沉积参数对硅碳氧薄膜光学性能的影响研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)临海市中等职业技术学校 作者:张敏

  硅碳氧薄膜拥有热稳定性好、能带宽、折射率大、硬度高、热导率高等优异性能,是一种具有潜在应用价值的新颖光学薄膜。采用射频磁控溅射技术在K9 玻璃上制备了硅碳氧薄膜,并研究了沉积参数对硅碳氧薄膜光学性能的影响。结果表明,所制备的硅碳氧薄膜呈现出优异的光学透射性能,工作压力的增高和溅射功率的降低都会使薄膜的透射光谱发生蓝移现象,而基片温度的降低、工作压力的升高及溅射功率的减小都能使薄膜的光学透射性能更好。改变沉积参数,可以获得不同的薄膜沉积速率。折射率在1. 80 ~ 2. 20 之间变化。

引言

  硅碳氧( SiCxO4-x) 薄膜是一种含有Si、C、O 三种元素的玻璃状化合物材料,同时拥有碳化硅薄膜及氧化硅薄膜多种优异的特性,如热稳定性好、能带宽、折射率大、硬度高、热导率高等。综合其优越的光学和机械性能,硅碳氧薄膜是种具有潜在应用价值的新颖光学薄膜,可以用作硅基光电子器件、硅基太阳能电池的增透膜以及窗口层材料。制备硅碳氧薄膜常用的方法有等离子化学气相沉积( PECVD) 、射频磁控溅射技术及离子束合成法等。相比其他制备硅碳氧薄膜的方法,射频磁控溅射技术可实现低温下制备,可减少高温对薄膜与基片界面态的影响。采用磁控溅射技术制备薄膜时,溅射功率、工作压力、基片温度等沉积参数对薄膜的沉积速率、结构及性能存在着一定的联系,研究沉积参数对硅碳氧薄膜光学性能的影响对于其将来的应用具有实际的意义。

1、样品的制备及表征

  射频磁控溅射设备,以氩气( 纯度为99. 9% ) 作为工作气体、硅碳氧陶瓷靶( 纯度为99. 99% ) 作为溅射靶材,在K9 玻璃上制备硅碳氧薄膜。实验前,用超声波清洗机,把基片放在丙酮及无水酒精中各超声波清洗15 min。改变基片温度( 100 ~ 250 ℃) 、工作压强( 1 ~ 2 Pa) 及溅射功率( 100 ~ 400 W) ,研究沉积参数对硅碳氧薄膜光学性能的影响,工艺参数及样品编号如表1 所列。

表1 硅碳氧薄膜的实验参数

硅碳氧薄膜的实验参数

  所有实验的本底压力均为3 × 10 -3 Pa,靶材预溅射10 min,薄膜沉积时间为15 min。沉积硅碳氧薄膜的工艺参见文献。采用紫外/可见/近红外光度计( Lambda 900)获得了以K9 玻璃基样品在250 ~ 2 500 nm( 近红外) 波长范围内的透射光谱,用于研究薄膜的光学性能。基于透射光谱获得硅碳氧薄膜光学常数的方法处理后,得到了K9 玻璃基硅碳氧薄膜的厚度以及折射率等光学常数,该方法参见文献。

2、实验结果与讨论

  不同沉积参数下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的透射光谱图如图1 ~ 3 所示,从图中可以看出硅碳氧薄膜具有良好的光学透射性能。图1 反映了基片温度对硅碳氧薄膜光学透射性能的影响。从图中可看出,透射光谱并未出现明显的红移及蓝移现象,这表明基片温度对硅碳氧薄膜在强吸收区的光学透射性能影响不大,对薄膜的光学带隙影响也很小。而在可见光区域,基片温度越低,硅碳氧薄膜的光学透射性能越好。

不同基片温度下K9 玻璃基硅碳氧薄膜透射光谱图

图1 不同基片温度下K9 玻璃基硅碳氧薄膜透射光谱图

  图2 给出了不同工作压力下的薄膜透射光谱图。从图中可以看出,工作压力高能够使透射光谱发生蓝移,这说明增加工作压力能增宽薄膜的光学带隙。在可见光区域,工作压力越高,对应的硅碳氧薄膜的光学透射性能越好。

不同工作压力下K9 玻璃基硅碳氧薄膜透射光谱图

图2 不同工作压力下K9 玻璃基硅碳氧薄膜透射光谱图

  图3 给出了不同溅射功率下薄膜的透射光谱图。从图中可知,降低溅射功率会使样品的透射光谱发生蓝移现象,这表明降低溅射功率能够增宽薄膜的光学带隙。在可见光区域,溅射功率越低对应的硅碳氧薄膜光学透射性能越好。根据文献所描述的方法计算获得K9 玻璃基硅碳氧薄膜的折射率及薄膜厚度,计算结果如表2 所列。

表2 K9 玻璃基硅碳氧薄膜的厚度及折射率

 K9 玻璃基硅碳氧薄膜的厚度及折射率

不同溅射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜透射光谱图

图3 不同溅射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜透射光谱图

  不同基片温度及溅射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉积速率,如图4、图5 所示,可以看出改变沉积参数可以获得不同的薄膜沉积速率。

  由图4 可看出,随着基片温度升高,薄膜的沉积速率将下降,这与基片温度升高能够使到达其表面的原子动能更高有关,与其他文献报道的结果相符。随着基片温度改变,硅碳氧薄膜的最高沉积速率可达0. 402 nm/s,最低沉积速率为0. 266 nm/s。基片温度的上升造成薄膜沉积速率下降可能还与薄膜的成分和结构发生改变有关,这可以从图3 所示的透射光谱中得到证明。基片温度越高做制备的薄膜越薄,薄膜的光学透射率也差,这说明不同基片温度下制备的薄膜成分与结构已经发生改变。

不同基片温度下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉积速率

图4 不同基片温度下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉积速率

  图5 说明了硅碳氧薄膜的沉积速率随溅射功率增大而变小,这与其他磁控溅射制备薄膜规律不相符。一般情况下溅射功率的提高能够获得更高溅射率,靶材溅射产额增加,从靶上溅射下来的元素增多,导致薄膜生长速率提高。这个反常现象可能与薄膜成分和结构发生改变有关。从透射光谱( 图3) 中同样可以看出,较薄的薄膜透射性能更差,这说明薄膜成分与结构已经发生改变。随着溅射功率的提高,硅碳氧薄膜的沉积速率由0. 420 nm/s 降到0. 285 nm/s。

不同溅射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉积速率

图5 不同溅射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉积速率

  不同基片温度及溅射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的折射率,如图6、图7 所示。薄膜的折射率数值如表2 所列,从中可以看出硅碳氧薄膜的折射率在1. 80 ~ 2. 20 内,变化范围较大。从图6 中可看出,随着基片温度升高,相同光波波长下的折射率由1. 89 逐渐增加到2.20。据报道,硅碳氧薄膜中氧- 碳的比例将影响着薄膜的折射率,富氧的情况下薄膜折射率低,而富碳则相反。从折射率的变化可以看出,基片温度升高会导致薄膜中碳含量增加。从图7 中可看出,溅射功率高所获得的硅碳氧薄膜具有更大的折射率,并且随着溅射功率的升高,折射率由1. 82 逐渐增加到2. 11。从折射率的变化同样可以看出,改变溅射功率可以调节硅碳氧薄膜的成分及结构。并且随着溅射功率的提高,所制备薄膜的折射率变大,表现出富碳态。

不同基片温度下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉积速率

图6 不同基片温度下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉积速率

不同溅射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉积速率

图7 不同溅射功率下K9 玻璃基硅碳氧薄膜的沉积速率

3、结论

  硅碳氧( SiCxO4-x) 薄膜是一种具有潜在应用价值的新颖光学薄膜,具有热稳定性好、能带宽、折射率大、硬度高、热导率高等优异特性,可以用作硅基光电子器件、硅基太阳能电池的增透膜以及窗口层材料。

  采用射频磁控溅射技术在K9 玻璃上制备了硅碳氧薄膜,并研究了基片温度、工作压强、溅射功率对硅碳氧薄膜光学性能的影响。结果表明,所制备的K9 玻璃基硅碳氧薄膜具有优异的光学透射性能,工作压强的增高和溅射功率的降低都会使薄膜的透射光谱发生蓝移现象,而基片温度的降低、工作压强的升高及溅射功率的减小都能使薄膜的光学透射性能更好。改变沉积参数可以获得不同的薄膜沉积速率。对于K9 玻璃基硅碳氧薄膜,基片温度和溅射功率的升高都能够降低薄膜的沉积速率,这可能与薄膜成分与结构发生变化有关。硅碳氧薄膜折射率在1. 80 ~ 2. 20 内,随着工艺参数的改变有着较大的变化范围。

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