PL216050B1

PL216050B1 - Sposób wytwarzania cienkiej warstwy z efektem termorezystancyjnym oraz cienka warstwa z efektem termorezystancyjnym

Info

Publication number: PL216050B1
Application number: PL384433A
Authority: PL
Inventors: Jaroslaw Domaradzki; Eugeniusz Ludwik Prociów; Danuta Kaczmarek
Original assignee: Politechnika Wroclawska
Priority date: 2008-02-11
Filing date: 2008-02-11
Publication date: 2014-02-28
Also published as: PL384433A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania cienkiej warstwy z efektem termorezystancyjnym oraz cienka warstwa z efektem termorezystancyjnym, z zastosowaniem próżniowej techniki nanoszenia, w szczególności rozpylania magnetronowego, przeznaczonej do stosowania w mikroelektronice i inżynierii materiałowej jako cienka warstwa o wysokiej zdolności, skokowej i odwracalnej zmiany rezystancji w określonej temperaturze. Warstwa może znaleźć powszechne zastosowanie w inteligentnych pokryciach (smart coatings), np. na szyby okienne i samochodowe.

Znane są z publikacji: P. Jin, K. Yoshimura, S. Tanemura, Dependence of microstructure and termichromism on substrate temperature for sputter-deposited VO2 epitaxial films, J. Vac. Sci. Techno. A 15(3) (1997), 1113-1117, cienkie warstwy tlenków na bazie VO2 o zdolności skokowej zmiany rezystancji w temperaturze około 68°C oraz z publikacji H. Miyazaki, I. Yasui, Effect of buffer layer on VOx film fabrication by reactive RF sputtering. Applied Surface Science 252 (2006) 8367-8370, G. Pu, A. Polity, N. Volbers, B. K. Meyer, Annealing effects on VO2 thin films deposited by reactive sputtering. Thin Solid Films, 515 (2006) 2519-2522, cienkie warstwy VO2 domieszkowane W, Ta, o zdolności skokowej zmiany rezystancji obniżonej, w porównaniu do niedomieszkowanego VO2, do temperatury około 38°C wytwarzanych metodami zol-żel oraz rozpylania magnetronowego.

Znane z publikacji przykłady, np. F. Beteille, R. Morineau, J. Livage, Switching proprties of V1-xTixO2 thin films deposited from alkolides, Materials Research Bulletin, 32, (1997), 1109-1117, pokazują, że domieszkowanie VO2 za pomocą Ti pogarsza zdolność do skokowej zmiany rezystancji pod wpływem zmiany temperatury.

Istota sposobu, według wynalazku polega na tym, że powierzchnię roboczą targetu tytanowego wraz z domieszkami wanadu, niobu i tantalu stanowiącego katodę uzdatniania się, po czym w procesie rozpylania magnetronowego targetu tytanowego z domieszkami w niskociśnieniowej plazmie tlenowej nanosi się na podłoża cienką warstwę dwutlenku tytanu domieszkowaną wanadem, niobem i tantalem, przy czym łączna ilość domieszek w targecie wynosi od 7 do 30% at.

Korzystnie, target tytanowy z domieszkami wanadu, niobu i tantalu formuje się w postaci klinów, które wycina się z arkuszy folii o grubości od 0,1 mm do 1 mm, po jednym klinie dla każdego rodzaju domieszki i rozkłada się na powierzchni targetu tytanowego wykonanego w postaci krążka o średnicy 100 mm i grubości 3 mm, albo stosuje się stopowy target tytanowy z domieszkami wanadu, niobu i tantalu.

Korzystnym jest, gdy powierzchnię roboczą targetu tytanowego z domieszkami wanadu, niobu i tantalu uzdatniania się poprzez rozpylanie targetu w reaktywnej niskociśnieniowej plazmie tlenowej w warunkach roboczych przez co najmniej 10 min, przy czy target z domieszkami podgrzewa się do temperatury nie mniejszej niż 773 K.

Korzystnie, powierzchnię roboczą targetu tytanowego z domieszkami rozpyla się w wyniku czego nanosi się warstwy na podłoża podgrzane do temperatury powyżej 370 K w reaktywnej atmosferze tlenu o ciśnieniu poniżej 10^- Pa, a podłoża umieszcza się w odległości 45 -100 mm od targetu.

Korzystnie, target tytanowy z domieszkami rozpyla się w magnetronie zasilanym ujemnymi impulsami sinusoidalnymi o częstotliwości powyżej 10 kHz i o maksymalnej amplitudzie napięcia powyżej 1000 V.

Istota cienkiej warstwy, według wynalazku, polega na tym, ze cienka warstwa dwutlenku tytanu domieszkowana jest wanadem, niobem i tantalem, przy czym łączna ilość wprowadzonych domieszek wynosi od 7% do 30% at.

Korzystnym jest to, że ilość pierwiastkowego wanadu w warstwie wynosi 5-15% at., ilość pierwiastkowego niobu w warstwie wynosi 1 - 10% at., a ilość pierwiastkowego tantalu w warstwie wynosi 1 - 5 % at.

Zaletą nowej cienkiej warstwy z dwutlenku tytanu TiO2 domieszkowanej jednocześnie wanadem V, niobem Nb i tantalem Ta, jest jej zdolność do skokowej i odwracalnej zmiany rezystancji powierzchniowej R_s od powyżej 1 GQ/sq. do poniżej 40 MQ/sq., pod wpływem zmiany temperatury w zakresie 50°C - 60°C. Z literatury przedmiotu wynika, iż jak dotąd, nie były opisywane cienkie warstwy na bazie TiO2, w których obserwowano podobny efekt skokowej zmiany rezystancji pod wpływem temperatury.

Sposób, według wynalazku, pozwala na wytworzenie stabilnych cienkich warstw TiO2: (V, Nb, Ta) o powtarzalnej temperaturze Tc przełączania rezystancji równej 53°C ± 1°C przy podgrzewaniu warstwy oraz 51°C ± 1°C przy jej chłodzeniu. Dodatkową zaletą cienkiej warstwy jest fakt uzyskania

PL 216 050 B1 efektu przełączania w warstwie wytworzonej na bazie dwutlenku TiO2 w temperaturze o 14°C niższej w porównaniu ze znanymi cienkimi warstwami na bazie VO2.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładach realizacji i na rysunku, który przedstawia temperaturowe charakterystyki rezystancyjne cienkiej warstwy z domieszkowanego dwutlenku tytanu naniesionej na podłoża szklane.

P r z y k ł a d 1

Sposób wytwarzania cienkiej warstwy z efektem termorezystancyjnym, w którym powierzchnię roboczą targetu tytanowego wraz z domieszkami wanadu, niobu i tantalu stanowiącego katodę i podgrzanego do temperatury nie mniejszej niż 773 K, uzdatniania się poprzez jego rozpylanie w reaktywnej niskociśnieniowej plazmie tlenowej w warunkach roboczych przez 10 min. Po czym w procesie rozpylania magnetronowego targetu tytanowego z domieszkami wanadu, niobu i tantalu w magnetronie zasilanym ujemnymi impulsami sinusoidalnymi o częstotliwości powyżej 10 kHz i o amplitudzie napięcia 1000 V w niskociśnieniowej plazmie tlenowej nanosi się na podłoża cienką warstwę domieszkowanego dwutlenku tytanu. Target tytanowy o czystości 99,99% domieszkowany wanadem w ilości 7,44% at., niobem w ilości 5% at. i tantalem w ilości 4,8% at., uprzednio formuje się w postaci klinów wyciętych z arkuszy folii o grubości od 0,1 mm do 1 mm, po jednym klinie dla każdego rodzaju domieszki i rozłożonych na powierzchni targetu tytanowego wykonanego w postaci krążka o średnicy 100 mm i grubości 3 mm. Natomiast cienką warstwę nanosi się na podłoże szklane umieszczone w odległości 45 mm od targetu i podgrzane do temperatury powyżej 370 K w reaktywnej atmosferze -1 tlenu o ciśnieniu poniżej 10^-1 Pa.

P r z y k ł a d 2

Sposób wytwarzania cienkiej warstwy z efektem termorezystancyjnym, przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że cienką warstwę nanosi się z wykorzystaniem tytanowego targetu stopowego domieszkowanego wanadem w ilości 10,5% at., niobem w ilości 8,5% at. i tantalem w ilości 2,8% at., a podłoża umieszcza się w odległości 100 mm od targetu. Ponadto wytworzone warstwy wygrzewa się w powietrzu, w temperaturze 100°C przez dwie godziny.

P r z y k ł a d 3

Sposób wytwarzania cienkiej warstwy z efektem termorezystancyjnym przebiega, jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że cienka warstwa dwutlenku tytanu zawiera domieszki wanadu w ilości 5% at., niobu w ilości 1% at. i tantalu w ilości 1% at., przy czym target rozpyla się przy gęstości mocy czynnej na targecie nie mniejszej niż 23 W/cm.

P r z y k ł a d 4

Sposób wytwarzania cienkiej warstwy z efektem termorezystancyjnym przebiega, jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że cienka warstwa zawiera domieszki wanadu w ilości 15% at., niobu w ilości 10% at. i tantalu w ilości 5% at., przy czym target rozpyla się przy gęstości mocy czynnej na targecie wynosi nie większej niż 18 W/cm.

P r z y k ł a d 5

Cienka warstwa z efektem termorezystancyjnym, stanowi warstwę dwutlenku tytanu domieszkowanego wanadem, niobem i tantalem, przy czym warstwa zawiera wanad w ilości 7,44% at., niob w ilości 5% at. i tantal w ilości 4,8% at. Warstwa ta naniesiona na podłoża szklane jest stabilna w zakresie temperatur 20°C - 70°C i charakteryzuje się powtarzalną temperaturą przełączania rezystancji

T_c, przy czym dla rezystancji R_s równej 10¹¹ Ω^. w temperaturze T mniejszej od 53°C przy podgrzewaniu, w temperaturze T równej 53°C następuje obniżenie wartości rezystancji Rs na równą 4x10⁸ Ω^., która zachowuje swoją wartość również po podgrzaniu do temperatury T powyżej 53°C. Natomiast podczas chłodzenia dla rezystancji R_s równej 4 x 10⁸ Ω^. w temperaturze T większej od 51°C, w temperaturze T równej 51°C następuje zwiększenie wartości rezystancji Rs na równą 10¹¹ Ω^., która zachowuje swoją wartość również po ochłodzeniu do temperatury T poniżej 51°C.

P r z y k ł a d 6

Cienka warstwa z efektem termorezystancyjnym, wykonana jak w przykładzie piątym, z tą różnicą, że zawiera wanad w ilości 10,5% at., niob w ilości 8,5% at. i tantal w ilości 2,8% at.

P r z y k ł a d 7

Cienka warstwa z efektem termorezystancyjnym, wykonana jak w przykładzie piątym, z tą różnicą, że zawiera wanad w ilości 15% at., niob w ilości 10% at. i tantal w ilości 5% at.

P r z y k ł a d 8

Cienka warstwa z efektem termorezystancyjnym, wykonana jak w przykładzie piątym, z tą różnicą, że zawiera wanad w ilości 5% at., niob w ilości 1% at. i tantal w ilości 1% at.

Claims

1. Sposób wytwarzania cienkiej warstwy z efektem termorezystancyjnym z wykorzystaniem rozpylania magnetronowego, znamienny tym, że powierzchnię roboczą targetu tytanowego wraz z domieszkami wanadu, niobu i tantalu stanowiącego katodę uzdatniania się, po czym w procesie rozpylania magnetronowego targetu tytanowego z domieszkami w niskociśnieniowej plazmie tlenowej nanosi się na podłoża cienką warstwę dwutlenku tytanu domieszkowaną wanadem, niobem i tantalem, przy czym łączna ilość domieszek w targecie wynosi od 7 do 30% at.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że target tytanowy z domieszkami wanadu, niobu i tantalu formuje się w postaci klinów, które wycina się z arkuszy folii o grubości od 0,1 mm do 1 mm, po jednym klinie dla każdego rodzaju domieszki i rozkłada się na powierzchni targetu tytanowego wykonanego w postaci krążka o średnicy 100 mm i grubości 3 mm.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się stopowy target tytanowy z domieszkami wanadu, niobu i tantalu.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że powierzchnię roboczą targetu z domieszkami wanadu, niobu i tantalu uzdatniania się poprzez rozpylanie targetu w reaktywnej niskociśnieniowej plazmie tlenowej w warunkach roboczych przez co najmniej 10 min, przy czy target z domieszkami podgrzewa się do temperatury nie mniejszej niż 773 K.

5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że powierzchnię roboczą targetu z domieszkami rozpyla się w wyniku czego nanosi się warstwy na podłoża podgrzane do temperatury -1 powyżej 370 K w reaktywnej atmosferze tlenu o ciśnieniu poniżej 10^-1 Pa.

6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że podłoża umieszcza się w odległości 45 + 100 mm od targetu.

7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że target z domieszkami rozpyla się w magnetronie zasilanym ujemnymi impulsami sinusoidalnymi o częstotliwości powyżej 10 kHz i o maksymalnej amplitudzie napięcia powyżej 1000 V.

8. Cienka warstwa z efektem termorezystancyjnym, znamienna tym, że cienka warstwa dwutlenku tytanu domieszkowana jest wanadem, niobem i tantalem, przy czym łączna ilość wprowadzonych domieszek wynosi od 7% do 30% at.

9. Cienka warstwa, według zastrz. 8, znamienna tym, że ilość pierwiastkowego wanadu w warstwie wynosi 5 - 15% at.

10. Cienka warstwa, według zastrz. 8, znamienna tym, że ilość pierwiastkowego niobu w warstwie wynosi 1 - 10% at.

11. Cienka warstwa, według zastrz. 8, znamienna tym, że ilość pierwiastkowego tantalu w warstwie wynosi 1 - 5% at.