孔令德，方 輝，魏 虹，劉 禮，周潤(rùn)生，鐵筱瀅，楊文運(yùn)，姬榮斌

?

原位氧化硅鈍化層對(duì)氧化釩薄膜光電特性的影響

孔令德1，方 輝2，魏 虹1，劉 禮1，周潤(rùn)生1，鐵筱瀅1，楊文運(yùn)2，姬榮斌1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 北方廣微科技有限公司，北京 100089）

氧化硅（SiO）原位鈍化層對(duì)氧化釩（VO）薄膜電學(xué)特性的影響分析旨在改善像元微橋結(jié)構(gòu)的光學(xué)吸收特性，提高熱敏VO薄膜層的方阻和電阻溫度系數(shù)（TCR）穩(wěn)定性。采用離子束濺射沉積50nm VO薄膜后，緊接著沉積30nm SiO鈍化層。通過(guò)原位殘余氣體分析儀（RGA）和襯底溫度控制，調(diào)節(jié)氧化釩薄膜中的氧含量，分析了VO單層膜、SiO/VO雙層膜的電學(xué)特性隨工藝溫度的變化規(guī)律，原位殘余氣體分析儀（RGA）和150℃加溫工藝提高了VO熱敏層薄膜的方阻和電阻溫度系數(shù)穩(wěn)定性。

離子束濺射沉積；SiO/VO雙層膜；殘余氣體分析儀（RGA）；電阻溫度系數(shù)（TCR）

0 引言

VO薄膜對(duì)紅外線(xiàn)的強(qiáng)烈吸收主要發(fā)生在14mm以上，屬于載流子吸收。對(duì)12mm以下的吸收可以忽略，在12～14mm的吸收則是隨波長(zhǎng)增強(qiáng)。氮化硅（SiN）由于其楊氏模量大且電絕緣性能優(yōu)異，早已成為眾多MEMS器件的懸臂梁材料。作為紅外吸收材料，SiN薄膜在波長(zhǎng)11mm附近有一個(gè)吸收峰，整體吸收能力則在10～13mm的范圍，在8～10mm的范圍吸收比較弱，對(duì)于300K的紅外輻射來(lái)說(shuō)，這個(gè)波段的紅外輻射能量占了8～14mm波長(zhǎng)范圍總能量的35%，因此有必要提高探測(cè)器在8～10mm的紅外吸收能力。SiO薄膜因其與VO薄膜直接接觸時(shí)，可以在室溫附近穩(wěn)定VO中的O元素含量，同時(shí)在8～10mm波段又具有較高的紅外吸收特性，因此常作為8～14mm波段有效吸收膜層材料。

本文采用離子束濺射工藝和殘余氣體分析儀（RGA）監(jiān)測(cè)VO薄膜沉積過(guò)程中的氧氣氛圍含量輔助手段制備了VO薄膜[1-5]，并采用原位切換至SiO2靶材的方式，后續(xù)離子束濺射沉積了SiO鈍化層薄膜[6-8]；采用傅里葉紅外光譜儀分析了VO、SiO、SiN薄膜的光吸收特性[9]；采用原子力顯微鏡（AFM）、X射線(xiàn)光電子能譜表征了VO薄膜的顯微結(jié)構(gòu)；采用真空探針臺(tái)測(cè)試了VO單層膜、SiO/VO雙層膜方阻樣品的方阻值和電阻溫度系數(shù)值。

1 氧化釩薄膜、SiOx和SiNx鈍化層薄膜光學(xué)吸收特性分析

為了獲得VO薄膜的光學(xué)吸收特性色散關(guān)系曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)在n-Si(100)襯底上，離子束濺射制備了VO薄膜樣品，采用傅里葉紅外光譜儀測(cè)試了VO薄膜樣品的吸收譜，以下是得到的VO薄膜消光系數(shù)色散關(guān)系曲線(xiàn)圖1。在圖中的8～14mm波段，VO薄膜消光系數(shù)峰值位置為11.7mm，峰值消光系數(shù)為0.3。

圖1 VOx薄膜消光系數(shù)的色散曲線(xiàn)圖

同理，通過(guò)離子束濺射工藝制備了SiO薄膜，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝制備了SiN薄膜，采用傅里葉紅外光譜儀測(cè)量SiO薄膜和SiN薄膜樣品的吸收譜，以下是SiO薄膜和SiN薄膜消光系數(shù)色散關(guān)系對(duì)比曲線(xiàn)圖2?？梢园l(fā)現(xiàn)：SiO薄膜在8.0～9.5mm波段的消光系數(shù)優(yōu)于SiN薄膜，消光系數(shù)峰值位置為9.2mm，峰值消光系數(shù)為2.7；SiN薄膜在9.5～15.0mm波段的消光系數(shù)優(yōu)于SiO薄膜，消光系數(shù)峰值位置為11.5mm，峰值消光系數(shù)為2.1。

圖2 SiOx薄膜和SiNx薄膜消光系數(shù)的色散曲線(xiàn)圖

2 VOx單膜層電阻溫度系數(shù)試驗(yàn)分析

在離子束濺射沉積VO薄膜過(guò)程中，采用殘余氣體分析儀（RGA）監(jiān)測(cè)生長(zhǎng)腔室內(nèi)氧含量。如圖3所示，室溫條件下，沉積時(shí)間（或厚度）系列VO薄膜方阻樣品的電阻溫度系數(shù)分別為－2.23%/K、－2.12%/K、－2.28%/K和－2.37%/K，較為一致，厚度對(duì)電阻溫度系數(shù)無(wú)明顯影響；另一方面，當(dāng)沉積時(shí)間超過(guò)第二點(diǎn)的877s后，隨沉積時(shí)間增加，VO薄膜厚度增加，VO薄膜方阻值落在一個(gè)緩變區(qū)間內(nèi)，因此本文后續(xù)VO薄膜離子束濺射工藝中，均固定沉積時(shí)間為877s，制備的VO薄膜厚度均為50nm左右。

圖3 氧化釩薄膜沉積時(shí)間與厚度、方阻關(guān)系圖

圖4給出了沉積時(shí)間877s時(shí)VO薄膜樣品表面形貌的AFM圖，其掃描范圍分別為20mm×20mm、5mm×5mm和1mm×1mm。VO薄膜表面平整致密、晶粒大小約為200nm，表面均方根粗糙度約為1.65nm。

同時(shí)，為確定VO薄膜中V的化學(xué)狀態(tài)，對(duì)氧化釩薄膜進(jìn)行了窄掃描XPS譜分析，并以284.6eV的C1s峰為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行峰位校正，V2p3/2峰的分峰擬合結(jié)果如下圖5所示。513.4eV處曲線(xiàn)3的V2p3/2峰對(duì)應(yīng)于V3＋的V-O鍵；515.5eV處曲線(xiàn)2的V2p2/3峰最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)于V4＋的V-O鍵；517.54eV處曲線(xiàn)1的V2p3/2峰對(duì)應(yīng)于V5＋的V-O鍵。表明薄膜中V的價(jià)態(tài)主要為＋4價(jià)，同時(shí)還有＋3和＋5價(jià)的V存在。

3 SiOx/VOx雙膜層電阻溫度系數(shù)試驗(yàn)分析

前期制備的無(wú)鈍化層保護(hù)的VO薄膜，在潔凈工房放置一段時(shí)間后，方阻值會(huì)發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）分析后，發(fā)現(xiàn)VO薄膜表層氧含量較內(nèi)部高，方阻值較剛從生長(zhǎng)腔室取樣測(cè)試時(shí)會(huì)偏差約±5%。由此，需考慮后續(xù)鈍化層工藝，以穩(wěn)定VO薄膜方阻值。本文后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在離子束濺射沉積VO熱敏層薄膜后，采用與VO敏感膜層相同的制備條件，通過(guò)切換至SiO2靶材的方式，緊接著原位離子束濺射沉積了厚度300?的SiO鈍化層，形成SiO/VO雙膜層樣品。

圖6是襯底室溫（25℃±5℃）條件下，SiO/VO雙膜層樣品的方阻值、電阻溫度系數(shù)（TCR）值與殘余氣體分析儀（RGA）監(jiān)測(cè)氧氣氛圍含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖?？梢园l(fā)現(xiàn)：SiO/VO薄膜的方阻值隨RGA測(cè)試氧含量值近似顯指數(shù)增加；VO薄膜方阻樣品的電阻溫度系數(shù)值雖然均在－2.0%/K以下，但變化規(guī)律不確定，表明室溫工藝的SiO/VO雙膜層電學(xué)參數(shù)穩(wěn)定性有待提高。

圖4 VOx薄膜表面形貌AFM圖

圖5 VOx薄膜中V的窄掃描XPS譜

圖6 襯底室溫條件，SiOx/VOx雙膜層方阻、電阻溫度系數(shù)與RGA氧含量的關(guān)系曲線(xiàn)

圖7是150℃襯底加熱條件下，SiO/VO雙膜層樣品的方阻值、TCR值與RGA測(cè)試氧氣氛圍含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。同理，在150℃襯底加溫條件下，得到的SiO/VO薄膜方阻值隨RGA監(jiān)測(cè)氧氣氛圍含量值近似顯指數(shù)增加。此外，較室溫工藝，獲得相同方阻值時(shí)，加溫工藝對(duì)氧含量的需求增加，分析認(rèn)為，加溫工藝使得VO薄膜層結(jié)晶質(zhì)量提高，方阻值降低，需增加VO膜層的氧含量，提高方阻值，以抵消結(jié)晶引起的方阻值降低量；另一方面，VO薄膜方阻樣品的電阻溫度系數(shù)值均在－2.0%/K以下，且隨方阻值增加，電阻溫度系數(shù)絕對(duì)值也增加，變化規(guī)律明顯，表明加溫工藝有助于提高SiO/VO雙膜層電學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定性，也有助于采用RGA監(jiān)測(cè)氧氣氛圍含量，準(zhǔn)確控制VO薄膜方阻值。

圖7 襯底150℃加熱條件SiOx/VOx雙膜層方阻、電阻溫度系數(shù)與RGA氧含量的關(guān)系曲線(xiàn)

4 結(jié)論

通過(guò)分析VO薄膜在8～14mm波段的光吸收特性后，采用了氧化硅（SiO）原位鈍化氧化釩（VO）薄膜的工藝實(shí)驗(yàn)。一方面，改善了VO薄膜熱敏層在長(zhǎng)波8～14mm波段的光學(xué)吸收特性；另一方面，結(jié)合襯底加溫和原位殘余氣體分析氧氣氛圍含量，有效提高了VO熱敏層薄膜材料的方阻和電阻溫度系數(shù)穩(wěn)定性。

[1] Rogalski A. Infrared detectors for the future[J]., 2009, 116: 389-406.

[2] Jun Dai. Low temperature fabrication of VOthin films for uncooled IR detectors by direct current reactive magnetron sputtering method[J]., 2008, 51: 287-291.

[3] Black S H. Advances in high rate uncooled detector fabrication at Raytheon[J]., 2010, 7660: 76600X-1-76600X-12.

[4] Chien J H. Progress in DRS production line for uncooled focal plane arrays[J]., 2004, 5406: 483-490.

[5] 雷述宇, 方輝, 劉俊, 等. 國(guó)產(chǎn)640×512非制冷氧化釩紅外焦平面探測(cè)器的研制[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(12): 759-763.

[6] Cole B. High performance infrared detector arrays using thin film microstructures[J]., 1995, 3416: 653-656.

[7] Kevin Robert Coffey. anocomposite semiconducting material with reduced resistivity: US 8228159 B1[P]. 2012-07-24.

[8] Tanr?kulu M Y. An uncooled infrared microbolometer array using surface micromachined MEMS technology[D]. Ankara: Middle East Technical University, 2007.

[9] 唐曉紅, 黃美東, 杜姍, 等. 氧分壓對(duì)濺射氧化釩薄膜結(jié)構(gòu)和透光性能的影響[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2014(6): 198-203.

The Photoelectrical Properties of VOFilm by As-deposited SiODielectric Layer

KONG Ling-de1，F(xiàn)ANG Hui2，WEI Hong1，LIU Li1，ZHOU Ruan-sheng1，TIE Xiao-ying1YANG Wen-yun2，JI Rong-bin1

(1.,650223,；2.,100089,)

The photoelectrical properties of VOfilm by as-deposited SiOdielectric layer is proposed to enhance infrared ray absorption coefficient of pixel microbridge, and improves quare resistance and TCR stability of VOactive film. In this paper, we prepare a series of 50nm VOfilms by ion beam sputter deposition and then 30nm SiOfilm sare deposited. We bring in RGA and temperature condition as technical parameters to adjust Oygenic content of VOfilms, and test electrical properties of VOfilm and SiO/VOfilm stack, which improves square resistance and TCR stability of VOactive film.

ion beam sputter deposition，SiO/VOfilm stack，residual gas analyser，temperature coefficient of resistance

TN215

A

1001-8891(2015)04-0319-04

2014-12-29；

2015-04-01.

孔令德(1981-)，男，云南人，在讀博士研究生。主要從事非制冷紅外焦平面器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性研究工作。