专利名称：非制冷红外焦平面阵列用氧化钒薄膜材料的制备方法
技术领域：
本发明属于微电子加工技术应用在红外成像器件制造领域，特别是一种非制冷红外焦平面阵列用氧化钒薄膜材料的制备方法。
背景技术：
经过近几年科学界和工业界的巨大努力，微型测辐射热仪已经被广泛应用于军 事和民用领域，如热像仪、夜视摄像机、热传感器、监控像机等产品。这些仪器的主要性 能是由测辐射热材料的红外吸收率、电阻温度系数(TCR)、热绝缘性和噪声性能等多因 素共同决定的。在这些参数中电阻温度系数特性以及电阻特性是影响微型测辐射热仪 (microbolometers)性能的重要因素。因此寻找各种测辐射热材料的开发研究工作非常活 跃，这些材料包括金属、氧化物，半导体和超导体材料等。其中氧化钒由于其较高的TCR及 有相对低的噪音特征非常适合在室温条件下应用，因此得到了较大的重视。但是元素钒有 多种氧化态存在，如氧化物V2O3，V3O5，VO2及V2O5等，它们经常在薄膜制备过程中同时生成 并混合沉积在基片上。因此为了沉积适当化学组分的薄膜，沉积过程中工艺参数和方法的 选择对微型测辐射热仪探测器材料化学成分组成至关重要。钒氧化物薄膜所具有的高电阻温度系数TCR，低噪音以及与硅微加工工艺良好的 兼容性已使其成为制造辐射热感应器时的首选材料。但是钒氧化薄膜的化学稳定性范围狭 窄，因此在溅射过程中需要严格控制实验条件，同时还需要一个合适的高温沉积和退火工 艺。许多技术已经能生产出高电阻温度系数TCR的钒氧化物薄膜，例如用脉冲直流反应溅 射法、脉冲激光沉积(PLD)法、离子束溅射和溶胶凝胶法，但性能较好的氧化钒薄膜材料还 是用PLD或直流反应溅射工艺制造出来的。在使用脉冲激光沉积(PLD)法制造薄膜材料时，沉积的材料面积非常有限，且常 常在表面有凸起的结构生成以致均勻性很差。因此这种方法只有在实验室研究钒氧化物薄 膜的物理性能时使用，此法不合适用于大规模的薄膜制备，例如沉积一块大面积的薄膜且 其表面对厚度、均勻性与光滑性都有要求的场合，所以很难满足实际微器件加工制造中的 需求。此外氧化钒薄膜制备过程中利用PLD法在很多情况下容易改变薄膜的性质，比如说 在氧气量不好控制的情况下，靶材或薄膜表面成份随着溅射时间的变化等。直流反应磁控溅射氧化钒的过程中，氧化钒材料将在真空室内表面逐渐积累起 来，除圆晶基片外所有阳极表面都将逐渐被此氧化物覆盖。因此随着阳极沉积得到的绝缘 薄膜厚度增加，阳极表面形成的电阻会给整个阴极、阳极及电源的电回路带来了巨大的电 压降。当电极表面上的绝缘层变得非常厚时，回路放电熄灭从而导至钒和氧等离子体的产 生中断。因此通常情况下，需要定期保养并清洗阳极，以避免阳极不定期的工作故障导致生 成的氧化钒薄膜制备不可重现。原始的双磁控溅射装置已被用来沉积CrxOy，CrxCy, TiOx等化合物，该方法有望 满足工业界对薄膜均勻性和物理性质的要求，但是内部机制仍然没有优化达到制备高 灵敏度和均勻薄膜的需求([l]Yu Xiang, Meng Hua，Wang Cheng-biao, Fu Zhi-qiang,LiuYang,Investigation of Ti/TiN multilayered films in a reactive mid-frequency dual-magnetronsputtering, Applied Surface Science 253 (2007)3705-3711 ;[2]Asim Aijaz, Daniel Lundin, Petter Larsson, Ulf Helmersson, Dual-magnetron open field sputtering system for sidewaysdeposition of thin films, Surface & Coatings Technology 204(2010)2165-2169 ； [3]Hongchen Wang, Xinjian Yi, Sihai Chen, Low temperature fabrication of vanadium oxidefilms for uncooled bolometric detectors, Infrared Physics & Technology 47 (2006)273-277 ; [4]Yong-Hee Han, In-Hoon Choi, Ho-Kwan Kang, et.al, Fabrication of vanadium oxidethin film with high-temperature coefficient of resistance using V205/V/V205 multi-layers foruncooled microbolometers, Thin Solid Films 425(2003)260-264)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非制冷红外焦平面阵列用氧化钒薄膜材料的制备方法，能够解决性能优良氧化钒VOx薄膜的工程化制备问题。实现本发明目的的技术解决方案为一种非制冷红外焦平面阵列用氧化钒薄膜材 料的制备方法，步骤如下步骤一，将圆晶片台与溅射靶材一、溅射靶材二的靶面偏心对准，打开真空室，把 晶片放置于圆晶片台上；步骤二，然后关闭真空室，按次序启动机械真空泵和低温真空泵，抽真空至 ICT8Torr ；步骤三，打开氩气流量计和氧气流量计，充入氩气和氧气，氩气流量增加可使薄膜 的金属性增强，而氧气流量增加可使薄膜的非金属性增强；步骤四，用气体调节真空室内部压强10_2-10_3TOrr ；步骤五，启动旋转电机，使其以转速为200 500rpm工作；步骤六，启动交流磁控溅射电源，设置其频率为10 50kHz，电压幅值为200 600V工作；步骤七，持续工作溅射靶材一、二为10 20min，停止旋转电机，关闭交流磁控溅 射电源；步骤八，再次打开氩气流量计充入氩气Ar，控制真空室内的压强至1个大气压；最后，打开真空室，取出晶片即能得到方块电阻在20 50kQ/m2的薄膜。本发明与现有技术相比，其显著优点对比已有氧化钒VOx薄膜制造技术技术，由 于采用了溅射靶材与圆晶片台偏心对准的方法，从而改变了磁力线与电场在空间上的分 布，入射粒子能量高，薄膜与基片之间结合牢固，膜层也更均勻，因此本发明能够在晶片上 溅射生成均勻的、大面积薄膜，例如，将氧化钒真空沉积20分钟在200毫米直径的圆晶片 上，该薄膜的厚度从该圆晶片的中心到边缘的差别仅在士 (具体的数据参见表1)，并且 氧化钒薄膜中氧的含量较容易控制，它的TCR能达到5-7%，靶材的材料可以150毫米直径 的金属钒或其它材料。由于该过程使用了双磁控溅射的原理，真空腔壁不在是磁控溅射的 阳极而影响它的重复性。该过程理论上讲应该可以重复使用到靶材的极限而不用清洗。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1(a)为本发明实施方式的偏心双磁控溅射装置原理图(b)偏心双磁控溅射装 置俯视图。图2(a)为单磁控溅射原理图(b)双磁控溅射原理图。图3为作用在两靶材上的交流双磁控中频溅射电压时序图。
具体实施方式
结合图1，本发明中使用的偏心双磁控溅射装置包括旋转电机1、圆晶片台2、氩气 流量计3、氧气流量计4、溅射靶材一 5、溅射靶材二 6、真空室7、机械真空泵和低温真空泵 8、交流磁控溅射电源9，在真空室7内设置圆晶片台2、溅射靶材一 5、溅射靶材二 6，将溅射 靶材一 5、溅射靶材二 6表面与圆晶片台2正面同心对准改换为偏心对准，从而改变了磁力 线与电场在空间上的分布，入射粒子能量高，薄膜与基片之间结合牢固，膜层也更均勻，制 备过程更为容易控制以成功制备出高TCR的氧化钒薄膜，同时这种方法提高了靶材的利用 率，成本较低。旋转电机1控制圆晶片台2的旋转，机械真空泵和低温真空泵8除气控制真 空室7的真空度，然后氩气流量计3、氧气流量计4充气控制真空室7的气压，交流磁控溅射 电源9对溅射靶材一 5、溅射靶材二 6施加交流电压。单磁控溅射和双磁控溅射原理见图 2，其中61为靶材，62为永久磁铁，63为磁力线。本发明利用上述偏心双磁控溅射装置能够成功的控制非制冷红外焦平面阵列用 氧化钒薄膜材料的化学组成，并且可得到大面积均勻氧化物薄膜，比如在200毫米直径的 晶片上沉积氧化钒薄膜。在8英寸晶圆上也可以沉积高均勻性的钒氧化物薄膜用作制造的 微型测辐射热仪焦平面阵列，且其TCR可达5 7%。与传统的磁控溅射不同，本方法在于 利用钒和氧的等离子体扩散到旋转的圆晶片上的速度等，从而较容易地控制氧化钒薄膜中 氧的含量和薄膜的均勻性。结合图1、图2和图3，本发明非制冷红外焦平面阵列用氧化钒薄膜材料的制备方 法，其步骤为步骤一，将圆晶片台2与溅射靶材一 5、溅射靶材二 6的靶面偏心对准，打开真空 室7，把晶片放置于圆晶片台2上。溅射靶材一 5、溅射靶材二 6到圆晶片台2中心的距离 为20 30cm，溅射靶材一 5、溅射靶材二 6的角度α为30 70°。步骤二，然后关闭真空室7，按次序启动机械真空泵和低温真空泵8，抽真空至 10_8Τοπ·，即可以充入适量氩气使真空室内压力增至1 lOOTorr，再次启动低温真空泵8保 持真空室在KT8Torr以下。步骤三，打开氩气流量计3和氧气流量计4，充入氩气Ar和氧气02，气体总量可以 为20 200sccm，如氩气和氧气体积比例在1 2 2 1之间选取，如1 2或2 1， 氩气流量增加可使薄膜的金属性增强，而氧气流量增加可使薄膜的非金属性增强。步骤四，用混和气体调节真空室内部压强KT2-IO-3T0rrt5步骤五，启动旋转电机1，使其以转速为200 500rad/s工作。步骤六，启动交流磁控溅射电源9，设置其频率为10 50kHz，电压幅值为200 600V工作，由于偏心对准改变了磁力线与电场在空间上的分布，入射粒子能量高，薄膜与基片之间结合牢固，膜层也更均勻。步骤七，持续工作溅射靶材5与6约为10 20min，停止旋转电机1，关闭交流磁 控溅射电源9。步骤八，再次打开氩气流量计3充入氩气Ar，控制真空室7内的压强至1个大气压 (Iatm) ο最后，打开真空室7，取出晶片即能得到方块电阻在20 50kQ/m2的氧化钒薄膜 (通过四端法测得的电阻)。自此就实现了晶片上大面积、均勻性好的薄膜沉积，参见表1。
表1该设计的偏心双磁控溅射装置沉积在200毫米园晶片的厚度分布
200毫米
直径园晶 圆心圆周边1 圆周边2 圆周边3 圆周边4-------------------------------------------------------------------------------------------------
厚度(纳米) 101.0 100.199.5101.0 100.权利要求
一种非制冷红外焦平面阵列用氧化钒薄膜材料的制备方法，步骤如下步骤一，将圆晶片台[2]与溅射靶材一[5]、溅射靶材二[6]的靶面偏心对准，打开真空室[7]，把晶片放置于圆晶片台[2]上；步骤二，然后关闭真空室[7]，按次序启动机械真空泵和低温真空泵[8]，抽真空至10-8Torr；步骤三，打开氩气流量计[3]和氧气流量计[4]，充入氩气和氧气，氩气流量增加可使薄膜的金属性增强，而氧气流量增加可使薄膜的非金属性增强；步骤四，用气体调节真空室内部压强10-2-10-3Torr；步骤五，启动旋转电机[1]，使其以转速为200～500rpm工作；步骤六，启动交流磁控溅射电源[9]，设置其频率为10～50kHz，电压幅值为200～600V工作；步骤七，持续工作溅射靶材一、二[5、6]为10～20min，停止旋转电机[1]，关闭交流磁控溅射电源[9]；步骤八，再次打开氩气流量计[3]充入氩气Ar，控制真空室[7]内的压强至1个大气压；最后，打开真空室[7]，取出晶片即能得到方块电阻在20～50kΩ/m2的薄膜。
2.根据权利要求1所述的非制冷红外焦平面阵列用氧化钒薄膜材料的制备方法，其特 征在于溅射靶材一 [5]、溅射靶材二 [6]到圆晶片台[2]中心的距离为20 30cm，溅射靶 材一 [5]、溅射靶材二 [6]的角度α为30 70°。
全文摘要
本发明公开了一种非制冷红外焦平面阵列用氧化钒薄膜材料的制备方法，首先将圆晶片台与溅射靶材一、溅射靶材二的靶面偏心对准，打开真空室，把晶片放置于圆晶片台上；然后关闭真空室，按次序启动机械真空泵和低温真空泵，抽真空至10-8Torr；打开氩气流量计和氧气流量计，用气体调节真空室内部压强10-2-10-3Torr；启动旋转电机，使其以转速为200～500rpm工作；启动交流磁控溅射电源，设置其频率为10～50kHz，电压幅值为200～600V工作；持续工作溅射靶材一、二为10～20min，停止旋转电机，关闭交流磁控溅射电源；再次打开氩气流量计充入氩气Ar，控制真空室内的压强至1个大气压；打开真空室，取出晶片即能得到方块电阻在20～50kΩ/m2的薄膜。本发明能够在晶片上溅射生成均匀的、大面积薄膜。
文档编号H01L31/18GK101812666SQ201010143049
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月9日 优先权日2010年4月9日
发明者何勇, 刘国华, 张明明, 施芹, 王开鹰, 苏岩, 董涛 申请人:南京理工大学