离子束溅射方法沉积TiO薄膜的研究

摘要

TiO2薄膜由于具有高的折射率，低消光系数，并且在可见光和近红外都有很高的光学透过率，是一种理想的光学材料。结晶后有三种相：金红石、锐钛矿和板钛矿。金红石在高温下稳定，是一种重要的光学薄膜材料。锐钛矿相TiO2薄膜是一种重要的半导体薄膜，在紫外光的作用下具有很好的光催化作用。TiO2薄膜与SiO2配合在微纳光电子器件、激光技术、光通信和光显示等领域得到广泛的应用。 TiO2薄膜的制备方法包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两大类。离子束溅射方法镀制是目前国内外受到高度重视的镀膜方法，研究表明离子束溅射方法可以制备出光学性能和结构性能良好的薄膜。本文采用离子束溅射技术镀制TiO2薄膜，并找出最佳工艺参数。 使用椭圆偏振光谱仪分析薄膜的光学性能。在551．34nm波长处薄膜的消光系数在10-3数量级上，折射率在2．4～2．5之间，在1060．98nm处消光系数在10-5数量级上，折射率在2．28～2．35之间。使用X射线衍射仪分析结构，发现本实验方法所沉积的薄膜在未退火情况下为非晶态，经过不同温度退火，具有不同结晶形式，并且增加氧分压出现（101）面的择优取向，压强的增加使1100℃退火下薄膜出现（211）面的择优取向。使用扫描电镜和原子力显微镜观察薄膜表面形貌，发现表面粗糙度RMS=1～25nm之间，退火温度和靶基距对表面形貌影响显著。使用XPS对TiO2薄膜进行成分分析，得到当O2和Ar充气量之比在2：1至4：1之间，成分为较纯的TiO2，1100℃高温退火后，出现基底被氧化现象。 实验表明，离子束溅射镀膜这种技术是可以制备出高折射率低消光系数的TiO2薄膜。可以根据实际需要选择不同的退火温度，得到良好性能的TiO2薄膜。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2TiO2研究发展现状

1.2.1国内研究现状

1.2.2国外研究现状

1.3TiO2薄膜的研究概述

1.3.1TiO2的晶体结构

1.3.2TiO2薄膜材料特性

1.3.3 TiO2薄膜的应用

1.4TiO2薄膜的制备技术

1.4.1物理气相沉积

1.4.2化学气相沉积

1.4.3溶胶凝胶法

1.5本课题的技术路线和研究内容

1.6工作安排

2试验设备

2.1工艺简介

2.2离子源工作参数确定

2.2.1离子源的伏安特性

2.2.2励磁电流与放电电流的关系

2.2.3靶电流与放电电流比值

2.3小结

3制备方案及测试原理

3.1试验设备及方案

3.1.1基片的处理

3.1.2制备薄膜的工艺过程

3.2椭圆偏振光谱仪测试原理

3.2.1沉积速率测试

3.2.2光学性能测试分析原理

3.2.3光学常数测试过程

3.3薄膜结晶情况分析

3.3.1 XRD原理简介

3.3.2 TiO2晶体结构的分子动力学拟合分析

3.4表面形貌分析

3.4.1扫描电镜原理(SEM)

3.4.2原子力显微镜测试原理(AFM)

3.5 TiO2薄膜薄膜表面成分分析

4工艺参数对TiO2薄膜性能的影响分析

4.1氧分压对薄膜性能的影响分析

4.1.1氧分压对薄膜沉积速率影响分析

4.1.2氧分压对TiO2薄膜折射率和消光系数得影响分析

4.1.3氧分压对薄膜结构的影响

4.1.4氧分压对薄膜表面形貌的影响

4.1.5小结

4.2工作真空度对TiO2薄膜性能影响分析

4.2.1工作真空度对薄膜沉积速率的影响分析

4.2.2工作真空度对薄膜的折射率和消光系数的影响

4.2.3工作真空度对薄膜结晶的影响

4.2.4工作真空度对薄膜表面形貌的影响

4.2.5小结

4.3放电电压对薄膜性能影响分析

4.3.1放电电压对薄膜沉积速率的影响分析

4.3.2放电电压对薄膜光学性能的影响分析

4.3.3小结

4.4靶基距对薄膜性能的影响

4.4.1靶基距对薄膜沉积速率的影响

4.4.2靶基距对薄膜表面形貌的影响

4.4.3小结

4.5退火温度对薄膜性能的影响

4.5.1退火温度对薄膜折射率和消光系数的影响分析

4.5.2退火温度对薄膜结晶的影响

4.5.3退火温度对薄膜表面形貌的影响

4.5.4小结

5TiO2薄膜组成元素分析

5.1 XPS测试方法及原理

5.2 XPS测试结果分析

5.3小结

6结论

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢