[發明專利]一種鈦釕共摻二氧化釩熱敏薄膜材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710803109.2
• 申請日: 2017-09-08
• 公開（公告）號: CN107686973A
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: 顧德恩;徐世洋;周鑫;鄭宏航;蔣亞東
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: C23C14/34
• 分類號: C23C14/34;C23C14/08
• 代理公司: 長沙楚為知識產權代理事務所(普通合伙)43217
• 代理人: 李大為,陶祥琲

一種鈦釕共摻二氧化釩熱敏薄膜材料及其制備方法，可用于非制冷紅外探測器和電子薄膜技術領域。其中，二氧化釩熱敏薄膜材料以鈦和釕作為摻雜劑制備，包括基片層和鈦釕共摻二氧化釩薄膜層；鈦釕共摻二氧化釩薄膜層中，鈦、釕和釩的原子百分比分別為4.0?7.0％、0.5?1.5％、25.0?30.0％，其余為氧元素。本發明還提供以鈦釕釩合金靶為源材料采用反應濺射方法，或以鈦靶、釕靶和釩靶為濺射源采用共反應濺射方法制備二氧化釩熱敏薄膜材料的方法。本發明制得的二氧化釩薄膜為單斜多晶結構，呈現無相變特征，具有較低室溫電阻率，并具有比未摻雜二氧化釩和常用VO_X熱敏薄膜更高的電阻溫度系數；其制備工藝易于通過現有濺射設備或對現有設備適當改進后實現，且與器件MEMS工藝兼容。

技術領域

本發明涉及紅外探測器和電子薄膜技術領域，具體涉及一種二氧化釩熱敏薄膜材料及其制備方法，尤其涉及一種無相變、低電阻率、高電阻溫度系數的二氧化釩熱敏薄膜材料及其制備方法。

背景技術

非制冷紅外焦平面陣列探測器因其無需制冷器、具有體積小、重量輕、靈敏度高等優點，而在森林防火、安防、電力巡檢、醫療等領域具有廣泛的應用。為了提高器件的探測距離、降低制造成本，非制冷紅紅外焦平面陣列的像元有逐漸減小的趨勢，已經從最初的45um逐步降低至目前的12um(R.A.Wood,et al.,IEEE,1992,132-135；A.Rogalski,et al.,2016,Rep.Prog.Phys.,79,046501)。但是，減小像元尺寸將導致器件的噪聲等效溫差(NETD)增大(A.Rogalski,et al.,2016,Rep.Prog.Phys.,79,046501)。而NETD越大，器件的靈敏度越低。另一方面，器件所用熱敏薄膜的電阻溫度系數(|TCR|)越高(半導體材料的TCR一般為負，本文所涉及TCR大小時，若無特殊說明，均是指TCR的絕對值|TCR|)，器件的NETD越小，器件的靈敏度越大。因此，采用高TCR的熱敏薄膜有助于研制高靈敏的小像元非制冷紅外焦平面陣列探測器。由于混合價氧化釩(VO_X)具有：(a)高TCR、(b)低噪聲、(c)適當的室溫電阻率(0.5-5Ω·cm)、(d)良好的微機電系統(以下簡稱“MEMS”)工藝兼容性和(e)集成電路工藝兼容性等優點，而被廣泛用作非制冷焦平面陣列的熱敏材料。這種混合價氧化釩薄膜一般具有2.0-2.5％/℃的TCR(R.A.Wood,et al.,IEEE,1992,132-135；S.H.Black,etal.,Proc.of SPIE，2011,8012，80121A；)。VO_X薄膜一般為非晶結構，在高溫環境下，這種非晶結構有晶化的傾向，一旦發生晶化行為，薄膜的電學參數將發生顯著的變化。因此，VO_X薄膜的這種非晶特征制約了后續MEMS工藝的其他工序的工藝窗口。

為了進一步提高器件的靈敏度，具有單斜相結構的VO₂薄膜也被嘗試用作非制冷紅外焦平面陣列的熱敏材料。相對于VO_X薄膜，具有單斜相結構的VO₂薄膜不但具有相對穩定的晶體結構，而且具有更高的TCR，尤其是在半導體-金屬相變時，相變區間TCR可高達16％/K以上。但是單斜相結構的VO₂薄膜用于非制冷焦平面陣列的熱敏材料上也面臨三個問題：第一，單斜相結構的VO₂薄膜相變時的熱滯洄現象意味著高的熱滯噪聲，熱滯噪聲會顯著增加器件的噪聲，降低其信噪比。第二，非制冷焦平面陣列器件制造中熱敏薄膜工藝之后的多步后續工藝(介質層PECVD工藝、去膠工藝、釋放工藝等)的溫度都遠大于VO₂薄膜相變溫度(約68℃)，這意味著在器件制造中VO₂薄膜將經歷多次相變過程，而這種相變伴隨著其體積的變化。多次的體積變化將不可避免降低非制冷焦平面陣列單元橋面膜層的可靠性。第三，VO₂薄膜具有較高的室溫電阻率(>10Ω·cm),這不但制約了像元結構的設計，也限制了器件的工作參數選擇。因此，具有單斜相結構的VO₂薄膜作為熱敏薄膜在高性能非制冷紅外焦平面陣列器件研制難以獲得真正的應用。