一种钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料及其制备方法技术

一种钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料及其制备方法，可用于非制冷红外探测器和电子薄膜技术领域。其中，二氧化钒热敏薄膜材料以钛和钌作为掺杂剂制备，包括基片层和钛钌共掺二氧化钒薄膜层；钛钌共掺二氧化钒薄膜层中，钛、钌和钒的原子百分比分别为4.0‑7.0％、0.5‑1.5％、25.0‑30.0％，其余为氧元素。本发明专利技术还提供以钛钌钒合金靶为源材料采用反应溅射方法，或以钛靶、钌靶和钒靶为溅射源采用共反应溅射方法制备二氧化钒热敏薄膜材料的方法。本发明专利技术制得的二氧化钒薄膜为单斜多晶结构，呈现无相变特征，具有较低室温电阻率，并具有比未掺杂二氧化钒和常用VOX热敏薄膜更高的电阻温度系数；其制备工艺易于通过现有溅射设备或对现有设备适当改进后实现，且与器件MEMS工艺兼容。

A kind of titanium ruthenium Co doped two vanadium oxide thermosensitive thin film materials and their preparation methods

A titanium ruthenium Co doped two vanadium oxide thermosensitive film material and its preparation method, which can be used in the field of uncooled infrared detector and electronic film technology. Among them, two vanadium oxide thin film materials with titanium and ruthenium as dopant preparation comprises a substrate layer and a titanium ruthenium doped with two vanadium oxide film layer; titanium ruthenium doped with two vanadium oxide film layer, ruthenium and titanium, vanadium atom percentage were 4, 1.5%, 0.5 and 7% 25 30%, the rest is oxygen. The invention also provides a method for preparing two vanadium thermistor film material by using the reactive sputtering method with Ti Ru vanadium alloy target as the source material, or using the titanium target, ruthenium target and vanadium target as sputtering source. Two vanadium oxide thin film prepared by the invention is polycrystalline monoclinic structure, showing no phase transition characteristics, with low resistivity at room temperature, which has more than two doped vanadium oxide thin film and common VOX thermal resistance temperature coefficient; the preparation process is easy to achieve through the existing sputtering equipment or equipment appropriately improved to now and MEMS compatible devices.

【技术实现步骤摘要】
一种钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料及其制备方法
本专利技术涉及红外探测器和电子薄膜
，具体涉及一种二氧化钒热敏薄膜材料及其制备方法，尤其涉及一种无相变、低电阻率、高电阻温度系数的二氧化钒热敏薄膜材料及其制备方法。
技术介绍
非制冷红外焦平面阵列探测器因其无需制冷器、具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点，而在森林防火、安防、电力巡检、医疗等领域具有广泛的应用。为了提高器件的探测距离、降低制造成本，非制冷红红外焦平面阵列的像元有逐渐减小的趋势，已经从最初的45um逐步降低至目前的12um(R.A.Wood,etal.,IEEE,1992,132-135；A.Rogalski,etal.,2016,Rep.Prog.Phys.,79,046501)。但是，减小像元尺寸将导致器件的噪声等效温差(NETD)增大(A.Rogalski,etal.,2016,Rep.Prog.Phys.,79,046501)。而NETD越大，器件的灵敏度越低。另一方面，器件所用热敏薄膜的电阻温度系数(|TCR|)越高(半导体材料的TCR一般为负，本文所涉及TCR大小时，若无特殊说明，均是指TCR的绝对值|TCR|)，器件的NETD越小，器件的灵敏度越大。因此，采用高TCR的热敏薄膜有助于研制高灵敏的小像元非制冷红外焦平面阵列探测器。由于混合价氧化钒(VOX)具有：(a)高TCR、(b)低噪声、(c)适当的室温电阻率(0.5-5Ω·cm)、(d)良好的微机电系统(以下简称“MEMS”)工艺兼容性和(e)集成电路工艺兼容性等优点，而被广泛用作非制冷焦平面阵列的热敏材料。这种混合价氧化钒薄膜一般具有2.0-2.5％/℃的TCR(R.A.Wood,etal.,IEEE,1992,132-135；S.H.Black,etal.,Proc.ofSPIE，2011,8012，80121A；)。VOX薄膜一般为非晶结构，在高温环境下，这种非晶结构有晶化的倾向，一旦发生晶化行为，薄膜的电学参数将发生显著的变化。因此，VOX薄膜的这种非晶特征制约了后续MEMS工艺的其他工序的工艺窗口。为了进一步提高器件的灵敏度，具有单斜相结构的VO2薄膜也被尝试用作非制冷红外焦平面阵列的热敏材料。相对于VOX薄膜，具有单斜相结构的VO2薄膜不但具有相对稳定的晶体结构，而且具有更高的TCR，尤其是在半导体-金属相变时，相变区间TCR可高达16％/K以上。但是单斜相结构的VO2薄膜用于非制冷焦平面阵列的热敏材料上也面临三个问题：第一，单斜相结构的VO2薄膜相变时的热滞洄现象意味着高的热滞噪声，热滞噪声会显著增加器件的噪声，降低其信噪比。第二，非制冷焦平面阵列器件制造中热敏薄膜工艺之后的多步后续工艺(介质层PECVD工艺、去胶工艺、释放工艺等)的温度都远大于VO2薄膜相变温度(约68℃)，这意味着在器件制造中VO2薄膜将经历多次相变过程，而这种相变伴随着其体积的变化。多次的体积变化将不可避免降低非制冷焦平面阵列单元桥面膜层的可靠性。第三，VO2薄膜具有较高的室温电阻率(>10Ω·cm),这不但制约了像元结构的设计，也限制了器件的工作参数选择。因此，具有单斜相结构的VO2薄膜作为热敏薄膜在高性能非制冷红外焦平面阵列器件研制难以获得真正的应用。因而，为了满足研制高灵敏、小像元非制冷红外焦平面阵列探测器对热敏薄膜的需要，开发出具有无相变、低电阻率、高电阻温度系数的晶化二氧化钒热敏薄膜材料具有重要的意义。
技术实现思路
：本专利技术要解决的技术问题是：提供一种具有单斜相晶体结构、无相变、低电阻率、高电阻温度系数等特点的新型二氧化钒热敏薄膜材料及其制备方法。该制备方法与非制冷红外焦平面阵列探测器的MEMS工艺兼容，适于该类器件的批量研制。为解决本专利技术的技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料，所述二氧化钒热敏薄膜材料是以钛和钌作为共掺杂剂制备。进一步地，所述钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料包括基片层和钛钌共掺二氧化钒薄膜层，所述钛钌共掺二氧化钒薄膜层沉积在所述基片层上，所述钛钌共掺二氧化钒薄膜层包括钛、钌、钒、氧四种元素，其中，钛、钌和钒的原子百分比分别为4.0-7.0％、0.5-1.5％、25.0-30.0％，其余为氧元素。优选地，所述的基片层为高纯石英片、带SiO2薄膜的Si片、带SiNX薄膜的Si片、K9玻璃基片中的一种。本专利技术还提供上述钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料的两种制备方法，这两种制备方法均是以钛和钌两种元素作为共掺杂剂制备无相变、低电阻率、高电阻温度系数二氧化钒热敏薄膜材料的制备方法：技术方案一的制备方法为：以钛钌钒合金靶为源材料，采用反应溅射方法制备无相变、低电阻率、高电阻温度系数二氧化钒热敏薄膜材料，具体包括以下步骤：①基片在真空环境下100-150℃预热40-100分钟；②采用纯氩气氛，在0.5-1.5Pa的工作气压下，对钛钌钒合金靶进行预射5-15分钟；③接着，采用氧/氩流量比为1:15-1:30的气氛，在1.5-2.5Pa的工作气压下，在步骤①所预热的基片上，溅射钛钌钒合金靶，沉积钛钌共掺氧化钒薄膜，沉积时间视具体的沉积速率和所需沉积的薄膜厚度而定；④对步骤③所沉积的钛钌共掺氧化钒薄膜进行富氧气氛退火，氧/氩流量比2:1-1:0，真空室气压1.0-3.0Pa,退火温度350-400℃，退火时间30-90分钟；退火后即得所述二氧化钒热敏薄膜材料。优选地，所述钛钌钒合金靶中钛、钌的原子百分比分别为6.0-9.0％、1.0-3.0％，其余为钒元素。技术方案二的制备方法为：以钛靶、钌靶和钒靶为溅射源采用共反应溅射方法制备无相变、低电阻率、高电阻温度系数二氧化钒热敏薄膜材料，具体包括以下步骤：①将基片在真空环境下100-150℃预热40-100分钟；②采用纯氩气氛，在0.5-1.5Pa的工作气压下，对钛靶、钌靶和钒靶依次进行预溅射5-15分钟；③接着，采用氧/氩流量比为1:20-1:35的气氛，在1.0-2.0Pa的工作气压下，对钛靶、钌靶和钒靶同时进行反应溅射，以在步骤①所预热的基片上沉积钛钌共掺氧化钒薄膜，沉积时间视具体的沉积速率和所需沉积的薄膜厚度而定；④对步骤③所沉积的钛钌共掺氧化钒薄膜进行富氧气氛退火，氧/氩流量比5:1-1:0，真空室气压1.5-3.0Pa,退火温度350-400℃，退火时间30-90分钟，退火后即得所述二氧化钒热敏薄膜材料。优选地，所述的基片层为高纯石英片、带SiO2薄膜的Si片、带SiNX薄膜的Si片、K9玻璃基片中的一种。优选地，所述钛靶、钌靶和钒靶的纯度均大于或等于99.0％。本专利技术具有以下有益效果：1、单斜相晶体结构：经过X射线衍射(XRD)分析证实，依据本专利技术方法所制备的钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料为单斜相结构，避免了常用非晶VOX薄膜带来的工艺限制问题。2、无相变：相比未掺杂的二氧化钒薄膜，依据本专利技术方法所制备的钛钌共掺二氧化钒薄膜的电阻率-温度特性曲线没有相变特征，能避免未掺杂二氧化钒薄膜相变特征对作为热敏薄膜的不利影响。3、低电阻率：依据本专利技术方法所制备的钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料具有较低的室温电阻率(1.0-3.5Ω·cm)，不到未掺杂二氧化钒薄膜的1/3，接近于VOX薄膜的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料，其特征在于，所述钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料是以钛和钌作为共掺杂剂制备。

【技术特征摘要】
1.一种钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料，其特征在于，所述钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料是以钛和钌作为共掺杂剂制备。2.根据权利要求1所述一种钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料，其特征在于，所述钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料包括基片层和钛钌共掺二氧化钒薄膜层，所述钛钌共掺二氧化钒薄膜层沉积在所述基片层上，所述钛钌共掺二氧化钒薄膜层包括钛、钌、钒、氧四种元素；其中，钛、钌和钒的原子百分比分别为4.0-7.0％、0.5-1.5％、25.0-30.0％，其余为氧元素。3.根据权利要求2所述的一种钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料，其特征在于，所述的基片层为高纯石英片、带SiO2薄膜的Si片、带SiNX薄膜的Si片、K9玻璃基片中的一种。4.一种钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料制备方法，其特征在于，是以钛和钌两种元素作为共掺杂剂制备，具体是以钛钌钒合金靶为源材料采用反应溅射方法制备无相变、低电阻率、高电阻温度系数的二氧化钒热敏薄膜材料，或以钛靶、钌靶和钒靶为溅射源采用共反应溅射方法制备无相变、低电阻率、高电阻温度系数二氧化钒热敏薄膜。5.根据权利要求4所述的一种钛钌共掺二氧化钒热敏薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述以钛钌钒合金靶为源材料采用反应溅射方法制备无相变、低电阻率、高电阻温度系数的二氧化钒热敏薄膜材料的制备方法，具体包括以下步骤：①将基片在真空环境下100-150℃预热40-100分钟；②采用纯氩气氛，在0.5-1.5Pa的工作气压下，对钛钌钒合金靶进行预溅射5-15分钟；③接着，采用氧/氩流量比为1:15-1:30的气氛，在1.5-2.5Pa的工作气压下，在步骤①所预热的基片上，溅射钛钌钒合金靶,沉积钛钌共掺氧化钒薄膜，沉积时间视具体的沉积速率和所需沉积的薄膜厚度而定；④对步...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾德恩，徐世洋，周鑫，郑宏航，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51