[发明专利]一种负温度系数热敏薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种负温度系数热敏薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)衬底的清洗；(2)热敏薄膜制备：采用磁控溅射法将Mn‑Co‑Ni系合金靶材溅射到衬底上得到Mn‑Co‑Ni系薄膜；(3)退火处理：将Mn‑Co‑Ni系薄膜在含有氧气的气氛下进行退火氧化处理，即可得到Mn‑Co‑Ni‑O系负温度系数热敏薄膜。本发明通过对制备方法整体流程工艺设计，尤其是关键溅射工艺所采用的靶材料进行改进，以Mn‑Co‑Ni系合金作为靶材，与现有技术相比能够有效解决磁控溅射法制备热敏薄膜时陶瓷靶材容易碎裂、利用率低的问题，制备方法操作简单，容易实现，重复性好。

技术领域

本发明属于信息功能陶瓷材料薄膜制备技术领域，更具体地，涉及一种负温度系数热敏薄膜的制备方法，该热敏薄膜尤其是Mn-Co-Ni-O、Mn-Ni-O、及Mn-Fe-Ni-O系负温度系数(NTC)热敏薄膜。

背景技术

负温度系数(NTC)热敏材料泛指其电阻值随温度的升高而减小的电子材料。NTC热敏电阻由于灵敏度高、稳定性好、价格低廉等特点，被广泛应用于温度传感器、家用电器、红外探测等领域。以Mn-Co-Ni-O系材料为例，具有尖晶石(AB₂O₄)结构的Mn-Co-Ni-O系材料由于展现出优良的负温度系数和较好的稳定性，成为了目前最为常用的NTC热敏电阻材料之一。与传统的块体、厚膜热敏电阻相比，薄膜材料(厚度一般小于10微米)能够满足半导体行业产品的小型化和集成化的需求，以及具有灵敏度高、响应快等优点，在MEMS、集成电路以及微纳器件等领域具有广阔的应用前景，具有很高的实用价值和经济价值。

目前制备NTC热敏薄膜的方法主要有磁控溅射法、蒸发镀膜法、金属有机物热分解法、脉冲激光沉积法等。2006年美国华盛顿大学的Kukuruznyak Dmitry用金属有机物热分解法制备了Ni_0.48Co_0.24Cu_0.6Mn_1.68O₄薄膜(Moyer,Jerome G，Kukuruznyak,Dmitry A，etal.Thermopower and electrical conductivity of Mn_1.68-XCu_0.6+X+Y+ZCo_0.24-YNi_0.48-Zthin film oxides obtained through metal organic decomposition processing[J].JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,2006,100(8),083514.),国内的何林等人在专利中以金属溶液分解法制备了Mn-Co-Ni-O/Mn-Co-Ni-Cu-O/Mn-Co-Ni-O三明治结构薄膜(中国专利ZL2015 10143370.5),该方法的特点是条件可控性好，但是所制备的薄膜组分和厚度会不均匀。2001年R.Schmidt和A.W.Brinkman用电子束蒸发法制备了NiMn₂O₄薄膜(Schmidt R,Brinkman A W.Preparation and characterization of NiMn₂O₄ films[J].Int J InorgMater,2001,3,1215－1217.)，但是该方法无法控制NiMn₂O₄原材料分解和重新组合的薄膜沉积过程。总体来说蒸发镀膜法的优点是设备简单，操作方便，成膜速度快、效率高，用掩模可以获得清晰图形。缺点是薄膜与基片附着力较弱，对高熔点物质很难进行蒸发，工艺重复性不够好，而且不易保证材料的准确成分等。2002年M.H.Lee和M.N.Yoo等人用激光脉冲沉积法制备了Mn_1.5CoNi_0.5O₄热敏薄膜(Lee M H,Yoo M N.Detectivity of thin film NTCthermal sensors[J].Sens Actuat A,2002,96(1)，97－104.)，该方法制备薄膜的特点是沉积速度快，沉积温度低,制备的薄膜均匀，但是设备昂贵。A.Basu等人通过射频磁控溅射的方法制备了Ni_xMn_3-xO_4+δ(0.4≤x≤1.0)薄膜(Basu A,Brinkman A W,Klusek Z,et al.Insitu study of the effect of temperature on the electronic structure ofNi_xMn_3-xO_4+δ thin films using scanning tunneling spectroscopy[J].J Appl Phys,2002,92(7),4123-4125.)，该方法制备的薄膜结晶性好、纯度高，均匀度好，并且薄膜与基底结合较好，易于进行大规模生产，但是传统的陶瓷靶材容易碎裂利用率低。