一种铁电氧化钒复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及光电传感器技术领域，特别涉及一种用于红外热成像传感器以及THz图像传感器的铁电氧化钒复合薄膜F_VOx及其制备方法,该铁电氧化钒复合薄膜是由氧化钒薄膜和金属铌或者铌基铁电材料薄膜复合而成的铌基铁电‑氧化钒双层复合薄膜。本发明专利技术首次利用金属铌和铌基铁电薄膜材料优异的热传导、热吸收性能，提升氧化钒薄膜的热量吸收率，使铁电氧化钒复合薄膜F_VOx的温度电阻系数提高到3.8～4.2%/K，有效解决了小面阵高TCR的问题且避免了传统掺杂工艺对氧化钒薄膜产生的负面影响,将其应用于传感器可全面提升红外热成像、太赫兹图像传感器的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电传感器
，特别涉及一种用于红外热成像传感器以及太赫 兹图像传感器的铁电氧化钒复合薄膜（F_V 0X)及其制备方法。
技术介绍
红外热成像传感器和太赫兹图像传感器是广泛应用于安防、消防、医疗、工业、汽 车、特种行业等领域的专业图像传感器。而红外热成像传感器和太赫兹图像传感器均是利 用热敏材料的电阻率对温度的敏感特性进行图像探测的。在种类繁多的热敏材料中，氧化 钒（VOX)薄膜以其具有与集成电路和MEMS工艺的兼容性和较高的电阻温度系数（TCR)、合 适的方块电阻和低噪声等优点，成为目前研究最深入和应用最广泛的热敏材料。 为了满足市场对高信噪比、高灵敏度的红外热成像传感器和太赫兹图像传感器产 品的需求，希望进一步提高VOx薄膜的电阻温度系数，目前常用的方法是掺杂过渡金属元 素，以形成复合氧化物薄膜。例如，通过掺入W、Ti等过渡金属元素，可以获得电阻温度系数 为-3~4%K的掺杂氧化钒薄膜，但是过渡金属元素的掺杂将会影响氧化钒薄膜微观结构的 均匀性，导致器件本征噪声的增加。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术目的在于提供一种新型的铁电氧化钒复合薄膜（F_ Vox) 〇 为达到以上效果，本专利技术采用的技术方案为：一种新型铁电氧化钒复合薄膜，该 铁电氧化钒复合薄膜是由金属铌或铌基铁电材料薄膜与氧化钒薄膜复合而成的铌基铁 电-氧化钒双层复合薄膜。 优选地，所述氧化钒为钒氧化合物中的一种或多种，其分子式为V0X，X满足 1 < X < 2. 5;所述铌基铁电材料为铌酸盐中一种或多种。 优选地，所述铌酸盐为铌酸锂、铌酸钾、铌酸钠钾、铌酸锶钡、镁铌酸铅、钽铌酸钾。 优选地，所述氧化fji的薄膜厚度为150~300nm,所述金属银或银基铁电材料薄膜 的厚度为l〇~15nm，所述双层复合薄膜的厚度为160~315nm，所述复合薄膜的电阻温度系数 为 3. 8~4. 2%/K〇 为了解决上述问题，本专利技术的另一个目的在于提供一种新型铁电氧化钒复合薄 膜F_V0x的制备方法，具体步骤是： ① 将洁净的衬底装入溅射腔室； ② 在衬底表面沉积一层氧化钒薄膜； ③ 在氧化钒薄膜上沉积一层金属铌或铌基铁电材料薄膜； ④ 对所沉积的复合薄膜样品进行退火处理。 优选地，所述衬底是MEMS结构晶圆中的氮化硅或者二氧化硅层；所述氧化钒为钒 氧化合物中的一种或多种，其分子通式为V0x，X满足1 < X < 2. 5;所述铌基铁电材料为铌 酸盐中一种或多种。 优选地，所述铌酸盐为铌酸锂、铌酸钾、铌酸钠钾、铌酸锶钡、镁铌酸铅、钽铌酸钾。 优选地，在步骤②中采用的沉积方法是磁控溅射法，具体工艺条件是：磁控溅射腔 室真空度为5\10 4?&，脉冲直流电源的脉冲频率调制为100~3501(抱，占空比为50~95%， 功率为200~350W，腔压为0. 5~1. 5Pa，高纯度氩气和氧气比例为100:0. 5~3. 5,溅射时间为 10~15分钟，所用金属钒靶纯度为99. 95%，生成的氧化钒薄膜厚度为150~300nm。 优选地，在步骤③中采用的沉积方法是磁控溅射法，具体工艺条件是：磁控溅射腔 室真空度为5\10 4?&，脉冲直流电源的脉冲频率调制为100~3501(抱，占空比为50~95%， 功率为200~350W，通高纯度氩气使腔压达到0. 5~1. 5Pa，溅射时间为1分钟，所用金属铌或 铌基铁电材料靶纯度为99. 95%，生成的金属铌或铌基铁电材料薄膜厚度为10~15nm。 优选地，在步骤④中对所沉积的薄膜样品进行退火处理，退火工艺条件为：采用真 空退火，真空度为5父10 4?&，温度为300~320°(：，退火时间为3~4小时。 优选地，所述制备方法采用定制的多腔体磁控溅射设备，步骤②在钒靶腔室完成， 步骤③在铌基铁电靶腔室完成，钒靶腔室和铌基铁电靶腔室通过隔离门隔开，样品的转移 通过机器手完成。 与现有技术相比，本专利技术存在以下有益效果： 1) 本专利技术首次利用金属铌和铌基铁电薄膜材料不为人知的优良热传导、热吸收性能， 将金属铌或铌基铁电薄膜材料复合在传统氧化钒薄膜上，形成新型的铁电氧化钒复合薄膜 F_V0x。金属铌以及铌基铁电薄膜材料能够有效提高氧化钒薄膜的热量吸收率，使铁电氧化 钒复合薄膜F_V0x的温度电阻系数提高到3. 8%/K，有效解决了小面阵高TCR的问题且避免 了传统掺杂工艺对氧化钒薄膜产生的负面影响，将其应用于传感器可全面提升红外热成 像、太赫兹图像传感器的性能； 2) 本专利技术采用磁控溅射沉积法和低温退火工艺成膜，可将MEMS结构晶圆作为衬底置 于磁控溅射腔室进行沉积并退火，工艺条件与MEMS和集成电路工艺高度兼容，有利于传感 器的大规模产业化发展； 3) 本专利技术制备方法采用定制的多腔体磁控溅射设备，腔室之间通过隔离门隔开并通过 机器手完成样品的转移，避免样品暴露在空气中，减少样品污染，显著提高成品率。【附图说明】图1是本专利技术制备新型铁电氧化钒复合薄膜F_V0x的方法流程图； 图2是包含铌基铁电氧化钒复合薄膜F_V0x的MEMS结构示意图； 图3是按照本专利技术实施例1制备的金属铌氧化钒复合薄膜的电阻温度系数示意图。【具体实施方式】 下面结合图1至图3,对本专利技术做进一步详细叙述： 本专利技术是通过磁控溅射将金属铌或铌基铁电薄膜材料复合在传统氧化钒薄膜上，形成 新型的铁电氧化钒复合薄膜F_V0x。本专利技术首次利用金属铌以及铌基铁电薄膜材料不为人 知的优良热传导、热吸收性能，主要机理在于金属铌和铌基铁电薄膜材料能够有效提高氧 化钒薄膜的热量吸收率，使铁电氧化钒复合薄膜F_V0x的温度电阻系数提高到3. 8%/K。 参见图1，为本专利技术制备新型铁电氧化钒复合薄膜F_V0x的方法流程图，包括以下 步骤： ①将洁净的衬底装入溅射腔室； 在本步骤中，所述衬底可以是MEMS结构晶圆中的氮化硅或者二氧化硅层，装入磁控溅 射腔室。 ②在衬底表面沉积一层氧化钒薄膜； 在本步骤中，采用磁控溅射法，具体工艺条件是：磁控溅射腔室真空度为5 X 10 4 Pa，脉冲直流电源的脉冲频率调制为100~350KHz，占空比为50~95%，功率为200~350W，腔压为 0. 5~1. 5Pa，高纯度氩气和氧气比例为100:0. 5~3. 5,溅射时间为10~15分钟，所用金属钒靶 纯度为99. 95%，生成的氧化钒薄膜厚度为150~300nm。 ③在氧化f凡薄膜上沉积一层金属银或银基铁电材料薄膜； 在本步骤中，采用的沉积方法是磁控溅射法，具体工艺条件是：磁控溅射腔室真空度 为5\104?&，脉冲直流电源的脉冲频率调制为100~3501(抱，占空比为50~95%，功率为 200~350W，通高纯度氩气使腔压达到0. 5~1. 5Pa，溅射时间为1分钟，所述铌基铁电材料，例 如可以是铌酸盐中的铌酸锂、铌酸钾，或者是对铌酸盐进行A位或B位掺杂形成的铌酸钠 钾、铌酸锶钡、镁铌酸铅、钽铌酸钾等，又或者是其中两种或两种以上形成的复合体系，其纯 度为99. 95%，生成的金属铌或铌基铁电材料薄膜厚度为10~15nm。 ④对所沉积的复合薄膜样品进行退火处理； 在本步骤中，退火工艺条件为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型铁电氧化钒复合薄膜，其特征在于：该铁电氧化钒复合薄膜是由金属铌或铌基铁电材料薄膜与氧化钒薄膜复合而成的铌基铁电‑氧化钒双层复合薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵照，
申请(专利权)人：合肥芯福传感器技术有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34