一种B相二氧化钒薄膜结构及其制备方法与应用与流程

本发明属于半导体，涉及一种二氧化钒薄膜的制备方法，尤其涉及一种b相二氧化钒薄膜结构及其制备方法与应用。

背景技术：

1、磁控溅射时，首先利用真空泵将磁控溅射腔体内部调整至真空状态，然后通入溅射用气体与反应用气体，磁控溅射电源通电将气体电离至等离子态，由于溅射靶材与阴极接通后处于低电势状态，带电粒子ar+将撞击靶材表面并激发出相应的靶材粒子，部分粒子在空间中运动后，沉积于下方衬底之上并逐步堆积形成薄膜，在此动态过程中，反应气体与靶材粒子发生反应，生成目标产物薄膜。

2、二氧化钒作为钒的四价氧化物，具有繁多的种类，已知的结构包括r相的金红石相结构、m相的单斜相结构、t相的三斜相结构、a相的中间相结构以及亚稳定态的b相单斜结构。其中的m相结构和r相结构在温度341k附近可以相互转化，电阻也会随相变发生绝缘-金属相变的激变，在智能节能窗等方面具有广泛的应用前景。

3、b相结构的二氧化钒的相变温度为167k，该相变温度远低于室温温度，常规红外探测器所需要的工作温度范围一般在室温附近，b相结构的二氧化钒在该范围内阻值适中，因此在红外探测领域具有发展潜力，但制备出高结晶相的b相二氧化钒薄膜较为困难。

4、b相二氧化钒薄膜的制备方法包括磁控溅射、水热合成以及脉冲激光沉积，其中水热合成法以及脉冲激光沉积法存在步骤繁杂、产能较低且成本较高的问题。现有技术存在的建设方法则存在至少如下缺点：常采用蓝宝石或sto等，不具备价格优势；靶材常使用vo2靶材或v2o5靶材，存在大口径化带来的制造方面的困难，而且v2o5属于有毒材料；在制备过程中需要对衬底进行预处理或退火；现有工艺无法实现对直径200mm以上的衬底的沉积。

5、例如cn107794497a公开的磁控溅射制备a相或b相二氧化钒薄膜的方法，其以b相二氧化钒陶瓷靶作为靶材，以氩气为溅射气体对靶材进行溅射以在衬底上形成b相二氧化钒薄膜；该方法使用的衬底包括钛酸锶、铝酸镧、铌镁酸铅-钛酸铅、铝酸锶钽镧、铝酸锶钽钕、镓酸钕、钪酸钇、钪酸钬、钪酸镝或钪酸轧中的至少一种。该方法使用的靶材以及衬底均不是用于大规模工业化生产，不利于降低b相二氧化钒薄膜的制备成本。

6、cn105624629a则公开了一种高价金属阳离子掺杂制备的b相vo2热敏薄膜，其包括衬底以及高价金属阳离子掺杂的b相vo2。在制备该薄膜的过程中，包括依次进行的清洗衬底、溅射沉积薄膜以及退火的步骤，且溅射过程中需要使用掺杂金属靶。因此，其制备过程复杂，还需要对沉积后的薄膜进行退火处理。

7、对此，需要提供一种制备成本低且制备过程简单的晶圆级别的b相二氧化钒薄膜结构及其制备方法与应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种b相二氧化钒薄膜结构及其制备方法与应用，尤其提供了一种基于硅衬底的b相二氧化钒薄膜结构及其制备方法与应用；所述结构采用硅衬底作为基底，能够兼容现有的半导体工艺设备；所述制备方法的工艺简单，制备过程仅包含缓冲层沉积以及b相二氧化钒薄膜层沉积的步骤，无需对硅衬底进行前处理或退火等额外繁琐的操作；而且，本发明提供的制备方法适用于大尺寸衬底的薄膜制备，能够实现晶圆级别的薄膜沉积。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种b相二氧化钒薄膜结构，所述b相二氧化钒薄膜结构包括依次层叠设置的硅衬底、缓冲层以及b相二氧化钒薄膜层。

4、本发明提供的b相二氧化钒薄膜结构的结构简单，使用硅衬底作为基底，通过缓冲层的设置降低了硅衬底与b相二氧化钒薄膜层之间的晶格失配度，能够兼容现有的半导体工艺设备，降低了制备本发明提供的b相二氧化钒薄膜结构的成本。而且，本发明提供的b相二氧化钒薄膜结构仅需在硅衬底上依次设置缓冲层与b相二氧化钒薄膜层，即可实现晶圆级别b相二氧化钒薄膜层的制备，有利于工业化大规模制备。

5、优选地，所述缓冲层的材质包括氮化铝(aln)、氧化锌(zno)、氧化镁(mgo)或氧化钛(tio2)、氮化钛(tin)等中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括氮化铝与氧化锌的组合，氧化锌与氧化镁的组合，氧化镁与氧化钛的组合，氮化铝、氧化锌与氧化镁的组合，氧化锌、氧化镁与氮化钛的组合，或氮化铝、氧化锌、氧化镁与氧化钛的组合。

6、优选地，所述硅衬底的直径为200mm以上，例如可以是200mm、210mm、240mm、250mm、270mm、280mm或300mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

7、本发明提供的b相二氧化钒薄膜结构适用于直径在200mm以上的硅衬底，即能够在大尺寸硅衬底的表面实现晶圆级别的b相二氧化钒薄膜层的制备。

8、优选地，所述缓冲层的厚度为50-100nm，例如可以是50nm、60nm、80nm、90nm或100nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

9、优选地，所述b相二氧化钒薄膜层的厚度为60-200nm，例如可以是60nm、80nm、100nm、120nm、150nm、160nm、180nm或200nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

10、第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的b相二氧化钒薄膜结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

11、在硅衬底的表面依次沉积缓冲层与b相二氧化钒薄膜层，得到所述b相二氧化钒薄膜结构。

12、本发明提供的制备方法工艺简单，仅包含在硅衬底表面依次沉积缓冲层以及b相二氧化钒薄膜层的步骤，无需对硅衬底进行前处理或退火等额外繁琐的操作；而且，本发明提供的制备方法适用于在直径200mm以上的硅衬底表面进行b相二氧化钒薄膜层的制备，能够实现晶圆级别的薄膜沉积，实现了低成本且高质量的b相二氧化钒薄膜层的制备。

13、优选地，在硅衬底的表面沉积缓冲层包括如下步骤：真空条件下对硅衬底进行预热，然后通入反应气体进行磁控溅射，实现缓冲层的沉积。

14、沉积缓冲层时的真空条件是指真空度在0.0004pa以下，例如可以是0.0004pa、0.0003pa、0.0002pa或0.0001pa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

15、优选地，沉积缓冲层时的预热温度为300-450℃，例如可以是300℃、350℃、400℃或450℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

16、优选地，为了使硅衬底预热后的温度分布均匀，沉积缓冲层时的预热时间为5-10min，例如可以是5min、6min、7min、8min、9min或10min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

17、优选地，沉积缓冲层时，反应气体为氮气，反应气体的流量为20-100sccm，例如可以是20sccm、40sccm、50sccm、60sccm、80sccm或100sccm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

18、优选地，沉积缓冲层时，磁控溅射的电源功率为4-8kw，例如可以是4kw、5kw、6kw、7kw或8kw，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

19、本发明不对沉积缓冲层时的磁控溅射时间做进一步限定，只要能够得到目标厚度的缓冲层即可。

20、优选地，在缓冲层的表面沉积b相二氧化钒薄膜层包括如下步骤：真空条件下对沉积缓冲层后的硅衬底进行预热，然后通入反应气体与溅射气体，使用钒靶材进行磁控溅射，实现b相二氧化钒薄膜层的沉积。

21、本发明提供的制备方法在沉积b相二氧化钒薄膜层时，仅需采用v靶材即可实现磁控溅射的顺利进行，原料成本较低且无毒无害，制备得到b相二氧化钒薄膜层后无需后续的退火处理。

22、沉积b相二氧化钒薄膜层时的真空条件是指真空度在0.0004pa以下，例如可以是0.0004pa、0.0003pa、0.0002pa或0.0001pa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

23、优选地，沉积b相二氧化钒薄膜层时的预热温度为370-420℃，例如可以是370℃、380℃、400℃或420℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

24、优选地，为了使预热后的温度分布均匀，沉积b相二氧化钒薄膜层时的预热时间为5-20min，例如可以是5min、8min、10min、12min、15min、18min或20min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

25、优选地，沉积b相二氧化钒薄膜层时，溅射气体包括ar，反应气体包括o2，且磁控溅射时控制o2的分压为12-17％，例如可以是12％、15％、16％或17％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

26、优选地，沉积b相二氧化钒薄膜层时，磁控溅射的电源功率为500-1500w，例如可以是500w、800w、1000w、1200w或1500w，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

27、本发明不对沉积b相二氧化钒薄膜层时的磁控溅射时间做进一步限定，只要能够得到目标厚度的b相二氧化钒薄膜层即可。

28、优选地，所述制备方法包括如下步骤：

29、(1)真空条件下对硅衬底进行预热，然后通入反应气体进行磁控溅射，实现缓冲层的沉积；

30、(2)真空条件下对沉积缓冲层后的硅衬底进行预热，然后通入反应气体与溅射气体，使用钒靶材进行磁控溅射，实现b相二氧化钒薄膜层的沉积，得到所述b相二氧化钒薄膜结构。

31、第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的b相二氧化钒薄膜结构的应用，所述b相二氧化钒薄膜结构用于红外探测技术领域。

32、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

33、(1)本发明提供的b相二氧化钒薄膜结构的结构简单，使用硅衬底作为基底，能够兼容现有的半导体工艺设备，降低了制备本发明提供的b相二氧化钒薄膜结构的成本；而且，本发明提供的b相二氧化钒薄膜结构仅需在硅衬底上依次设置缓冲层与b相二氧化钒薄膜层，即可实现晶圆级别b相二氧化钒薄膜层的制备，有利于工业化大规模制备；

34、(2)本发明提供的制备方法工艺简单，仅包含在硅衬底表面依次沉积缓冲层以及b相二氧化钒薄膜层的步骤，无需对硅衬底进行前处理或退火等额外繁琐的操作；而且，本发明提供的制备方法适用于在直径200mm以上的硅衬底表面进行b相二氧化钒薄膜层的制备，能够实现晶圆级别的薄膜沉积，实现了低成本且高质量的b相二氧化钒薄膜层的制备。