基片温度对磁控溅射沉积二氧化硅的影响
本文详细地研究了基片温度对磁控溅射沉积二氧化硅的影响,随着基片温度的增加,溅射沉积速率下降明显,薄膜的折射率也出现上升趋势,薄膜也由低温时的疏松粗糙发展为致密光滑。250℃时的溅射沉积速率仅为室温时的1/3,由此,针对间歇式在大面积玻璃上沉积二氧化硅薄膜,我们采取了沉积完ITO薄膜后,先快速降温,再沉积二氧化硅的真空镀膜工艺。
ITO 薄膜因为其同时具有较好的光透过率和可通过工艺调控面阻，已经在工业上各领域得到广泛的应用。王德苗等人[1]研究发现，在玻璃与ITO 薄膜之间加入一层SiO2，可有效地阻止玻璃中的杂质进入ITO 薄膜中， 使ITO 薄膜性能提高。二氧化硅也是很好的保护膜，因其可见光范围的折射率在1.45 左右，还能在一定程度上起到增透的作用 [2] 。
本课题组在开发一ITO 镀膜产品时，需要在规格为2300 mm×1300 mm 的玻璃上溅射ITO 薄膜，然后在ITO 薄膜上溅射一层二氧化硅，以起到增透和保护的作用。沉积过程中，ITO 靶和硅靶均需要沿着玻璃的宽度方向来回移动溅射积，一个来回约需20 min，根据产品的设计要求，若四个来回则共计80 min。采用的是间歇式的真空设备，ITO 和SiO2 的沉积均在同一腔室完成。ITO 的沉积需在200℃以上[ 3 ] ，这时我们就遇到一个问题：在沉积完ITO 后，是关掉加热后即可开始沉积二氧化硅; 还是关掉加热后，待温度降到室温后再进行二氧化硅的沉积; 或者一直保持沉积ITO 时的温度沉积氧化硅。根据溅射原理，温度较高时，沉积速度将变慢，但是对于二氧化硅而言，温度对沉积速度的影响到底有多大。如果关掉电源后即开始沉积二氧化硅，由于温度随着时间推移开始下降，沉积速率则会开始上升，由此带来的变化对膜厚均匀性的影响能否在可以接受的范围之内。为了解决上面提到的问题，经过文献调研发现对于相关领域的研究几乎为空白，研究人员大多集中在反应溅射沉积二氧化硅时，气氛等对薄膜的影响[ 4，5 ] 。因此，本文通过在实验室不同衬底温度下射频溅射沉积二氧化硅，来研究基片温度对二氧化硅薄膜的影响。
1、实验
样品由国产JGP450 型磁控溅射系统制备，溅射时采用射频电源，通过Si 靶与O2 反应溅射制备二氧化硅薄膜。基片为单面抛光的单晶硅片，在溅射之前经过乙醇超声清洗30 min。Ar 和O2 的流量一直保持为60 sccm和20 sccm。待本底真空达到8×10- 4 Pa 后，通入Ar,调节起辉压强0.3 Pa,待基片温度稳定后，起辉预溅射10 min，功率为100 W，通入O2,开始二氧化硅薄膜的溅射。薄膜的厚度和折射率n 通过Filmetrics 公司的F20- UV 测量，溅射速率则由薄膜的厚度和沉积时间的比值计算得到，并通过Hitachi S- 4800来观察薄膜的表面情况。
2、结果与讨论
如表1 所示，对于不同的基片温度，均为100 W 的溅射功率，为了适应F20- UV 的测量范围，减少测量误差，在样品的制备过程中采用不同的沉积时间，随着基片温度的增加，样品的沉积时间也相应增加。
图1 显示了溅射沉积速率和薄膜的折射率与基片温度之间的关系。温度增加，溅射沉积速率差不多线性降低，室温（25℃）时的沉积速率为0.6205 nm/min；温度增加到175℃时，溅射沉积已经降到了0.299 nm/min； 温度进一步上升到250℃，沉积速率仅有0.224 nm/min。由于ITO薄膜沉积时基片温度约在250℃~270℃之间，所以在对二氧化硅沉积速率与基片温度关系的研究时，仅研究到250℃，没有再进一步升高基片温度。
二氧化硅薄膜的折射率随着基片温度的增加出现线性增加的趋势。室温下沉积的薄膜的折射率为1.4628，当温度上升到250℃时，折射率达到1.669。
出现上面所述的情况，主要是因为基片温度的增加，基片表面的二氧化硅分子的能量也增加，在基片表面的迁移能力增加，相对低温时薄膜会变得更加的致密，因此折射率出现了上升；基片温度增加，同时会使到达表面的二氧化硅分子更容易重新解析出来，逃逸基片对二氧化硅分子的束缚，回到溅射气氛中，这种效应会随着基片温度的增加而更加显著，使得沉积速率降低。薄膜随着基片温度的增加而变得更加致密，我们可以从图2 中室温和250℃下制备的薄膜的SEM 照片上清晰地看到：在基片温度为室温时，薄膜表面非常粗糙，颗粒与颗粒之间的缝隙也相当明显，该缝隙的尺寸达到了10 nm。而在250℃下沉积时，薄膜已经变得相当致密，此时的薄膜表面也相当光滑。
250℃下沉积速率已经降到了室温的1/3，溅射速率相差较大，而我们需要在宽度为1300 mm的玻璃上沉积二氧化硅，沉积时间较长，此时温度的影响就会非常之大。如果沉积完ITO 薄膜后，关掉加热电源，马上开始沉积二氧化硅，会使得前期溅射和后期溅射的薄厚厚度差异较大，增加了在整块玻璃上的薄膜厚度上的不均匀性；如果保持溅射ITO 时的温度，溅射二氧化硅，又会使得溅射速率过慢，虽然保证了薄膜厚度上的均匀性，但是会增加沉积时间，消耗大量的电能。沉积ITO 薄膜的磁控溅射系统，从大气环境下抽本底至1×10- 3 Pa 仅需35 min 左右，因此本工艺最终将采用沉积完ITO 薄膜后，充入大气，同时开启粗抽系统，加速系统的降温。待温度下降至100℃时，即可重新开始抽本底，待本底达到1×10- 3 Pa 时，便可以开始溅射二氧化硅。
基片温度分别为250℃和25℃，其它沉积条件均完全一样的条件下，前者的沉积速率差不多有后者的1/3，折射率也出现一定程度的上升。针对所开发的产品，玻璃面积较大，沉积氧化硅所需时间较长，靶来回走动的过程中如果温度一直处于下降过程，会使得沉积的薄膜厚度不均匀。而采用保持温度沉积，由于沉积速率过慢，增加沉积时间，消耗了大量电能的同时薄膜折射率上升，会使得ITO 玻璃的反射率增加，从而透光率下降。因此，我们将采用先快速充气冷却到100℃，重新抽本底，再开始进行二氧化硅薄膜的沉积。
参考文献
[1] 王德苗, 任高潮.电子束蒸发器[P]. 中国专利: ZL 94114030. X，1999- 2- 10.
[2] 李世涛，乔学亮，等.磁控溅射制备增透ITO 薄膜及其性能研究[J].光电工程.2005,32(11):20- 24.
[3] 裴瑜，林丽梅，等.基片温度和氧气流量对磁控溅射制备ITO 薄膜光电性质的影响[J]. 福建师范大学学报（自然科学版），2009,25（1）：57- 62.
[4] 金贵，周继承.射频磁控溅射SiO2薄膜的制备与性能研究[J].武汉理工大学学报，2006，128（8）：12- 15.
[5] 王新，向荣，等.氧化硅薄膜的制备和性质研究[J].微电子学，2010,40(3):454- 456.
