CN103572209A - 一种亚稳态二氧化钒薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种亚稳态二氧化钒薄膜的制备方法，采用直流磁控溅射技术。包括以下步骤：（1）准备金属钒靶、氩气和氧气气体；磁控溅射仪至少包括样品准备腔和生长腔这两个真空腔室，生长腔室抽真空至4.5×10-4Pa以下；（2）只通入Ar气体，设定溅射功率，清洗金属钒靶表面的氧化部分和一些污染物杂质；（3）衬底加热并保温10分钟左右；（4）通入氩气和氧气气体，其比率为10：1，调节真空室压强在1Pa，启动射频溅射工作源，溅射功率为40W，开始溅射；（5）薄膜生长至要求厚度后，关闭加热电源，使样品自然冷却，在此过程，打开真空阀，分子泵保持打开状态。本发明制备的薄膜具有良好的结构和电阻－温度系数。
Description
技术领域
本发明涉及一种亚稳态二氧化钒薄膜材料的生长方法，属于材料制备技术领域。
背景技术
钒的氧化物具有多种价态，根据钒的价态由低到高依次为VO–V2O3–VO2–V2O5，研究表明，在V2O3和VO2之间存在VnO2n-1(3≤n≤9)的中间相，含有V3+和V4+；而在VO2–V2O5之间存在VnO2n+1(3≤n≤6)的中间相，含有V4+和V5+。利用磁控溅射方法，可以生长钒的氧化物，通常情况下一般生长得到的是V2O5薄膜，而生长具有化学计量比的外延VO2薄膜具有很大的挑战性。
常压下二氧化钒通常具有3种晶相：(1)亚稳态的单斜金红石结构（B），记作VO2(B)；(2)单斜金红石结构（M），记作VO2(M)；(3)四方结构（R），记作VO2(R)。其中VO2(B)是亚稳相，本发明在于利用磁控溅射方法，使用金属V靶，生长VO2(B)。
发明内容
本发明针对具有化学计量比的VO2薄膜生长困难、质量较差的技术问题，提供一种稳定可靠的制备工艺，用来生长VO2(B)薄膜材料，它可用于红外探测的热敏材料。
本发明的技术方案如下：
一种亚稳态二氧化钒薄膜的制备方法，采用直流磁控溅射技术，包括以下步骤：
（1）采用纯度较高的金属钒靶，准备氩气和氧气气体；磁控溅射仪至少包括样品准备腔和生长腔这两个真空腔室，生长腔室抽真空至4.5×10-4Pa以下；
（2）靶材预溅射：只通入Ar气体，设定溅射功率，清洗金属钒靶表面的氧化部分和一些污染物杂质；
（3）衬底升温到要求温度，并保温10分钟左右，以达到平衡状态；
（4）通入氩气和氧气气体，其比率为10：1，调节真空室压强在1Pa，启动射频溅射工作源，溅射功率为40W，开始溅射；
（5）薄膜生长速率为200nm/h,生长至要求厚度后，关闭加热电源，使样品自然冷却，在此过程，打开真空阀，分子泵保持打开状态。
所述金属钒靶的尺寸为2英寸，衬底为单晶材料。
步骤（1）中所述的金属钒靶、氩气和氧气的纯度均大于等于99.9%。
步骤（2）中所述的溅射功率为40到60W，不适宜采用过高的溅射功率，否则薄膜结构难以控制，且质量较差，钒的价态也不易控制。
步骤（3）中所述的衬底温度不宜采用过高的温度，否则容易得到非+4价钒的氧化物，如V2O5，实验结果表明，衬底应低于500℃，生长窗口温度在350到450℃之间。
本发明的二氧化钒薄膜材料的生长方法，通过采用合适的生长温度、氧气/氩气之比，以及较低的溅射功率，获得了显著的优点：（1）可获得具有化学计量比的二氧化薄膜，生长得到的薄膜具有严格（001）取向，没有金属－绝缘体相变，具有良好的电阻－温度系数；（2）在此工艺下，衬底的种类对于薄膜结构没有显著的影响，可以在低廉的衬底上生长出可以用于器件的高质量薄膜材料。（3）本发明所需设备和制备过程简单可靠，成本低廉、工艺重复性好，可在传感、信息等领域获得应用。
附图说明
图1是生长在蓝宝石衬底上的VO2(B)薄膜的典型XRD图；
图2是生长在硅衬底上的VO2(B)薄膜的典型XRD图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求限定的范围。
本例使用的磁控溅射仪具有2个真空腔室：生长腔室和样品放置腔室；具体生长设备为沈阳科友真空技术研究所生产的MS450B型超高真空多靶磁控溅射设备。
（1）购置纯度为99.9%以上的金属钒靶，直径为2英寸，将靶材固定在磁控溅射的靶台之上；将单晶衬底粘在样品托上后，放置在样品放置腔室，以准备生长；
（2）将磁控溅射生长腔室抽真空至4.5×10-4Pa以下；
（3）背底真空达到要求后，通入高纯Ar气，气体流量为20sccm，调节阀门，使生长腔内的压强约为1Pa；
（4）待腔室压强稳定后，调整射频溅射的功率为40W，启辉，对靶材表面进行预溅射，清洗其表面的污染物和氧化物。
（5）预溅射10分钟后，关闭射频电源，将样品从准备腔室装入生长腔室；
（6）将样品加热至400℃，保温10分钟；
（7）待样品温度均匀稳定后，通入Ar气和氧气，分别为20sccm和2sccm；
（8）待气流稳定后，开启射频电源，调节溅射功率为40W；
（9）生长1小时后，得到的二氧化钒薄膜的厚度为100至150nm，关闭射频电源，并关闭样品加热电源，使其自然冷却；
（10）待样品冷却至150度以下后，即可取出放入样品准备腔室。
测试结果：
图1和图2分别是在蓝宝石衬底和硅衬底上生长制备得到的二氧化钒薄膜的X射线衍射谱（XRD），它说明这种工艺条件下制备的薄膜是单相的，而且具有非常好的取向性，只有（00l）的衍射峰。
Claims (5)
1.一种亚稳态二氧化钒薄膜的制备方法，采用直流磁控溅射技术，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用纯度较高的金属钒靶，准备氩气和氧气气体；磁控溅射仪至少包括样品准备腔和生长腔这两个真空腔室，生长腔室抽真空至4.5×10-4Pa以下；
（2）靶材预溅射：只通入Ar气体，设定溅射功率，清洗金属钒靶表面的氧化部分和一些污染物杂质；
（3）衬底升温到要求温度，并保温10分钟左右，以达到平衡状态；
（4）通入氩气和氧气气体，其比率为10：1，调节真空室压强在1Pa，启动射频溅射工作源，溅射功率为40W，开始溅射；
（5）薄膜生长速率为200nm/h,生长至要求厚度后，关闭加热电源，使样品自然冷却，在此过程，打开真空阀，分子泵保持打开状态。
2.根据权利要求1所述的一种亚稳态二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，所述金属钒靶的尺寸为2英寸，衬底为单晶材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种亚稳态二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的金属钒靶、氩气和氧气的纯度均大于等于99.9%。
4.根据权利要求1或2所述的一种亚稳态二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的溅射功率为40到60W。
5.根据权利要求1或2所述的一种亚稳态二氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的衬底温度低于500℃。
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