CN100546049C - 绝热性能的多孔硅基氧化钒薄膜及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绝热性能良好的多孔硅基氧化钒薄膜及制备方法，属于氧化钒薄膜热敏电阻技术。所述的多孔硅基氧化钒薄膜，包括单晶硅基层、多孔硅层、二氧化硅层和氧化钒薄膜层。制备过程包括：将单晶硅片依次在浓硫酸、去离子水、丙酮、乙醇中清洗；在氢氟酸与无水乙醇的混合液中电化学腐蚀，腐蚀后用去离子水洗涤，制得多孔硅层；在等离子体化学气相沉积设备中在多孔硅层表面生成二氧化硅层；利用磁控溅射方法在二氧化硅/多孔硅衬底上，溅射得到绝热性能良好的多孔硅基氧化钒薄膜层，从而得到绝热性能良好的多孔硅基氧化钒薄膜本发明的优点在于，工艺条件容易控制，制得的薄膜致密，与衬底粘附性好，面积大且均匀，具有良好的绝热性能。

Description

绝热性能的多孔硅基氧化钒薄膜及制备方法
技术领域
本发明涉及一种绝热性能的多孔硅基氧化钒薄膜及制备方法，属于氧化钒薄膜热敏电阻技术。
背景技术
以VO2为基的氧化钒薄膜VOx在室温下具有高的电阻温度系数，能达到-2×10-2K-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。要实现氧化钒薄膜热敏感性能在上述领域的应用，衬底的绝热性能至关重要，以保证微器件在低输入功率下的高灵敏度。目前用于氧化钒薄膜的衬底材料主要是单晶硅，硅由于具有高的热导率，为156W/M·K，红外辐射引起薄膜的热量增加，很容易通过衬底散失掉，不利于氧化钒薄膜优异热敏感电阻性能的实现；也有在硅上涂覆绝热层如聚酰亚胺作为衬底的，但其制备工艺与Si CMOS工艺不兼容，很难实现器件的批量生产和低成本。因此为了使氧化钒薄膜的热敏性能得到充分体现，且制作工艺与Si CMOS工艺兼容，需要具有低热导率的硅类衬底材料；采用悬台、悬臂等微结构，主要缺点是机械稳定性不好。多孔硅具有低的热导率，可降至1W/M·K以下，是很好的热绝缘材料，同时也使结构的机械性能得到提高。除了良好的绝热性能和机械性能以外，多孔硅在MEMS中作为绝热层应用的优势还在于多孔硅与IC工艺的兼容性。制备出的多孔硅表面平整，不仅可以淀积平整的薄膜，还可以形成高质量的外延单晶层，为进一步在多孔硅绝热层上制备为传感器提供了条件。采用多孔硅作为绝热层以替代传统的热隔离结构，可以大大提高微热敏传感器的灵敏度和稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种绝热性能的多孔硅基氧化钒薄膜及制备方法，该多孔基氧化钒薄膜具有良好的热绝缘性能，其制备方法简单。
本发明是通过以下技术方案加以实现，一种绝热性能的多孔硅基氧化钒薄膜，其特征在于，在单晶硅基层上，依次为多孔硅层，二氧化硅层和氧化钒薄膜层，所述的多孔硅层孔隙率为60-80％、厚度为20-110μm和孔径为10-50nm的多孔硅，所述的二氧化硅层厚度为
Figure C20061001490300031
的，所述的氧化钒薄膜层厚度为0.1μm-0.5μm。
上述的多孔硅基氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于包括以下过程：
1)将厚度为380-500μm的p型100晶面的单面抛光单晶硅片放入质量浓度为98％的硫酸与质量浓度为30％的双氧水按体积比3∶1的清洗液中，在室温条件下浸泡，直至不起气泡为止，除去表面的有机污染物；再用去离子水冲洗干净，然后放入质量浓度为20％的HF溶液中浸泡30秒除去表面的氧化层，用去离子水冲洗干净，将硅片放在丙酮溶液中超声清洗5分钟，再放入无水乙醇中超声清洗5分钟，最后将硅片放入无水乙醇中备用；
2)将经步骤1)清洗好的单晶硅片放入按体积比为1∶1的质量浓度为40％的HF与无水乙醇的腐蚀液中，在腐蚀液中以电流密度为40-80mA进行电化学腐蚀，腐蚀时间为30-50分钟，然后取出利用去离子水洗涤，制得孔隙率为60-80％、厚度为20-110μm、孔径为10-50nm的多孔硅；
3)将步骤2)制得的多孔硅在背底真空为4.5×10-1Pa，工作气压为4.3Pa，基片温度为150℃，工作气体为N2O和SiH4，流量分别为12ml/min和38ml/min，淀积时间为10分钟的条件下，在多孔硅衬底上生成厚度为
Figure C20061001490300041
二氧化硅薄膜层；
4)将步骤3)制得的二氧化硅/多孔硅衬底置于DPS-III型超高真空对靶磁控溅射设备的真空室中，采用质量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气与质量纯度为99.995％的氧气作为工作气体，以本底真空度为(2-3)×10-4Pa，溅射工作气压为1-2.0Pa，溅射功率为200-240W，溅射时间0.5-1小时，Ar、O2气体流量分别为48ml/min和0.4ml/min为工艺条件溅射得到厚度为0.1-0.5μm的氧化钒薄膜层，从而得到绝热性能的多孔硅基氧化钒薄膜。
本发明的优点在于，采用对靶磁控溅射方法得到的薄膜致密，与衬底粘附性好，面积大且均匀，并且工艺条件容易控制，制备得到的多孔硅/二氧化硅/氧化钒结构不需要进行多孔硅衬底的腐蚀，便可以使氧化钒薄膜具有较好的绝热性能，在0～100μW功率范围之内，硅基底上沉积的热敏电阻的阻值随功率下降的速率仅为2.1KΩ/μW，而在多孔硅层上沉积的电阻阻值下降速率可达到41.6KΩ/μW，下降速率是前者的近20倍。
附图说明
图1为本发明多孔硅基氧化钒薄膜的结构示意图。图中：1为硅基底，2为多孔硅层，3为二氧化硅层，4为氧化钒薄膜层；
图2为实施例1所制得的多孔硅基氧化钒薄膜的电阻随温度变化的曲线图；
图3为本发明所制备的多孔硅基氧化钒薄膜与现有的硅基氧化薄钒膜的电阻随功率变化曲线比较图。图中：1为硅上制备氧化钒薄膜电阻随功率变化的曲线，2为多孔硅上制备氧化钒薄膜电阻随功率变化的曲线；
图4为以本发明方法在不同孔隙率的多孔硅上制备的氧化钒薄膜的电阻随功率变化的曲线比较图。图中：1为孔隙率为79％的多孔硅上制备的氧化钒薄膜电阻随功率变化的曲线，2为孔隙率为73％的多孔硅上制备的氧化钒薄膜电阻随功率变化的曲线，3为孔隙率为63％的多孔硅上制备的氧化钒薄膜电阻随功率变化的曲线。
具体实施方式
实施例1
1)采用厚度为420μm，长2.5cm，宽1cm，p型100单面抛光单晶硅片作为衬底，对硅基片表面进行如下处理：取质量浓度为98％的H2SO4 30毫升和质量浓度为30％的H2O2 10毫升配成清洗液，将硅片放入清洗液中，在室温条件下浸泡，放置40分钟，除去了表面的有机污染物；将硅片从混合酸中取出后用去离子水冲洗3遍，再放入体积为30毫升、质量浓度为20％的HF溶液中浸泡30秒除去表面的氧化层；再用去离子水冲洗干净；将硅片放在体积为20毫升的丙酮溶液中超声清洗5分钟；将硅片取出，再放入体积为20毫升的无水乙醇中超声清洗5分钟；取出硅片放入无水乙醇中备用；采用双槽电化学腐蚀的方法，腐蚀液为质量浓度为40％的HF 35毫升与99.7％的无水乙醇35毫升的混合液，在80mA/cm2电流密度下腐蚀50分钟，制备出的孔隙率为77％、厚度为100μm、腐蚀窗口面积为0.946cm2的多孔硅样品；采用等离子体化学气相沉积法(PECVD)方法在多孔硅片上先沉积一层氧化硅薄膜，具体做法是：先将处理好的多孔硅置于真空室，抽背底真空至4.5×10-1Pa，工作气体压强为4.3Pa，基片温度为150℃，工作气体为N2O和SiH4，气流量分别为12ml/min和38ml/min，淀积时间为10分钟，得到的SiO2层厚度为
Figure C20061001490300051
采用对靶反应磁控溅射法，在上述附有氧化硅的多孔硅基片制备氧化钒薄膜，质量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，氩气与氧气的质量纯度分别为99.999％和99.995％，对靶反应磁控溅射的具体步骤为：抽背底真空至2×10-4Pa，氧气和氩气流量分别比为48ml/min∶0.4ml/min，，溅射气压2Pa，溅射功率为210W，溅射时间60分钟，基片温度为室温，得到长度为2cm，宽度为0.2cm，厚度为0.3μm的氧化钒薄膜层；对上述氧化钒薄膜进行电阻功率特性测试，功率范围为：0-100μW，电阻功率曲线如图3所示。在多孔硅层上沉积的电阻阻值下降速率可达到41.6KΩ/μW，本发明的绝热结构性能较好。
实施例2
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：步骤1中制备多孔硅的工艺参数中腐蚀时间为30分钟，得到的薄膜的孔隙率为73％，厚度为42μm；步骤4的溅射功率为210W，时间为45分钟，溅射气压为1.5Pa，电阻功率曲线如图4所示。多孔硅的热导率与其孔隙率，厚度成反比，孔隙率减小，氧化钒阻值随功率下降的平均速率为85.7KΩ/μW。
实施例3
本实施例与实施例1相似，不同之处在于：步骤1中制备多孔硅的工艺参数中电流密度变为40mA.cm-2，腐蚀时间仍为50分钟，得到的薄膜的孔隙率为63％，厚度为21μm；步骤4的溅射功率变为240W，时间为30分钟，溅射气压为1Pa，电阻功率曲线如图4所示。氧化钒阻值随功率下降的平均速率为57.1KΩ/μW。

Claims (2)

1.一种绝热性能的多孔硅基氧化钒薄膜，其特征在于，在单晶硅基层上，依次为多孔硅层，二氧化硅层和氧化钒薄膜层，所述的多孔硅层孔隙率为60-80％、厚度为20-110μm和孔径为10-50nm的多孔硅，所述的二氧化硅层厚度为
Figure C2006100149030002C1
的，所述的氧化钒薄膜层厚度为0.1-0.5um。
2.一种按权利要求1所述的绝热性能的多孔硅基氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于包括以下过程：
1)将厚度为380-500μm的p型100晶面的单面抛光单晶硅片放入质量浓度为98％的硫酸与质量浓度为30％的双氧水按体积比3∶1的清洗液中，在室温条件下浸泡，直至不起气泡为止，除去表面的有机污染物；再用去离子水冲洗干净，然后放入质量浓度为20％的HF溶液中浸泡30秒除去表面的氧化层，用去离子水冲洗干净，将硅片放在丙酮溶液中超声清洗5分钟，再放入无水乙醇中超声清洗5分钟，最后将硅片放入无水乙醇中备用；
2)将经步骤1)清洗好的单晶硅片放入按体积比为1∶1的质量浓度为40％的HF与无水乙醇的腐蚀液中，在腐蚀液中以电流密度为40-80mA进行电化学腐蚀，腐蚀时间为30-50分钟，然后取出利用去离子水洗涤，制得孔隙率为60-80％、厚度为20-110μm、孔径为10-50nm的多孔硅；
3)将步骤2)制得的多孔硅在背底真空为4.5×10-1Pa，工作气压为4.3Pa，基片温度为150℃，工作气体为N2O和SiH4，流量分别为12ml/min和38ml/min，淀积时间为10分钟的条件，在多孔硅衬底上生成厚度为
Figure C2006100149030002C2
二氧化硅薄膜层；
4)将步骤3)制得的二氧化硅/多孔硅衬底置于超高真空对靶磁控溅射设备的真空室中，采用质量纯度为99.9％的金属钒作为靶材，在质量纯度为99.999％的氩气与质量纯度为99.995％的氧气作为工作气体，以本底真空度为2×10-4Pa至3×10-4Pa，溅射工作气压为1-2.0Pa，溅射功率为200-240W，溅射时间0.5-1小时，氩与氧气体流量分别为48ml/min和0.4ml/min为工艺条件溅射得到厚度为0.1-0.5μm的氧化钒薄膜层，从而得到绝热性能的多孔硅基氧化钒薄膜。
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