МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК ОКСИДА ВАНАДИЯ ВАКУУМНЫМ ОСАЖДЕНИЕМ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ВАНАДИЯ С ПОСЛЕДУЮЩИМ ОКИСЛЕНИЕМ

АННОТАЦИЯ

Основной целью данной работы являлось исследование взаимосвязи между основными параметрами технологических процессов и свойствами тонких плёнок оксида ванадия, полученных методом реактивного ионно-плазменного распыления и методом окисления металлических слоев ванадия в кислородосодержащей среде. Ниже рассмотрен один из основных методов формирования пленок оксида ванадия

Ключевые слова: пленки пироэлектрических материалов, оксиды ванадия, микроструктура

Процесс формирования термочувствительных плёнок оксида ванадия включает ряд технологических операций. В частности, для формирования плёнки заданного фазового состава и стехиометрии применяется термообработка осаждённых предварительно плёнок в инертной или активной газовой среде. Для осаждения применялся метод электронно-лучевого испарения мишени металлического ванадия особой чистоты с последующим термическим окислением в кислородосодержащей среде. В качестве подложек использовались пластины окисленного кристаллического кремния диаметром 76 мм и поликора 30×25 мм². [1]

Термическая обработка пленок осуществлялась в промышленной диффузионной печи путём помещения экспериментальных образцов в нагретую до 300 ÷ 500 ⁰С зону с последующим выдерживанием при заданной температуре в течение 10 ÷ 130 мин.  Окисление плёнок ванадия производилось в потоке газовой смеси Ar+O₂ при расходе 1.27 л/мин.

Для точного контроля процесса термообработки и выявления механизмов окисления была разработана методика непрерывного контроля процесса окисления путём измерения электрического сопротивления окисляемой плёнки непосредственно в диффузионной печи. С этой целью был изготовлен специальный держатель образцов, помещаемый в трубу диффузионной печи, в котором электрические контакты к окисляемой плёнке создавались с помощью двух прижимных молибденовых электродов. Одновременно электроды служили в качестве фиксаторов образца в держателе. Типичная динамика изменения сопротивления плёнки ванадия представлена на Рисунке 1. Выделяются два характерных участка – на начальной стадии сопротивление увеличивается мало, либо несколько снижается (см. ниже); затем происходит достаточно резкое его увеличение на несколько порядков. Оптимальная температура окисления для данных условий эксперимента составила 400°С.

Свойства полученных пленок сравнивали по результатом измерений по двухзондовой схеме температурной зависимости сопротивления. Измерения проводились с помощью камеры тепла и холода типа АДБ161.00 в температурном диапазоне 5 – 105 ⁰С.

Установлено, что появление эффекта гистерезиса электрического сопротивления  плёнок начинается в конце первой стадии окисления. При этом сопротивление окисляемой плёнки возрастает в процессе окисления в 2-3 раза (а), а эффект гистерезиса выражен слабо (б), что указывает на малое содержание фазы диоксида ванадия.  Максимальная величина гистерезиса ~20° достигается в плёнках, окисление которых прекращается в момент начала второй стадии. Очевидно, что получаемая данным способом плёнка содержит смесь оксидов ванадия различной стехиометрии. Известно, что преобладающей является пятиокись ванадия. С целью её восстановления до более низкой фазы двуокиси ванадия производилась термообработка плёнок в диффузионной печи в восстанавливающей среде Ar+4%H₂, при расходе 1.63 л/мин, и температуре 350°C.

Установлено, что такая обработка приводит к существенному снижению общего электрического сопротивления плёнки. В то же время не обнаружено улучшения величины гистерезиса. Следует также отметить измеренную небольшую амплитуду изменения сопротивления при фазовом переходе в оксиде ванадия. С другой стороны, наблюдается достаточно хорошая воспроизводимость характеристик гистерезиса при термоциклировании.

Полученные плёнки оксида характеризуются однородной мелкозернистой микроструктурой (Рисунок 1а). Отдельные дефекты в виде ямок размером порядка микрометра (Рисунок 1б) определяются качеством обработки поверхности поликоровой подложки и не могут заметным образом влиять на процесс фазового перехода в диоксиде ванадия и, соответственно, на электрические характеристики плёнки.

а)                                               б)

Рисунок 1- Морфология поверхности плёнки оксида ванадия

Послойный Оже-анализ показал, что плёнка довольно однородна по стехиометрии по всей глубине сформированного оксида с небольшой тенденцией к уменьшению содержания ванадия с глубиной. Наиболее близкое соответствие стехиометрии VO₂ наблюдается в приповерхностном слое плёнки. Уменьшение содержания кислорода по глубине может быть обусловлено как наличием неокисленного металлического V, так и присутствием фазы низшего оксида V₂O₃. Обе этих компоненты имеют достаточно высокую электропроводность в исследуемом диапазоне температур – как металлический ванадий, так и его полуторный оксид, фазовый переход которого из диэлектрической в металлическую фазу происходит при более низкой температуре. Учитывая малое отклонение соотношения V/O от стехиометрии диоксида, достаточно низкую электропроводность плёнки при комнатной температуре, а также наличие выраженного гистерезиса электропроводности при термоциклических измерениях (см. отчёт за предыдущий этап), можно предполагать, что неокисленный ванадий и его низший окисел (окислы) находятся в плёнке в виде отдельных рассеянных микровключений. Такие включения могут модифицировать процесс фазового перехода диэлектрик-металл в плёнке диоксида ванадия, а также влиять на характеристики переноса носителей заряда в ней вследствие дополнительного рассеяния носителей заряда на них.[2] В результате полученные плёнки не демонстрируют резкого изменения характеристик электропроводности при фазовом переходе, а величина гистерезиса остаётся достаточно большой.

Список литературы:

1. Майселл, Л. Технология тонких пленок: справочник: в 2 т. / Л. Майссел, Р. Глэнг. - М.: Советское радио, 1977. - Т. 1. - 686 с.
2. В.Б. Залесский, О.В. Ермаков, М.М. Белов, В.Ф. Гременок, В.П. Романов, В.Н. Пономарь, Г.Г. Чигирь. Современные тенденции в области разработки и выпуска приемников ИК-изображения // Международная научная конференция по военно-техническим проблемам, проблемам обороны и безопасности, использованию технологий двойного применения