專利名稱：脈沖激光沉積Si基VO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜取向生長(zhǎng)的方法。具體涉及一種脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法。
背景技術(shù)：
VO2薄膜由于其優(yōu)異的光電性能與熱敏特性越來(lái)越受到人們的重視，是近二十年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。VO2薄膜已廣泛應(yīng)用于激光防護(hù)、光電開關(guān)器件與紅外探測(cè)器，在紅外探測(cè)器應(yīng)用方面，采用在Si襯底上生長(zhǎng)取向VO2薄膜，有利于將大面積的VO2探測(cè)器陣列與Si基信號(hào)讀出與處理部件進(jìn)行單片集成。由于晶格失配引起界面處高密度的位錯(cuò)，在薄膜中產(chǎn)生大量缺陷，影響了薄膜的質(zhì)量與器件的性能。VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法包括Sol-Gel法、磁控濺射法、蒸發(fā)法與脈沖激光沉積法。Sol-Gel法可以獲得高取向的V2O5薄膜，但要制備高取向、高質(zhì)量的VO2薄膜則相當(dāng)困難；用磁控濺射法生長(zhǎng)的VO2純度不是很高，其中往往含有釩的其它氧化物，如V2O5，V2O3，VO等；常規(guī)熱蒸發(fā)法制備薄膜的過(guò)程中，生長(zhǎng)速度過(guò)快，導(dǎo)致VO2薄膜無(wú)法取向生長(zhǎng)，且結(jié)構(gòu)疏松。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決目前取向生長(zhǎng)VO2薄膜的方法中無(wú)法取向生長(zhǎng)，且結(jié)構(gòu)疏松，純度低的問(wèn)題，提供了一種脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法。本發(fā)明在Si襯底上獲得了結(jié)晶完整、表面質(zhì)量好與高取向的VO2薄膜。本發(fā)明方法的步驟如下a.清洗Si襯底、脫氧化膜→b.O2清洗沉積室，除雜質(zhì)氣體→c.V靶材脫氧化膜→d.生長(zhǎng)取向VO2薄膜→e.退火；所述“a.清洗Si襯底、脫氧化膜”的過(guò)程為將Si襯底先經(jīng)過(guò)丙酮超聲清洗5分鐘，再經(jīng)過(guò)去離子水清洗，再經(jīng)過(guò)乙醇超聲清洗5分鐘，再經(jīng)過(guò)離子水清洗，最后用體積比為1∶8的氫氟酸和去離子水清洗2～3分鐘，Si襯底脫去氧化膜；所述“b.O2清洗沉積室，除雜質(zhì)氣體”的過(guò)程為Si襯底和單質(zhì)V靶放入沉積室，預(yù)沉積薄膜的溫度為470℃～650℃，通入少量氧氣，然后抽真空至10-6～10-5Pa，再通入氧氣，再抽真空，反復(fù)多次，直至在沉積室的背底真空度大于10-5Pa時(shí)，氧氣含量高于沉積室內(nèi)最高含量雜質(zhì)氣體的2倍以上；所述“c.V靶材脫氧化膜”的過(guò)程為激光清洗靶材表面去除自然氧化層，脈沖激光頻率為1Hz，沉積室的背底真空度為10-6～10-5Pa；所述“d.生長(zhǎng)取向VO2薄膜”的過(guò)程為生長(zhǎng)取向VO2薄膜時(shí)，控制襯底溫度即沉積薄膜的溫度為470℃～650℃，激光能量密度為7J/cm2，脈沖激光頻率為5Hz，通O2的同時(shí)抽真空，使氧氣壓力維持在0.8Pa，靶材與襯底的距離為80mm或45mm，脈沖數(shù)為3000；所述“e.退火”的過(guò)程為脈沖激光沉積VO2薄膜后，薄膜在與生長(zhǎng)同樣的溫度和氧氣壓力條件下保持30分鐘，然后隨爐冷卻至200℃，關(guān)閉氧氣閥，襯底降溫至室溫。
本發(fā)明采用取向<100>的Si半導(dǎo)體襯底，使用脈沖激光沉積設(shè)備在預(yù)處理的Si襯底上生長(zhǎng)滿足取向要求的VO2薄膜，再對(duì)薄膜進(jìn)行退火處理。對(duì)Si襯底的清洗可以減小襯底表面氧化層的影響，后續(xù)的退火工藝可改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量并降低其表面粗糙度。采用本發(fā)明的脈沖激光沉積Si基取向VO2薄膜的生長(zhǎng)工藝制備出結(jié)晶完整、表面光滑的VO2薄膜，薄膜為<011>的擇優(yōu)取向，表面粗糙度為1～22nm，薄膜厚度為20～40nm。為Si基紅外探測(cè)器的制作提供了材料工藝手段。具有畸變金紅石型結(jié)構(gòu)的VO2薄膜(晶格常數(shù)a＝0.575nm、b＝0.542nm、c＝0.538nm)與立方結(jié)構(gòu)的單晶Si(晶格常數(shù)為a＝0.543nm)的晶格失配度很小，有利于改善二者之間的界面特性。因此，獲取Si基高取向、高表面質(zhì)量的VO2薄膜的脈沖激光沉積的工藝技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。
本發(fā)明具有組分易控制，參數(shù)易調(diào)整，生長(zhǎng)速率快，工藝重復(fù)性好，薄膜質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式方法的步驟如下a.清洗Si襯底、脫氧化膜→b.O2清洗沉積室，除雜質(zhì)氣體→c.V靶材脫氧化膜→d.生長(zhǎng)取向VO2薄膜→e.退火；所述“a.清洗Si襯底、脫氧化膜”的過(guò)程為將Si襯底先經(jīng)過(guò)丙酮超聲清洗5分鐘，再經(jīng)過(guò)去離子水清洗，再經(jīng)過(guò)乙醇超聲清洗5分鐘，再經(jīng)過(guò)離子水清洗，最后用體積比為1∶8的氫氟酸和去離子水清洗23分鐘，Si襯底脫去氧化膜；所述“b.O2清洗沉積室，除雜質(zhì)氣體”的過(guò)程為Si襯底和單質(zhì)V靶放入沉積室，預(yù)沉積薄膜的溫度為470℃～650℃，通入少量氧氣，然后抽真空至106～105Pa，再通入氧氣，再抽真空，反復(fù)多次，直至在沉積室的背底真空度大于105Pa時(shí)，氧氣含量高于沉積室內(nèi)最高含量雜質(zhì)氣體的2倍以上；所述“c.V靶材脫氧化膜”的過(guò)程為激光清洗靶材表面去除自然氧化層，脈沖激光頻率為1Hz，沉積室的背底真空度為106～105Pa；所述“d.生長(zhǎng)取向VO2薄膜”的過(guò)程為生長(zhǎng)取向VO2薄膜時(shí)，控制襯底溫度即沉積薄膜的溫度為470℃～650℃，激光能量密度為7J/cm2，脈沖激光頻率為5Hz，通O2的同時(shí)抽真空，使氧氣壓力維持在0.8Pa，靶材與襯底的距離為80mm或45mm，脈沖數(shù)為3000；所述“e.退火”的過(guò)程為脈沖激光沉積VO2薄膜后，薄膜在與生長(zhǎng)同樣的溫度和氧氣壓力條件下保持30分鐘，然后隨爐冷卻至200℃，關(guān)閉氧氣閥，襯底降溫至室溫。
本實(shí)施方式中預(yù)處理室的真空度以電阻真空計(jì)的讀數(shù)為準(zhǔn)。主沉積室的真空度利用電離真空計(jì)測(cè)得，此時(shí)的真空度可視為氧氣壓力。襯底溫度以紅外測(cè)溫儀測(cè)得的溫度為準(zhǔn)。VO2薄膜厚度以臺(tái)階儀測(cè)得為準(zhǔn)，VO2薄膜表面粗糙度的算術(shù)平均值利用原子力顯微鏡自帶軟件測(cè)得。第3步沉積室雜質(zhì)氣體含量用四極質(zhì)譜儀監(jiān)測(cè)。生長(zhǎng)得到的VO2薄膜X射線衍射取向<011>的VO2衍射峰半高峰寬0.118°，1×1μm2選區(qū)表面粗糙度的算術(shù)平均值1.512nm，VO2薄膜厚度20.9nm。
具體實(shí)施例方式
二本實(shí)施方式中Si襯底為取向<100>的Si半導(dǎo)體襯底，電阻率8～12Ω-cm。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施例方式
三本實(shí)施方式中單質(zhì)V靶的純度為99.99wt.％。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施例方式
四本實(shí)施方式中氧氣的純度為99.99％。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施例方式
五本實(shí)施方式中取向生長(zhǎng)使用的設(shè)備為脈沖激光沉積系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱為PLD)。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施例方式
六本實(shí)施方式中激光源采用KrF準(zhǔn)分子激光器，KrF準(zhǔn)分子激光器的型號(hào)LPX 305i，激光波長(zhǎng)248nm，脈寬25ns。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施例方式
七本實(shí)施方式在步驟B中控制襯底溫度為480℃。其它與具體
具體實(shí)施例方式
八本實(shí)施方式在步驟B中控制襯底溫度為500℃。其它與具體
具體實(shí)施例方式
九本實(shí)施方式在步驟B中控制襯底溫度為550℃。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
實(shí)施方式生長(zhǎng)得到的VO2薄膜X射線衍射取向<011>的VO2衍射峰半高峰寬0.329°，1×1μm2選區(qū)表面粗糙度的算術(shù)平均值7.746nm，VO2薄膜厚度23.7nm。
具體實(shí)施例方式
十本實(shí)施方式在步驟B中控制襯底溫度為620℃，靶材與襯底的距離為80mm。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
本實(shí)施方式生長(zhǎng)得到的VO2薄膜X射線衍射取向<011>的VO2衍射峰半高峰寬0.235°，1×1μm2選區(qū)表面粗糙度的算術(shù)平均值22.189nm，VO2薄膜厚度40.3nm。
具體實(shí)施例方式
十一本實(shí)施方式在步驟B中控制襯底溫度為650℃，靶材與襯底的距離為80mm。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
生長(zhǎng)得到的VO2薄膜X射線衍射取向<011>的VO2衍射峰半高峰寬0.215°，1×1μm選區(qū)表面粗糙度的算術(shù)平均值13.288nm，VO2薄膜厚度37.7nm。
具體實(shí)施例方式
十二本實(shí)施方式在步驟B中控制襯底溫度為620℃，靶材與襯底的距離為45mm。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
本實(shí)施方式生長(zhǎng)得到的VO2薄膜X射線衍射VO2取向011的衍射峰半高峰寬0.259°。
本發(fā)明具有組分易控制，參數(shù)易調(diào)整，生長(zhǎng)速率快，工藝重復(fù)性好，薄膜質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征在于它的方法步驟如下a.清洗Si襯底、脫氧化膜→b.O2清洗沉積室，除雜質(zhì)氣體→c.V靶材脫氧化膜→d.生長(zhǎng)取向VO2薄膜→e.退火；所述“a.清洗Si襯底、脫氧化膜”的過(guò)程為將Si襯底先經(jīng)過(guò)丙酮超聲清洗5分鐘，再經(jīng)過(guò)去離子水清洗，再經(jīng)過(guò)乙醇超聲清洗5分鐘，再經(jīng)過(guò)離子水清洗，最后用體積比為1∶8的氫氟酸和去離子水清洗2～3分鐘，Si 襯底脫去氧化膜；所述“b.O2清洗沉積室，除雜質(zhì)氣體”的過(guò)程為Si襯底和單質(zhì)V靶放入沉積室，預(yù)沉積薄膜的溫度為470℃～650℃，通入少量氧氣，然后抽真空至10-6～10-5Pa，再通入氧氣，再抽真空，反復(fù)多次，直至在沉積室的背底真空度大于10-5Pa時(shí)，氧氣含量高于沉積室內(nèi)最高含量雜質(zhì)氣體的2倍以上；所述“c.V靶材脫氧化膜”的過(guò)程為激光清洗靶材表面去除自然氧化層，脈沖激光頻率為1Hz，沉積室的背底真空度為10-6～10-5Pa；所述“d.生長(zhǎng)取向VO2薄膜”的過(guò)程為生長(zhǎng)取向VO2薄膜時(shí)，控制襯底溫度即沉積薄膜的溫度為470℃～650℃，激光能量密度為7J/cm2，脈沖激光頻率為5Hz，通O2的同時(shí)抽真空，使氧氣壓力維持在0.8Pa，靶材與襯底的距離為80mm或45mm，脈沖數(shù)為3000；所述“e.退火”的過(guò)程為脈沖激光沉積VO2薄膜后，薄膜在與生長(zhǎng)同樣的溫度和氧氣壓力條件下保持30分鐘，然后隨爐冷卻至200℃，關(guān)閉氧氣閥，襯底降溫至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征在于Si襯底為取向<100>的Si半導(dǎo)體襯底，電阻率8～12Ω·cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征在于單質(zhì)V靶的純度為99.99wt.％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征在于氧氣的濃度為99.99％
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征在于取向生長(zhǎng)使用的設(shè)備為脈沖激光沉積系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征在于在步驟B中控制襯底溫度為480℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征在于在步驟B中控制襯底溫度為500℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征在于在步驟B中控制襯底溫度為550℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征在于在步驟B中控制襯底溫度為620℃。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光沉積Si基VO2薄膜取向生長(zhǎng)的方法，其特征在于在步驟B中控制襯底溫度為650℃。
全文摘要
脈沖激光沉積Si基VO
文檔編號(hào)C23C14/28GK1963996SQ200610151058
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者王銀玲, 李美成, 吳敢, 陳學(xué)康, 趙連城 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)