金属氧化法制备氧化钒薄膜的方法

摘要

本发明公开了一种金属氧化法制备氧化钒薄膜的方法，步骤为：(1)制备Si

说明书

技术领域

本发明是关于氧化钒薄膜热敏电阻的，尤其涉及采用金属氧化法制备氧化钒薄膜的方法。

背景技术

氧化钒薄膜VOx在室温下具有较高的电阻温度系数，能达到-3×10^-2K^-1以上，是一般金属薄膜的5～10倍，是目前用来制作热敏传感器、红外探测器和红外成像器件的理想材料。目前，制备氧化钒薄膜的主要方法是反应溅射镀膜法，即在真空室内，同时通入氩气和氧气，氩气作为保护气体，氧气作为反应气体。溅射金属钒的同时，氧和钒直接反应形成氧化钒薄膜，这种制备方法，需要的条件非常严格，需要同时控制较多参数，较为复杂。而金属氧化法将制备氧化钒薄膜的过程分为两步：首先，利用直流对靶磁控溅射的方法在衬底上制备金属钒薄膜，然后对其退火氧化得到具有较高电阻温度系数的氧化钒薄膜。溅射金属钒薄膜需要控制工作压强和溅射时间两个条件；退火氧化需要控制退火温度和退火时间两个条件，这四个条件分为两步实施，减少了互相影响，更易于控制，所制备的氧化钒薄膜具有较高的电阻温度系数。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的控制参数较多、工艺复杂的缺点，提供一种金属氧化法制备具有较高电阻温度系数的氧化钒薄膜的方法，该方法制备的氧化钒薄膜的电阻温度系数达到-3×10^-2K^-1以上，制备方法简单。

本发明的金属氧化法制备氧化钒薄膜的方法，具有如下步骤：

(1)制备Si₃N₄衬底：

本体真空：4.5×10^-1Pa；工作气体：NH₄和用N₂稀释的SiH₄；工作气压：4.3Pa；NH₄和用N₂流量分别为：12ml/min和38ml/min；衬底温度：100℃，淀积12分钟；制得Si₃N₄层硅片；

将表面生长了Si₃N₄层的硅片切割成尺寸为2cm×1cm的Si₃N₄衬底，以备镀制金属钒薄膜；

(2)制备纯金属钒薄膜：

将制得的Si₃N₄衬底置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质中量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体；以本体真空度为(5～6)×10^-4Pa，溅射工作气压为1～2.0Pa，溅射时间为10～20min，Ar气体流量为48ml/min，制得纯金属钒薄膜；

(3)退火氧化

将制得的金属钒薄膜，置于退火炉内，退火环境为大气环境，退火温度为400～500℃，退火氧化时间为1～2h。

所述步骤(1)的Si₃N₄层度为

所述步骤(1)的衬底为氮化硅衬底、玻璃衬底或者导电玻璃衬底。

所述步骤(2)的优选的溅射工作气压为1Pa、溅射时间为20min。

所述步骤(2)的高真空对靶磁控溅射设备的真空室为DPS-III型高真空对靶磁控溅射设备的真空室。

所述步骤(3)的优选的退火温度为400℃、退火时间为1.5h。

所述步骤(3)的退火温度控制采用微型数字式温度控制器。

本发明的有益效果是，提供了一种易于控制、工艺简单的金属氧化法制备具有较高电阻温度系数的氧化钒薄膜的方法，该方法制备的氧化钒薄膜的电阻温度系数达到-3×10^-2K^-1以上，拓展了氧化钒薄膜的制备方法。

附图说明

图1是实施例1的阻温特性曲线图；

图2是实施例2的阻温特性曲线图。

具体实施方式

本发明所用原料采用常规的市售化学纯原料。

实施例1

(1)制备Si₃N₄工艺条件：本体真空：4.5×10^-1Pa；工作气体：NH₄和用N₂稀释的SiH₄；工作气压：4.3Pa；NH₄和用N₂流量分别为：12ml/min和38ml/min；衬底温度：100℃，淀积12分钟。Si₃N₄厚度约为将表面生长了Si₃N₄层的硅片切割成尺寸为2cm×1cm的长方形衬底，以备镀制金属钒薄膜；

(2)将步骤(1)制得的Si₃N₄衬底置于DPS-III型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质中量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体。以本底真空度为5×10^-4Pa，溅射工作气压为1Pa，溅射时间为20min，Ar气体流量为48ml/min，制备出金属钒薄膜。

(3)将步骤(2)制得的金属钒薄膜，置于退火炉内，退火环境为大气环境，退火炉的封盖可以较好的将样片封闭在相对稳定的退火气氛中，但由于不是完全密封容器，也不可避免的受外界环境的影响。温度控制采用微型数字式温度控制器。退火温度设定为400℃，退火氧化时间为1.5h。

实施例1制得的氧化钒薄膜其主要成分为V₂O₅，室温下阻值36kΩ，室温附近电阻温度系数-3.26×10^-2K^-1，其电阻温度系数较高，阻值适用于微测辐射热计用热敏电阻。

实施例1的阻温特性曲线如图1所示。

实施例2

(1)制备Si₃N₄工艺条件：本体真空：4.5×10^-1Pa；工作气体：NH₄和用N₂稀释的SiH₄；工作气压：4.3Pa；NH₄和用N₂流量分别为：12ml/min和38ml/min；衬底温度：100℃，淀积12分钟。Si₃N₄厚度约为将表面生长了Si₃N₄层的硅片切割成尺寸为2cm×1cm的长方形衬底，以备镀制金属钒薄膜；

(2)将步骤(1)制得的Si₃N₄衬底置于DPS-III型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质中量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体。以本底真空度为5×10^-4Pa，溅射工作气压为2Pa，溅射时间为10min，Ar气体流量为48ml/min，制备出金属钒薄膜。

(3)将步骤(2)制得的金属钒薄膜，置于退火炉内，退火环境为大气环境，退火炉的封盖可以较好的将样片封闭在相对稳定的退火气氛中，但由于不是完全密封容器，也不可避免的受外界环境的影响。温度控制采用微型数字式温度控制器。退火温度设定为400℃，退火氧化时间为2h。

实施例2制得的氧化钒薄膜室温电阻28kΩ，电阻温度系数-1.5×10^-2K^-1。

实施例2的阻温特性曲线如图2所示。

实施例3

(1)制备Si₃N₄工艺条件：本体真空：4.5×10^-1Pa ；工作气体：NH₄和用N₂稀释的SiH₄；工作气压：4.3Pa；NH₄和用N₂流量分别为：12ml/min和38ml/min；衬底温度：100℃，淀积12分钟。Si₃N₄厚度约为将表面生长了Si₃N₄层的硅片切割成尺寸为2cm×1cm的长方形衬底，以备镀制金属钒薄膜；

(2)将步骤(1)制得的Si₃N₄衬底置于DPS-III型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质中量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体。以本底真空度为5×10^-4Pa，溅射工作气压为2Pa，溅射时间为20min，Ar气体流量为48ml/min，制备出金属钒薄膜。

(3)将步骤(2)制得的金属钒薄膜，置于退火炉内，退火环境为大气环境，退火炉的封盖可以较好的将样片封闭在相对稳定的退火气氛中，但由于不是完全密封容器，也不可避免的受外界环境的影响。温度控制采用微型数字式温度控制器。退火温度设定为500℃，退火氧化时间为1h。

实施例3制得的氧化钒薄膜室温电阻312kΩ，电阻温度系数-1.28×10^-2K^-1。

实施例4

(1)制备Si₃N₄工艺条件：本体真空：4.5×10^-1Pa；工作气体：NH₄和用N₂稀释的SiH₄；工作气压：4.3Pa；NH₄和用N₂流量分别为：12ml/min和38ml/min；衬底温度：100℃，淀积12分钟。Si₃N₄厚度约为将表面生长了Si₃N₄层的硅片切割成尺寸为2cm×1cm的长方形衬底，以备镀制金属钒薄膜；

(2)将步骤(1)制得的Si₃N₄衬底置于DPS-III型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质中量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体。以本底真空度为5×10^-4Pa，溅射工作气压为1.5Pa，溅射时间为10min，Ar气体流量为48ml/min，制备出金属钒薄膜。

(3)将步骤(2)制得的金属钒薄膜，置于退火炉内，退火环境为大气环境，退火炉的封盖可以较好的将样片封闭在相对稳定的退火气氛中，但由于不是完全密封容器，也不可避免的受外界环境的影响。温度控制采用微型数字式温度控制器。退火温度设定为500℃，退火氧化时间为1.5h。

实施例4制得的氧化钒薄膜室温电阻87kΩ，电阻温度系数-1.05×10^-2K^-1。

实施例5

(1)制备Si₃N₄工艺条件：本体真空：4.5×10^-1Pa；工作气体：NH₄和用N₂稀释的SiH₄；工作气压：4.3Pa；NH₄和用N₂流量分别为：12ml/min和38ml/min；衬底温度：100℃，淀积12分钟。Si₃N₄厚度约为将表面生长了Si₃N₄层的硅片切割成尺寸为2cm×1cm的长方形衬底，以备镀制金属钒薄膜；

(2)将步骤(1)制得的Si₃N₄衬底置于DPS-III型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室，采用质中量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气作为工作气体。以本底真空度为5×10^-4Pa，溅射工作气压为1Pa，溅射时间为15min，Ar气体流量为48ml/min，制备出金属钒薄膜。

(3)将步骤(2)制得的金属钒薄膜，置于退火炉内，退火环境为大气环境，退火炉的封盖可以较好的将样片封闭在相对稳定的退火气氛中，但由于不是完全密封容器，也不可避免的受外界环境的影响。温度控制采用微型数字式温度控制器。退火温度设定为500℃，退火氧化时间为2h。

实施例5制得的氧化钒薄膜室温电阻69kΩ，电阻温度系数-1.48×10^-2K^-1。

本发明的金属氧化法除了适用于氮化硅衬底外，还可适用于玻璃衬底、导电玻璃衬底等；本发明的氧化钒薄膜是目前用来制作热敏传感器、红外探测器和红外成像器件的理想材料。