在3分钟以内，保护气体为氮气，降温时氮气流量均为lOslpm，升温以及保温时氮气流量为3slpm，制成二氧化钒薄膜；(4)测量制品电阻温度系数以及太赫兹透过率。所述步骤(1)的衬底尺寸为2cmX2cm的正方形衬底。所述步骤(2)的淀积氧化钒薄膜采用DPS-III型超高真空对靶磁控溅射设备。所述步骤(2)的氩气和氧气的质量纯度均为99. 999%。所述步骤(3)的退火炉采用Allwin21 corp. USA公司生产的AG610型快速退火炉。所述步骤(3)的氮气的质量纯度为99. 999%。本发明的有益效果是，提供了一种二氧化钒薄膜的快速、高效的热处理方法，大大缩短了热处理的时间，对二氧化钒薄膜制品快速热处理10-30s(保温时间)可获得明显的相变特性；工艺控制简单可重复性高，适用于大面积生产，同时二氧化钒薄膜的电学和光学性能快速热处理条件下得到了优化。
图1是实施例1的阻温曲线；
图2是实施例1的太赫兹透过率曲线
图3是实施例2的阻温曲线；
图4是实施例2的太赫兹透过率曲线
图5是实施例3样品阻温曲线；
图6是实施例3的太赫兹透过率曲线。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明作进一步描述。实施例1(1)将硅片切割成尺寸为2cmX2cm的正方形衬底，浸泡于无水乙醇，超声波清洗 10分钟，再用去离子水冲洗干净，烘干；(2)将步骤1)中清洗好的硅衬底置于真空室，抽本体真空至2. 5 X IO-4Pa0通入氩气和氧气，氩气和氧气流量分别为30SCCm和0. 8sccm ；调节工作压强至1. OPa时开始溅射， 溅射时间为15分钟；(3)将步骤2)样品放进快速退火炉中，设置退火温度为500°C;升温速率为50°C / s ；保温时间10s。降温时保护气体氮气(质量纯度为99. 999% )流量均为lOslpm，升温以及保温时氮气流量为3slpm ；(4)测量该样品电阻温度系数(TCR)以及太赫兹透过率，如图1和图2。从图中可以看出二氧化钒薄膜已经具有明显的相变特性且相变前后对太赫兹波具有调制作用，即高温时太赫兹波德透过率明显降低。实施例2操作步骤同实施例1，工艺条件对应更改为氩气和氧气流量分别为55sCCm和 1. 3sccm ；工作压强至2. OPa ；溅射时间30分钟；退火温度550°C，保温时间30s。测量该样品电阻温度系数(TCR)及太赫兹透过率曲线，如图3和图4。从图中可以看出相变点明显向低温移动为47°C，更接近室温。一般通过对二氧化钒掺杂才能实现相变点的降低，现在通过改变快速热处理条件就能实现。实施实3操作步骤同实施例1，工艺条件对应更改为氩气和氧气流量分别为48sCCm和 1. 2sccm ；工作压强至2. OPa ；溅射时间15分钟；退火温度500°C，保温时间15s。测量该样品电阻温度系数(TCR)及太赫兹透过率曲线，如图5和图6。
权利要求
1.一种制备二氧化钒薄膜快速热处理的方法，具有如下步骤(1)将硅片切割成规定形状的衬底，浸泡于无水乙醇中，超声波清洗10分钟，再用去离子水冲洗干净，烘干；(2)将步骤(1)中清洗好的硅衬底置于真空室，采用对靶磁控溅射法在洁净的硅衬底上淀积一层氧化钒薄膜；所用靶材为质量纯度为99. 99%的金属钒，抽本体真空至 2. 5X IO-4Pa ；通入氩气和氧气，以氩气为工作气体，以氧气为反应气体，氩气和氧气流量分别为30-55sccm和0. 8-1. 3sccm ；调节工作压强至1. 0-2. OPa时开始溅射，溅射时间为 10-30分钟；(3)将步骤(2)溅射完的氧化钒薄膜制品放进快速退火炉中，设置退火温度为 5000C _550°C，升温速率为50°C /s，保温时间10_30s，降温时间在3分钟以内，保护气体为氮气，降温时氮气流量均为lOslpm，升温以及保温时氮气流量为3slpm，制成二氧化钒薄膜；(4)测量制品电阻温度系数以及太赫兹透过率。
2.根据权利要求1的制备二氧化钒薄膜快速热处理的方法，其特征在于，所述步骤(1) 的衬底尺寸为2cm X 2cm的正方形衬底。
3.根据权利要求1的制备二氧化钒薄膜快速热处理的方法，其特征在于，所述步骤(2) 的淀积氧化钒薄膜采用DPS-III型超高真空对靶磁控溅射设备。
4.根据权利要求1的制备二氧化钒薄膜快速热处理的方法，其特征在于，所述步骤(2) 的氩气和氧气的质量纯度均为99. 999%。
5.根据权利要求1的制备二氧化钒薄膜快速热处理的方法，其特征在于，所述步骤(3) 的退火炉采用Allwin21 corp. USA公司生产的AG610型快速退火炉。
6.根据权利要求1的制备二氧化钒薄膜快速热处理的方法，其特征在于，所述步骤(3) 的氮气的质量纯度为99. 999%。
全文摘要
本发明公开了一种制备二氧化钒薄膜快速热处理的方法，步骤为(1)将硅片切成衬底，清洗干净并烘干；(2)将步骤(1)的硅衬底置于真空室，采用对靶磁控溅射法在硅衬底上淀积一层氧化钒薄膜；所用靶材为99.99％的金属钒，氩气为工作气体，氧气为反应气体；(3)将步骤(2)溅射完的氧化钒薄膜制品放进快速退火炉中，退火温度500℃-550℃，升温速率50℃/s，保温时间10-30s，降温在3分钟以内，保护气体为氮气，制成二氧化钒薄膜；(4)测量。本发明缩短了热处理时间，对二氧化钒薄膜制品快速热处理10-30s可获得明显的相变特性，工艺控制简单，可重复性高，适用于大面积生产，其电学和光学性能也得到了优化。本发明广泛应用于红外探测器、存储器、光通讯等领域。
文档编号C23C14/35GK102212782SQ201110136230
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者后顺保, 吕志军, 梁继然, 胡明, 陈涛 申请人:天津大学