CN116200704A - 一种金属氧化物薄膜的制备方法及氧化物薄膜 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种金属氧化物薄膜的制备方法及氧化物薄膜。该方法包括：在真空反应室中，对基底表面进行至少两次溅射过程，得到金属氧化物薄膜。本申请的制备方法通过分步进行溅射和退火，退火过程更加充分，提高结晶性，使得薄膜组分中的金属氧化物纯度大幅提高。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜制造领域，尤其涉及一种金属氧化物薄膜的制备方法及氧化物薄膜。
背景技术
目前，二氧化钒(VO2)引起了相当大的关注，它是一种相变材料，在接近68℃的温度下经历可逆的金属-绝缘体相变。由于相变导致电学、磁学和光学性质的急剧变化，有许多潜在的应用。例如开关设备、可切换/可调谐的元材料、可切换/可调谐天线和微波设备、传感器、智能窗口等。
二氧化钒的制备方法包括溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积(PLD)、化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。其中物理气相沉积制备方法具有沉积速度快、薄膜均匀性好、成分接近靶材成分等优点。物理气相沉积中的溅射法优势明显，利用溅射法制备二氧化钒时，厚度易于控制、且成膜附着力比较高。利用溅射法制备二氧化钒的缺点在于制备的薄膜纯度交叉，经常含有其他价态的钒氧化物。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种金属氧化物薄膜的制备方法及氧化物薄膜，能够大幅提高薄膜组分的纯度。
为实现上述目的，本申请提供一种金属氧化物薄膜的制备方法，包括：
在真空反应室中，对基底表面进行至少两次溅射过程，得到金属氧化物薄膜。
在一个优选的实施方式中，所述每次溅射过程包括：利用溅射法，在具有工作温度的基底表面溅射金属氧化物后，升高基底温度并进行退火，得到金属氧化物薄膜。
在一个优选的实施方式中，所述至少两次溅射过程包括依次进行的第一次溅射过程和第二次溅射过程，其中第一次溅射过程的基底的工作温度低于第二次溅射过程的基底的工作温度。
在一个优选的实施方式中，所述在基底表面溅射金属氧化物包括：利用工作气体离子轰击金属靶材，溅射出的金属离子与氧气共同作用，在基底表面形成金属氧化物薄膜。
在一个优选的实施方式中，所述工作气体为惰性气体。
在一个优选的实施方式中，所述溅射过程中基底的工作温度为200-400℃。
在一个优选的实施方式中，所述真空反应室内通入的工作气体的流量为25-30sccm。
在一个优选的实施方式中，所述真空反应室内通入的氧气的流量为1-1.5sccm。
在一个优选的实施方式中，所述金属为钒，所述金属氧化物为二氧化钒。
在一个优选的实施方式中，所述溅射为直流磁控溅射。
本申请还提供了一种金属氧化物薄膜，所述氧化物薄膜利用上述方法制备得到。
本申请实施例的制备方法通过分步进行溅射和退火，退火过程更加充分，提高结晶性，使得薄膜组分中的金属氧化物纯度大幅提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例1提供的制备金属氧化物薄膜的方法的流程图；
图2是本发明方案制得的二氧化钒薄膜SEM照片；
图3是氧化钒薄膜的方阻-温度变化曲线图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
发明人在经过多次试验后发现，现有技术中溅射法制备二氧化钒的薄膜纯度较低的原因主要是：二氧化钒的薄膜纯度与结晶性程度有关，现有技术的制备过程主要利用一步法，即薄膜通过一步溅射、并经过一步退火制得，这个过程薄膜往往难以彻底退火，总体退火时间也往往相对较短，无法保证二氧化钒薄膜的结晶性和组分纯度。另外采用现有技术的一步法方法必须使用高温退火，温度变化后基底和二氧化钒薄膜之间的热应变过大，导致薄膜生长方式受到很大影响，甚至会导致薄膜脱落。
基于对现有技术的问题原因总结，本申请提出一种改进的金属氧化物薄膜的制备方法，采用两步法甚至多于两部的多步法，对金属氧化物薄膜进行分层溅射制备和分步退火，可以使得退火充分，结晶性大幅提升，提使得金属氧化物获得较高合适的晶粒度，提高取向度，改善金属氧化物薄膜的纯度。此外，无需使用像现有技术一步法那样的高温退火，因此基底和薄膜之间的热应变较小，薄膜不会脱落且生长过程不易受到影响。
本发明实施例提供一种金属氧化物薄膜的制备方法，包括：在真空反应室中，对基底表面进行至少两次溅射过程，得到金属氧化物薄膜。
其中每次溅射过程包括利用溅射法，在具有工作温度的基底表面溅射金属氧化物后，升高基底温度并进行退火。通过大量实验发现多次溅射过程的前后两次过程，前次溅射过程的基底工作温度低于后次溅射过程的基底工作温度，即每次溅射过程的基底的工作温度逐渐提高，这样有助于进一步提高金属氧化物薄膜的纯度。
在基底表面溅射金属氧化物包括：利用工作气体离子轰击金属靶材，溅射出的金属离子与氧气共同作用，在基底表面形成金属氧化物薄膜。工作气体可以为惰性气体，例如氩气。真空反应室内通入的工作气体的流量为25-30sccm。溅射过程中基底的工作温度可以为200-400℃。真空反应室内通入的氧气的流量为1-1.5sccm。退火过程对升高基底的温度的目标温度可以为300-400℃，退火的时间可以为2小时至3小时。
金属为可以为钒，金属氧化物可以为二氧化钒。溅射可以为磁控溅射，具体可以为直流磁控溅射。
以下以金属氧化物为二氧化钒为例，详细说明本发明的具体实现。
实施例1
图1示出了本申请实施例1提供的制备金属氧化物薄膜的方法的流程图，包括如下步骤：
步骤S101：制备二氧化钒前驱体。
可以将基底晶圆片传输至溅射真空反应室内，基底可以为氮化硅基底，尺寸可以为8英寸。基底的工作温度可以控制在300℃，真空反应室内的真空度可以为5×10-8mTorr左右。接下来调节溅射功率为200W，向反应室内通入工作气体氩气的流量为28sccm，通入氧气流量为1.2sccm，反应室内的气压可以为2.5mTorr左右，溅射时间为900s。从而得到二氧化钒前驱体。
步骤S102：退火制备二氧化钒薄膜。
将基底温度迅速升高至365℃，并保温3小时，得到二氧化钒薄膜。
通过步骤S101至S102，完成第一次溅射过程。
步骤S103：继续制备二氧化钒。
在经过步骤S102的基础上，继续溅射，基底的工作温度可以控制在300℃，真空反应室内的真空度可以为5×10-8mTorr左右。接着调节溅射功率为200W，向反应室内通入工作气体氩气的流量为28sccm，通入氧气流量为1.2sccm，反应室内的气压可以为2.5mTorr左右，溅射时间为900s。从而得到二氧化钒。
步骤S104：退火制备二氧化钒薄膜。
将基底温度迅速升高至365℃，并保温3小时，得到二氧化钒薄膜。
通过步骤S101至S102，完成第二次溅射过程。
本申请其他实施例还可以将步骤S103和步骤S104中退火过程的保温时间替换为2小时。此外步骤S101和步骤S102中溅射过程的时间可以替换为600s。
此外，除了如上述实施例1中采用两次溅射过程外，还可以采用三次或更多次溅射过程，每次溅射过程均包括溅射制备金属氧化物以及退火制得金属氧化物薄膜。其中每次退火温度除首次外，后续各次退火温度可以保持一致。比如实施例1中，可以增加第三次溅射退火过程，退火温度可以为365°。
本申请实施例的制备方法通过分步进行溅射和退火，退火过程更加充分，提高结晶性，使得薄膜组分中的金属氧化物纯度大幅提高。
本发明实施例还公开一种金属氧化物薄膜，利用上述方法制备得到。该金属氧化物薄膜具体可以为二氧化钒薄膜。
如图2所示，是本发明方案制得的二氧化钒薄膜SEM照片，获得的薄膜非常均匀和连续，并显示出高的表面覆盖率。在相对较低的温度下退火得到的该薄膜显示了通过紧密堆积连接而形成的平坦表面，并且晶粒边界清晰、晶粒尺寸较大。这种特殊结构VO2薄膜表现出优异的可逆金属-半导体相变特性。如图3所示，方块电阻的初始值在521kΩ/□左右，在低温范围内，薄膜方阻随着温度的升高而逐渐降低，表现为半导体特性；在高温附近电阻曲线显示，方块电阻减小趋势变缓，转变后方阻保持在1.8kΩ/□左右，方块电阻高低温前后变化幅度达到2.5个数量级。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金属氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
在真空反应室中，对基底表面进行至少两次溅射过程，得到金属氧化物薄膜；
每次所述溅射过程包括：利用溅射法，在具有工作温度的基底表面溅射金属氧化物后，升高基底温度并进行退火，得到金属氧化物薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两次溅射过程包括依次进行的第一次溅射过程和第二次溅射过程，其中第一次溅射过程的基底的工作温度低于第二次溅射过程的基底的工作温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在基底表面溅射金属氧化物包括：利用工作气体离子轰击金属靶材，溅射出的金属离子与氧气共同作用，在基底表面形成金属氧化物薄膜。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述工作气体为惰性气体。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溅射过程中基底的工作温度为200-400℃。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述真空反应室内通入的工作气体的流量为25-30sccm。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述真空反应室内通入的氧气的流量为1-1.5sccm。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，其特征在于，所述金属为钒，所述金属氧化物为二氧化钒。
9.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，其特征在于，所述溅射为直流磁控溅射。
10.一种金属氧化物薄膜，其特征在于，所述氧化物薄膜利用权利要求1-9任一项所述方法制备得到。
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