专利名称：快速热氧化方法制备的相变二氧化钒薄膜的制作方法
技术领域：
本发明是关于薄膜制备方法的，尤其涉及一种制备具有相变特性氧化钒薄膜的方法。
背景技术：
二氧化钒在Tc=68°C附近具有从低温半导体相到高温金属相的可逆性相变特性，其接近室温的相变温度使得由VO2制备的薄膜在智能窗、微测辐射热计、光开关等领域具有广泛的应用。二氧化钒薄膜的制备方法较多，主要包括溅射法、真空蒸发法、脉冲激光沉积法和溶胶凝-胶法等。其中溅射法具有溅射效率高、成膜均匀、可大面积生长且无污染等特点，是国内外众多研究人员制备二氧化钒薄膜常用的方法。这种方法是在溅射过程中加入氧气和氩气，氩气作为工作气体，氧气作为反应气体，在溅射过程中通过金属钒与氧的结合制备 氧化钒薄膜，然后经过退火处理获得具有相变特性的二氧化钒薄膜。这种方法调控参数多，制备过程比较复杂，实验的可重复性受到限制。快速氧化法是直接沉积金属钒膜，然后经过快速氧化热处理制备具有相变特性的二氧化钒薄膜，这种方法不仅调控参数少，工艺简单，而且采用快速热处理设备，使得工艺周期大大减少，所制备的薄膜具有很好的热致相变特性。
发明内容
本发明的目的是，针对二氧化钒的极不稳定性，并针对在制备具有相变特性的二氧化钒薄膜一般制备方法的调控参数多、工艺复杂、实验可控性较差的缺点，提供一种采用快速热氧化法制备具有相变特性的二氧化钒薄膜的新方法。本发明通过如下技术方案予以实现。一种快速热氧化方法制备的相变二氧化钒薄膜，具有如下步骤(I)将硅片切割成规格小硅片，浸泡于无水乙醇溶液中，采用标准的硅片清洗工艺，超声波清洗，再用去离子水清洗，烘干；(2)将步骤(I)烘干后的小硅片作为制备薄膜的基片，放入超高真空对靶磁控溅射镀膜机基片架上；靶材选用纯度为99. 99%的金属钒靶，工作气体为氩气，溅射前将真空室的本体真空抽至2. 5X10_4Pa，氩气流量为50SCCm，工作压强为2. OPa ;首先进行预溅射以清除靶材表面的污物，溅射功率165w，随后在基片上溅射金属钒薄膜，溅射时间为10-30分钟，薄膜厚度为100-300nm ；(3)采用快速热处理设备对步骤(2)的金属钒薄膜进行快速热氧化；快速热氧化温度为430°C -500°C，快速热氧化时间为30s-90s，保温时间即为快速热氧化时间；快速热氧化过程中，升温速度为50°C /s，降温时间在3分钟以内；工作气体为高纯氧气或者氮氧混合气体，升温和降温时的气体流量为lOslpm，保温时气体流量为3slpm ；(4)测量制品在20°C -80°c范围内的电阻-温度特性。
所述步骤(I)的超声波清洗时间为15-20分钟。所述步骤(2 )的超高真空对靶磁控溅镀膜机为DPS- III型。所述步骤(2)的氩气纯度为99. 999%。所述步骤(3)采用的快速热处理设备为Allwin21corp. USA公司生产的AG610型快速热处理设备。所述步骤(3)的高纯氧气的质量纯度为99. 999%，氮氧混合气体的比例为1:1。本发明的有益效果是，提供了一种采用快速热氧化法、调控参数少、工艺简单、制备时间和周期大大减少的具有相变特性的二氧化钒薄膜的新方 法。本发明对于溅射时间为10-30min的金属钒薄膜，快速热氧化温度430°C _500°C，快速热氧化时间30s-90s (保温时间)可获得热致相变特性。本发明可重复性高，适用于大面积生产。
图I是实施例I的电阻-温度曲线图；图2是实施例2的电阻-温度曲线图；图3是实施例3的电阻-温度曲线图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。实施例I(I)将硅片切割成尺寸为2cmX2cm的小硅片，浸泡于无水乙醇溶液中，采用标准的硅片清洗工艺，超声波清洗，再用去离子水清洗，烘干；(2)将步骤(I)中清洗好的样片置于DPS-III型超高真空对靶磁控溅射镀膜机真空室中，将本体真空抽2. 5 X KT4Pa ;通入纯度为99. 999%的氩气，氩气流量为50sccm，调节工作压强至2. OPa ;首先进行预溅射以清除靶材表面的污物，溅射功率165w，预溅射后开始沉积金属钒膜，溅射时间为IOmin ；(3)将步骤(2)的金属I凡薄膜放进Allwin21corp. USA公司生产的AG610型快速热处理设备中，快速热氧化温度为430°C，快速热氧化时间为90s ;升温速率为50°C /s ;工作气体为氧气(质量纯度为99. 999%)，升温和降温气体流量均为IOslpm，保温时气体流量为3slpm ；(4)步骤(3)制得的二氧化钒薄膜在温度为20°C条件下，测量的薄膜方块电阻为139. 4KQ/ □，在温度为80°C条件下，测量的薄膜方块电阻为3. 2K Q / □，二氧化钒薄膜的电阻温度系数为-I. 62 X IO-2K'实施例I的电阻-温度曲线如图I所示，由图I可以看出，所制备的二氧化钒薄膜具有相变特性。实施例2操作步骤与实施例I相同，步骤⑵的工艺条件为溅射时间IOmin ;步骤(3)的快速热氧化过程中工作气体为氧气，快速热氧化温度470°C,快速热氧化时间30s ；实施例2制得的二氧化钒薄膜在温度为20°C的条件下，测量的方块电阻为197. 2K Q / 口，在温度为80°C的条件下，测量的薄膜方块电阻为3. 4K Q / 口，二氧化钒薄膜的电阻温度系数为-I. 63 X KT2K'实施例2的电阻-温度曲线如图2所示，由图2可以看出，所制备的二氧化钒薄膜具有相变特性。实施例3操作步骤与实施例I相同，步骤⑵的工艺条件为溅射时间30min ;步骤(3)的快速热氧化过程中工作气体为氧气，快速热氧化温度500°C,快速热氧化时间40s ；实施例3制得的二氧化钒薄膜在温度为20°C的条件下，测量的方块电阻为为225. 8K Q / 口，在温度为80°C的条件下，测量的薄膜方块电阻为0. 53K Q / 口，二氧化钒薄膜的电阻温度系数为-I. 66 X IO-2K'实施例3的电阻-温度曲线如图3所示，由图3可以看出，所制备的二氧化钒薄膜 具有相变特性。实施例4操作步骤与实施例I相同，步骤⑵的工艺条件为溅射时间15min ;步骤(3)的快速热氧化过程中工作气体为氧气，快速热氧化温度480°C,快速热氧化时间33s ；实施例4制得的二氧化钒薄膜在温度为20°C的条件下，测量的方块电阻为为170. 2KQ/ □，在温度为80°C的条件下，测量的薄膜方块电阻为I. 5KQ/ □，薄膜的电阻温度系数为-1.65X10^0实施例5操作步骤与实施例I相同，步骤⑵的工艺条件为溅射时间IOmin ;步骤(3)的快速热氧化过程中工作气体为氮氧混合气体，比例为1:1，快速热氧化温度为470°C,快速热氧化时间为50s。实施例5制得的氧化钒薄膜在温度为20 °C的条件下，测量的方块电阻为为218. 8KQ/ □，在温度为80°C的条件下，测量的薄膜方块电阻为5. 7KQ/ □，二氧化钒薄膜的电阻温度系数为-I. 62 X KT2K'
权利要求
1.一种快速热氧化方法制备的相变二氧化钒薄膜，具有如下步骤 (1)将硅片切割成规格小硅片，浸泡于无水乙醇溶液中，采用标准的硅片清洗工艺，超声波清洗，再用去离子水清洗，烘干； (2)将步骤(I)烘干后的小硅片作为制备薄膜的基片，放入超高真空对靶磁控溅射镀膜机基片架上；靶材选用纯度为99. 99%的金属钒靶，工作气体为氩气，溅射前将真空室的本体真空抽至2. 5 X 10_4Pa，氩气流量为50SCCm，工作压强为2. OPa ；首先进行预溅射以清除靶材表面的污物，溅射功率165w，随后在基片上溅射金属钒薄膜，溅射时间为10-30分钟，薄膜厚度为100-300nm ； (3)采用快速热处理设备对步骤(2)的金属钒薄膜进行快速热氧化；快速热氧化温度为430°C -500°C，快速热氧化时间为30s-90s，保温时间即为快速热氧化时间；快速热氧化过程中，升温速度为50°C /s，降温时间在3分钟以内；工作气体为高纯氧气或者氮氧混合气体，升温和降温时的气体流量为IOslpm，保温时气体流量为3slpm ； (4)测量制品在20°C_80°C范围内的电阻-温度特性。
2.根据权利要求I的快速热氧化方法制备的相变二氧化钒薄膜，其特征在于，所述步骤(I)的超声波清洗时间为15-20分钟。
3.根据权利要求I的快速热氧化方法制备的相变二氧化钒薄膜，其特征在于，所述步骤(2)的超高真空对靶磁控溅镀膜机为DPS- III型。
4.根据权利要求I的快速热氧化方法制备的相变二氧化钒薄膜，其特征在于，所述步骤(2)的氩气纯度为99. 999%。
5.根据权利要求I的快速热氧化方法制备的相变二氧化钒薄膜，其特征在于，所述步骤(3)采用的快速热处理设备为Allwin21corp. USA公司生产的AG610型快速热处理设备。
6.根据权利要求I的快速热氧化方法制备的相变二氧化钒薄膜，其特征在于，所述步骤(3)的高纯氧气的质量纯度为99. 999%，氮氧混合气体的比例为1:1。
全文摘要
本发明公开了一种快速热氧化方法制备的相变二氧化钒薄膜，目的是克服在制备具有相变特性的二氧化钒薄膜的现有制备方法的调控参数多、工艺复杂、实验可控性较差的缺点。本发明对于溅射时间为10-30min的金属钒薄膜，快速热氧化温度430℃-500℃，快速热氧化时间30s-90s(保温时间)可获得热致相变特性；快速热氧化过程中，升温速度为50℃/s，降温时间在3分钟以内，工作气体为高纯氧气或者氮氧混合气体。本发明可重复性高，适用于大面积生产。
文档编号C23C14/35GK102732847SQ20121020150
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者后顺保, 吕志军, 武斌, 胡明, 高旺 申请人:天津大学