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直流对靶溅射制备氧化钒薄膜的研究

吴淼  胡明  刘志刚  
【摘要】:氧化钒薄膜由于具有高电阻温度系数(TCR)值,其电阻值随入射辐射引起的温升而灵敏地改变,微测辐射热计正是利用这一特性进行测量的,因此氧化钒薄膜在红外探测和红外成像方面具有广泛的应用前景。为了与CMOS读出电路集成,氧化钒薄膜的制备工艺必须与Si微机械以及CMOS工艺匹配。因此低温下制备出高性能的氧化钒薄膜是亟待解决的课题。本论文在常温下以高纯金属钒为靶材,用直流对靶磁控溅射的方法制备出了氧化钒薄膜。通过设计正交实验,系统分析了Ar/O2比例、溅射功率、工作压强和热处理时间对氧化钒薄膜TCR的影响。由正交实验结果统计出了这四个因素对TCR影响的变化趋势。实验结果表明:当Ar与O2的比例为120:1,功率120w,工作压强2Pa时,所获得薄膜TCR值普遍较大。而热处理可以消除薄膜在沉积过程中产生的内应力,实现晶体结构的重构,从而改善薄膜机械、晶体结构和电学性能等多方面的性能,从实验结果中也可以看出,采用较长热处理时间可以提高TCR值。实验中TCR值较高的薄膜,都在-2%/K附近,最高的为-2.42%/K。运用SEM和XPS技术对高TCR薄膜进一步分析。SEM形貌分析显示这种制备方法结合适当的退火,可以制备出氧化钒多晶薄膜,晶粒尺寸在nm数量级。退火温度控制在400℃以下,所以能与CMOS工艺匹配。运用XPS分析薄膜成分发现,这些薄膜的化学计量比都可以表示为VO4.5,同时发现影响薄膜成分的因素除了Ar与O2的比例外,气体总流速也是不可忽略的因素。运用四探针技术测量了氧化钒薄膜的表面电阻,其中可以进行实际应用的薄膜,表面电阻为KΩ/□量级。

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