王麗格，黃美東，李洪玉，張琳琳，佟莉娜，杜 姍

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

采用不同功率濺射制備氧化鈦薄膜的研究

王麗格，黃美東，李洪玉，張琳琳，佟莉娜，杜 姍

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津 300387）

常溫下，利用射頻（RF）反應(yīng)磁控濺射方法在K9雙面拋光玻璃基底上沉積氧化鈦薄膜.采用光柵光譜儀對(duì)薄膜樣品的透射譜進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)橢圓偏振光譜儀測(cè)試并擬合得到薄膜的厚度、折射率和消光系數(shù)等光學(xué)參數(shù)，借助掠入射角X－射線(xiàn)衍射對(duì)薄膜的結(jié)晶狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同濺射功率下沉積的樣品呈非晶態(tài)，在40～100 W范圍內(nèi)，濺射功率越大，薄膜的沉積速率越大，但濺射功率對(duì)折射率和消光系數(shù)影響不大.

濺射功率；磁控濺射；氧化鈦薄膜；光學(xué)性能

自然界中的氧化鈦主要以金紅石、銳鈦礦和板鈦礦3種結(jié)構(gòu)存在，而在薄膜中一般只能觀(guān)察到金紅石、銳鈦礦及其無(wú)定形結(jié)構(gòu)［1］.氧化鈦堅(jiān)硬、抗化學(xué)腐蝕，在整個(gè)可見(jiàn)和近紅外光譜區(qū)均透明，且折射率大、化學(xué)穩(wěn)定性高，己被廣泛地應(yīng)用于光電轉(zhuǎn)換、電致變色窗、太陽(yáng)能電池、薄膜光波導(dǎo)、干涉濾波片和抗反射涂層等領(lǐng)域［2－4］.因此，研究制備氧化鈦薄膜的工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［5－9］.目前，可以通過(guò)多種方法制備氧化鈦薄膜，如電子束蒸發(fā)、活化反應(yīng)蒸發(fā)、離子束、離化團(tuán)束和直流（交流）反應(yīng)磁控濺射技術(shù)等物理氣相沉積方法，也可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積、溶膠－凝膠（sol－gel）等化學(xué)方法制備，其中射頻磁控濺射TiO2靶的方法具有工藝穩(wěn)定、易于控制的特點(diǎn)［10－12］，有望制備出具有較高質(zhì)量的氧化鈦薄膜.本研究在FJL560CI2型超高真空磁控濺射系統(tǒng)上采用射頻磁控濺射法制備氧化鈦薄膜.

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

射頻磁控濺射采用的高純度（99.99%）TiO2靶材直徑為50.9 mm，厚度為3 mm.采用雙面拋光長(zhǎng)3 cm、寬1 cm的K9光學(xué)玻璃片作為鍍膜基片先用酒精對(duì)其表面進(jìn)行簡(jiǎn)單清洗，除去表面的灰塵和雜質(zhì)，然后將其放入丙酮溶液中超聲清洗15 min清洗結(jié)束后將基片吹干，固定在真空室內(nèi)的基片臺(tái)上.鍍膜時(shí)基底在上，靶材在下，以減少污染物對(duì)基底的污染，光學(xué)玻璃基底裝在可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的襯底架上.每次濺射前，首先向真空腔內(nèi)通入Ar氣，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體流量將氣壓控制在3 Pa，利用300 V負(fù)偏壓對(duì)樣品濺射清洗5 min，當(dāng)觀(guān)察到靶表面輝光放電的顏色由粉紅色變?yōu)樗{(lán)白色，或放電電壓迅速下降到某一穩(wěn)定值時(shí)，表明氧化物已除去.對(duì)基底進(jìn)行充分清洗后，便可設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行濺射，制備薄膜樣品.本研究所用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中僅改變?yōu)R射功率，以考察該參數(shù)對(duì)薄膜光學(xué)性能的影響.

表1 制備氧化鈦薄膜的實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters of titanium oxide films

2 結(jié)果與討論

2.1 薄膜沉積速率

利用WGD－8 A型組合式多功能光柵光譜儀測(cè)試氧化鈦薄膜的透射光譜，如圖1所示.由圖1可知，當(dāng)入射波長(zhǎng)小于400 nm時(shí)，樣品透射率較低這是因?yàn)椴ＡЩ缀捅∧ぴ谧贤獠ǘ尉哂休^強(qiáng)的吸收；而當(dāng)波長(zhǎng)大于400 nm時(shí)，薄膜的透射率較高，這說(shuō)明該薄膜在可見(jiàn)光及近紅外光區(qū)域吸收小，屬于透明膜.

圖1 不同濺射功率下制備的氧化鈦的透射譜Fig.1 Transmittance spectra of titanium oxide films by different sputtering powers

在薄膜對(duì)光的吸收很小的情況下，由光學(xué)傳輸理論可知，沉積于透明基底的單層薄膜的透射率［13］

式（1）中：A＝16n2s，其中，n表示薄膜的折射率，s為基底的折射率；B＝ （n＋1）3（n＋s2）；C＝2（n2－1）（n2－s2）；D＝ （n－1）3（n－s2）；φ＝4πnd／λ，d是膜層的厚度；x＝exp（－αd），α表示薄膜的吸收系數(shù).由式（1）可知：當(dāng)薄膜的光學(xué)厚度nd＝ （2L＋1）λ／4（L是整數(shù)），即為λ／4的奇數(shù)倍時(shí)，透射率為極小值，在透射譜中表現(xiàn)為波谷；當(dāng)nd＝Lλ／2，即λ／4的偶數(shù)倍時(shí)，透射率為極大值，在透射譜中表現(xiàn)為波峰.對(duì)于一定厚度的薄膜，當(dāng)波長(zhǎng)發(fā)生連續(xù)變化時(shí)，就出現(xiàn)如圖1所示的透射譜.在相同的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，透射譜線(xiàn)上相應(yīng)波峰（谷）間距越小說(shuō)明薄膜的光學(xué)厚度越大.從圖1可以看出，濺射功率從40 W增大到100 W時(shí)，透射譜上的峰（谷）間距減小，這說(shuō)明薄膜的光學(xué)厚度隨著濺射功率的增加而增大.光學(xué)厚度是物理厚度與折射率的乘積，同一種薄膜的折射率差別很小，其光學(xué)厚度主要決定于物理厚度，因此可得，薄膜的厚度是隨著濺射功率的增大而增大的.由于所有薄膜的沉積時(shí)間相同，所以可知薄膜的沉積速率隨著濺射功率的增加而增大.

本研究還通過(guò)橢偏法測(cè)量了氧化鈦薄膜的厚度，并根據(jù)濺射時(shí)間計(jì)算得到不同濺射功率下薄膜的沉積速率，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同濺射功率下薄膜厚度與沉積速率Tab.2 Thickness and deposition rate at different sputtering powers

為了更直觀(guān)地對(duì)沉積速率進(jìn)行比較，將表2中數(shù)據(jù)作圖，如圖2所示.由圖2可以看出，薄膜的沉積速率隨濺射功率的增加而增加，這與前述透射譜的測(cè)量結(jié)果一致.濺射功率越大即氣體離子轟擊靶面的平均能量越高，被轟擊出來(lái)的靶材粒子數(shù)量就越多，且動(dòng)能增大，因此基片上薄膜的生長(zhǎng)速率就越快.但并非濺射功率越大越有利于薄膜沉積［14］，過(guò)大的功率一方面可能造成濺射出的鈦原子不能跟氧原子充分反應(yīng)，致使成膜質(zhì)量下降；另一方面，高功率對(duì)成膜設(shè)備也提出了更高的要求［15］.

2.2 薄膜折射率和消光系數(shù)

利用橢偏法測(cè)得的薄膜折射率和消光系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系如圖3所示.

圖3 不同功率下氧化鈦薄膜折射率和消光系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化曲線(xiàn)Fig.3 Dependence of refractive index and extinctive coefficient on wavelength for the titanium oxide films fabricated by different sputtering powers

由圖3可見(jiàn)，不同功率下制備的氧化鈦薄膜的折射率和消光系數(shù)隨波長(zhǎng)變化的趨勢(shì)基本相同，在較短波長(zhǎng)范圍內(nèi)，折射率和消光系數(shù)減小迅速，在較長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，二者變化緩慢直至趨于一穩(wěn)定值.圖3中薄膜折射率和消光系數(shù)隨功率并沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，這說(shuō)明濺射功率對(duì)薄膜光學(xué)性能的影響不大.

2.3 薄膜結(jié)構(gòu)

由前述結(jié)果可知，所制備的全部薄膜厚度均很小，最厚為433 nm，為了減少基底的影響，盡可能多地獲得來(lái)自薄膜的衍射信息，本研究采用掠入射XRD對(duì)沉積的薄膜樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)試，掠入射角保持在1°，測(cè)試結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同濺射功率下制備的氧化鈦薄膜的X射線(xiàn)衍射圖譜Fig.4 XRD patterns of titanium oxide films by different sputtering powers

圖4中，各種濺射功率樣品的衍射圖譜均呈現(xiàn)出一個(gè)寬大的峰，它是基底玻璃的無(wú)序結(jié)構(gòu)對(duì)X射線(xiàn)漫散射產(chǎn)生的結(jié)果，除此之處，衍射圖譜中基本觀(guān)察不到明顯的衍射峰，這說(shuō)明鍍制的氧化鈦薄膜呈非晶態(tài).薄膜呈非晶態(tài)是因?yàn)樵诔练e過(guò)程中，基底未加熱，而濺射粒子的動(dòng)能較低，在到達(dá)基底表面時(shí)遷移困難，易于形成無(wú)序結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)薄膜.盡管XRD結(jié)果顯示薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，不能確定薄膜的物相組成，但在制備薄膜樣品時(shí)，所使用的靶材為高純TiO2，且鍍膜氣氛中僅有氧氣和氬氣，因此根據(jù)圖1中透射譜顯示出薄膜具有透明的光學(xué)性質(zhì)，可知薄膜化學(xué)成分應(yīng)為鈦的氧化物.

3 結(jié)論

本研究利用射頻磁控濺射方法在不同濺射功率下制備了一系列氧化鈦薄膜樣品，并對(duì)其沉積速率、折射率和消光系數(shù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）濺射功率在40～100 W范圍時(shí)，薄膜的沉積速率隨濺射功率的增大而增大.

（2）薄膜的折射率和消光系數(shù)均隨著波長(zhǎng)的增大呈現(xiàn)先快速減小，后趨于一穩(wěn)定值的變化規(guī)律，而濺射功率對(duì)光學(xué)常數(shù)的影響不明顯.

（3）不同濺射功率下獲得的氧化鈦薄膜均為非晶態(tài).

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Study on titanium oxide films deposited at different sputtering powers

WANGLi－ge，HUANGMei－dong，LIHong－yu，ZHANGLin－lin，TONGLi－na，DUShan

（College of Physics and Electronic Information Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Titanium oxide films were deposited on well－polished K9 glass by reactive radio frequency magnetron sputtering at room temperature.Grating spectrometer was employed to measure the transmittance spectra of the samples.The thickness，refractive index and extinction coefficient of the films were analyzed by spectroscopic ellipsometry.The microstructure of the films was characterized by glancing－angle X－ray diffraction.The results show that the as－deposited films are amorphous.As the sputtering power increases from 40 to 100 W，the deposition rate increases monotonously.However，the sputtering power has little effects on the refractive index or extinction coefficient of the films.

sputtering power；magnetron sputtering；titanium oxide film；optical property

TG113.25＋1

A

1671－1114（2012）01－0031－04

2011－06－23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61078059）；天津師范大學(xué)創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（52X09038）

王麗格（1982－），女，碩士研究生.

黃美東（1972－），男，副教授，主要從事表面改性及功能薄膜方面的研究.

（責(zé)任編校 紀(jì)翠榮）