晶體的非晶氧化釩薄膜材料和制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜材料，以及一種含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化釩薄膜VOx為一種熱敏材料，由于其較低的室溫電阻、高的電阻溫度系數(shù)(TCR)值(2.0% /K左右，比大多數(shù)金屬高5?10倍)、制備工藝與硅工藝兼容以及其制得的器件具有較低的Ι/f噪聲與較高的幀數(shù)(60HZ)等特點，近年來被廣泛關(guān)注和研究。。
[0003]但一般來說薄膜的電阻值與電阻溫度系數(shù)(TCR)兩個參數(shù)之間存在著相互制約的關(guān)系，TCR值大的薄膜阻值也大，而降低阻值TCR也會隨之降低。已有的研究結(jié)果表明，氧化釩薄膜的熱敏特性決定于所形成薄膜的化學(xué)成分計量比、結(jié)晶狀態(tài)和顯微結(jié)構(gòu)等主要因素，這些主要因素又決定于氧化釩薄膜的制備技術(shù)和制備工藝條件。具有適用性能的VOx薄膜相應(yīng)的工藝窗口通常較窄，所以要獲得具有可重復(fù)性質(zhì)薄膜時，對制備條件必須加以精確控制，這是研究VOx薄膜的難點所在。不同的VO 膜制備技術(shù)和工藝條件獲得的薄膜特性往往差別很大，因此研究各種制備技術(shù)及其工藝條件以形成所需特性的氧化釩薄膜是必須的。室溫附近電阻率溫度系數(shù)是目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域科研人員研究中的關(guān)鍵課題。
[0004]目前商用的氧化釩薄膜是非晶體，多晶體，或者是非晶體與晶體的混合物結(jié)構(gòu)。薄膜是由幾種氧化釩的混合物組成，例如V02，V2O3, V2O5, V4O9等。就成分而言，目前應(yīng)用的VO x薄膜沒有固定的成分，但是氧化釩薄膜的平均化合價有個大致的范圍，即薄膜的化學(xué)成分計量比X值在2左右，即釩的平均價態(tài)為+4價。
[0005]氧化釩薄膜制備的方法有很多種，例如離子束沉積法，磁控濺射沉積法、脈沖激光沉積法、蒸發(fā)法及溶膠-凝膠法等。其中，利用脈沖激光沉積工藝制得的薄膜均勻性差，而且只能小面積的襯底上制作。利用離子束沉積法很容易靶中毒而且也只能小面積制備。利用蒸發(fā)法制備的薄膜與基底附著力不好且成分不純易混入雜質(zhì)；利用溶膠-凝膠法制備的薄膜容易產(chǎn)生龜裂且重復(fù)性差以及難以和標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容。目前先利用磁控濺射方法制備氧化釩混合物薄膜，然后再經(jīng)過后退火工藝微調(diào)其成分，結(jié)構(gòu)，性能的研究不夠深入，而且沒有報道制備出含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種克服上述問題的含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜材料，及其一種含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜材料的制備方法，以實現(xiàn)優(yōu)化氧化釩薄膜材料的性能，提高釩氧化薄膜的重復(fù)使用壽命。
[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜材料的制備方法，所述方法包括以下步驟:
[0008]清潔干燥的硅片的制備:將硅片依次在純度為99.99%的濃鹽酸、丙酮、無水乙醇和去離子水中依次超聲波清洗20?30min，除去所述硅基片表面的雜質(zhì)，然后對清洗后的所述硅基片進(jìn)行烘干備用；
[0009]非晶體釩氧化物薄膜的磁控濺射制備:濺射過程以金屬釩靶為靶材，以清潔干燥的硅片為襯底，以氬氣為濺射氣體，以氧氣為反應(yīng)氣體，共同通入磁控濺射腔室內(nèi)，在所述硅片基底上沉積非晶體釩氧化物薄膜；
[0010]所述濺射過程的具體參數(shù)如下:把清潔干燥的硅片置于磁控濺射真空室，將磁控濺射真空室抽真空至0.5X 10 5Pa?9X 10 4Pa,通入的所述氬氣的氣體流量為38sccm?55sccm，所述氧氣的氣體流量為0.7sccm?1.4sccm，通入所述氬氣和所述氧氣后調(diào)節(jié)所述磁控濺射真空室的真空度為0.3Pa?2.5Pa，所述濺射過程中所述襯底的溫度為25°C?3500C，濺射的功率為50W?100W，在制備所述非晶體釩氧化物薄膜前，采用相同的濺射條件預(yù)濺射所述靶材5?20min，以去除所述靶材表面的雜質(zhì)，再經(jīng)過3?20min濺射得到非晶體釩氧化物薄膜；
[0011]含有￥6013晶體的非晶氧化釩薄膜的熱處理制備:將制備的所述非晶體釩氧化物薄膜放入熱處理爐中，熱處理過程中的具體參數(shù)如下:熱處理過程的真空度為500Pa?5000Pa，升溫速度為60°C /s?100°C /s，溫度升高至450°C?520°C，保溫時間為400s?800s，在5s?1s內(nèi)降低所述退火爐內(nèi)的溫度至350°C?400°C，保溫時間為200s，然后在1s?20s內(nèi)將所述退火爐內(nèi)的溫度降低至25°C，得到所述含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜。
[0012]可選地，使用的所述金屬釩靶中金屬靶的純度為99.999%。
[0013]可選地，所述濺射氣體中所述氧氣和所述氬氣純度分別為99.999%。
[0014]可選地，在所述非晶體釩氧化物薄膜的制備過程中，所述濺射過程中的具體參數(shù)如下:將磁控派射真空室抽真空至0.5X 10 4Pa?4X 10 4Pa,所述派射氣體中所述氬氣的氣體流量為43sccm?50sccm，所述氧氣的氣體流量為0.9sccm?1.2sccm，通入所述氬氣和所述氧氣后調(diào)節(jié)所述磁控濺射真空室的真空度為0.5Pa?1.5Pa，濺射時所述襯底的溫度為50 °C?200 0C，濺射功率為70W?90W，在制備所述非晶體釩氧化物薄膜前，采用相同的濺射條件預(yù)派射所述革E材5min?15min。
[0015]可選地，在所述含有％013晶體的非晶氧化釩薄膜的制備過程中，所述熱處理過程中的具體參數(shù)如下:所述退火爐內(nèi)的真空度為100Pa?3000Pa，熱處理升溫速度為60°C /s?100°C /s，溫度先升至460°C?480 °C，保溫500s?700s，然后在5s?1s內(nèi)降溫至350°C?400°C，保溫200s，最后在1s?20s內(nèi)降至25°C。
[0016]可選地，在所述非晶體釩氧化物薄膜的制備過程中，所述濺射過程中的具體參數(shù)如下:將所述磁控濺射真空室抽真空至4X 10 4Pa ;濺射氣體為氧氣和氬氣的混合氣體，氬氣的氣體流量為43sccm，氧氣的氣體流量為0.9sccm ;通入氬氣和氧氣混合氣體后調(diào)節(jié)所述磁控濺射的腔室的真空度為0.5Pa，濺射的功率為70W，濺射的溫度為200°C ;在制備所述非晶體釩氧化物薄膜前，采用相同的濺射條件預(yù)濺射所述靶材lOmin，以去除所述靶材表面的雜質(zhì)，采用相同的濺射條件再濺射15min，停止濺射，關(guān)閉加熱電源，使襯底自然降溫至室溫 25。。。
[0017]可選地，在所述含有％013晶體的非晶氧化釩薄膜的制備過程中，所述熱處理過程中的具體參數(shù)如下:退火過程中所述熱處理爐內(nèi)的真空度為3000Pa，升溫速度為60°C /s，升溫至480°C，保溫500s，然后對所述熱處理爐進(jìn)行降溫，在5s內(nèi)將所述熱處理爐內(nèi)的溫度降到400°C，保溫200s，再經(jīng)過1s內(nèi)將所述熱處理爐內(nèi)的溫度降到25°C。
[0018]本發(fā)明還提供一種含有％013晶體的非晶氧化釩薄膜材料，所述薄膜材料包括晶體氧化釩和非晶體氧化釩，其中所述晶體氧化釩為v6013。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下優(yōu)點:
[0020]本發(fā)明提供了一種含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜材料和制備方法，采用本發(fā)明的薄膜制備方法可以大面積生產(chǎn)含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜材料，制備的所述薄膜材料的表面平整致密、材料的顆粒比較均勻。同時，生成的所述含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜材料電阻適中，電阻隨溫度變化敏感，電阻溫度系數(shù)大于2% /K，且在升降溫過程中電阻變化穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)電阻的躍迀，可用于制造微測輻射熱計。
[0021]同時，本發(fā)明的釩氧化物薄膜材料的制備工藝簡單、材料制備的重復(fù)性高、薄膜材料的制備成本低和制備周期短，所以本發(fā)明的釩氧化物薄膜的制備方法適用于工業(yè)化使用。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例的制備含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜的方法的流程圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實施例3中所制備的含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜的X射線衍射(XRD)圖;
[0024]圖3為本發(fā)明實施例3中所制備的含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜的掃描式電子顯微鏡圖；
[0025]圖4為本發(fā)明實施例3中所制備的含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜的電阻溫度曲線圖；
[0026]圖5為本發(fā)明實施例4中所制備的含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜的XRD圖；
[0027]圖6為本發(fā)明實施例4中所制備的含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜的掃描式電子顯微鏡圖；
[0028]圖7為本發(fā)明實施例4中所制備的含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜的電阻溫度曲線圖；
[0029]圖8為本發(fā)明實施例5中所制備的含有V6O13晶體的非晶氧化釩薄膜的XRD圖；
[0030]圖9為本發(fā)明實施例5