Fabrication of VO2 (B) thin films by pulsed DC reactive magnetron sputtering and characterization at low and high temperatures

Abstract

For this work, VO2 (B) thin films were fabricated using pulsed DC magnetron reactive sputtering. The technique belongs to the ionic sputtering methods which allows high deposition rates, high-purity films, excellent uniformity and high adhesion of films. Reactive sputtering suffers from one drawback called target ´´poisoning´´, which causes a hysteretic control problem and results in instabilities in the fabrication process. For the purpose of having a better control in the film´s fabrication, measurements of cathode voltage in the sputtering gun as a function of oxygen flow were performed at different gun power settings. Based on the results, the parameters which presented the best conditions for film growth were as follows: Argon working pressure of 5 - 6.2 mTorr, argon flow of 100 standard cubic centimeters per minute (sccm), 11.5 - 12.5 sccm oxygen flow and gun power of 200 Watts. Thin films were deposited over fused silica glass (SiO2) at 350 °C and 375 °C. X-ray characterization showed VO2 (B) films grown in this manner present strong preferential crystallization orientation with (00l) planes parallel to the substrate surface. In addition, peaks are shifted to higher angles, evidencing that the films are in tensile stress. Electrical measurements were done through heating-cooling cycles from 400 to 120 K. Resistivity measurements showed a drop of 6 orders of magnitude while cooling from 300 to 120 K. Graphing conductivity as a function of temperature showed no hysteresis, in agreement with recent reports. The linear behaviour was described by an Arrhenius plot in which activation energy is 137 meV. A Temperature Coefficient of Resistance (TCR) of -3.6% and -1.7% K-1 for cooling and heating cycles was calculated, respectively. Also, a detailed analysis for the heating cycle (300 - 400 K) of the samples was done. High temperature resistivity measurements for VO2 (B) films prepared at 350 °C showed a change of slope at ~68 °C indicating the admixture of VO2 (M1). On the other hand, samples prepared at 375 °C showed a change of slope at ~79 °C, representing a small concentration of VO2 (M1) with higher oxidation composition. Finally, two samples were analysed by atomic force microscopy (AFM). Surface roughness (RMS) values obtained were 10 and 13 nm respectively. The average lateral grain size was calculated using Heyn’s technique, obtaining values of 121 nm for one sample and 158 nm for the other. The grain size results in numerous imperfections, having an impact on the electrical properties of VO2 (B): it is possible that larger grain sizes will result in higher conductivity samples. This study may provide the possibility to fabricate VO2 (B) thin films that are relevant for both, infrared sensing applications and lithium-ion batteries cathode material.

Para este trabajo, las películas delgadas de VO2 (B) se fabricaron utilizando bombardeo reactivo con magnetrón DC pulsado. La técnica pertenece a los métodos de pulverización iónica (sputtering) que permite altas tasas de deposición, películas de alta pureza, excelente uniformidad y alta adhesión de películas. El sputtering sufre de un inconveniente llamado oxidación del blanco, causando un problema de control de la histéresis y produciendo inestabilidades en el proceso de fabricación. Con el fin de tener un mejor control en la fabricación de las películas, la medición de voltaje del cátodo del cañón como una función del flujo de oxígeno se realizaron a diferentes configuraciones de potencia del cañón. En base a los resultados, los parámetros que presentaron las mejores condiciones para el crecimiento de película fueron los siguientes: presión de trabajo de argón de 5 - 6.2 mTorr, flujo de argón de 100 centímetros cúbicos estándar por minuto (sccm), flujo de oxígeno de 11.5 - 12.5 sccm y potencia de cañón de 200 vatios. Las películas delgadas se depositaron sobre sílicio fundido (SiO2) a 350 °C y 375 °C. La caracterización por rayos X mostró que las películas de VO2 (B) crecidas de esta manera presentan una fuerte orientación de cristalización con planos (001) paralelos a la superficie del sustrato. Además, los picos fueron desplazados a ángulos de mayor grado, lo que demuestra que las películas están en tensión. Las mediciones eléctricas se realizaron a través de ciclos de calentamiento-enfriamiento de 400 a 120 K. Las mediciones de resistividad mostraron una caída de 6 órdenes de magnitud al enfriar de 300 a 120 K. Se observó una caída en la conductividad sin histéresis de acuerdo con informes recientes. El comportamiento lineal fue descrito por un diagrama de Arrhenius en el cual la energía de activación es 137 meV. Se calculó un coeficiente de resistencia de temperatura (TCR) de -3.6% y -1.7% K-1 para los ciclos de enfriamiento y calentamiento, respectivamente. Por otra parte, se realizó un análisis detallado del ciclo de calentamiento (300 - 400 K) de las muestras. Las mediciones de resistividad a alta temperatura para películas de VO2 (B) preparadas a 350 °C mostraron un cambio de pendiente a ~68 °C que indica la mezcla de VO2 (M1). Por otro lado, las muestras preparadas a 375 °C mostraron un cambio de pendiente a ~79 °C, lo que representa una pequeña concentración de VO2 (M1) con mayor composición de oxígeno. Finalmente, se analizaron dos muestras mediante microscopía de fuerza atómica (AFM). Los valores de rugosidad superficial (RMS) obtenidos fueron de 10 y 13 nm respectivamente. El tamaño medio del grano lateral se calculó utilizando la técnica de Heyn, obteniendo valores de 121-nm para una muestra y 158 nm para la otra. La estructura de los granos da como resultado numerosas imperfecciones, teniendo un impacto en las propiedades eléctricas del VO2 (B). Es posible que los mayores tamaños de grano den como resultado muestras con conductividad más altas. Este estudio puede proporcionar la posibilidad de fabricar películas delgadas de VO2 (B) que son relevantes tanto para aplicaciones de detección de infrarrojos como para baterías con cátodos de litio.