Si基生长混合同素异型结构VO*薄膜的工艺制造技术

Ｓｉ基生长混合同素异型结构ＶＯ↓［２］薄膜的工艺，它涉及一种生长ＶＯ↓［２］薄膜的工艺。它解决了目前工艺在Ｓｉ基生长的ＶＯ↓［２］薄膜具有ＶＯ↓［２］（Ａ）和／或ＶＯ↓［２］（Ｒ），热电阻温度系数低，严重影响了室温红外探测器的探测灵敏度的问题。Ｓｉ基生长ＶＯ↓［２］薄膜的方法：（一）清洗基底；（二）除杂质气体；（三）通Ａｒ气、开射频溅射系统；（四）Ｓｉ基表面溅射ＶＯ↓［２］薄膜；（五）真空退火烧结，即得到生长混合同素异型结构的Ｓｉ基ＶＯ↓［２］薄膜。本发明专利技术制备的ＶＯ↓［２］薄膜只含有ＶＯ↓［２］（Ｂ）和ＶＯ↓［２］（Ｍ）两种同素异型结构。本发明专利技术生长的Ｓｉ基混合同素异型结构ＶＯ↓［２］薄膜的表面粗糙度为６ｎｍ～１５ｎｍ，ＶＯ↓［２］薄膜在２５℃环境中ＴＣＲ值高为－１．５０％／Ｋ～－５．６５％／Ｋ、电阻率为０．０６Ω.ｃｍ～１０．４４Ω.ｃｍ，提高了Ｓｉ基室温红外探测器的探测性能，尤其Ｓｉ基室温红外探测器的探测灵敏度提高了５～１０％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种生长VO2薄膜的工艺。
技术介绍
VO2薄膜由于其优异的光电性能与热敏特性越来越受到人们的重视，是近二十年来国内外的研究热点，已广泛应用于光电开关器件、热敏电阻与室温红外探测器。在红外探测器方面，采用在Si基底上生长取向VO2薄膜，有利于将大面积的VO2探测器阵列与Si基信号读出与处理部件进行单片集成。VO2具有四种同素异型结构VO2(A)、VO2(B)、VO2(M)和VO2(R)，其中VO2(B)(单斜结构、晶格常数a＝1.203nm、b＝0.369nm、c＝0.642nm)和VO2(M)(单斜结构、晶格常数a＝0.575nm、b＝0.542nm、c＝0.538nm)结构相近、在室温附近为半导体，具有高热电阻温度系数(TCR)值(TCRVO2(B)≈-2％/K，TCRVO2(M)≈-4％/K)是应用于Si基底室温红外探测器的理想热敏材料；而VO2(A)(四方结构、晶格常数a＝0.844nm、b＝0.844nm、c＝0.768nm)和VO2(R)(金红石结构、晶格常数a＝0.455nm、b＝0.455nm、c＝0.288nm)热电阻温度系数(TCR)值低。目前采用的溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、化学气相沉积法、磁控溅射法等工艺在Si基生长的VO2薄膜具有VO2(A)和/或VO2(R)，热电阻温度系数较低，严重影响了室温红外探测器的探测灵敏度。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前工艺在Si基生长的VO2薄膜具有VO2(A)和/或VO2(R)，热电阻温度系数低，严重影响了室温红外探测器的探测灵敏度的问题，而提供的一种Si基生长混合同素异型结构VO2薄膜的工艺。Si基生长混合同素异型结构VO2薄膜的工艺按以下步骤进行(一)清洗Si基底除去氧化膜；(二)将Si基底和单质V靶置于沉积室，向沉积室内通入Ar气再抽真空，并反复操作4～10次，Si基底温度保持为400℃；(三)再次通入Ar气并打开射频磁控溅射镀膜系统电源；(四)待Ar气电离产生等离子体后逐渐加大射频功率电压至300V，随即通入O2气，O2气和Ar气的气体总流量为23～27sccm，沉积室压力控制为0.30～0.35Pa，Si基底保持温度为400℃，单质V靶与Si基底间的距离为58～62mm，Si基底偏压为0V，Si基表面VO2薄膜达到设定厚度后停止射频溅射、随沉积室冷却至200℃，然后再停止O2气和Ar气的通入；(五)将溅射生长有VO2薄膜的Si基底封入石英管，抽真空，石英管中真空度降为10-3～10-2Pa，抽真空石英管放入电阻炉退火，退火温度为450℃～500℃，退火时间为8～15h，然后真空石英管随电阻炉冷却至室温，即得到生长混合同素异型结构的Si基VO2薄膜；其步骤(四)中O2气流量占气体总流量的7.8％。本专利技术在Si基上生长的混合同素异型结构VO2薄膜只含有高热电阻温度系数值的VO2(B)和VO2(M)两种同素异型结构。本专利技术在Si基上生长的混合同素异型结构VO2薄膜表面光滑、粗糙度为6nm～15nm，VO2薄膜在25℃环境中热电阻温度系数(TCR)高为-1.50％/K～-5.65％/K，VO2薄膜在25℃环境中电阻率适中为0.06Ω·cm～10.44Ω·cm，提高了Si基室温红外探测器的探测性能，尤其Si基室温红外探测器的探测灵敏度提高了5～10％。具体实施例方式具体实施方式一本实施方式Si基生长混合同素异型结构VO2薄膜的工艺按以下步骤进行(一)清洗Si基底除去氧化膜；(二)将Si基底和单质V靶置于沉积室，向沉积室内通入Ar气再抽真空，并反复操作4～10次，Si基底温度保持为400℃(三)再次通入Ar气并打开射频磁控溅射镀膜系统电源；(四)待Ar气电离产生等离子体后逐渐加大射频功率电压至300V，随即通入O2气，O2气和Ar气的气体总流量为23～27sccm，沉积室压力控制为0.30～0.35Pa，Si基底保持温度为400℃，单质V靶与Si基底间的距离为58～62mm，Si基底偏压为0V，Si基表面VO2薄膜达到设定厚度后停止射频溅射、随沉积室冷却至200℃，然后再停止O2气和Ar气的通入；(五)将溅射生长有VO2薄膜的Si基底封入石英管，抽真空，石英管中真空度降为10-3～10-2Pa，抽真空石英管放入电阻炉退火，退火温度为450℃～500℃，退火时间为8～15h，然后真空石英管随电阻炉冷却至室温，即得到生长混合同素异型结构的Si基VO2薄膜；其步骤(四)中O2气流量占气体总流量的7.8％。本实施方式中设定Si基表面VO2薄膜厚度为2.8μm，Si基表面VO2薄膜的厚度可根据实际需要进行设定。本实施方式步骤(二)中Si基底温度保持为400℃可除去基底表面残留的水和挥发性杂质。本实施方式中步骤(二)和(四)中Si基底温度以热电偶测得的温度为准；步骤(三)中射频磁控溅射镀膜系统为射频磁控溅射镀膜机；步骤(四)中气体流量用质量流量计控制，Si基表面VO2薄膜的厚度以石英晶振测得为准；步骤(五)中用KSW-12-11B型控温仪表控温，电阻炉采用SX3/12-10型箱式电阻炉。本实施方式薄膜表面粗糙度利用原子力显微镜自带软件检测，本实施方式VO2薄膜粗糙度为6nm～15nm。本实施方式用X-射线检测制备的VO2薄膜，确定VO2薄膜为非晶态氧化钒，只含有VO2(B)和VO2(M)两种同素异型结构，其中VO2(B)为(011)晶面取向生长，VO2(M)为非取向生长方式。具体实施例方式二本实施方式与具体实施方式一的不同点是以p-Si(100)作为Si基底。其它与实施方式一相同。本实施方式中以p-Si(100)为基底，p-Si(100)基底电阻率为8～12Ω·cm。具体实施例方式三本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤(一)按以下步骤除去Si基底的氧化膜Si基底先用丙酮超声振荡清洗4～6min，再用去离子水冲洗去除残余的丙酮，然后用乙醇超声振荡清洗4～6min，再用去离子水冲洗去除残余的乙醇，之后用氢氟酸溶液清洗2～3min；其中氢氟酸溶液按体积比由1倍体积的氢氟酸和8倍体积的去离子水组成。其它步骤与实施方式一相同。具体实施例方式四本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤(二)中最后一次抽真空，沉积室内真空度为10-6～10-5Pa。其它步骤与实施方式一相同。具体实施例方式五本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤(二)中反复操作5～9次。其它步骤与实施方式一相同。具体实施例方式六本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤(二)中反复操作6～8次。其它步骤与实施方式一相同。具体实施例方式七本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤(四)中O2气和Ar气的气体总流量为25sccm。其它步骤与实施方式一相同。具体实施例方式八本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤(四)中沉积室压力控制为0.33Pa。其它步骤与实施方式一相同。具体实施例方式九本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤(四)中单质V靶与Si基底间的距离为60mm。其它步骤与实施方式一相同。具体实施例方式十本实施方式与具体实施方式一的不同点是步骤(五)溅射生长有VO2薄膜的Si基底封入石英管前用酒精和去离子水混合溶液清洗表面，其中酒精与去离子水的体积比为1～2∶1本文档来自技高网...

【技术保护点】
Ｓｉ基生长混合同素异型结构ＶＯ↓［２］薄膜的工艺，其特征在于Ｓｉ基生长混合同素异型结构ＶＯ↓［２］薄膜的工艺按以下步骤进行：（一）清洗Ｓｉ基底除去氧化膜；（二）将Ｓｉ基底和单质Ｖ靶置于沉积室，向沉积室内通入Ａｒ气再抽真空，并反复操作４～１０次，Ｓｉ基底温度保持为４００℃；（三）再次通入Ａｒ气并打开射频磁控溅射镀膜系统电源；（四）待Ａｒ气电离产生等离子体后逐渐加大射频功率电压至３００Ｖ，随即通入Ｏ↓［２］气，Ｏ↓［２］气和Ａｒ气的气体总流量为２３～２７ｓｃｃｍ，沉积室压力控制为０．３０～０．３５Ｐａ，Ｓｉ基底保持温度为４００℃，单质Ｖ靶与Ｓｉ基底间的距离为５８～６２ｍｍ，Ｓｉ基底偏压为０Ｖ，Ｓｉ基表面ＶＯ↓［２］薄膜达到设定厚度后停止射频溅射、随沉积室冷却至２００℃，然后再停止Ｏ↓［２］气和Ａｒ气的通入；（五）将溅射生长有ＶＯ↓［２］薄膜的Ｓｉ基底封入石英管，抽真空，石英管中真空度降为１０↑［－３］～１０↑［－２］Ｐａ，抽真空石英管放入电阻炉退火，退火温度为４５０℃～５００℃，退火时间为８～１５ｈ，然后真空石英管随电阻炉冷却至室温，即得到生长混合同素异型结构的Ｓｉ基ＶＯ↓［２］薄膜；其步骤（四）中Ｏ↓［２］气流量占气体总流量的７．８％。...

【技术特征摘要】
1.Si基生长混合同素异型结构VO2薄膜的工艺，其特征在于Si基生长混合同素异型结构VO2薄膜的工艺按以下步骤进行(一)清洗Si基底除去氧化膜；(二)将Si基底和单质V靶置于沉积室，向沉积室内通入Ar气再抽真空，并反复操作4～10次，Si基底温度保持为400℃；(三)再次通入Ar气并打开射频磁控溅射镀膜系统电源；(四)待Ar气电离产生等离子体后逐渐加大射频功率电压至300V，随即通入O2气，O2气和Ar气的气体总流量为23～27sccm，沉积室压力控制为0.30～0.35Pa，Si基底保持温度为400℃，单质V靶与Si基底间的距离为58～62mm，Si基底偏压为0V，Si基表面VO2薄膜达到设定厚度后停止射频溅射、随沉积室冷却至200℃，然后再停止O2气和Ar气的通入；(五)将溅射生长有VO2薄膜的Si基底封入石英管，抽真空，石英管中真空度降为10-3～10-2pa，抽真空石英管放入电阻炉退火，退火温度为450℃～500℃，退火时间为8～15h，然后真空石英管随电阻炉冷却至室温，即得到生长混合同素异型结构的Si基VO2薄膜；其步骤(四)中O2气流量占气体总流量的7.8％。2.根据权利要求1所述的Si基生长混合同素异型结构VO2薄膜的工艺，其特征在于步骤(一)按以下步骤除去Si基底的氧化膜Si基底先用丙酮超声振荡清洗4～6min，再用去离子水冲洗去...

【专利技术属性】
技术研发人员：王银玲，李美成，吴敢，陈学康，赵连城，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]