[发明专利]一种铁电氧化钒复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电传感器技术领域，特别涉及一种用于红外热成像传感器以及太赫兹图像传感器的铁电氧化钒复合薄膜(F_VOx )及其制备方法。

背景技术

红外热成像传感器和太赫兹图像传感器是广泛应用于安防、消防、医疗、工业、汽车、特种行业等领域的专业图像传感器。而红外热成像传感器和太赫兹图像传感器均是利用热敏材料的电阻率对温度的敏感特性进行图像探测的。在种类繁多的热敏材料中，氧化钒（VOx）薄膜以其具有与集成电路和MEMS工艺的兼容性和较高的电阻温度系数（TCR）、合适的方块电阻和低噪声等优点，成为目前研究最深入和应用最广泛的热敏材料。

为了满足市场对高信噪比、高灵敏度的红外热成像传感器和太赫兹图像传感器产品的需求，希望进一步提高VOx薄膜的电阻温度系数，目前常用的方法是掺杂过渡金属元素，以形成复合氧化物薄膜。例如，通过掺入W、Ti等过渡金属元素，可以获得电阻温度系数为-3~4%/ K的掺杂氧化钒薄膜，但是过渡金属元素的掺杂将会影响氧化钒薄膜微观结构的均匀性，导致器件本征噪声的增加。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种铁电氧化钒复合薄膜(F_VOx )。

为达到以上效果，本发明采用的技术方案为：一种铁电氧化钒复合薄膜，该铁电氧化钒复合薄膜是由金属铌或铌基铁电材料薄膜与氧化钒薄膜复合而成的铌基铁电-氧化钒双层复合薄膜，其中，氧化钒薄膜沉积在MEMS结构晶圆上，金属铌或铌基铁电材料薄膜沉积在氧化钒薄膜上。

优选地, 所述氧化钒为钒氧化合物中的一种或多种，其分子式为VOx，X满足1≤X≤2.5；所述铌基铁电材料为铌酸盐中一种或多种。

优选地，所述铌酸盐为铌酸锂、铌酸钾、铌酸钠钾、铌酸锶钡、镁铌酸铅、钽铌酸钾。

优选地,所述氧化钒的薄膜厚度为150~300nm,所述金属铌或铌基铁电材料薄膜的厚度为10~15nm，所述双层复合薄膜的厚度为160~315nm,所述复合薄膜的电阻温度系数为3.8~4.2%/K。

为了解决上述问题,本发明的另一个目的在于提供一种铁电氧化钒复合薄膜F_VOx的制备方法，具体步骤是：

①将洁净的衬底装入溅射腔室；

②在衬底表面沉积一层氧化钒薄膜；

③在氧化钒薄膜上沉积一层金属铌或铌基铁电材料薄膜；

④对所沉积的复合薄膜进行退火处理。

优选地，所述衬底是MEMS结构晶圆中的氮化硅或者二氧化硅层；所述氧化钒为钒氧化合物中的一种或多种，其分子式为VOx，X满足1≤X≤2.5；所述铌基铁电材料为铌酸盐中一种或多种。

优选地，所述铌酸盐为铌酸锂、铌酸钾、铌酸钠钾、铌酸锶钡、镁铌酸铅、钽铌酸钾。

优选地，在步骤②中采用的沉积方法是磁控溅射法，具体工艺条件是：磁控溅射腔室真空度为5×10^-4 Pa,脉冲直流电源的脉冲频率调制为100~350KHz,占空比为50~95%，功率为200~350W，腔压为0.5~1.5Pa，高纯度氩气和氧气比例为100:0.5~3.5，溅射时间为10~15分钟，所用金属钒靶纯度为99.95%，生成的氧化钒薄膜厚度为150~300nm。

优选地，在步骤③中采用的沉积方法是磁控溅射法，具体工艺条件是：磁控溅射腔室真空度为5×10^-4 Pa,脉冲直流电源的脉冲频率调制为100~350KHz,占空比为50~95%，功率为200~350W，通高纯度氩气使腔压达到0.5~1.5Pa，溅射时间为1分钟，所用金属铌或铌基铁电材料靶纯度为99.95%,生成的金属铌或铌基铁电材料薄膜厚度为10～15nm。

优选地，在步骤④中对所沉积的复合薄膜进行退火处理，退火工艺条件为：采用真空退火，真空度为5×10^-4 Pa,温度为300~320℃，退火时间为3~4小时。

优选地，所述制备方法采用定制的多腔体磁控溅射设备，步骤②在钒靶腔室完成，步骤③在铌基铁电靶腔室完成，钒靶腔室和铌基铁电靶腔室通过隔离门隔开，样品的转移通过机器手完成。

与现有技术相比，本发明存在以下有益效果：