温度对磁控溅射氮化钛薄膜光学性能的影响

　　本文采用能量过滤磁控溅射技术(Energy Filter Direct Magnetron Sputtering，EFDMS)，通过改变沉积温度在玻璃衬底上制备了一系列TiN 薄膜。利用XRD 进行了物相鉴定，使用分光光度计、椭圆偏振光谱仪和四探针电阻仪测试了TiN 薄膜的光学性能。结果表明：制备的TiN 薄膜为多晶态立方结构TiN，且随着衬底温度的升高，薄膜结晶性提高，在近红外区的反射率显著上升，可见光区的透光率有所下降，同时，薄膜的禁带宽度变宽，折射率减小，消光系数升高。

　　氮化钛(TiNx )薄膜是通过离子键、金属键和共价键结合而成的，其中氮的p 轨道能量低于氮化钛的费米能，这导致材料中自由电子类似于金属键的d 电子，增加了TiN 的导电性，因此TiN薄膜具有类似于金、银等贵金属薄膜的光学性能，在可见光区半透明且在红外区高反射。近些年，国外许多厂家开始将氮化钛作为太阳光选择透过膜的透明热镜层来使用。不仅如此，作为Cu 的扩散阻挡层，TiN 薄膜在半导体器件中也日益受到关注，另外，TiN 还具有其它一些独特的性能，如高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损。再加上它颇讨人们喜爱的、可与黄金相媲美的金黄色，使其在汽车、建筑、节能等相关行业都得到了广泛应用。

　　为提高TiN 薄膜在太阳光谱中的选择透过性，提高可见光透射率及红外光反射率，本课题组对现有的直流磁控溅射设备进行了改造，称之为能量过滤磁控溅射装置(EFDMS，已申请国家发明专利)，具体方法是在衬底前加一金属网栅，且网栅孔的大小可选择，这样可以细化晶粒，制备的薄膜表面更平整，且薄膜的结晶性更好。衬底温度是影响薄膜性能、化学组成的一个重要物理量，且易于控制，本文通过改变衬底温度制备了系列TiN 薄膜，利用XRD 进行了物相鉴定，利用分光光度计、椭圆偏振光谱仪和四探针电阻仪等测试了所制备的TiN 薄膜的光学性能。

1、实验

1.1、衬底表面预处理

　　本文使用厚度为1 mm~1.2 mm 的载玻片做衬底，薄膜沉积前首先使用洗洁精去除其表面的灰尘和油污，清水冲洗后放入去离子水中超声清洗10 min，然后依次放入酒精和丙酮中超声清洗10 min，最后用吹风机吹干，待用。

1.2、薄膜的制备及性能表征

　　能量过滤磁控溅射装置结构如图1 所示。靶到衬底的距离是60 mm。溅射气体为氩气和氮气的混合气体，纯度均为99.99%。钛靶尺寸：180 mm×80 mm×4 mm，纯度为99.995%，本底真空度优于3×10^-3 Pa，溅射气压维持在0.5 Pa。镀膜过程中，衬底随支架匀速转动，溅射功率维持在250W，通过改变衬底温度(300℃~375℃)来控制沉积条件，具体工艺参数见表1。镀膜前先进行预溅射，去掉靶上的氧化物等杂质。

　　使用Shimadzu UV-3150 型分光光度计测试薄膜的透射谱、反射谱和吸收谱，波长范围：300 nm~2500 nm；使用四探针测试薄膜的电阻率；使用美国Woollam 公司生产的Vase 椭圆偏振光谱仪测试薄膜的折射率、消光系数以及厚度，测试参数如下：入射角70°，波长范围240 nm~1100 nm，扫描步长10 nm。

图1 能量过滤磁控溅射真空室结构图

表1 TiN薄膜制备工艺

结论

　　以玻璃为衬底，改变衬底温度，利用能量过滤磁控溅射装置(EFDMS)制备了一系列氮化钛薄膜。实验结果表明，随着温度的升高，薄膜的透光率下降，而红外反射率显著增加，最高达到62.83%；薄膜禁带宽度变宽，从3.53 eV 增加到3.61 eV；薄膜的折射率减小，消光系数增大；在300℃~375℃范围内，温度对薄膜厚度无明显影响。