（微电子学与固体电子学专业论文）氧化钒热敏薄膜的制备和性质研究.pdf

摘要 y 3 9 2 5 7 ； 旧e 致冷红外微测辐射热计是具有广泛的应用前景新型红外探测 器件。热敏电阻薄膜的制备是红外微测辐射热计研制中的关键技术 本论文工作的目的是研究一种能在较低温下制备有较好的热敏特性 的氧化钒薄膜材料的方法，并确定其制备工艺条件。 经过反复实验，本工作提出离子束溅射氧化钒粉末靶与氮氢还 原气氛中退火相结合的方法制备氧化钒热敏薄膜。论文研究离子束 溅射制备热敏薄膜的方法及工艺条件，用a e s 、x p s 、x r d 、a f m 等测试技术对氧化钒薄膜的结构组分进行表征，用范德堡薄层电阻 测试法测定了氧化钒薄膜的电阻温度热敏特性。 f 实验结果表明：以v 2 0 ，为溅射靶，应用离子束溅射技术可淀积 均匀性较好的氧化钒薄膜，淀积薄膜经过氮氢退火后，薄膜中氧的 组分减少，转变为较低价的氧化钒薄膜v o 。( x = 2 2 2 2 5 ) ，这种氧 化钒薄膜呈现出具有负电阻温度系数半导体热敏特性。氮氢退火后 氧化钒薄膜电学性质随退火的温度、时间而变化，并且其电阻率和 电阻温度系数( t c r ) 可以通过不同的退火条件进行调节。此项研究证 明，应用离子束溅射与氮氢退火相结合的技术可以制备有较高电阻 温度系数的氧化钒热敏薄膜电阻，其电阻温度系数为。1 6 4 。一 、 关键词：氧化钒薄膜离子柬溅射氮氢退火 红外微测辐射热计电阻温度系数 a b s t r a c t u n c o o l e di rm i c r o b o l o m e t e ra n di t s f o c a lp l a n ea r r a y sa r en e w t y p eo f i rd e t e c t o rw i t hw i d ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nb o t hm i l i t a r ya n d c i v i l i a na p p a r a t u s f a b r i c a t i o no f t h et h e r m a ls e n s i t i v et h i nf i l mr e s i s t o r i se s s e n t i a lt ot h eu n c o o l e di rm i c r o b o l o m e t e r t h ep u r p o s e o ft h i s w o r ki st of m do u tam e t h o dw h i c hc a nb eu s e dt of a b r i c a t et h et h i nf i l m r e s i s t o rw i t hg o o dt h e r m a ls e n s i t i v i t ya sw e l la sg o o dc o m p a t i b i l i t yw i t h s i l i c o ni ct e c l m o l o g y i nt h i sw o r kt h ef a b r i c a t i o nm e t h o da n dp r o p e r t i e s o ft h e r m a l s e n s i t i v ev a n a d i u mo x i d et h i nf i l mh a v eb e e ns t u d i e d an e wm e t h o df o r v o 。t h i n f i l mf a b r i c a t i o ni s d e v e l o p e d t h e i o nb e a m s p u t t e r i n g t e c h n i q u ew i t hap r e s s e dt a r g e tf r o mv a n a d i u mp e n t o x i d ep o w d e r i su s e d f o rt h i nf i l m d e p o s i t i o n a n dal o wt e m p e r a t u r et h e r m a la n n e a l i n gi n n 2 + h 2 a m b i e n ti sa p p l i e df o rt h i nf i l mm o d i f i c a t i o n t h ec o m p o s i t i o na n d s t r u c t u r eo fv a n a d i u mo x i d et h i nf i l mh a v eb e e nc h a r a c t e r i z e db yx p s ， a e s x r d ，a f m 。t h e s h e e tr e s i s t a n c ea n di t st e m p e r a t u r e d e p e n d e n c ei n t h er a n g eo f 2 0 - 1 0 0 。ca r em e a s a r e d b y v a nd e rp a u wm e t h o d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t h o m o g e n e o u s v a n a d i u m p e n t o x i d et h i n f i l mc a nb ed e p o s i t e db yi o nb e a ms p u t t e r i n g a f t e ra s u b s e q u e n t t h e r m a l a n n e a l i n g a tl o w t e m p e r a t u r ei nm i x i n gg a so f n 2 + h 2 ， t h ef i l mi sr e d u c e di n t ov a n a d i u mo x i d e sw i t hl o w e ro x y g e nc o n t e n t , v o 。( x = 2 2 - 2 2 5 ) t h ev o 。t h i n f i l me x h i b i t san e g a t i v et e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n to f r e s i s t a n c e ( t c r ) o f ( - 1 6 4 ) k t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e s o ft h ev a n a d i u mo x i d et h i n f i l m d e p e n ds i g n i f i c a n t l y o nt h e r m a l a n n e a l i n gp r o c e s s c o n d i t i o n k e y w o r d s ：v a n a d i u mo x i d ef i l m ，i o nb e a m s p u t t e r i n g ， r e d u c t i o n a n n e a l i n g ， t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n to f r e s i s t a n c e ( t c r ) 致谢 本论文的得以圆满的完成，是和许多人的关心和帮助分不开 的。首先，我要感谢我的导师李炳宗教授。从本科到硕士多年的学 习期间，他在科研和学习上的启发和指导使我深受裨益。他严谨的 治学态度和勤奋的工作作风给我留下了深刻的印象。此外，李老师 对我生活上无微不至的关心和照顾使我能够克服很多的困难，专心 于研究和学习。 我要感谢上海技术物理研究所的梁平治研究员和陈永平高级工 程师，我的论文从选题到整个论文过程中他们都给予极大的帮助和 启发。我还要感谢上海技术物理研究所的丁爱娣老师，他在我的实 验过程中给了我无私的帮助。 还要感谢茹国平副教授，论文的完成自始至终离不开他的帮助 和指导，他深厚的研究功底和严谨的治学态度是我今后学习的榜样。 我也要感谢在很多在测试中给我帮助的同学和老师。感谢上海技物 所的曹勇，物理系的申作成以及电工系刘海涛同学的大力协助。此 外，还要感谢屈新萍、韩永召、徐蓓蕾、曹永峰、蒋玉龙还有净化 楼的老师同学们对我的帮助，大家起的学习生活的日子是如此美 好而又难忘。 第一章引言 本章通过对目前红外探测器新发展红外微测辐射热计工艺技术的概述，分析了 对作为关键技术的热敏薄膜制备和性能的工艺要求，从而明确研究的目的：探索 具有较好热敏薄膜电阻特性材料和与器件工艺兼容的制备技术。 1 1 红外探测器及焦平面技术的发展 红外探测器及其焦平面技术多年来由于其广泛应用性而得到了不断的 研究和发展。从探测器的工作机理来分，一般分为两大类。一类为光子型 探测器，如利用h g c d t e 、l n s b 、p t s i 等材料制成的红外光电探测器；另一 类是热探测器，主要有：( 1 ) 热释电探测器：( 2 ) 微测辐射热计；( 3 ) 热 电堆；( 4 ) 高莱管( 图1 1 ) 。 多年来，光子型探测器以其探测率和灵敏度高、作用距离远、响应速 度快等优点一直受到重视，并广泛应用于跟踪、制导、夜视、遥感等军事 领域，并发挥出重要的作用。但是随着红外探测器在民用领域应用的推广， 光子型器件也逐渐暴露了其不足和缺点。为了克服信号被暗电流淹没，光 子型探测器必须制冷到低温时才能工作，如h g c d t e 通常工作在8 0 k ，有 些则更低。因此设备成本高、价格昂贵，使用也不方便。这些不足之处限 制了光子型探测器及其焦平面技术的应用【l i 。 热探测器在工作时都有一个热过程，因而响应时间要比光敏探测器长 得多，一般在毫秒量级，其单元和传统的线列器件很难应用于相对快速的 军事目标探测。所以长期以来，投资小，发展慢。然而，近年来微电子技 术、微机械加工技术、信息处理技术及材料工程等学科的迅速发展，使凝 视型红外焦平面器件的研制成为可能。这种类型的器件响应时间由帧速决 定，所以即时单元器件响应时间为毫秒量级，仍能满足军事应用的要求。 第一章引言 更重要的是其工作时无需致冷，且体积小、重量轻、成本低、使用方便， 是一种适合军民两用的优选器件，有着巨大的发展潜力和广阔的应用前景。 目前，非致冷红外探测器的研究方向集中两个方向：一是采用铁电材 料制作的热释电红外焦平面；另一个为采用半导体热敏材料制作的微测辐 射热计焦平面。分别以美国的t i 公司和h o n e y w e l l 公司为代表。与其它类 型的器件相比非致冷红外辐射热计具有以下优点： ( 1 ) 采用了当今l c 工艺技术，特别是采用了先进的硅微机械加工技 术制成微桥式机构，该结构使探测器单元之间以及探测器和读 出电路之间有良好的热绝缘性，相邻单元之间不存在热串音。 ( 2 ) 单元探测器电阻材料常选用半导体薄膜材料，有较高的电阻温 度系数( t c r ) 。 ( 3 ) 可制成单片立体式结构，节省了面积，同时也增加了器件的填 充因子。 ( 4 ) 成本低、价格低廉，易于使用。 以上这些优点，使近年来微测辐射热计的研究越来越引起人们的兴 趣。微测辐射热计制造技术需要解决三个关键的技术问题：( 1 ) 热敏薄膜的 制备和加工技术【“l ；( 2 ) 读出电路的设计和制造；( 3 ) 微桥结构的制造技 术。 1 2 红外微测辐射热计技术 红外微测辐射热计为了减小热敏薄膜的热导，采用微桥结构来降低热敏 单元的热导。研究初期采用的是图1 2 一a 所示的凹桥式结构，这种结构制备 由于桥式结构是通过腐蚀硅然后淀积牺牲层得到，所以无法再加以利用， 读出电路等功能块需要在凹桥外占用一部分空间，从而降低了单位面积微 测辐射热计的热利用率，器件的集成度较低。 人们在此基础上不断研究，发展了如图1 - 2 b 的凸桥结构】。这种结构 的主要优点是读出电路在微桥的下面，提高了器件的集成度和单位面积的 利用率，因此尽管工艺难度增加，仍然成为红外微测辐射热计主流的结构。 第一章引言 灵敏度高常温 怍用距离远成本低可靠性高 响应速度快 体积小，重量轻 低温 成本高 兼容性差 工艺较复杂 灵敏度较低 响应速度慢 图1 1 红外探测器的分类及对比 铭兰竺珍s u 忡n i 饭签勤塑 e 王王王王王妄王王王王王，7 。扣矿 鹰_ 【i | ：盖薹l 基姿邋毯夔l 夔羞薹塞篷 凹桥 ( a ) 钜雪晰唧n 魄蛋慰竺卜 “一 3 7 0 。c 的范围( 通常采用4 5 0 。c 或5 5 0 ，应小于6 7 0 。c 的 熔化温度。) 然后在特定的还原气体中进行退火，可以直接生成v o ，或v o ，。 采用s o l - - g e l 的方法，可以在不同衬底上淀积质量很好的膜，而相对不受 衬底的影响，如果适当降低薄膜的形成温度和控制工艺复杂度，是制备氧化钒 薄膜材料的一个较好途径。 第一章引言 0 、脉冲激光淀积| 4 5 l 脉冲激光可以用于淀积半导体、超导体、介质等。由于p l d 可在比较高 的气压下进行淀积，因此较于适合氧化钒的淀积。 激光脉冲的波长为2 4 5 n m ，脉冲时延为1 5 n s ，在氩与氧的混合气氛中采用 钒金属靶淀积。总的气压为1 0 0 2 0 0 t o r r ，衬底温度为5 0 0 5 2 5 。c 。氧气的含 量在5 2 5 之间调整，发现适当的改变氧的含量可以找到最有利于v o ：的 形成的工艺点。淀积后在原条件下退火l h 。实验后x r d 谱表明生成膜为晶向 取向为( 1 0 0 ) 和( 3 0 0 ) 的质量很好的v o ：。 脉冲激光淀积的优点在于只要入射激光的能量超过蒸发阈能，靶材中的各 种组分都具有相同的逸出率，使得薄膜与靶具有相同的化学计量配比，所以易 于制备复杂组分的薄膜材料。另外由于蒸发粒子能量高，成膜的质量好。但这 种方法难于溅红外微测辐射热计要求的大面积均匀的热敏电阻膜。 综合以上的论述，这些薄膜制备工艺对于红外微测辐射热计来讲，存在着 以下的一些不足： ( 1 )工艺兼容性较差：目前的绝大多数研究目的在于得到晶体性能较好， 具有较好的转变特性的氧化钒晶体，其工艺过程和半导体集成电路 工艺兼容性较差。 ( 2 ) 相关的研究有限：大部分研究集中在分子结构，相位转变等方面， 氧化钒材料的化学催化及光学等的特性研究较多，氧化钒材料的热 敏特性的研究还尚未成熟。 ( 3 ) 缺乏实际产品的考虑：薄膜制备工艺复杂、成本过高，不适合大规 模生产的要求。 ( 4 )为了改善结晶性能，工艺温度普遍偏高。 ( 5 ) 氧化钒晶体材料( v 2 0 s ) 由于其迁移率很低( 1 c m 2 v 。1 ) ，薄膜材料的电 阻对红外微测辐射热计过大，从而引起l f 噪声等问题1 5 _ “。 另外，氧化物晶体薄膜也同样有从半导体相到金属相的变化【，一3 , 3 7 , 3 8 1 ， 如v o ：在室温附近就会有一个相变，由于相变带来的滞后效应”i ，对红外 微测辐射热计的响应速度会有很不利的影响。一些研究报道可在氧化钒薄 第一章引言 膜中掺入金属杂质的方法来使相变带来滞后响应减小m 1 。最近还有研究报 道v o ：( b ) 相的氧化钒相没有这种相变。 1 6 研究的目的和内容 红外微测辐射热计有着巨大的发展潜力和广阔的应用前景，近年来国 外如美国、日本、加拿大等国投入了大量资金，取得了一些成果。目前，用 非致冷红外焦平面器件制成的红外热像仪其电视成像质量已经可以和致冷的 光子型探测器h g c d t e 焦平面的电视成像相比拟，而价格仅为h g c d t e 的百 分之一【4 9 l 。 红外微测辐射热计的研究和应用也开始引起了国内研究者的重视。 本文的目的在于我们需要结合现有条件，探索一种低温下制备有较好 的热敏电阻特性的氧化钒薄膜材料的工艺途径，确定其制备的工艺条件。 本文的研究分为三个部分： 一、探索氧化钒热敏电阻薄膜的制备工艺 二、氧化钒热敏薄膜的结构和组分的表征 三、氧化钒薄膜的电学特性研究。 第二章氧化钒热敏薄膜的制备技术及测试方法 第二章氧化钒热敏薄膜的制备技术 及测试方法 本章在分析现有的薄膜制备方法的基础上，经过反复实验，结合现有工艺的提 出离子束溅射氧化钒粉末靶，然后在氮气氢气还原气氛中退火的氧化钒薄膜制备 工艺，并对实验中和测试中使用的制备方法和测试手段进行了简要的介绍。 2 1 离子束溅射氧化钒薄膜 从第一章可以看到制备氧化钒薄膜方法很多，可以制备出具有较好的电学 光学特性的氧化钒材料，但对于红外微测辐射热计的工艺来讲，都存在不足之 处。 我们需要结合现有条件，探索一种低温下制备有较好的热敏电阻特性的氧 化钒薄膜材料的工艺。由于v ，o ，的熔点较低为6 7 0 。c ，在研究的初期我们采 用了用高熔点的m o 金属舟，真空蒸发v ：o ，粉末的方法，在硅、氮化硅衬底上 淀积了氧化钒薄膜。r b s 等的测试表明v ：o ，粉末在蒸发后薄膜组分含有m o 杂 质，并且m o 舟中的氧化钒粉末有分解成低价的难熔氧化物的问题。这种方法 工艺简单，但薄膜的组分、厚度、均匀性等很难控制。 经过长时间的探索我们我们采用了本文首次采用在无氧条件下离子束溅射 v ，o 。靶的方法制备氧化钒薄膜，并研究了氮氢退火对薄膜性质的影响。探索了 一种制备红外微测辐射热计的热敏薄膜电阻的工艺方法 2 i 1 实验方法简介 离子束溅射是指在真空室中利用荷能离子轰击靶表面，使被轰击出的粒子 在衬底基片上沉积的技术。离子束溅射方法是一种淀积多层薄膜的有效方法，它 第二章氧化钒热敏薄膜的制备技术及测试方法 能够在较高真空下进行，溅射的原子能量较高，因此制备的薄膜均匀、沾污少、与 衬底的附着力好，并且可在低温下淀积薄膜，有益于与s i 集成电路工艺相结合。 本文实验采用的是o x f o r d 多功能溅射系统，其中应用k a u f m a n 型离子源，本 底真空优于9 1 0 p a ，溅射时的工作气压为5 1 0 p a ，离子束能量1 0 0 0 e v ， 束流为5 0 7 0 m a ，采用石英晶体测厚仪在线监控薄膜厚度。然后将溅射了氧 化钒薄膜的样品在3 0 0 。c 5 0 0 。c 范围于n 2 + h 2 混合气体中还原退火。 2 1 2 氧化钒粉末靶的制备 首先是靶材的选取。现有离子束溅射的研究多在有氧气的气氛下，溅射高 纯钒金属靶。这种方法，系统需要通氧，衬底也要加热，并且溅射淀积的氧化 钒薄膜的组分受到氧气含量的影响较大。因此我们采用了无氧条件下溅射v ：o ， 粉末靶的方法。靶材采用9 96 v ：o ，粉末，通过油压，施与均匀的压力，压制 成直径1 7 c m ，厚度为15 厘米的v ：o ，粉末靶，然后在2 5 0 。c 恒温箱内加热7 小 时，去除掉水汽等的沾污。 2 1 3 离子束溅射淀积氧化钒薄膜 k a u f m a n 型离子源离子束溅射装置原理如图( 2 1 ) 所示。适当流量的氩原 子通入离子源，在热灯丝阴极和阳极之间产生直流辉光。辉光放电形成的等离 子体充满在离子源内，由等离子鞘层将其与灯丝、阳极、室壁和屏栅隔开。等 离子体通常是在系统中处于最高的正电位。它取决于离子和电子从等离子区损 失的速率，大约比阳极高5 1 0 v 。氩原子的离化由电子来维持，热灯丝阴极提 供辉光放电所需的电子。在屏栅与加速栅之间施加负的偏压，可以通过屏栅和 加速栅的孔从等离子区域中吸出离子。从离子源吸出的离子被中和以克服彼此 之间的库仑斥力，保持束流不至于散开。 离子束系统中包括溅射靶( t a r g e t ) 和衬底( s u b s t r a t e ) 。溅射出的蒸气的组分 基本与物料靶的组分一致。在本实验中靶材为上述v ，o ，的粉末压制靶，a r 离 子束以4 5 射向靶表面，溅射出的粒子，在与靶表面平行的样品表面淀积，形 第二章氧化钒热敏薄膜的制备技术及测试方法 a r v f i l a v d is c h 成氧化钒薄膜。 图2 一l 离子束溅射设备示意图 2 1 4 氮氢退火设备的介绍 图2 - 2 氮氢退火设备 第二章氧化钒热敏薄膜的制各技术及测试方法 如上图所示退火设备，通过压力控制器来控制气体的流量。同过热电偶反 馈控制加热的炉丝。 2 2 实验过程 本工作采用s i ( 1 0 0 ) 低掺杂衬底片，电阻率为5 8 q c m 。以及 s i ，n 。( 1 0 0 n m ) s i ( 0 0 ) 绝缘衬底片。硅片在装入溅射台之前经过严格的化学清 洗，具体清洗过程如下： 1 ) h 2 s 0 4 + h 2 0 2 ( 3 ：1 ) ，煮沸1 5 分钟 2 ) l 号液n h 4 0 h + h 2 0 2 + h 2 0 ( 5 ：2 ：1 ) 或稀释的1 号液n h 4 0 h + h 2 0 2 + h 2 0 ( 5 0 ：2 ：n ，煮沸1 0 分钟 3 ) 2 号液h c l + h 2 0 2 + h 2 0 ( 8 ：2 ：1 ) ，煮沸1 0 分钟 以上每步工序之后必须用去离子水冲洗l o 分钟。样品经甩干之后装入 o x f o r d 多功能溅射台。据报导，使用稀释的l 号液i ”】，不仅能取得同样和更 好的清洗效果以外，还能节省费用并符合环保要求。本实验使用后收到同样的 效果。 溅射台的本底真空低于7 1 0 。7 乇，溅射时通入4 m l 分钟的氩气，使真空 保持在5 1 0 。t o r t 左右。溅射方式采用离子束溅射。溅射束流控制在6 5 m a 左 右。在s i ( 1 0 0 ) 片上连续淀积氧化钒薄膜。氧化钒薄膜的淀积速率为0 2 埃秒 左右，溅射薄膜的厚度通过石英振荡器测量监控。 然后将溅射了氧化钒薄膜的样品在3 0 0 。c 4 0 0 。0 范围于n 2 + h 2 混合气体中 在不同的温度下还原退火。 应用x 射线光电子能谱( x p s ) ，俄歇电子能谱深度分析( a e s ) 等测试，对退 火前后的组分等进行了分析。样品还通过椭偏光谱仪测试，在6 0 、6 5 和7 0 三 个不同入射角度测定了溅射的v ：0 ，薄膜及氮氢退火后得到的氧化钒薄膜在 2 5 0 8 5 0 n m 波长范围光学性质的变化，通过拟合三个角度的测量数据确定了折 第二章氧化钒热敏薄膜的制备技术及测试方法 射率n 、消光系数k 和吸收系数等光学常数随波长的变化关系。采用范德堡测 试方法测量了退火后的薄膜电阻在1 0 1 0 0 范围内随温度变化的曲线，并得到 了其t c r 的和激活能的数值。 下面我们对所涉及的测试方法进行一些简要介绍。 2 3 测试技术与方法的简介 制备的氧化钒薄膜电阻样品x 射线光电子能谱( x p s ) ，俄歇电子能谱深 度分析( a z s ) 等测试，还有一些电学和光学的测试。下面就这些实验方法以 及在氧化钒薄膜测试的过程中的方法进行简单的介绍。 2 3 1x 射线光电子能谱 以x 射线光子为激发源，主要测试材料原子中的芯电子受光子的作用， 从初态作偶极跃迁到高激发态而离开原子。然后对这些光电子作能量的分 析。x p s 用作成分分析时，灵敏度不如a e s ，但芯能级谱峰容易计算其面 积，对定量分析有利。谱峰的结合能对原子周围环境敏感，其结合能变化 成为化学位移，一般认为这是x p s 的主要功能。 光电子发射属于一般外光电效应。x p s 谱往往有复杂的结构，它可以分 为主峰和伴峰两部分，主峰通常属于体系在基态时的谱峰，其能量较稳定， 强度亦较大，便于进行元素鉴定。各元素不同的轨道电子的结合能有表可 查，也可查对各元素主要特征峰( 强发射线) 标准图谱。如发现所有谱峰的结 合能存在同一数量级的能量位移，此时应考虑分析器公函数的改变，或者 样品的荷电效应。在氧化钒热敏薄膜材料的测量中，由于退火后的样品衬 底是绝缘的s i ，n d s i ( 1 0 0 ) ，因此会有电荷积聚产生的位移，要通过适当的定 标来解决。 伴峰是在x p s 中值得研究的内容，如果所测主峰的f w h m 较大或对称 性较差，表明主峰可能由多个峰合成，应该用谱峰分离技术将各个峰解迭。 对不同化学位移的各谱峰进行定量分析可以了解化学反应动力学细节，例 第二章氧化钒热敏薄膜的制备技术及测试方法 如覆盖度随暴露量变化的吸附动力学等。 x p s 的定量分析的精度可满足一般的要求，通常情况下小于2 0 ，精确 度高达2 的情况亦存在。通过适当的计算可以得到组分比。 2 3 2 俄歇电子能谱( a e s ) 俄歇电子能谱( a e s ) 是目前广泛用于表面的成分分析。俄歇电子的特征能 量与发射原子序数有关，从能谱的俄歇峰可以鉴别是何种元素，而俄歇电 子的计数可测定原子的浓度。对固体表面，a e s 可分析原子序数 = 3 的元 素，对z 值不大的元素，分析灵敏度可达1 0 。3 ( 原子浓度比) 。用电子作激 发时，由于电子辐照亮度高和电离截面大，扫描a e s 图的侧向分辨率可达 5 0 n m ，纵向深度分析由溅射剥离层实现，因此a e s 可用作表面微区的三维 组成分析。 a e s 用作表面成分的指纹鉴定时，须测定俄歇电子的特征能量，从谱 峰位置鉴别对应元素。由于各电子轨道之间都可实现俄歇跃迁，所以每利哆i 素有丰富的俄歇谱，由此导致不同的俄歇峰的干扰。但由于跃迁几率和原子 浓度有较大差别，谱峰的重叠干扰对定性分析不会有太大的问题。在氧化钒 薄膜材料的测量中，v 和o 俄歇峰主峰都有一定干扰时，需要次峰或按一 定的比例缩减等办法。 a e s 作定量分析时，通常测定表面成分的相对浓度，俄歇电子的计数 与原子浓度之间的关系主要由初始空穴的几率和俄歇跃迁的几率来决定。 a e s 的定量分析一般有标样法和元素灵敏度因子法。本文采用灵敏度因子 法，此法在一定实验条件下分别测定各个纯元素的特定俄歇跃迁在经历了固 体内部的各种过程后，俄歇电子逸出表面的几率，成为灵敏度因子，可表示 为： s = ( 1 + r ) l ( 1 一w ) o ( 廓) 第二章氧化钒热敏薄膜的制备技术及测试方法 s 是指灵敏度因子；r 是指背散射因子；九是俄歇电子在固体中的非弹 性散射自由程；w 是指x 射线荧光产额。巾( e ，e 。) 是能量为e 。的入射电子 对e w 能级的电离几率。设i 。是俄歇电子的计数率，则不同元素的相对浓度( 原 子百分数) 为： 2 3 3 椭圆偏光解析法 弘器 椭圆偏光解析法简称椭偏法。这种方法是把由试样反射的椭圆偏振光 进行解析，由此可以了解试样的光学性质。如果试样是薄膜，其光学性质 由膜及基体折射率和膜厚决定，因此能对膜厚进行测定。椭偏法是振动面 分割型的干涉测光法，其中波面分割型的干涉测光法是不同的。 下面简单介绍一下偏光解析的原理：考虑在试样上有与试样成一角度 巾。，由于入射面上平行的p 偏光成分和垂直的s 偏光成分，它们的振幅相， 相对于各成分的反射光的振幅反射系数分别等于r n 和l ，一般用复数表示： 0 ，= p ”e x p ( 一i 6 ”) 由于通常的6 ，6 。，r p 和r s 所形成的电场矢量的前端，在和光线垂直的 面内扫描的轨迹为椭圆。椭偏法是测定这种椭圆的形状并由此来评价试样 的折射率和膜厚的方法。本文对退火前后的氧化钒薄膜进行了椭偏的变角 度测试，经过拟合得到薄膜的光学特性和厚度等信息。 第二章氧化钒热敏薄膜的制各技术及测试方法 图2 - 3 椭偏测试的原理图 该样品通过椭偏光谱仪在2 5 0 6 5 0 n m 在6 0 。、6 5 。和7 0 。进行变波长测试， 测定了折射率r l 、消光系数k 以及光吸收系数等光学常数。 2 3 4 范德堡法 在氧化钒的测试中由于电阻率很大，并且淀积在绝缘的衬底上，加之膜厚 只有1 0 0 3 0 0 n m ，通常的四探针法测量薄膜的电阻率较困难，因此在实验中我 们采用了范德堡法来测试样品的电阻率。其测试的图形和测试电路为： 图2 4 范德堡测试方法图 第二章氧化钒热敏薄膜的制备技术及测试方法 该实验采用范德堡法在不同的室温到1 0 0 。c 度的范围内测试电阻随温度 变化的曲线。样品与导线的接触采用金属铟，正方向的测试表明，该接触是线 性的欧姆接触。样品放置在几组炉丝加热的样品台上，由于比测试样品大很多， 可以看作一个巨大的热沉，在这种情况下，当样品的偏置电流较小时，达到一 定的稳定时间上，完全可以忽略样品的自热功率，认为样品和样品台处于同一 热平衡状态。 1 9 5 8 年范德堡提出了一种接触点位于晶体边缘的电阻率和霍尔系数的测量 方法i 。这种方法要求样品厚度成片状，无孤立空洞，并且接触点位于样品边 缘，接触点越小越好。 其基本原理如下： 任意形状，厚度为t s 的片状样品( 满足条件这种测试方法要求片状样品 t s 0l 厘米l 。15 厘米。在其边缘作四个触点，a 、b 、c 、d ，尽量使a b - l c d ， 若a c 通电流i a c ，d b =