沉積參數對硅碳氧薄膜光學性能的影響研究

張 敏，李 晨，張 平，王多書，陳 燾

(1.臨海市中等職業技術學校，浙江 臨海 317000；2.蘭州空間技術物理研究所 表面工程技術重點實驗室，甘肅 蘭州 7300000；3.臺州學院 物理與電子工程學院，浙江 臺州 318000；4.浙江省工量刃具檢測與深加工技術研究重點實驗室，臺州學院，浙江 臺州 318000)

0 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異的特性，如熱穩定性好、能帶寬、折射率大、硬度高、熱導率高等。綜合其優越的光學和機械性能，硅碳氧薄膜是種具有潛在應用價值的新穎光學薄膜[1-2]，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氣相沉積(PECVD)、射頻磁控濺射技術及離子束合成法等[3-6]。相比其他制備硅碳氧薄膜的方法, 射頻磁控濺射技術可實現低溫下制備, 可減少高溫對薄膜與基片界面態的影響。采用磁控濺射技術制備薄膜時，濺射功率、工作壓力、基片溫度等沉積參數對薄膜的沉積速率、結構及性能存在著一定的聯系[7-8]，研究沉積參數對硅碳氧薄膜光學性能的影響對于其將來的應用具有實際的意義。

1 樣品的制備及表征

射頻磁控濺射設備，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)，研究沉積參數對硅碳氧薄膜光學性能的影響，工藝參數及樣品編號如表1所列。

表1 硅碳氧薄膜的實驗參數

所有實驗的本底壓力均為3×10-3Pa，靶材預濺射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[2]。

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)波長范圍內的透射光譜，用于研究薄膜的光學性能。基于透射光譜獲得硅碳氧薄膜光學常數的方法處理后，得到了K9玻璃基硅碳氧薄膜的厚度以及折射率等光學常數，該方法參見文獻[9]。

2 實驗結果與討論

不同沉積參數下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透射性能。圖1反映了基片溫度對硅碳氧薄膜光學透射性能的影響。從圖中可看出，透射光譜并未出現明顯的紅移及藍移現象，這表明基片溫度對硅碳氧薄膜在強吸收區的光學透射性能影響不大，對薄膜的光學帶隙影響也很小。而在可見光區域，基片溫度越低，硅碳氧薄膜的光學透射性能越好。

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生藍移，這說明增加工作壓力能增寬薄膜的光學帶隙。在可見光區域，工作壓力越高，對應的硅碳氧薄膜的光學透射性能越好。

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生藍移現象，這表明降低濺射功率能夠增寬薄膜的光學帶隙。在可見光區域，濺射功率越低對應的硅碳氧薄膜光學透射性能越好。

根據文獻[9]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，與其他文獻報道的結果相符。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。基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構發生改變有關，這可以從圖3所示的透射光譜中得到證明。基片溫度越高做制備的薄膜越薄，薄膜的光學透射率也差，這說明不同基片溫度下制備的薄膜成分與結構已經發生改變。

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，靶材濺射產額增加，從靶上濺射下來的元素增多，導致薄膜生長速率提高[7-8]。這個反常現象可能與薄膜成分和結構發生改變有關。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構已經發生改變。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，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[4]。從折射率的變化可以看出，基片溫度升高會導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，改變濺射功率可以調節硅碳氧薄膜的成分及結構。并且隨著濺射功率的提高，所制備薄膜的折射率變大，表現出富碳態。

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 結論

硅碳氧(SiCxO4-x)薄膜是一種具有潛在應用價值的新穎光學薄膜，具有熱穩定性好、能帶寬、折射率大、硬度高、熱導率高等優異特性，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性能的影響。結果表明，所制備的K9玻璃基硅碳氧薄膜具有優異的光學透射性能，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生藍移現象，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透射性能更好。改變沉積參數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構發生變化有關。硅碳氧薄膜折射率在1.80～2.20內，隨著工藝參數的改變有著較大的變化范圍。

參考文獻：

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