采用不同功率溅射制备氧化钛薄膜的研究

王丽格，黄美东，李洪玉，张琳琳，佟莉娜，杜 姗

（天津师范大学 物理与电子信息学院，天津 300387）

采用不同功率溅射制备氧化钛薄膜的研究

王丽格，黄美东，李洪玉，张琳琳，佟莉娜，杜 姗

（天津师范大学 物理与电子信息学院，天津 300387）

常温下，利用射频（RF）反应磁控溅射方法在K9双面抛光玻璃基底上沉积氧化钛薄膜.采用光栅光谱仪对薄膜样品的透射谱进行测试，通过椭圆偏振光谱仪测试并拟合得到薄膜的厚度、折射率和消光系数等光学参数，借助掠入射角X－射线衍射对薄膜的结晶状态进行了测试.实验结果表明：不同溅射功率下沉积的样品呈非晶态，在40～100 W范围内，溅射功率越大，薄膜的沉积速率越大，但溅射功率对折射率和消光系数影响不大.

溅射功率；磁控溅射；氧化钛薄膜；光学性能

自然界中的氧化钛主要以金红石、锐钛矿和板钛矿3种结构存在，而在薄膜中一般只能观察到金红石、锐钛矿及其无定形结构［1］.氧化钛坚硬、抗化学腐蚀，在整个可见和近红外光谱区均透明，且折射率大、化学稳定性高，己被广泛地应用于光电转换、电致变色窗、太阳能电池、薄膜光波导、干涉滤波片和抗反射涂层等领域［2－4］.因此，研究制备氧化钛薄膜的工艺具有重要的现实意义［5－9］.目前，可以通过多种方法制备氧化钛薄膜，如电子束蒸发、活化反应蒸发、离子束、离化团束和直流（交流）反应磁控溅射技术等物理气相沉积方法，也可以通过化学气相沉积、溶胶－凝胶（sol－gel）等化学方法制备，其中射频磁控溅射TiO2靶的方法具有工艺稳定、易于控制的特点［10－12］，有望制备出具有较高质量的氧化钛薄膜.本研究在FJL560CI2型超高真空磁控溅射系统上采用射频磁控溅射法制备氧化钛薄膜.

1 实验过程

射频磁控溅射采用的高纯度（99.99%）TiO2靶材直径为50.9 mm，厚度为3 mm.采用双面抛光长3 cm、宽1 cm的K9光学玻璃片作为镀膜基片先用酒精对其表面进行简单清洗，除去表面的灰尘和杂质，然后将其放入丙酮溶液中超声清洗15 min清洗结束后将基片吹干，固定在真空室内的基片台上.镀膜时基底在上，靶材在下，以减少污染物对基底的污染，光学玻璃基底装在可绕中心轴旋转的衬底架上.每次溅射前，首先向真空腔内通入Ar气，通过调节气体流量将气压控制在3 Pa，利用300 V负偏压对样品溅射清洗5 min，当观察到靶表面辉光放电的颜色由粉红色变为蓝白色，或放电电压迅速下降到某一稳定值时，表明氧化物已除去.对基底进行充分清洗后，便可设置实验参数进行溅射，制备薄膜样品.本研究所用的实验参数如表1所示，实验过程中仅改变溅射功率，以考察该参数对薄膜光学性能的影响.

表1 制备氧化钛薄膜的实验参数Tab.1 Experimental parameters of titanium oxide films

2 结果与讨论

2.1 薄膜沉积速率

利用WGD－8 A型组合式多功能光栅光谱仪测试氧化钛薄膜的透射光谱，如图1所示.由图1可知，当入射波长小于400 nm时，样品透射率较低这是因为玻璃基底和薄膜在紫外波段均具有较强的吸收；而当波长大于400 nm时，薄膜的透射率较高，这说明该薄膜在可见光及近红外光区域吸收小，属于透明膜.

图1 不同溅射功率下制备的氧化钛的透射谱Fig.1 Transmittance spectra of titanium oxide films by different sputtering powers

在薄膜对光的吸收很小的情况下，由光学传输理论可知，沉积于透明基底的单层薄膜的透射率［13］

式（1）中：A＝16n2s，其中，n表示薄膜的折射率，s为基底的折射率；B＝ （n＋1）3（n＋s2）；C＝2（n2－1）（n2－s2）；D＝ （n－1）3（n－s2）；φ＝4πnd／λ，d是膜层的厚度；x＝exp（－αd），α表示薄膜的吸收系数.由式（1）可知：当薄膜的光学厚度nd＝ （2L＋1）λ／4（L是整数），即为λ／4的奇数倍时，透射率为极小值，在透射谱中表现为波谷；当nd＝Lλ／2，即λ／4的偶数倍时，透射率为极大值，在透射谱中表现为波峰.对于一定厚度的薄膜，当波长发生连续变化时，就出现如图1所示的透射谱.在相同的波长范围内，透射谱线上相应波峰（谷）间距越小说明薄膜的光学厚度越大.从图1可以看出，溅射功率从40 W增大到100 W时，透射谱上的峰（谷）间距减小，这说明薄膜的光学厚度随着溅射功率的增加而增大.光学厚度是物理厚度与折射率的乘积，同一种薄膜的折射率差别很小，其光学厚度主要决定于物理厚度，因此可得，薄膜的厚度是随着溅射功率的增大而增大的.由于所有薄膜的沉积时间相同，所以可知薄膜的沉积速率随着溅射功率的增加而增大.

本研究还通过椭偏法测量了氧化钛薄膜的厚度，并根据溅射时间计算得到不同溅射功率下薄膜的沉积速率，结果见表2.

表2 不同溅射功率下薄膜厚度与沉积速率Tab.2 Thickness and deposition rate at different sputtering powers

为了更直观地对沉积速率进行比较，将表2中数据作图，如图2所示.由图2可以看出，薄膜的沉积速率随溅射功率的增加而增加，这与前述透射谱的测量结果一致.溅射功率越大即气体离子轰击靶面的平均能量越高，被轰击出来的靶材粒子数量就越多，且动能增大，因此基片上薄膜的生长速率就越快.但并非溅射功率越大越有利于薄膜沉积［14］，过大的功率一方面可能造成溅射出的钛原子不能跟氧原子充分反应，致使成膜质量下降；另一方面，高功率对成膜设备也提出了更高的要求［15］.

2.2 薄膜折射率和消光系数

利用椭偏法测得的薄膜折射率和消光系数随波长的变化关系如图3所示.

图3 不同功率下氧化钛薄膜折射率和消光系数随波长的变化曲线Fig.3 Dependence of refractive index and extinctive coefficient on wavelength for the titanium oxide films fabricated by different sputtering powers

由图3可见，不同功率下制备的氧化钛薄膜的折射率和消光系数随波长变化的趋势基本相同，在较短波长范围内，折射率和消光系数减小迅速，在较长波长范围内，二者变化缓慢直至趋于一稳定值.图3中薄膜折射率和消光系数随功率并没有明显的变化规律，这说明溅射功率对薄膜光学性能的影响不大.

2.3 薄膜结构

由前述结果可知，所制备的全部薄膜厚度均很小，最厚为433 nm，为了减少基底的影响，尽可能多地获得来自薄膜的衍射信息，本研究采用掠入射XRD对沉积的薄膜样品进行结构测试，掠入射角保持在1°，测试结果如图4所示.

图4 不同溅射功率下制备的氧化钛薄膜的X射线衍射图谱Fig.4 XRD patterns of titanium oxide films by different sputtering powers

图4中，各种溅射功率样品的衍射图谱均呈现出一个宽大的峰，它是基底玻璃的无序结构对X射线漫散射产生的结果，除此之处，衍射图谱中基本观察不到明显的衍射峰，这说明镀制的氧化钛薄膜呈非晶态.薄膜呈非晶态是因为在沉积过程中，基底未加热，而溅射粒子的动能较低，在到达基底表面时迁移困难，易于形成无序结构的非晶态薄膜.尽管XRD结果显示薄膜为非晶结构，不能确定薄膜的物相组成，但在制备薄膜样品时，所使用的靶材为高纯TiO2，且镀膜气氛中仅有氧气和氩气，因此根据图1中透射谱显示出薄膜具有透明的光学性质，可知薄膜化学成分应为钛的氧化物.

3 结论

本研究利用射频磁控溅射方法在不同溅射功率下制备了一系列氧化钛薄膜样品，并对其沉积速率、折射率和消光系数进行分析，得到以下结论：

（1）溅射功率在40～100 W范围时，薄膜的沉积速率随溅射功率的增大而增大.

（2）薄膜的折射率和消光系数均随着波长的增大呈现先快速减小，后趋于一稳定值的变化规律，而溅射功率对光学常数的影响不明显.

（3）不同溅射功率下获得的氧化钛薄膜均为非晶态.

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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

国家自然科学基金资助项目（61078059）；天津师范大学创新计划资助项目（52X09038）

王丽格（1982－），女，硕士研究生.

黄美东（1972－），男，副教授，主要从事表面改性及功能薄膜方面的研究.

（责任编校 纪翠荣）