专利名称：一种电极材料及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及电极技术领域，具体涉及一种与氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜接触的引 出电极，可用于基于氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜敏感材料的探测器、传感器、光开关等器件 的电极材料。
背景技术：
由于具有(a)低Ι/f噪声、(b)高TCR、(c)良好的MEMS工艺兼容性等优点，氧化 钒薄膜作为热阻型敏感薄膜被广泛用于制备探测性能优异的微测辐射热计型非制冷焦平 面阵列和相应的非制冷探测器。氧化钒作为敏感材料，也被用于制造适于THz波段(0. 1 IOTHz)目标探测与识别的THz探测焦平面阵列。此外，氧化钒薄膜在室温附近具有优异的相变特性。在相变温度前后，氧化钒薄膜 的电导率、光吸收率、折射率、磁化率以及比热等物理性质将发生突变。这使氧化钒薄膜在 温度传感器、气体传感器、太阳能电池的窗口、电致变色器件和光学开关等领域也具有广阔 的应用前景。在高性能的探测器和传感器等器件中，常常采用阵列化的敏感单元结构，阵列结 构的具体形式则取决于器件的应用要求。以氧化钒非制冷焦平面阵列为例，基于氧化钒敏 感薄膜的焦平面阵列一般都是由一组二维像素单元阵列构成，每个像素单元包括一个敏感 区和敏感区的支撑结构。支撑结构不但提供对敏感区的机械支撑，也是重要的热传导途径。 被探测对象的辐射投射到敏感单元辐射吸收区后，辐射被吸收，导致敏感区温度升高。同 时，热量以热传导、热对流和热辐射方式向周围环境流动。这种热量流动将降低敏感区的温 升幅度，从而降低探测器的响应。因此，为了获得高探测性能，阵列一般被密封于抽真空后 的管壳内，且阵列内的各个像素间相互隔开。这使经由支撑结构向衬底传递的热传导成为 像素单元的主要热损失方式。此外，支撑结构上也附属有电子传导路径即像素电极。为了获得高探测性能的非制冷焦平面阵列，其像素电极材料一般要求具有高电导 率、低热导率、与敏感材料形成良好的欧姆接触、以及容易获得与MEMS工艺和IC工艺良好 兼容性的制备方法等特点。目前，氧化钒焦平面阵列常用的电极材料为MCr薄膜、Ti薄膜 等。其中，由于MCr薄膜良好的抗氧化性能而成为目前氧化钒焦平面阵列最常用的电极材 料。但是，NiCr薄膜的弹性模量大。这易导致MCr薄膜具有大的残余应力，从而引起阵列 单元的翘曲等形变。其次，相对而言，NiCr薄膜的热导率较大，这也在一定程度上降低了氧 化钒焦平面阵列的探测性能。因此，开发一种新型的氧化钒焦平面阵列用电极材料，将可望 进一步提高氧化钒焦平面阵列的探测性能。此外，在基于氧化钒的阵列化传感器、微型光开关等器件制造工艺中，选择与IC 和MEMS工艺具有优良工艺兼容性的电极材料也非常重要。传统IC工艺流程中常用的干法 刻蚀设备和刻蚀工艺往往难以满足NiCr薄膜图形化的要求，这在一定程度上降低了 NiCr 薄膜电极的工艺兼容性，从而限制了基于氧化钒的各种器件制造工艺与传统IC工艺的融
I=I O
发明内容
本发明所要解决的问题是如何提供一种电极材料，采用该材料作为与氧化钒或 者掺杂氧化钒薄膜的引出电极，使基于氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜的器件具有工艺兼容性 好、工艺稳定性高、性能优良等特点。本发明所提出的技术问题是这样解决的提供一种电极材料，其特征在于，该电极 材料为金属钒薄膜，它作为与氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜相接触的引出电极。一种采用金属钒薄膜作为引出电极的复合结构，包括衬底，其特征在于，在所述衬 底上依次沉积金属钒薄膜、氧化钒薄膜或掺杂氧化钒薄膜、钝化层薄膜。上述复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤
①在衬底上制备金属钒薄膜；②对步骤①制备的金属钒薄膜形成图形化钒电极；③对图形化钒电极进行原位真空预处理；④在预处理后的图形化钒电极结构上制备氧化钒薄膜或掺杂氧化钒薄膜；⑤在氧化钒或掺杂氧化钒薄膜上制备SiON钝化层薄膜；⑥对步骤⑤形成的氧化钒/钝化层或掺杂氧化钒/钝化层进行图形化，得到电极 /氧化钒或掺杂氧化钒敏感薄膜/钝化层的复合结构。一种采用金属钒薄膜作为引出电极的复合结构，包括衬底，其特征在于，在所述衬 底上依次沉积氧化钒薄膜或掺杂氧化钒薄膜、金属钒薄膜、钝化层薄膜。上述复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤①在衬底上制备氧化钒或掺杂氧化钒薄膜；②在步骤①制备的氧化钒或掺杂氧化钒薄膜制备SiON钝化层薄膜；③在钝化层薄膜上开出电极接触孔；④对接触孔部位氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜进行原位真空预处理；⑤在预处理后的结构上制备金属钒薄膜；⑥在金属钒薄膜上制备SiN薄膜钝化层；⑦对步骤⑥后形成的复合薄膜进行图形化，形成氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜/钝 化层/电极/钝化层的复合结构。本发明中金属钒薄膜的制备方法包括直流溅射法、RF溅射法、真空蒸发法、离子束 沉积法。金属钒薄膜的钝化层为CVD工艺形成的SiN薄膜。金属钒薄膜图形化方法包括剥 离法、干法刻蚀法、湿法腐蚀方法。本发明中对金属钒电极进行原位真空预处理工艺，其特征在于，本底真空优于 1. OX ICT2Pa的真空室内，采用加速电压为100V 500V的Ar离子束流轰击图形化之后的 钒电极，轰击时间30秒 500秒，轰击后将样品在真空环境下转入氧化钒或者掺杂氧化钒 薄膜制备工艺真空室。本发明的有益效果本发明针对氧化钒焦平面阵列电极材料的要求，以金属钒薄 膜为与氧化钒或掺杂氧化钒薄膜接触的电极材料，该材料的热导率仅为MCr的三分之一， 这有利于降低阵列单元支撑结构的热导，从而显著提高氧化钒探测器的性能。其次，以金属 钒为源材料(靶、蒸发源)的钒薄膜制备工艺比以NiCr合金为源的NiCr薄膜制备工艺更
5容易控制，也避免了 MCr合金靶的成分选择问题。第三，以金属钒薄膜为与氧化钒或掺杂 氧化钒薄膜接触的引出电极，很容易获得优异的金半接触特性，而有助于获得低噪声的基 于氧化钒或掺杂氧化钒敏感薄膜器件。此外，以金属钒薄膜为与氧化钒或掺杂氧化钒薄膜 接触的电极材料，也增强了各种基于氧化钒或掺杂氧化钒敏感薄膜器件制造工艺与IC制 造工艺和MEMS制造工艺的兼容性。总之，以金属钒薄膜作为与氧化钒或掺杂氧化钒薄膜接 触的引出电极，为进一步提高基于氧化钒或掺杂氧化钒敏感薄膜的器件性能和改善器件制 造的工艺兼容性提供了条件。本发明中金属钒薄膜作为与氧化钒或掺杂氧化钒薄膜接触的电极，可以有下电极 方案和上电极方案两种接触方式。在下电极方案中，制造金属钒薄膜电极/氧化钒或掺杂 氧化钒敏感薄膜复合结构的主要步骤包括在衬底上制备金属钒薄膜、对金属钒薄膜形成 图形化电极、对图形化钒电极进行原位真空预处理、在预处理后的图形钒电极结构上制备 氧化钒或掺杂氧化钒薄膜、在氧化钒或掺杂氧化钒薄膜上制备SiON钝化层薄膜、对氧化钒 或掺杂氧化钒/钝化层薄膜进行图形化，得到电极/氧化钒或掺杂氧化钒敏感薄膜/钝化 层的复合结构。在上电极方案中，制造氧化钒或掺杂氧化钒敏感薄膜/金属钒薄膜电极复 合结构的主要步骤包括在衬底上制备氧化钒或掺杂氧化钒薄膜、在氧化钒或掺杂氧化钒 薄膜上制备SiON钝化层薄膜、在钝化层薄膜上开出电极接触孔、对接触孔部位氧化钒进行 原位真空预处理、然后制备金属钒薄膜、在金属钒薄膜上制备SiN薄膜钝化层、对复合薄膜 进行图形化，以形成以氧化钒或掺杂氧化钒薄膜为敏感薄膜、金属钒薄膜为上电极的复合 结构。
图1是描述依据本发明所述的下电极制造方案制造以金属钒薄膜为像素下电极、 以氧化钒或掺杂氧化钒薄膜为敏感薄膜的非制冷红外焦平面阵列的制造流程示意图。图2是描述依据本发明所述的上电极制造方案制造以金属钒薄膜为像素上电极、 以氧化钒或掺杂氧化钒薄膜为敏感薄膜的非制冷红外焦平面阵列的制造流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述一种电极材料，其特征在于，该电极材料为金属钒薄膜，它作为与氧化钒或者掺杂 氧化钒薄膜相接触的引出电极。以下为两种复合结构下电极结构在所述衬底上依次沉积金属钒薄膜、氧化钒薄膜或掺杂氧化钒薄膜、 钝化层薄膜，制备方法如下①在衬底上制备金属钒薄膜；②对步骤①制备的金属钒薄膜形成图形化钒电极；③对图形化钒电极进行原位真空预处理；④在预处理后的图形钒电极结构上制备氧化钒薄膜或掺杂氧化钒薄膜；⑤在氧化钒或掺杂氧化钒薄膜上制备钝化层薄膜；⑥对步骤⑤形成的氧化钒/钝化层或掺杂氧化钒/钝化层进行图形化，得到电极
/氧化钒或掺杂氧化钒敏感薄膜/钝化层的复合结构。
上电极结构在所述衬底上依次沉积氧化钒薄膜或掺杂氧化钒薄膜、金属钒薄膜、 钝化层薄膜，制备方法如下①在衬底上制备氧化钒或掺杂氧化钒薄膜；②在步骤①制备的氧化钒或掺杂氧化钒薄膜制备钝化层薄膜；③在钝化层薄膜上开出电极接触孔；④对接触孔部位氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜进行原位真空预处理；⑤在预处理后的结构上制备金属钒薄膜；⑥在金属钒薄膜上制备SiN薄膜钝化层；⑦对步骤⑥后形成的复合薄膜进行图形化，形成的氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜/ 钝化层/电极/钝化层的复合结构。本发明中金属钒薄膜的制备方法包括直流溅射法、RF溅射法、真空蒸发法、离子束 沉积法。金属钒薄膜的钝化层为CVD工艺形成的SiN薄膜。金属钒薄膜图形化方法包括剥 离法、干法刻蚀法、湿法腐蚀方法。本发明中对金属钒电极进行原位真空预处理工艺，本底 真空优于1. OXlO-2Pa的真空室内，采用加速电压为100V 500V的Ar离子束流轰击图形 化之后的钒电极，轰击时间30秒 500秒，轰击后将样品在真空环境下转入氧化钒或者掺 杂氧化钒薄膜制备工艺真空室。以下是本发明的具体实施例实施例1 如图1所示，在衬底上以MEMS工艺形成像素尺寸为50X50 μ m的128X 128焦平 面阵列桥结构，桥面为以CVD工艺制备的500nmSiN薄膜；然后再采用直流磁控溅射工艺制 备200nm金属钒薄膜；再采用光刻工艺和反应离子刻蚀工艺形成线宽2. 0 μ m的像素电极； 以能量为450eV、束流密度为3mA/cm2的Ar离子束流轰击图形化电极lmin，然后将样品直 接装入溅射室，以反应溅射工艺制备膜厚为160nm、薄膜方阻为20kQ/ □的氧化钒薄膜；再 采用CVD工艺在氧化钒薄膜上制备膜厚为20nm的SiON钝化层薄膜；然后结合光刻工艺和 反应离子刻蚀工艺对像素单元图形化，以形成以金属钒薄膜为像素下电极、以氧化钒薄膜 为敏感薄膜的非制冷红外焦平面阵列。将该阵列进行真空封装后，以5μ s、200y A的偏置 脉冲，在工作温度为25°C的环境下进行性能测试，该焦平面阵列器件的NETD为62mK。 实施例2 如图2所示，在衬底上以MEMS工艺形成像素尺寸为50 X 50 μ m的128 X 128焦平面 阵列桥结构，桥面为以CVD工艺制备的500nmSiN薄膜；以反应溅射工艺制备膜厚为160nm、 薄膜方阻为25k Ω / □的氧化钒薄膜；再采用CVD工艺在氧化钒薄膜上制备膜厚为20nm的 SiON钝化层薄膜；然后结合光刻工艺和反应离子刻蚀工艺在该钝化层上开出电极接触孔； 以能量为400eV、束流密度为5mA/cm2的Ar离子束流轰击图形化电极2min，然后将样品直 接装入溅射室，以直流磁控溅射工艺制备200nm金属钒薄膜；再采用CVD工艺在金属钒薄膜 上制备膜厚为20nm的SiN钝化层薄膜；然后结合光刻工艺和反应离子刻蚀工艺对像素单元 图形化，以形成以金属钒薄膜为像素上电极、以氧化钒薄膜为敏感薄膜的非制冷红外焦平 面阵列。将该阵列进行真空封装后，以5 μ s,200 μ A的偏置脉冲，在工作温度为25°C的环境 下进行性能测试，该焦平面阵列器件的NETD为56mK。上述实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。不脱离本发明的整个技术范围，可进行各种修改和改变。
权利要求
一种电极材料，其特征在于，该电极材料为金属钒薄膜，它作为与氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜接触的引出电极。
2. 一种采用金属钒薄膜作为引出电极的复合结构，包括衬底，其特征在于，在所述衬底 上依次沉积金属钒薄膜、氧化钒薄膜或掺杂氧化钒薄膜、钝化层薄膜。
3.根据权利要求2所述的采用金属钒薄膜作为引出电极的复合结构的制备方法，其特 征在于，包括以下步骤①在衬底上制备金属钒薄膜；②对步骤①制备的金属钒薄膜形成图形化钒电极；③对图形化钒电极进行原位真空预处理；④在预处理后的图形钒电极结构上制备氧化钒薄膜或掺杂氧化钒薄膜；⑤在氧化钒或掺杂氧化钒薄膜上制备SiON钝化层薄膜；⑥对步骤⑤形成的氧化钒/钝化层或掺杂氧化钒/钝化层进行图形化，得到电极/氧 化钒或掺杂氧化钒敏感薄膜/钝化层的复合结构。
4.根据权利要求3所述的采用金属钒薄膜作为引出电极的复合结构的制备方法，其特 征在于，步骤①中金属钒薄膜的制备方法包括直流溅射法、RF溅射法、真空蒸发法或离子束 沉积法；步骤②中金属钒薄膜图形化方法包括剥离法、干法刻蚀法或湿法腐蚀方法；
5.根据权利要求3所述的采用金属钒薄膜作为引出电极的复合结构的制备方法，其特 征在于，步骤③中原位真空预处理工艺为在本底真空优于1. OXKT2Pa的真空室内，采用 加速电压为100V 500V的Ar离子束流轰击图形化之后的钒电极，轰击时间30秒 500 秒，轰击后将样品在真空环境下转入氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜制备工艺真空室。
6. 一种采用金属钒薄膜作为引出电极的复合结构，包括衬底，其特征在于，在所述衬底 上依次沉积氧化钒薄膜或掺杂氧化钒薄膜、金属钒薄膜、钝化层薄膜。
7.根据权利要求6所述的采用金属钒薄膜作为引出电极的复合结构的制备方法，其特 征在于，包括以下步骤①在衬底上制备氧化钒或掺杂氧化钒薄膜；②在步骤①制备的氧化钒或掺杂氧化钒薄膜制备SiON钝化层薄膜；③在钝化层薄膜上开出电极接触孔；④对接触孔部位氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜进行原位真空预处理；⑤在预处理后的结构上制备金属钒薄膜；⑥在金属钒薄膜上制备SiN薄膜钝化层；⑦对步骤⑥后形成的复合薄膜进行图形化，形成的氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜/电极 /钝化层的复合结构。
8.根据权利要求7所述的采用金属钒薄膜作为引出电极的复合结构的制备方法，其特 征在于，步骤⑤中金属钒薄膜的制备方法包括直流溅射法、RF溅射法、真空蒸发法或离子束 沉积法；步骤⑥中钝化层为CVD工艺形成的SiN薄膜；步骤⑦中金属钒薄膜图形化方法包 括剥离法、干法刻蚀法或湿法腐蚀方法。
9.根据权利要求7所述的采用金属钒薄膜作为引出电极的复合结构的制备方法，其 特征在于，步骤④对氧化钒或者掺杂氧化钒进行原位真空预处理工艺为本底真空优于 LOXlO-2Pa的真空室内，采用加速电压为100V 400V的Ar离子束流轰击开出接触孔的2氧化钒或者掺杂氧化钒，轰击时间30秒 300秒，轰击后将样品在真空环境下转入金属钒 薄膜制备工艺真空室。
全文摘要
本发明公开了一种电极材料，是采用金属钒薄膜作为与氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜接触的引出电极，并将该种材料用作基于氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜的探测器、传感器、光开关等器件的电极材料。金属钒薄膜的热导率仅为NiCr的三分之一，这有利于降低像素单元支撑结构的热导；其次，以金属钒为源材料的钒薄膜制备工艺比以NiCr合金为源的NiCr薄膜制备工艺更容易控制，也避免了NiCr合金靶的成分选择问题；第三，以金属钒薄膜为氧化钒或者掺杂氧化钒薄膜的引出电极，很容易获得优异的金半接触，这有助于获得低噪声器件。此外，金属钒薄膜的制备工艺和图形化工艺具有与IC制造工艺和MEMS制造工艺优良的工艺兼容性。
文档编号H01B1/02GK101916609SQ20101024945
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月10日 优先权日2010年8月10日
发明者王涛, 蒋亚东, 袁凯, 顾德恩 申请人:电子科技大学