張 敏，李 晨，張 平，王多書，陳 燾

(1.臨海市中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，浙江 臨海 317000；2.蘭州空間技術(shù)物理研究所 表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 7300000；3.臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000；4.浙江省工量刃具檢測(cè)與深加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，臺(tái)州學(xué)院，浙江 臺(tái)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(shí)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(jī)械性能，硅碳氧薄膜是種具有潛在應(yīng)用價(jià)值的新穎光學(xué)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(xué)氣相沉積(PECVD)、射頻磁控濺射技術(shù)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(shù)可實(shí)現(xiàn)低溫下制備, 可減少高溫對(duì)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(shí)，濺射功率、工作壓力、基片溫度等沉積參數(shù)對(duì)薄膜的沉積速率、結(jié)構(gòu)及性能存在著一定的聯(lián)系[7-8]，研究沉積參數(shù)對(duì)硅碳氧薄膜光學(xué)性能的影響對(duì)于其將來的應(yīng)用具有實(shí)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(shí)驗(yàn)前，用超聲波清洗機(jī)，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(qiáng)(1～2 Pa)及濺射功率(100～400 W)，研究沉積參數(shù)對(duì)硅碳氧薄膜光學(xué)性能的影響，工藝參數(shù)及樣品編號(hào)如表1所列。

表1 硅碳氧薄膜的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

所有實(shí)驗(yàn)的本底壓力均為3×10-3Pa，靶材預(yù)濺射10 min，薄膜沉積時(shí)間為15 min。沉積硅碳氧薄膜的工藝參見文獻(xiàn)[2]。

采用紫外/可見/近紅外光度計(jì)(Lambda 900)獲得了以K9玻璃基樣品在250～2 500 nm(近紅外)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透射光譜，用于研究薄膜的光學(xué)性能?；谕干涔庾V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(xiàn)[9]。

2 實(shí)驗(yàn)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(duì)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(lán)移現(xiàn)象，這表明基片溫度對(duì)硅碳氧薄膜在強(qiáng)吸收區(qū)的光學(xué)透射性能影響不大，對(duì)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(lán)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(duì)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(huì)使樣品的透射光譜發(fā)生藍(lán)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(duì)應(yīng)的硅碳氧薄膜光學(xué)透射性能越好。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]所描述的方法計(jì)算獲得K9玻璃基硅碳氧薄膜的折射率及薄膜厚度，計(jì)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(dá)其表面的原子動(dòng)能更高有關(guān)，與其他文獻(xiàn)報(bào)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(dá)0.402 nm/s，最低沉積速率為0.266 nm/s?；瑴囟鹊纳仙斐杀∧こ练e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?；瑴囟仍礁咦鲋苽涞谋∧ぴ奖?，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(zhǎng)速率提高[7-8]。這個(gè)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(zhǎng)下的折射率由1.89逐漸增加到2.20。據(jù)報(bào)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(huì)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(jià)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(qiáng)、濺射功率對(duì)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(qiáng)的增高和濺射功率的降低都會(huì)使薄膜的透射光譜發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象，而基片溫度的降低、工作壓強(qiáng)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(duì)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。

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