CN109913829A

CN109913829A - 一种非制冷红外探测器的热敏薄膜及其制备方法

Info

Publication number: CN109913829A
Application number: CN201910257286.4A
Authority: CN
Inventors: 甘先锋; 王宏臣; 陈文礼; 王鹏; 杨水长
Original assignee: Iray Technology Co Ltd
Current assignee: Iray Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2019-06-21

Abstract

本发明提供了一种非制冷红外探测器的热敏薄膜，由合金材料氧化制得：所述合金材料包括90～100wt％的主金属和0～10wt％的掺杂金属，所述主金属为钛和/或钒；所述掺杂金属为钨、钴和钼中的一种或几种。本发明中的热敏薄膜以钒、钛或钒钛为主的掺杂二元或三元金属氧化物，不仅提升了薄膜的耐温性，还因掺杂一些特殊金属后，存在晶格失配会使薄膜的电阻温度系数TCR比纯的氧化钒或氧化钛薄膜的都要高，从而使采用本发明中的热敏薄膜制成的非制冷红外探测器的灵敏度得以提高，同时因薄膜的耐温性提高，改善了“日光致盲”效应。本发明还提供了一种非制冷红外探测器的热敏薄膜的制备方法。

Description

一种非制冷红外探测器的热敏薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于无机膜材料技术领域，尤其涉及一种非制冷红外探测器的热敏薄膜及其制备方法。

背景技术

非制冷红外探测器(Uncooled infrared detector)广泛应用于汽车、安防、生物医学、电力、智慧楼宇、森林防火、智能手机和物联网等领域。近年来，非致冷红外探测器在民用领域得到了广泛的普及应用。

因为非制冷红外探测器是和集成电路集成在一起，相比传统的制冷型红外探测器更适合大规模生产，低成本的推广使用，具有轻质量、低功耗和便携性。

制造非制冷红外探测器的热敏薄膜主要是氧化钒薄膜，非晶硅薄膜，目前也出现了氧化钛薄膜，都是利用薄膜的电阻温度系数性质在热敏薄膜的两端施加固定的偏置电压或电流源，在真空封装的环境下，红外波段透过蒸镀一层增透膜的硅或锗窗口，加热器件材料使热敏薄膜的电阻发生改变，然后由读出电路(ROIC)读取电信号的改变量，并把变化的电阻值转变为电流，电压的变化值，再经过一系列的信号和图形软件算法处理后，把变化的电信号转换为图形信号进行成像。

氧化钒薄膜材料和氧化钛，非晶硅制造成的非制冷红外探测器，对着日光照射容易产生“日光致盲”，且氧化钒薄膜的耐温性还需要进一步进行提升，来满足晶圆级封装的键合及Getter激活温度的工艺窗口；而氧化钛薄膜和金属钛及其他金属薄膜之间，不容易形成好的欧姆接触，导致探测器难于制造。

并且，在非制冷红外探测器由金属封装、陶瓷封装升级为晶圆级封装后，二者的缺点都得到放大。因此，为了获得原来的成像质量，需要开发一种新的热敏薄膜，提升其薄膜的耐温性和TCR，并保持其高的成像质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非制冷红外探测器的热敏薄膜及其制备方法，本发明中的热敏薄膜耐温性能好，方阻高，且成像质量好。

本发明提供一种非制冷红外探测器的热敏薄膜，由合金材料氧化制得：

所述合金材料包括90～100wt％的主金属和0～10wt％的掺杂金属，

所述主金属为钛和/或钒；所述掺杂金属为钨、钴和钼中的一种或几种。

优选的，所述掺杂金属的在所述合金材料中的质量分数为2～10％。

优选的，所述主金属为钛和钒，所述钛和钒的质量比为1：(0.1～9)。

优选的，所述热敏薄膜的成分为氧化钒钨，氧化钛钨，氧化钛钒，氧化钒钴，氧化钛钴，氧化钒钼，氧化钛钼，氧化钒钴钛，氧化钛钒钨或氧化钒钛钼。

本发明提供一种非制冷红外探测器的热敏薄膜的制备方法，包括以下步骤：

A)在保护性气体气氛下，将主金属与掺杂金属进行熔化锻造，得到合金靶材；

所述主金属为钛和/或钒；所述掺杂金属为钨、钴和钼中的一种或几种；

B)在氧气气氛下，将合金靶材在衬底上进行直流反应溅射，得到中间体薄膜；

所述直流反应溅射的电压为300～500V；

C)将所述中间体薄膜进行退火，得到非制冷红外探测器的热敏薄膜。

优选的，所述直流反应溅射的功率为300～1500W。

优选的，所述直流反应溅射的温度为23～300℃。

优选的，所述直流反应溅射中，氩气的流量为20～50sccm。

优选的，所述直流反应溅射的时间为300～500s。

优选的，所述退火的温度为300～400℃；

所述退火的时间为5～60min。

本发明提供了一种非制冷红外探测器的热敏薄膜，由合金材料氧化制得：所述合金材料包括90～100wt％的主金属和0～10wt％的掺杂金属，所述主金属为钛和/或钒；所述掺杂金属为钨、钴和钼中的一种或几种。本发明中的热敏薄膜以钒、钛或钒钛为主的掺杂二元或三元金属氧化物，不仅提升了薄膜的耐温性，还因掺杂一些特殊金属后，存在晶格失配会使薄膜的电阻温度系数TCR(temperature coefficient of resistance)比纯的氧化钒或氧化钛薄膜的都要高，可稳定达到绝对值3.00％/K及以上(300K)，从而使采用本发明中的热敏薄膜制成的非制冷红外探测器的灵敏度得以提高，同时因薄膜的耐温性提高，改善了“日光致盲”效应，在短时间如10分钟以上的日光照射下，不需软件处理，具有自恢复功能。

本发明还提供了一种非制冷红外探测器的热敏薄膜的制备方法，本发明以直流反应溅射的方法将合金材料在反应气体O2环境下，不断在衬底表面沉积形成薄膜覆盖层，并通过控制DC电压(直流电压)的稳定来反馈控制氧浓度的稳定，从而实现沉积薄膜成分的稳定，制造出可控薄膜方阻的热敏薄膜。

具体实施方式

本发明中的热，热敏薄膜为二元金属氧化物或三元金属氧化物，所述热敏薄膜的成分优选为氧化钒钨，氧化钛钨，氧化钛钒，氧化钒钴，氧化钛钴，氧化钒钼，氧化钛钼，氧化钛钒钴，氧化钛钒钨或氧化钛钒钼。

本发明中的热敏薄膜为合金材料经氧化制成，所述的氧化在本发明中优选为采用反应溅射的方法使合金材料氧化，得到成分为二元金属氧化物或三元金属氧化物的热敏薄膜。

在本发明中，所述合金材料由主金属和掺杂金属组成，所述主金属优选为钛和/或钒，所述掺杂金属为钨、钴和钼中的一种或几种；所述主金属在所述合金材料中的质量分数优选为90～100％，更优选为95～98％；所述掺杂金属在所述合金材料中的质量分数优选为0～10％，更优选为2～10％，最优选为2～5％。所述钛和钒的质量比优选为1：(0.1～9)，更优选为1：(1～6)，具体的，在本发明的实施例中，可以是1:1、1:9或9:1。

具体的，在本发明的实施例中，所述合金材料的组成可以是98％(Ti+V)+2％掺杂元素，50％Ti+50％V，90％Ti+10％V，10％Ti+90％V。

本发明还提供了一种非制冷红外探测器的热敏薄膜的制备方法，包括以下步骤：

所述直流反应溅射的电压为300～500V；

本发明首先将主金属和掺杂金属熔融，加工成合金靶材，充分均匀熔合的合金靶材是后续反应溅射沉积热敏薄膜质量好坏的关键，本发明优选在惰性气体或还原气体氛围保护下，在高纯的熔炉中经过多次的熔化锻造，使其各金属材料得到充分的均匀熔合，然后锻造成合金靶材。

在本发明中，所使用的各种金属单质原料纯度要求在99.99％以上。在本发明中，所述主金属和掺杂金属的用量以及种类与上文所述的主金属和掺杂金属的用量以及种类一致，在此不再赘述。

在本发明中，所述还原气体优选Ar；所述惰性气体优选为N₂、Ar。

得到合金靶材之后，本发明将所述合金靶材安装在沉积薄膜机台上，在氧气气氛下，在衬底上进行直流反应溅射，得到中间体薄膜。

本发明优选现将所述衬底进行清洗预处理，优选采用反溅射清洗的方法，本发明优选将所述衬底使用Ar气对所述衬底进行反溅射清洗，所述衬底的材质优选为氮化硅或二氧化硅。所述反溅射清洗的温度优选为100～300℃，更优选为150～200℃；所述反溅射厚度优选为更优选为

与常规的金属薄膜溅射不同，金属薄膜的溅射沉积或离子束沉积，是单纯的金属溅射沉积或离子束沉积，但本发明中为二元合金或三元合金的与氧气的反应溅射，需额外考虑二元或三元合金与氧气反应的稳定性，调控参数保证反应系统的平衡，以保证薄膜沉积成分的均匀性。本发明通过控制DC电压间接控制氧气流量，调整氧分压，保证氧分压的稳定。

在本发明中，所述直流反应溅射的电压优选为300～500V，具体的，可以是300V、400V或500V；

所述直流反应溅射的功率优选为300～1500W，更优选为300～1000W，具体的，可以是300W、450W或600W；调整功率，可以调整溅射沉积的速度。

所述直流反应溅射的温度优选为23～300℃，更优选为23～200℃，具体的，可以是23℃、100℃或200℃；

所述直流反应溅射中，氩气的流量优选为20～50sccm，更优选为25～40sccm，具体的，可以是25sccm、30sccm或40sccm；

所述直流反应溅射的时间优选为300～500s，更优选为400s。

经直流反应溅射得到的薄膜厚度优选在之间，优选为或

完成上述直流反应溅射之后，本发明将得到的中间体薄膜进行高温退火，得到非制冷红外探测器的热敏薄膜。

本发明优选采用RTP(rapid temperature process)或激光退火处理，所述退火的温度优选为300～400℃，更优选为330～380℃，最优选为350～360℃；所述退火的时间优选为5～60min，更优选为10～50min，最优选为20～40min。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种非制冷红外探测器的热敏薄膜及其制备方法进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

在Ar气氛下，将49％的Ti、49％的V和2％的钨在高纯的熔炉中进行熔化锻造；得到合金靶材；

将合金靶材装在沉积薄膜机台上，氧气气氛下，在衬底上进行直流反应溅射，溅射温度23℃，溅射功率300W，氩气流量25sccm，直流电压(DC电压)300V，溅射时间400s，溅射得到薄膜厚度

将得到的薄膜在300℃下退火50min，得到非制冷红外探测器的热敏薄膜。

实施例2

在Ar气体气氛下，将90％的Ti、5％的V和5％的钼在高纯的熔炉中进行熔化锻造；得到合金靶材；

将合金靶材装在沉积薄膜机台上，氧气气氛下，在衬底上进行直流反应溅射，溅射温度100℃，溅射功率450W，氩气流量30sccm，直流电压(DC电压)400V，溅射时间400s，溅射得到薄膜厚度

将得到的薄膜在340℃下退火30min，得到非制冷红外探测器的热敏薄膜。

实施例3

在Ar气体气氛下，将11％的Ti、80％的V和9％的钴在高纯的熔炉中进行熔化锻造；得到合金靶材；

将合金靶材装在沉积薄膜机台上，氧气气氛下，在衬底上进行直流反应溅射，溅射温度200℃，溅射功率600W，氩气流量40sccm，直流电压(DC电压)500V，溅射时间400s，溅射得到薄膜厚度

将得到的薄膜在360℃下退火10min，得到非制冷红外探测器的热敏薄膜。

按照实施例1中的方法制备得到制冷红外探测器的热敏薄膜，不同的是，本实施例中掺杂材料的成分选择为钨，占2wt％。

实施例4

按照实施例2中的方法制备得到制冷红外探测器的热敏薄膜，不同的是，本实施例中掺杂材料的成分为钨和钼，钨和钼各占2.5wt％。

实施例5

按照实施例3中的方法制备得到制冷红外探测器的热敏薄膜，不同的是，本实施例中掺杂的材料的成分钨钼钴，钨，钼和钴的成分各占3％。

对实施例1～3中的非制冷红外探测器热敏薄膜进行了性能测试，结果如表1所示。

表1本发明实施例1～3中热敏薄膜的性能数据

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种非制冷红外探测器的热敏薄膜，由合金材料氧化制得：

2.根据权利要求1所述的热敏薄膜，其特征在于，所述掺杂金属的在所述合金材料中的质量分数为2～10％。

3.根据权利要求1所述的热敏薄膜，其特征在于，所述主金属为钛和钒，所述钛和钒的质量比为1：(0.1～9)。

4.根据权利要求1所述的热敏薄膜，其特征在于，所述热敏薄膜的成分为氧化钒钨，氧化钛钨，氧化钛钒，氧化钒钴，氧化钛钴，氧化钒钼，氧化钛钼，氧化钒钴钛，氧化钛钒钨或氧化钒钛钼。

5.一种非制冷红外探测器的热敏薄膜的制备方法，包括以下步骤：

所述直流反应溅射的电压为300～500V；

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述直流反应溅射的功率为300～1500W。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述直流反应溅射的温度为23～300℃。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述直流反应溅射中，氩气的流量为20～50sccm。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述直流反应溅射的时间为300～500s。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述退火的温度为300～400℃；

所述退火的时间为5～60min。