沉積參數(shù)對硅碳氧薄膜光學(xué)性能的影響研究

　　硅碳氧薄膜擁有熱穩(wěn)定性好、能帶寬、折射率大、硬度高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)異性能，是一種具有潛在應(yīng)用價值的新穎光學(xué)薄膜。采用射頻磁控濺射技術(shù)在K9 玻璃上制備了硅碳氧薄膜，并研究了沉積參數(shù)對硅碳氧薄膜光學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，所制備的硅碳氧薄膜呈現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)透射性能，工作壓力的增高和濺射功率的降低都會使薄膜的透射光譜發(fā)生藍移現(xiàn)象，而基片溫度的降低、工作壓力的升高及濺射功率的減小都能使薄膜的光學(xué)透射性能更好。改變沉積參數(shù)，可以獲得不同的薄膜沉積速率。折射率在1. 80 ～ 2. 20 之間變化。

引言

　　硅碳氧( SiCxO4-x) 薄膜是一種含有Si、C、O 三種元素的玻璃狀化合物材料，同時擁有碳化硅薄膜及氧化硅薄膜多種優(yōu)異的特性，如熱穩(wěn)定性好、能帶寬、折射率大、硬度高、熱導(dǎo)率高等。綜合其優(yōu)越的光學(xué)和機械性能，硅碳氧薄膜是種具有潛在應(yīng)用價值的新穎光學(xué)薄膜，可以用作硅基光電子器件、硅基太陽能電池的增透膜以及窗口層材料。制備硅碳氧薄膜常用的方法有等離子化學(xué)氣相沉積( PECVD) 、射頻磁控濺射技術(shù)及離子束合成法等。相比其他制備硅碳氧薄膜的方法，射頻磁控濺射技術(shù)可實現(xiàn)低溫下制備，可減少高溫對薄膜與基片界面態(tài)的影響。采用磁控濺射技術(shù)制備薄膜時，濺射功率、工作壓力、基片溫度等沉積參數(shù)對薄膜的沉積速率、結(jié)構(gòu)及性能存在著一定的聯(lián)系，研究沉積參數(shù)對硅碳氧薄膜光學(xué)性能的影響對于其將來的應(yīng)用具有實際的意義。

1、樣品的制備及表征

　　射頻磁控濺射設(shè)備，以氬氣( 純度為99. 9% ) 作為工作氣體、硅碳氧陶瓷靶( 純度為99. 99% ) 作為濺射靶材，在K9 玻璃上制備硅碳氧薄膜。實驗前，用超聲波清洗機，把基片放在丙酮及無水酒精中各超聲波清洗15 min。改變基片溫度( 100 ～ 250 ℃) 、工作壓強( 1 ～ 2 Pa) 及濺射功率( 100 ～ 400 W) ，研究沉積參數(shù)對硅碳氧薄膜光學(xué)性能的影響，工藝參數(shù)及樣品編號如表1 所列。

表1 硅碳氧薄膜的實驗參數(shù)

　　所有實驗的本底壓力均為3 × 10 -3 Pa，靶材預(yù)濺射10 min，薄膜沉積時間為15 min。沉積硅碳氧薄膜的工藝參見文獻。采用紫外/可見/近紅外光度計( Lambda 900)獲得了以K9 玻璃基樣品在250 ～ 2 500 nm( 近紅外) 波長范圍內(nèi)的透射光譜，用于研究薄膜的光學(xué)性能�；�于透射光譜獲得硅碳氧薄膜光學(xué)常數(shù)的方法處理后，得到了K9 玻璃基硅碳氧薄膜的厚度以及折射率等光學(xué)常數(shù)，該方法參見文獻。

2、實驗結(jié)果與討論

　　不同沉積參數(shù)下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的透射光譜圖如圖1 ～ 3 所示，從圖中可以看出硅碳氧薄膜具有良好的光學(xué)透射性能。圖1 反映了基片溫度對硅碳氧薄膜光學(xué)透射性能的影響。從圖中可看出，透射光譜并未出現(xiàn)明顯的紅移及藍移現(xiàn)象，這表明基片溫度對硅碳氧薄膜在強吸收區(qū)的光學(xué)透射性能影響不大，對薄膜的光學(xué)帶隙影響也很小。而在可見光區(qū)域，基片溫度越低，硅碳氧薄膜的光學(xué)透射性能越好。

圖1 不同基片溫度下K9 玻璃基硅碳氧薄膜透射光譜圖

　　圖2 給出了不同工作壓力下的薄膜透射光譜圖。從圖中可以看出，工作壓力高能夠使透射光譜發(fā)生藍移，這說明增加工作壓力能增寬薄膜的光學(xué)帶隙。在可見光區(qū)域，工作壓力越高，對應(yīng)的硅碳氧薄膜的光學(xué)透射性能越好。

圖2 不同工作壓力下K9 玻璃基硅碳氧薄膜透射光譜圖

　　圖3 給出了不同濺射功率下薄膜的透射光譜圖。從圖中可知，降低濺射功率會使樣品的透射光譜發(fā)生藍移現(xiàn)象，這表明降低濺射功率能夠增寬薄膜的光學(xué)帶隙。在可見光區(qū)域，濺射功率越低對應(yīng)的硅碳氧薄膜光學(xué)透射性能越好。根據(jù)文獻所描述的方法計算獲得K9 玻璃基硅碳氧薄膜的折射率及薄膜厚度，計算結(jié)果如表2 所列。

表2 K9 玻璃基硅碳氧薄膜的厚度及折射率

圖3 不同濺射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜透射光譜圖

　　不同基片溫度及濺射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉積速率，如圖4、圖5 所示，可以看出改變沉積參數(shù)可以獲得不同的薄膜沉積速率。

　　由圖4 可看出，隨著基片溫度升高，薄膜的沉積速率將下降，這與基片溫度升高能夠使到達其表面的原子動能更高有關(guān)，與其他文獻報道的結(jié)果相符。隨著基片溫度改變，硅碳氧薄膜的最高沉積速率可達0. 402 nm/s，最低沉積速率為0. 266 nm/s�；�片溫度的上升造成薄膜沉積速率下降可能還與薄膜的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變有關(guān)，這可以從圖3 所示的透射光譜中得到證明�；�片溫度越高做制備的薄膜越薄，薄膜的光學(xué)透射率也差，這說明不同基片溫度下制備的薄膜成分與結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生改變。

圖4 不同基片溫度下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉積速率

　　圖5 說明了硅碳氧薄膜的沉積速率隨濺射功率增大而變小，這與其他磁控濺射制備薄膜規(guī)律不相符。一般情況下濺射功率的提高能夠獲得更高濺射率，靶材濺射產(chǎn)額增加，從靶上濺射下來的元素增多，導(dǎo)致薄膜生長速率提高。這個反�，F(xiàn)象可能與薄膜成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變有關(guān)。從透射光譜( 圖3) 中同樣可以看出，較薄的薄膜透射性能更差，這說明薄膜成分與結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生改變。隨著濺射功率的提高，硅碳氧薄膜的沉積速率由0. 420 nm/s 降到0. 285 nm/s。

圖5 不同濺射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉積速率

　　不同基片溫度及濺射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的折射率，如圖6、圖7 所示。薄膜的折射率數(shù)值如表2 所列，從中可以看出硅碳氧薄膜的折射率在1. 80 ～ 2. 20 內(nèi)，變化范圍較大。從圖6 中可看出，隨著基片溫度升高，相同光波波長下的折射率由1. 89 逐漸增加到2.20。據(jù)報道，硅碳氧薄膜中氧- 碳的比例將影響著薄膜的折射率，富氧的情況下薄膜折射率低，而富碳則相反。從折射率的變化可以看出，基片溫度升高會導(dǎo)致薄膜中碳含量增加。從圖7 中可看出，濺射功率高所獲得的硅碳氧薄膜具有更大的折射率，并且隨著濺射功率的升高，折射率由1. 82 逐漸增加到2. 11。從折射率的變化同樣可以看出，改變?yōu)R射功率可以調(diào)節(jié)硅碳氧薄膜的成分及結(jié)構(gòu)。并且隨著濺射功率的提高，所制備薄膜的折射率變大，表現(xiàn)出富碳態(tài)。

圖6 不同基片溫度下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉積速率

圖7 不同濺射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉積速率

3、結(jié)論

　　硅碳氧( SiCxO4-x) 薄膜是一種具有潛在應(yīng)用價值的新穎光學(xué)薄膜，具有熱穩(wěn)定性好、能帶寬、折射率大、硬度高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)異特性，可以用作硅基光電子器件、硅基太陽能電池的增透膜以及窗口層材料。

　　采用射頻磁控濺射技術(shù)在K9 玻璃上制備了硅碳氧薄膜，并研究了基片溫度、工作壓強、濺射功率對硅碳氧薄膜光學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，所制備的K9 玻璃基硅碳氧薄膜具有優(yōu)異的光學(xué)透射性能，工作壓強的增高和濺射功率的降低都會使薄膜的透射光譜發(fā)生藍移現(xiàn)象，而基片溫度的降低、工作壓強的升高及濺射功率的減小都能使薄膜的光學(xué)透射性能更好。改變沉積參數(shù)可以獲得不同的薄膜沉積速率。對于K9 玻璃基硅碳氧薄膜，基片溫度和濺射功率的升高都能夠降低薄膜的沉積速率，這可能與薄膜成分與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化有關(guān)。硅碳氧薄膜折射率在1. 80 ～ 2. 20 內(nèi)，隨著工藝參數(shù)的改變有著較大的變化范圍。