CN101278382B - 突变金属-绝缘体转变晶片、该晶片的热处理设备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有突变金属-绝缘体转变特性的晶片、以及该晶片的热处理设备和方法，该热处理设备和方法能够量产大直径晶片而无须将晶片附着到加热器或基板支撑物。该热处理设备包括：加热器，向具有突变金属-绝缘体转变特性且一个表面覆盖有热不透明膜的晶片供给热量；以及沿着该加热器的顶部表面的边缘部分形成的以将该晶片固定到该加热器的多个固定单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有突变金属-绝缘体转变(metal-insulator transition，MIT)特性的晶片以及该晶片的热处理设备与方法，且更具体而言涉及具有突变MIT特性的晶片、以及对该晶片实施均匀大规模热处理工艺的设备和方法。
背景技术
近年来，采用相变材料的存储器装置研究和发展活跃。这种存储器装置的一个示例为在高温下从结晶相转变为非晶相的相变存储器(phase changememory，PCM)装置。然而，这种结构性的相变使PCM装置中原子的位置变化，因而不能提供快的转换速度。因此，PCM装置不适合用作高速开关器件。
为了解决这个问题，在美国专利No.6,624,463中公开了一种采用突变金属-绝缘体转变材料的突变MIT器件。突变MIT材料的特征在于从绝缘体到金属的过渡不是连续地发生，而是通过在Mott-Brinkman-Rice绝缘体中加入低浓度空穴而陡峭地发生。空穴驱动MIT理论已经在下述论文中提出：′NewTrends in Superconductivity′[NATO Science Series Vol II/67(Kluwer，2002)p137，author：Hyun-TaK Kim]或网址http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0110112。
可以采用多种方法制突变MIT材料，包括溅射法、激光沉积法、溶胶-凝胶法、以及原子沉积法。突变MIT材料的典型例子是具有良好结晶度和发生突变MIT的钒氧化物(特别是VO2)。然而，难以量产VO2薄膜。其原因在于，钒氧化物存在多种相，因此用于生产VO2薄膜的氧的量很难调节。所以，为了生产VO2薄膜，能够调节氧的量并改善结晶度的热处理方法是基本的。
在常规VO2薄膜生产方法中，首先把含有较大氧含量并且容易生产的钒氧化物，例如V2O5薄膜，附着到基板支撑物或涂敷有液态银(Ag)浆的加热器。然后，利用该加热器加热该V2O5薄膜，以去除V2O5中含有的氧，从而形成VO2薄膜。这种常规的VO2薄膜生产方法适用于形成小面积例如2×2cm2的VO2薄膜。其原因在于，在热处理完成后，该2×2cm2的VO2薄膜可以容易地从加热器或基板支撑物移除。
然而，直径2英寸以上的VO2薄膜晶片难以从加热器或基板支撑物移除。亦即，在移除过程中，该VO2薄膜晶片中会产生残余应力，或者该VO2薄膜晶片甚至会崩裂。因此，需要一种能够大量生产VO2薄膜而无须将它附着到加热器或基板支撑物的方法。
发明内容
技术问题
本发明提供了一种具有突变金属-绝缘体转变(MIT)特性的晶片，以及对该晶片实施热处理操作的设备，该设备能够大量生产大直径晶片而无须将晶片直接附着到加热器或基板支撑物。
本发明还提供了一种使用上述设备对具有突变MIT特性的薄膜实施热处理操作的方法。
技术方案
依据本发明的一个方面，提供了一种具有突变MIT特性的晶片，该晶片包括：在基板上的具有突变MIT特性的MIT膜；以及金属层，通过在基板上涂敷或沉积具有良好电导率和热导率的浆料来形成。
依据本发明的另一个方面，提供了一种热处理设备，包括：加热器，向具有突变MIT特性的晶片供给热量，且一个表面覆盖有热不透明膜(thermalopaque film)；以及多个固定单元，沿该加热器顶部表面的边缘部分形成，以将该晶片固定到该加热器。
该热不透明膜能够吸收热量，且吸收的热量均匀地分布在该热不透明膜中。该热不透明膜可以用金属膜或含有金属的浆料形成。该热不透明膜可以是使用选自下述组成的群组的一种形成的单层或多层金属膜：Li、Be、C、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Pb、Bi、Po、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yd、Lu、Th、U、Np、Pu、其化合物、其氧化物、以及该化合物的氧化物。
每个该固定单元可包括可旋转地固定到该加热器的顶部表面的边缘部分的螺旋体(screw type body)，以及用于旋转该螺旋体的手柄。每个该固定单元可固定到该加热器的顶部表面的边缘部分，且可由弹性材料形成。
该晶片可包括用具有突变MIT特性的材料形成的基板。这里，具有突变MIT特性的材料可以是加入了低浓度空穴的p型无机化合物半导体或绝缘体材料、或是它们的氧化物；并且该p型无机化合物半导体或绝缘体材料包括下述至少一种：包含III-V族化合物或II-VI族化合物的半导体元素以及过渡金属元素。该过渡金属元素可以为稀土元素，以及该稀土元素可以为镧系元素。
该热处理设备可以进一步包括环形固定板，其沿着该加热器的顶部表面的边缘部分置于该加热器和该固定单元之间，且覆盖该晶片的边缘部分。
依据本发明的另一方面，提供了一种热处理方法，包括：准备具有突变MIT特性的基板；用热不透明膜覆盖该基板的第一表面以形成晶片；以露出该热不透明膜的方式，用多个固定单元将该晶片固定到该加热器；以及向该晶片供给热量。
该热不透明膜可以通过在该晶片的该第一表面上沉积金属薄膜或用含有金属的浆料涂敷该晶片的该第一表面而形成。热量可以通过紫外线产生。
附图说明
结合附图详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的上述及其他特征与优点将更显而易见，附图中：
图1为依据本发明的一个实施例的晶片的透视图，该晶片具有涂敷有热不透明膜的基板；
图2A为依据本发明的一个实施例的热处理设备的透视图；
图2B为依据本发明的一个实施例的图2A中沿着线2B-2B截取的截面图；
图2C为依据本发明的一个实施例的图2A中固定板的平面图；
图3为示出依据本发明的一个实施例，使用图2A的热处理设备的热处理工艺流程图；以及
图4为示出经过图3的热处理工艺的VO2薄膜的电阻-温度关系的曲线图。
具体实施方式
参考示出本发明示例性实施例的附图，现在更加完整地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实施，不应理解为限于此处所列的实施例；相反，这些实施例被提供是为了使本公开全面和完整，并向本领域的技术员完全传达本发明的概念。图中相同的参考符号代表相同的元件，因此省略对它们的描述。
对具有突变MIT特性的薄膜实施热处理工艺有多种目的。例如，实施该热处理操作以调节该薄膜中某一元素的含量，或去除该薄膜中的缺陷。尽管本发明提出一种用于调节例如VO2薄膜中氧的含量的热处理设备和方法，该热处理工艺可以执行以达到许多其它目的。
本发明的目的是调节钒氧化物中氧的含量，并公开了一种通过从例如V2O5薄膜中去除氧而生产VO2薄膜的设备和方法。不用液态银浆料把V2O5薄膜附着到加热器或基板支撑物，很难从V2O5薄膜中去除氧。通常，在真空中加热例如体型陶瓷的材料时，会部分去除该材料中的氧。
然而，对于具有2英寸以上直径的晶片的情况，即使当晶片被加热时，晶片中的氧含量也很难调节。原因是应用于透明或不透明晶片的热量没有保留在晶片中，而是散逸到外部。
图1为依据本发明的一个实施例的晶片104的透视图，该晶片104具有涂敷有热不透明膜的基板100。
参照图1，基板100由具有突变MIT特性的材料形成。该具有突变MIT特性的材料可以是加入低浓度空穴的p型无机化合物半导体或绝缘体材料、加入低浓度空穴的p型有机半导体或绝缘体材料、或它们的氧化物。例如，该p型无机化合物半导体或绝缘体材料可包括下述至少一种：半导体元素(semiconductor element)(例如，III-V族化合物和II-VI族化合物)、过渡金属元素。该过渡金属元素可以为稀土元素，以及该稀土元素可以为镧系元素。
基板100的上表面覆盖有热不透明膜102。热量几乎不会透过热不透明膜，而是被吸收并均匀分布在该膜中。热不透明膜102是将吸收的热量遍布热不透明膜102的导热膜。于是，热不透明膜102从加热器200(图2A)接收热量并将所接收的热量均匀分布到基板100，从而实现均匀热处理工艺。
热不透明膜102由金属薄膜或含有金属的浆料形成。例如，热不透明膜102可以是由选自下述群组的一种形成的单层或多层金属膜：Li、Be、C、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Pb、Bi、Po、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yd、Lu、Th、U、Np、Pu、其化合物、其氧化物、以及该化合物的氧化物。
图2A为依据本发明的一个实施例的热处理设备的透视图。图2B为依据本发明的一个实施例，图2A中沿线2B-2B截取的截面图。图2C为依据本发明的一个实施例，图2A中的固定板的平面图。
参照图2A到图2C，该热处理设备包括加热器200，向晶片104供给热量；以及多个固定单元206，沿着加热器200的顶部表面的边缘部分形成，从而将晶片104固定到加热器200。每个固定单元206可包括：可旋转地固定到固定槽208中的螺旋体，固定槽208沿着加热器200该顶部表面的该边缘部分形成；以及用于旋转该螺旋体的手柄。亦即，固定单元206设置为可以在固定槽208中垂直移动。尽管在图2A中没有示出，固定单元206固定到加热器200的顶部表面的边缘部分，并可由弹性材料形成。
加热器200可包括在加热器200的顶部表面的中心部分凹陷到预定深度的凹陷区210，以容纳晶片104。凹陷区210的直径可大于晶片104，以使在晶片104产生的气体(例如，氧气)能够通过在凹陷区210周边和置于凹陷区210中的晶片104之间形成的空间释放。此外，在加热器200和固定单元206之间，环形固定板204可布置在加热器200的顶部表面的边缘部分，同时覆盖置于凹陷区210中的晶片104的边缘部分。参考标记202表示导线，用于产生热量的电压通过该导线施加到加热器200。
图3为示出依据本发明的一个实施例，使用图2A的热处理设备的热处理工艺流程图。
参照图3，在操作S10中准备具有突变MIT特性的基板100。基板100可由钒氧化物形成，例如VO2。在操作S20中，用热不透明膜102覆盖基板100的上表面。热不透明膜102可通过在基板100的上表面沉积金属薄膜或用含有金属的浆料涂敷基板100的上表面来形成。覆盖有热不透明膜102的基板100称为晶片104。在操作S30中，以露出热不透明膜102的方式，使用固定单元206将晶片104固定到加热器200。如果需要，单独的基板支撑物(未示出)可安装在加热器200中。在操作S40中，向加热器200供给热量。该热量可以利用紫外线产生。可以在从经过该热处理的晶片104上除去或不除去热不透明膜102后，实施后续工艺。
图4为示出了经过图3的热处理工艺的VO2薄膜的电阻-温度关系的曲线图。
参照图4，当温度低于约340K时，该VO2薄膜具有绝缘体的电阻。当温度高于约340K时，该VO2薄膜的电阻随着温度升高迅速减小。具体而言，当温度为约340K时，该VO2薄膜的电阻趋于约105Ω，而当该温度为约350K时降低到小于102Ω。亦即，当应用本发明的热处理工艺时，能够获得直径为2英寸以上且具有良好的MIT特性的大直径晶片。
如上文所述，依据本发明，用热不透明膜覆盖具有突变MIT特性的晶片，并用加热器向该晶片供给热量。于是，可以大量生产大直径晶片而无须将晶片直接附着到该加热器或基板支撑物。
尽管参照本发明的示例性实施例具体地示出并描述了本发明，本领域技术人员将理解，在不背离在权利要求书所界定的本发明的范围和精神的情况下可以进行各种形式和细节上的改变。
Claims (22)
1.一种具有突变金属-绝缘体转变特性的晶片，所述晶片包括：
基板，具有突变金属-绝缘体转变特性；以及
金属层，通过在所述基板上涂敷或沉积含有金属的浆料形成，所述金属层是热不透明膜。
2.如权利要求1所述的晶片，其中所述金属层包括使用选自下述群组的一种形成的单层或多层金属膜：Li、Be、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Pb、Bi、Po、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yd、Lu、Th、U、Np、Pu。
3.一种热处理设备，包括：
加热器，向具有突变金属-绝缘体转变特性且一个表面覆盖有热不透明膜的晶片供给热量；以及
多个固定单元，沿着所述加热器的顶部表面的边缘部分形成，以将所述晶片固定到所述加热器。
4.如权利要求3所述的热处理设备，其中所述热不透明膜吸收热量，且所吸收的热量均匀遍布所述热不透明膜。
5.如权利要求3所述的热处理设备，其中所述热不透明膜由金属薄膜或含有金属的浆料形成。
6.如权利要求3所述的热处理设备，其中所述热不透明膜为使用选自下述群组的一种形成的单层或多层金属膜：Li、Be、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Pb、Bi、Po、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yd、Lu、Th、U、Np、Pu。
7.如权利要求3所述的热处理设备，其中每个所述固定单元包括可旋转地固定到所述加热器的顶部表面的边缘部分的螺旋体，及用于旋转所述螺旋体的手柄。
8.如权利要求3所述的热处理设备，其中每个所述固定单元固定到所述加热器的顶部表面的边缘部分，并由弹性材料形成。
9.如权利要求3所述的热处理设备，其中所述晶片包括基板，所述基板由具有突变金属-绝缘体转变特性的材料形成；
所述具有突变金属-绝缘体转变特性的材料为加入低浓度空穴的p型无机化合物半导体或绝缘体材料、加入低浓度空穴的p型有机半导体或绝缘体材料；以及
所述p型无机化合物半导体或绝缘体材料包括下述至少一种：包含III-V族化合物或II-VI族化合物的半导体元素、以及过渡金属元素、或其氧化物。
10.如权利要求3所述的热处理设备，其中所述晶片包括基板，所述基板由具有突变金属-绝缘体转变特性的材料形成；
所述具有突变金属-绝缘体转变特性的材料为加入低浓度空穴的p型无机化合物半导体或绝缘体材料、加入低浓度空穴的p型有机半导体或绝缘体材料；以及
所述p型无机化合物半导体或绝缘体材料包括下述至少一种：包含III-V族化合物或II-VI族化合物的半导体元素、以及稀土元素、或其氧化物。
11.如权利要求3所述的热处理设备，其中所述晶片包括基板，所述基板由具有突变金属-绝缘体转变特性的材料形成；
所述具有突变金属-绝缘体转变特性的材料为加入低浓度空穴的p型无机化合物半导体或绝缘体材料、加入低浓度空穴的p型有机半导体或绝缘体材料；以及
所述p型无机化合物半导体或绝缘体材料包括下述至少一种：包含III-V族化合物或II-VI族化合物的半导体元素以及镧系元素、或其氧化物。
12.如权利要求9所述的热处理设备，其中所述基板由钒氧化物形成。
13.如权利要求3所述的热处理设备，其中所述加热器具有在其顶部表面的中心部分凹陷到预定深度的凹陷区，以容纳所述晶片。
14.如权利要求13所述的热处理设备，其中所述凹陷区的直径大于所述晶片，以使在所述晶片产生的气体能够通过形成于所述凹陷区周边和置于所述凹陷区内的所述晶片之间的空间释放。
15.如权利要求13所述的热处理设备，进一步包括环形固定板，所述环形固定板沿着所述加热器的顶部表面的边缘部分置于所述加热器和所述固定单元之间，同时覆盖置于所述凹陷区内的所述晶片的边缘部分。
16.一种热处理方法，包括：
准备具有突变金属-绝缘体转变特性的基板；
用热不透明膜覆盖所述基板的第一表面以形成晶片；
以露出所述热不透明膜的方式，用多个固定单元将所述晶片固定到加热器；以及
向所述晶片供给热量。
17.如权利要求16所述的热处理方法，其中所述热不透明膜通过在所述基板的所述第一表面上沉积金属薄膜或使用含有金属的浆料涂敷所述基板的所述第一表面而形成。
18.如权利要求16所述的热处理方法，其中所述热不透明膜为使用选自下述群组的一种形成的单层或多层金属膜：Li、Be、Na、Mg、Al、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Cs、Ba、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Pb、Bi、Po、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yd、Lu、Th、U、Np、Pu。
19.如权利要求16所述的热处理方法，其中所述基板由具有突变金属-绝缘体转变特性的材料形成；
所述具有突变金属-绝缘体转变特性的材料为加入低浓度空穴的p型无机化合物半导体或绝缘体材料、加入低浓度空穴的p型有机半导体或绝缘体材料；以及
所述p型无机化合物半导体或绝缘体材料包括下述至少一种：包含III-V族化合物或II-VI族化合物的半导体元素、以及过渡金属元素、或其氧化物。
20.如权利要求16所述的热处理方法，其中所述基板由具有突变金属-绝缘体转变特性的材料形成；
所述具有突变金属-绝缘体转变特性的材料为加入低浓度空穴的p型无机化合物半导体或绝缘体材料、加入低浓度空穴的p型有机半导体或绝缘体材料；以及
所述p型无机化合物半导体或绝缘体材料包括下述至少一种：包含III-V族化合物或II-VI族化合物的半导体元素以及稀土元素、或其氧化物。
21.如权利要求16所述的热处理方法，其中所述基板由具有突变金属-绝缘体转变特性的材料形成；
所述具有突变金属-绝缘体转变特性的材料为加入低浓度空穴的p型无机化合物半导体或绝缘体材料、加入低浓度空穴的p型有机半导体或绝缘体材料；以及
所述p型无机化合物半导体或绝缘体材料包括下述至少一种：包含III-V族化合物或II-VI族化合物的半导体元素以及镧系元素、或其氧化物。
22.如权利要求16所述的热处理方法，其中利用紫外线产生所述热量。
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