氧化硅（SiO?）薄膜作為典型的功能薄膜材料，具有優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)及機(jī)械性能，在液晶顯示、太陽(yáng)能電池、建筑玻璃及汽車玻璃等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其低折射率和高透光特性，使其在光學(xué)減反射膜和表面保護(hù)層中具有重要作用。在太陽(yáng)能電池中，氧化硅薄膜不僅可作為隔離層抑制載流子復(fù)合，還可作為抗反射層提升光吸收效率，從而改善器件整體性能與穩(wěn)定性。

隨著高性能薄膜需求的不斷提升，系統(tǒng)研究制備工藝參數(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的影響具有重要意義。本文采用射頻磁控濺射方法，在玻璃基底上沉積氧化硅薄膜，并圍繞氣體壓力、基底溫度和濺射功率三個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)，結(jié)合Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀對(duì)膜厚與表面粗糙度的測(cè)量，以及分光光度計(jì)對(duì)透光率的表征，系統(tǒng)分析其影響規(guī)律。

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實(shí)驗(yàn)方法

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實(shí)驗(yàn)采用高真空磁控濺射設(shè)備，以高純二氧化硅為靶材、氬氣為工作氣體，在玻璃基片上沉積薄膜?；自诔练e前依次經(jīng)過酒精清洗、丙酮清洗及超聲清洗，以去除油污、顆粒及有機(jī)污染物，并在沉積前進(jìn)行5 min預(yù)濺射以進(jìn)一步凈化表面。

沉積過程中，基片轉(zhuǎn)速為 8 r/min，濺射時(shí)間為 10 min，氬氣流量為 30 sccm。通過分別調(diào)節(jié)氣體壓力、基底溫度及濺射功率，研究不同工藝條件對(duì)薄膜性能的影響。薄膜膜厚與粗糙度采用Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀進(jìn)行表征，透光率則通過分光光度計(jì)在可見光范圍內(nèi)測(cè)量。

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氣體壓力的影響

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實(shí)驗(yàn)條件：濺射功率250 W，基底不加熱，氣體壓力分別為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 Pa。

厚度與粗糙度

薄膜厚度與氣體壓力的關(guān)系曲線

氣體壓力從0.2 Pa升至0.4 Pa時(shí)，薄膜厚度降低。原因是壓力升高使濺射原子平均自由程縮短，碰撞次數(shù)增加，粒子能量降低或方向改變，到達(dá)襯底的粒子數(shù)量減少。壓力升至0.6 Pa時(shí)，厚度有所增加，因?yàn)榇藭r(shí)氣體分子密度較高，更多氬離子與靶材碰撞，濺射效率和等離子體穩(wěn)定性提高。壓力升至0.8 Pa時(shí)，厚度再次降低，歸因于碰撞進(jìn)一步增加及放電穩(wěn)定性下降。壓力升至1.0 Pa時(shí)，厚度又有所增加，此時(shí)二次濺射效應(yīng)變得顯著。

薄膜粗糙度與氣體壓力關(guān)系曲線

粗糙度方面：在0.2~0.8 Pa范圍內(nèi)，隨壓力增加粗糙度不斷下降，原因是碰撞頻率增加使粒子能量降低、徑向擴(kuò)散減少，沉積更均勻。壓力升至1.0 Pa時(shí)，粗糙度增大，因?yàn)檫^度碰撞導(dǎo)致表面出現(xiàn)較大晶粒，且氣體分子對(duì)已沉積薄膜的轟擊增強(qiáng)，造成表面凹凸不平。

透光率

薄膜表面結(jié)構(gòu)示意圖

不同壓力下氧化硅薄膜透光率變化曲線

不同壓力下氧化硅薄膜平均透光率

壓力從0.2 Pa升至0.4 Pa時(shí)，透光率下降，與薄膜缺陷增加、結(jié)晶度下降有關(guān)。壓力從0.4 Pa升至0.8 Pa過程中，透光率持續(xù)增加，因?yàn)闅咫x子碰撞清除了表面雜質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生平滑效應(yīng)。壓力從0.8 Pa升至1.0 Pa時(shí)，透光率下降，歸因于厚度和粗糙度的增加。綜合來看，0.8 Pa下薄膜厚度最小、粗糙度最低、平均透光率最好。

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基底溫度的影響

flexfilm

實(shí)驗(yàn)條件：濺射功率250 W，氣體壓力0.6 Pa，基底溫度分別為常溫、150、200、250、300 °C。

厚度與粗糙度

薄膜厚度與基片溫度關(guān)系曲線

隨溫度升高，薄膜厚度先降低后升高。室溫至250 °C范圍內(nèi)，溫度較低時(shí)部分粒子僅為物理吸附，未形成穩(wěn)定化學(xué)鍵；溫度升高使這些粒子熱運(yùn)動(dòng)加劇而脫附，導(dǎo)致厚度降低。溫度從250 °C升至300 °C時(shí)，厚度增加，原因是化學(xué)反應(yīng)更完全，形成致密結(jié)構(gòu)，同時(shí)粒子遷移能力增強(qiáng)，填補(bǔ)空隙，熱穩(wěn)定性提高。

薄膜粗糙度與基片溫度關(guān)系曲線

粗糙度同樣先降后升，室溫至150 °C時(shí)，溫度升高使晶粒邊界遷移率增加，晶粒長(zhǎng)大合并，減少晶界數(shù)量，表面更平滑。150~300 °C時(shí)，遷移率進(jìn)一步增加使晶粒尺寸增大，粗糙度增大。

透光率

不同基底溫度SiO?薄膜透光率變化曲線

不同基底溫度下SiO?薄膜平均透光率

溫度升至200 °C時(shí)，透光率減少，表明缺陷和雜質(zhì)增加。溫度從200 °C升至300 °C過程中，透光率不斷上升，因?yàn)榻Y(jié)晶度提高，原子排列更有序，散射中心減少；同時(shí)內(nèi)部缺陷得到修復(fù)，光吸收和散射減少。250 °C時(shí)薄膜厚度最小、平均透光率最好。

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濺射功率的影響

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實(shí)驗(yàn)條件：氣體壓力0.6 Pa，基底不加熱，濺射功率分別為250、270、290、310、330 W。

厚度與粗糙度

薄膜厚度與濺射功率關(guān)系曲線

功率從250 W升至270 W時(shí)，厚度減少，原因是高能離子對(duì)基片的轟擊增強(qiáng)，導(dǎo)致已沉積原子被反濺射，反濺射作用超過濺射產(chǎn)額增加。功率從270 W升至310 W時(shí)，厚度增加，此時(shí)濺射產(chǎn)額超過反濺射作用。功率從310 W升至330 W時(shí)，厚度再次減少，因?yàn)檫^度轟擊改變靶材表面狀態(tài)，濺射效率降低；同時(shí)基底溫度升高引發(fā)原子再蒸發(fā)。

薄膜粗糙度與濺射功率關(guān)系曲線

粗糙度：功率從250 W增至270 W時(shí)，粗糙度增加，粒子能量和數(shù)量提升導(dǎo)致分布不均勻。270~310 W時(shí)，粗糙度降低，高功率促進(jìn)表面平滑化（如再結(jié)晶、表面擴(kuò)散）。310~330 W時(shí)，粗糙度再次增加，過高的功率引起表面熱效應(yīng)，改變形貌。310 W時(shí)粗糙度最低。

透光率

不同濺射功率下SiO?薄膜透光率曲線

不同濺射功率下SiO?薄膜平均透光率

功率250~270 W時(shí)，透光率減少，更多轟擊造成缺陷。270~310 W時(shí)，透光率增加，濺射更均勻，微觀結(jié)構(gòu)致密平滑，光散射和吸收減少。310~330 W時(shí)，透光率再次減少，過高的功率引起內(nèi)部應(yīng)力或結(jié)構(gòu)缺陷。310 W時(shí)平均透光率最好。

本文采用射頻磁控濺射法制備氧化硅薄膜，并結(jié)合Flexfilm探針式臺(tái)階儀與分光光度計(jì)對(duì)薄膜膜厚、粗糙度和透光率進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：氣體壓力升高時(shí)，薄膜膜厚、粗糙度和透光率均呈明顯波動(dòng)變化，其中0.8 Pa 條件下薄膜表面最平整、平均透光率最佳；基底溫度升高時(shí)，薄膜膜厚與粗糙度均先降后升，透光率則先降后升再降，250 ℃時(shí)綜合光學(xué)性能最好；濺射功率升高時(shí)，薄膜膜厚和平均透光率先降后升再降，粗糙度變化趨勢(shì)相反，其中310 W時(shí)薄膜粗糙度最低、平均透光率最好。

Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀

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Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

Flexfilm費(fèi)曼儀器作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測(cè)量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀可以對(duì)薄膜表面臺(tái)階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

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原文參考：《磁控濺射制備氧化硅薄膜的光學(xué)性能研究》

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