一種新型鐵電氧化釩復(fù)合薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于紅外熱成像傳感器以及太赫 茲圖像傳感器的鐵電氧化釩復(fù)合薄膜（F_V 0X)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外熱成像傳感器和太赫茲圖像傳感器是廣泛應(yīng)用于安防、消防、醫(yī)療、工業(yè)、汽 車、特種行業(yè)等領(lǐng)域的專業(yè)圖像傳感器。而紅外熱成像傳感器和太赫茲圖像傳感器均是利 用熱敏材料的電阻率對(duì)溫度的敏感特性進(jìn)行圖像探測(cè)的。在種類繁多的熱敏材料中，氧化 釩（VOX)薄膜以其具有與集成電路和MEMS工藝的兼容性和較高的電阻溫度系數(shù)（TCR)、合 適的方塊電阻和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，成為目前研究最深入和應(yīng)用最廣泛的熱敏材料。
[0003] 為了滿足市場(chǎng)對(duì)高信噪比、高靈敏度的紅外熱成像傳感器和太赫茲圖像傳感器產(chǎn) 品的需求，希望進(jìn)一步提高VOx薄膜的電阻溫度系數(shù)，目前常用的方法是摻雜過渡金屬元 素，以形成復(fù)合氧化物薄膜。例如，通過摻入W、Ti等過渡金屬元素，可以獲得電阻溫度系數(shù) 為-3~4%K的摻雜氧化釩薄膜，但是過渡金屬元素的摻雜將會(huì)影響氧化釩薄膜微觀結(jié)構(gòu)的 均勻性，導(dǎo)致器件本征噪聲的增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明目的在于提供一種新型的鐵電氧化釩復(fù)合薄膜（F_ Vox) 〇
[0005] 為達(dá)到以上效果，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種新型鐵電氧化釩復(fù)合薄膜，該 鐵電氧化釩復(fù)合薄膜是由金屬鈮或鈮基鐵電材料薄膜與氧化釩薄膜復(fù)合而成的鈮基鐵 電-氧化釩雙層復(fù)合薄膜。
[0006] 優(yōu)選地，所述氧化釩為釩氧化合物中的一種或多種，其分子式為V0X，X滿足 1 < X < 2. 5;所述鈮基鐵電材料為鈮酸鹽中一種或多種。
[0007] 優(yōu)選地，所述鈮酸鹽為鈮酸鋰、鈮酸鉀、鈮酸鈉鉀、鈮酸鍶鋇、鎂鈮酸鉛、鉭鈮酸鉀。
[0008] 優(yōu)選地，所述氧化fji的薄膜厚度為150~300nm,所述金屬銀或銀基鐵電材料薄膜 的厚度為l〇~15nm，所述雙層復(fù)合薄膜的厚度為160~315nm，所述復(fù)合薄膜的電阻溫度系數(shù) 為 3. 8~4. 2%/K〇
[0009] 為了解決上述問題，本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種新型鐵電氧化釩復(fù)合薄 膜F_V0x的制備方法，具體步驟是： ① 將潔凈的襯底裝入濺射腔室； ② 在襯底表面沉積一層氧化釩薄膜； ③ 在氧化釩薄膜上沉積一層金屬鈮或鈮基鐵電材料薄膜； ④ 對(duì)所沉積的復(fù)合薄膜樣品進(jìn)行退火處理。
[0010] 優(yōu)選地，所述襯底是MEMS結(jié)構(gòu)晶圓中的氮化硅或者二氧化硅層；所述氧化釩為釩 氧化合物中的一種或多種，其分子通式為V0x，X滿足1 < X < 2. 5;所述鈮基鐵電材料為鈮 酸鹽中一種或多種。
[0011] 優(yōu)選地，所述鈮酸鹽為鈮酸鋰、鈮酸鉀、鈮酸鈉鉀、鈮酸鍶鋇、鎂鈮酸鉛、鉭鈮酸鉀。
[0012] 優(yōu)選地，在步驟②中采用的沉積方法是磁控濺射法，具體工藝條件是：磁控濺射腔 室真空度為5\10 4?&，脈沖直流電源的脈沖頻率調(diào)制為100~3501(抱，占空比為50~95%， 功率為200~350W，腔壓為0. 5~1. 5Pa，高純度氬氣和氧氣比例為100:0. 5~3. 5,濺射時(shí)間為 10~15分鐘，所用金屬釩靶純度為99. 95%，生成的氧化釩薄膜厚度為150~300nm。
[0013] 優(yōu)選地，在步驟③中采用的沉積方法是磁控濺射法，具體工藝條件是：磁控濺射腔 室真空度為5\10 4?&，脈沖直流電源的脈沖頻率調(diào)制為100~3501(抱，占空比為50~95%， 功率為200~350W，通高純度氬氣使腔壓達(dá)到0. 5~1. 5Pa，濺射時(shí)間為1分鐘，所用金屬鈮或 鈮基鐵電材料靶純度為99. 95%，生成的金屬鈮或鈮基鐵電材料薄膜厚度為10~15nm。
[0014] 優(yōu)選地，在步驟④中對(duì)所沉積的薄膜樣品進(jìn)行退火處理，退火工藝條件為：采用真 空退火，真空度為5父10 4?&，溫度為300~320°(：，退火時(shí)間為3~4小時(shí)。
[0015] 優(yōu)選地，所述制備方法采用定制的多腔體磁控濺射設(shè)備，步驟②在釩靶腔室完成， 步驟③在鈮基鐵電靶腔室完成，釩靶腔室和鈮基鐵電靶腔室通過隔離門隔開，樣品的轉(zhuǎn)移 通過機(jī)器手完成。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明存在以下有益效果： 1) 本發(fā)明首次利用金屬鈮和鈮基鐵電薄膜材料不為人知的優(yōu)良熱傳導(dǎo)、熱吸收性能， 將金屬鈮或鈮基鐵電薄膜材料復(fù)合在傳統(tǒng)氧化釩薄膜上，形成新型的鐵電氧化釩復(fù)合薄膜 F_V0x。金屬鈮以及鈮基鐵電薄膜材料能夠有效提高氧化釩薄膜的熱量吸收率，使鐵電氧化 釩復(fù)合薄膜F_V0x的溫度電阻系數(shù)提高到3. 8%/K，有效解決了小面陣高TCR的問題且避免 了傳統(tǒng)摻雜工藝對(duì)氧化釩薄膜產(chǎn)生的負(fù)面影響，將其應(yīng)用于傳感器可全面提升紅外熱成 像、太赫茲圖像傳感器的性能； 2) 本發(fā)明采用磁控濺射沉積法和低溫退火工藝成膜，可將MEMS結(jié)構(gòu)晶圓作為襯底置 于磁控濺射腔室進(jìn)行沉積并退火，工藝條件與MEMS和集成電路工藝高度兼容，有利于傳感 器的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展； 3) 本發(fā)明制備方法采用定制的多腔體磁控濺射設(shè)備，腔室之間通過隔離門隔開并通過 機(jī)器手完成樣品的轉(zhuǎn)移，避免樣品暴露在空氣中，減少樣品污染，顯著提高成品率。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明制備新型鐵電氧化釩復(fù)合薄膜F_V0x的方法流程圖； 圖2是包含鈮基鐵電氧化釩復(fù)合薄膜F_V0x的MEMS結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是按照本發(fā)明實(shí)施例1制備的金屬鈮氧化釩復(fù)合薄膜的電阻溫度系數(shù)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合圖1至圖3,對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)敘述： 本發(fā)明是通過磁控濺射將金屬鈮或鈮基鐵電薄膜材料復(fù)合在傳統(tǒng)氧化釩薄膜上，形成 新型的鐵電氧化釩復(fù)合薄膜F_V0x。本發(fā)明首次利用金屬鈮以及鈮基鐵電薄膜材料不為人 知的優(yōu)良熱傳導(dǎo)、熱吸收性能，主要機(jī)理在于金屬鈮和鈮基鐵電薄膜材料能夠有效提高氧 化釩薄膜的熱量吸收率，使鐵電氧化釩復(fù)合薄膜F_V0x的溫度電阻系數(shù)提高到3. 8%/K。
[0019] 參見圖1，為本發(fā)明制備新型鐵電氧化釩復(fù)合薄膜F_V0x的方法流程圖，包括以下 步驟： ①將潔凈的襯底裝入濺射腔室； 在本步驟中，所述襯底可以是MEMS結(jié)構(gòu)晶圓中的氮化硅或者二氧化硅層，裝入磁控濺 射腔室。
[0020] ②在襯底表面沉積一層氧化釩薄膜； 在本步驟中，采用磁控濺射法，具體工藝條件是：磁控濺射腔室真空度為5 X 10 4 Pa，脈沖直流電源的脈沖頻率調(diào)制為100~350KHz，占空比為50~95%，功率為200~350W，腔壓為 0. 5~1. 5Pa，高純度氬氣和氧氣比例為100:0. 5~3. 5,濺射時(shí)間為10~15分鐘，所用金屬釩靶 純度為99. 95%，生成的氧化釩薄膜厚度為150~300nm。
[0021] ③在氧化f凡薄膜上沉積一層金屬銀或銀基鐵電材料薄膜； 在本步驟中，采用的沉積方法是磁控濺射法，具體工藝條件是：磁控濺射腔室真空度 為5\104?&，脈沖直流電源的脈沖頻率調(diào)制為100~3501(抱，占空比為50~95%，功率為 200~350W，通高純度氬氣使腔壓達(dá)到0. 5~1. 5Pa，濺射時(shí)間為1分鐘，所述鈮基鐵電材料，例 如可以是鈮酸鹽中的鈮酸鋰、鈮酸鉀，或者是對(duì)鈮酸鹽進(jìn)行A位或B位摻雜形成的鈮酸鈉 鉀、鈮酸鍶鋇、鎂鈮酸鉛、鉭鈮酸鉀等，又或者是其中兩種或兩種以上形成的復(fù)合體系，其純 度為99. 95%，生成的金屬鈮或鈮基鐵電材料薄膜厚度為10~15nm。
[0022] ④對(duì)所沉積的復(fù)合薄膜樣品進(jìn)行退火處理； 在本步驟中，退火工藝條件為：采用真空退火，真空度為5X104 Pa，溫度為 300~320°C，退火時(shí)間為3~4小時(shí)。
[0023] 實(shí)施例1:參見圖2,以金屬鈮制備的包含鈮基鐵電氧化釩復(fù)合薄膜的MEMS結(jié)構(gòu)為 例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)講解，該方法包括： 步驟1 :采用多腔體磁控濺射設(shè)備，廠房環(huán)境為100級(jí)潔凈室，相對(duì)溫度為25°C ±2°C， 濕度為45~55%。將高純度99. 95%金屬釩靶、金屬鈮靶進(jìn)行化學(xué)、物理方式清洗烘干，分 別安裝到多腔體PVD濺射設(shè)備的2個(gè)獨(dú)立高真空腔室。將純度為99. 999%的氬氣、純度為 99. 999%的氧氣接入設(shè)備，通過質(zhì)子流量計(jì)MF