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Abstract

本发明提供了一种相变温度可调的氧化钒薄膜的制备方法，包括：在硅片上沉积氧化硅薄膜、氮化硅薄膜；采用离子束反应溅射法沉积氧化钒薄膜，工艺条件为：背底真空4×10－4Pa～3×10－3Pa，氧气压强6×10－4Pa～8×10－3Pa，氩气压强1×10－2Pa～2.3×10－2Pa，离子束流功率8W～60W，衬底温度120℃～450℃，溅射时间10～45分钟，靶材为钒靶；对样片进行退火处理，工艺条件为：气体为氩气或氮气，退火温度250℃～580℃，退火时间20～240分钟，得到相变的氧化钒薄膜。由本发明制备的氧化钒薄膜具有不同的相变温度点，可作成适用于不同温度的开关；保证温度控制操作时的高质量、高速度、高响应率。

Description

相变温度可调的氧化钒薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜的制备方法，尤其涉及一种氧化钒薄膜的制备方法。
背景技术
对氧化钒性质比较全面的研究最早是由贝尔实验室的F.J.Morin完成的。在此之后，随着对氧化钒性质的研究逐渐深入，发现氧化钒晶格结构和空间排列各不相同，各种晶体结构的电学性质也差别很大，最受关注的一个相结构是相变的二氧化钒VO2。
VO2单晶材料有优良的电学(在转换温度68℃处，在0.1℃温度变化范围内，其电阻率变化可达5个数量级)、光学性能，VO2单晶的半导体相一金属相相变属于一级相变，伴随相变单晶出现小的原子位移，但体积膨胀系数很大(约0.044％)。
VO2多晶材料在特定温度附近发生半导体—金属相转变，这种相变导致电阻率突变。据此研究的临界热敏电阻(CTR)是一种开关型温度器件。VO2多晶薄膜的电阻率变化一般在2～4个数量级，这完全由制备条件所决定。因此，制备性能好、成本低的多晶相变氧化钒薄膜近来成为研究的热点。
文献“Thermochromism of rapid annealed VO2 and Sn-doped VO2 thinfilms”，Thin Solid Films，290-291(1999)30-33.报导了VO2相变材料的制备，主要由VO2单相形成，具有较高的相变温度点，能够在68℃左右发生相变，得到电阻、透过率的变化。该方法在制备过程中掺入了杂质，杂质改变了区域的应力水平，使得材料不够稳定，容易产生偏析，从而影响其性能的稳定性；VO2相变温度为68℃，因相变温度过高，不利于材料的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种相变温度可调的氧化钒薄膜的制备方法。制备出的一系列薄膜，其相变温度在28℃～67℃可调。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种相变温度可调的氧化钒薄膜的制备方法，依次包括如下步骤：
(1)在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜，再沉积一层氮化硅薄膜；
(2)采用离子束反应溅射法，在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜，离子束反应溅射工艺条件为：背底真空4×10-4Pa～3×10-3Pa，氧气压强6×10-4Pa～8×10-3Pa，氩气压强1×10-2Pa～2.3×10-2Pa，离子束流功率8W～60W，衬底温度120℃～450℃，溅射时间10～45分钟，溅射采用的靶材为钒靶：
(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片，进行退火处理，退火工艺条件为：气体为氩气或氮气，退火温度250℃～580℃，退火时间20～240分钟，得到相变的氧化钒薄膜。
在上述(2)中，更好的工艺条件为：背底真空6×10-4Pa～1.6×10-3Pa，氩气压强1.05×10-2Pa～1.8×10-2Pa，离子束流功率10W～25W，衬底温度150℃～350℃，溅射时间15～30分钟。
在上述(3)中，更好的工艺条件为：退火温度300℃～500℃，退火时间30～150分钟。
在上述(3)中，气体流量较好的是10～70立方厘米/秒。
本发明的优点在于：
(1)在本发明中，不需要掺入杂质，只需采用不同的工艺条件，金属钒与氧反应就可生成一系列相变的钒氧化物，从而实现相变温度点的移动，从28℃～67℃。因此，利用由本发明制备的相变的氧化钒薄膜，可制作出相变温度在28℃～67℃可调节的工作在室温的可控开关。
(2)由于为薄膜形态，电阻跨度范围很大，可以跨越3～5个数量级，红外透过率改变大，在温度低于特定温度时，红外透过率高；在温度高于特定温度时，红外透过率低。因此，由本发明制备的相变的氧化钒薄膜，不仅可用于制作光或微波等功能开关，而且可用于微光机电(MOEMS)领域，制备各类高集成度的电子、光学器件等。
(3)由本发明制备的氧化钒薄膜具有热致相变性能，相变温度更接近室温，可用于节能涂层、光学数据存储、微波开关电路、超灵敏光开关、非制冷红外焦平面技术、以及太阳能、智能窗口、激光防护等。
总之，通过本发明制备的一系列相变的氧化钒薄膜，因具有不同的相变温度点，可以作成适用于不同温度的开关，广泛用于变换环境温度条件下的自动控制；保证温度控制操作时的高质量、高速度；既提高了响应率，又保证了封装体积较小。
附图说明
图1表示本发明实施例1的电阻温度曲线，横坐标为温度(℃)，纵坐标为方块电阻的自然对数值。
图2表示本发明实施例2的电阻温度曲线，横坐标为温度(℃)，纵坐标为方块电阻的自然对数值。
图3表示本发明实施例3的电阻温度曲线，横坐标为温度(℃)，纵坐标为方块电阻的自然对数值。
图4表示本发明实施例4的电阻温度曲线，横坐标为温度(℃)，纵坐标为方块电阻的自然对数值。
具体实施方式
实施例1相变温度为28℃氧化钒薄膜的制备方法，依次包括如下步骤：
(1)将硅片通过标准的RCA清洗，去除硅片表面的污染有机物、灰尘以及金属离子杂质，采用离子束溅射法，在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜，采用的靶材是二氧化硅靶材，背底真空为3×10-3Pa，通入氩气至2.6×10-2Pa，离子束功率为25W，溅射时间20分钟，其薄膜厚度约为50纳米，然后再沉积一层氮化硅薄膜，采用的靶材是氮化硅靶材，背底真空为2.4×10-3Pa，通入氩气至2.6×10-2Pa，离子束功率为25W，溅射时间45分钟，其薄膜厚度约为100纳米。
上述氧化硅薄膜、氮化硅薄膜也可采用磁控溅射沉积，等离子体增强化学气相沉积等薄膜沉积方法。
(2)采用离子束反应溅射法，在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜，离子束反应溅射工艺条件为：背底真空4×10-4Pa，通入氧气和氩气，氧气压强6×10-4Pa，氩气压强1×10-2Pa，离子束流功率60W，衬底温度120℃，溅射时间10分钟，溅射采用的靶材可为99.999％的高纯钒靶。
(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片，对样片进行退火处理，退火工艺条件为：气体为氩气，流量是10立方厘米/秒，退火温度580℃，退火时间20分钟，得到相变的氧化钒薄膜。
通过对上述氧化钒薄膜进行电阻温度系数的测量，测得薄膜的相变温度为28℃，电阻温度曲线由图1所示，曲线1代表升温情况下的电阻温度曲线，曲线2代表降温情况下的电阻温度曲线，在高温和低温下，两条曲线部分重合，变化趋势如图1所示。
实施例2 相变温度为39℃氧化钒薄膜的制备方法，依次包括如下步骤：
(1)将硅片通过标准的RCA清洗，去除硅片表面的污染有机物、灰尘以及金属离子杂质，采用离子束溅射法，在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜，其薄膜厚度约为100纳米，再沉积一层氮化硅薄膜，其薄膜厚度约为50纳米。
(2)采用离子束反应溅射法，在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜，离子束反应溅射工艺条件为：背底真空9×10-4Pa，通入氧气和氩气，氧气压强1×10-3Pa，氩气压强1.5×10-2Pa，离子束流功率25W，衬底温度350℃，溅射时间25分钟，溅射采用的靶材可为99.999％的高纯钒靶。
(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片，对样片进行退火处理，退火工艺条件为：气体为氮气，流量是30立方厘米/秒，退火温度410℃，退火时间90分钟，得到相变的氧化钒薄膜。
通过对上述氧化钒薄膜进行电阻温度系数的测量，测得薄膜的相变温度为39℃，电阻温度曲线由图2所示，曲线3代表升温情况下的电阻温度曲线，曲线4代表降温情况下的电阻温度曲线，在高温和低温下，两条曲线部分重合，变化趋势如图2所示。
实施例3相变温度为57℃氧化钒薄膜的制备方法，依次包括如下步骤：
(1)将硅片通过标准的RCA清洗，去除硅片表面的污染有机物、灰尘以及金属离子杂质，采用离子束溅射法，在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜，其薄膜厚度约为70纳米，再沉积一层氮化硅薄膜，其薄膜厚度约为85纳米。
(2)采用离子束反应溅射法，在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜，离子束反应溅射工艺条件为：背底真空1.6×10-3Pa，通入氧气和氩气，氧气压强6.1×10-3Pa，氩气压强1.8×10-2Pa，离子束流功率45W，衬底温度270℃，溅射时间30分钟，溅射采用的靶材可为99.999％的高纯钒靶。
(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片，对样片进行退火处理，退火工艺条件为：气体为氩气，流量是50立方厘米/秒，退火温度500℃，退火时间150分钟，得到相变的氧化钒薄膜。
通过对上述氧化钒薄膜进行电阻温度系数的测量，测得薄膜的相变温度为57℃，电阻温度曲线由图3所示，曲线5代表升温情况下的电阻温度曲线，曲线6代表降温情况下的电阻温度曲线，在高温和低温下，两条曲线部分重合，变化趋势如图3所示。
实施例4相变温度为67℃氧化钒薄膜的制备方法，依次包括如下步骤：
(1)将硅片通过标准的RCA清洗，去除硅片表面的污染有机物、灰尘以及金属离子杂质，采用离子束溅射法，在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜，其薄膜厚度约为90纳米，再沉积一层氮化硅薄膜，其薄膜厚度约为75纳米。
(2)采用离子束反应溅射法，在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜，离子束反应溅射工艺条件为：背底真空3×10-3Pa，通入氧气和氩气，氧气压强8×10-3Pa，氩气压强2.3×10-2Pa，离子束流功率8W，衬底温度450℃，溅射时间45分钟，溅射采用的靶材可为99.999％的高纯钒靶。
(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片，对样片进行退火处理，退火工艺条件为：气体为氮气，流量是70立方厘米/秒，退火温度250℃，退火时间240分钟，得到相变的氧化钒薄膜。
通过对上述氧化钒薄膜进行电阻温度系数的测量，测得薄膜的相变温度为28℃，电阻温度曲线由图4所示，曲线7代表升温情况下的电阻温度曲线，曲线8代表降温情况下的电阻温度曲线，在高温和低温下，两条曲线部分重合，变化趋势如图4所示。

Claims (5)

1.一种相变温度可调的氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
(1)在硅片上先沉积一层氧化硅薄膜，再沉积一层氮化硅薄膜；
(2)采用离子束反应溅射法，在上述氮化硅薄膜上沉积氧化钒薄膜，离子束反应溅射工艺条件为：背底真空4×10-4Pa～3×10-3Pa，氧气压强6×10-4Pa～8×10-3Pa，氩气压强1×10-2Pa～2.3×10-2Pa，离子束流功率8W～60W，衬底温度120℃～450℃，溅射时间10～45分钟，溅射采用的靶材为钒靶；
(3)取出沉积氧化钒薄膜的样片，进行退火处理，退火工艺条件为：气体为氩气或氮气，退火温度250℃～580℃，退火时间20～240分钟，得到相变的氧化钒薄膜。
2.根据权利要求1所述的氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：在上述(2)中，背底真空6×10-4Pa～1.6×10-3Pa，氩气压强1.05×10-2Pa～1.8×10-2Pa，离子束流功率10W～25W，衬底温度150℃～350℃，溅射时间15～30分钟。
3.根据权利要求1所述的氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：在上述(3)中，退火温度300℃～500℃，退火时间30～150分钟。
4.根据权利要求1所述的氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：在上述(3)中，气体的流量是10～70立方厘米/秒。
5.根据权利要求1所述的氧化钒薄膜的制备方法，其特征在于：在沉积一层氧化硅薄膜之前，先对硅片进行清洗，去除硅片表面的污染有机物、灰尘以及金属离子杂质。
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