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、電學及機械性能，在液晶顯示、太陽能電池、建筑玻璃及汽車玻璃等領(lǐng)域得到廣泛應用。其低折射率和高透光特性，使其在光學減反射膜和表面保護層中具有重要作用。在太陽能電池中，氧化硅薄膜不僅可作為隔離層抑制載流子復合，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)對薄膜結(jié)構(gòu)及光學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關(guān)鍵工藝參數(shù)，結(jié)合Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀對膜厚與表面粗糙度的測量，以及分光光度計對透光率的表征，系統(tǒng)分析其影響規(guī)律。

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實驗方法

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實驗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、顆粒及有機污染物，并在沉積前進行5 min預濺射以進一步凈化表面。

沉積過程中，基片轉(zhuǎn)速為 8 r/min，濺射時間為 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薄膜性能的影響。薄膜膜厚與粗糙度采用Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀進行表征，透光率則通過分光光度計在可見光范圍內(nèi)測量。

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氣體壓力的影響

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實驗條件：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，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，到達襯底的粒子數(shù)量減少。壓力升至0.6 Pa時，厚度有所增加，因為此時氣體分子密度較高，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，厚度再次降低，歸因于碰撞進一步增加及放電穩(wěn)定性下降。壓力升至1.0 Pa時，厚度又有所增加，此時二次濺射效應變得顯著。

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、徑向擴散減少，沉積更均勻。壓力升至1.0 Pa時，粗糙度增大，因為過度碰撞導致表面出現(xiàn)較大晶粒，且氣體分子對已沉積薄膜的轟擊增強，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，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，因為氬離子碰撞清除了表面雜質(zhì)，同時產(chǎn)生平滑效應。壓力從0.8 Pa升至1.0 Pa時，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

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實驗條件：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)，溫度較低時部分粒子僅為物理吸附，未形成穩(wěn)定化學鍵；溫度升高使這些粒子熱運動加劇而脫附，導致厚度降低。溫度從250 °C升至300 °C時，厚度增加，原因是化學反應更完全，形成致密結(jié)構(gòu)，同時粒子遷移能力增強，填補空隙，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，溫度升高使晶粒邊界遷移率增加，晶粒長大合并，減少晶界數(shù)量，表面更平滑。150~300 °C時，遷移率進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，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，因為結(jié)晶度提高，原子排列更有序，散射中心減少；同時內(nèi)部缺陷得到修復，光吸收和散射減少。250 °C時薄膜厚度最小、平均透光率最好。

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濺射功率的影響

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實驗條件：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，厚度減少，原因是高能離子對基片的轟擊增強，導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，厚度增加，此時濺射產(chǎn)額超過反濺射作用。功率從310 W升至330 W時，厚度再次減少，因為過度轟擊改變靶材表面狀態(tài)，濺射效率降低；同時基底溫度升高引發(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，粗糙度增加，粒子能量和數(shù)量提升導致分布不均勻。270~310 W時，粗糙度降低，高功率促進表面平滑化（如再結(jié)晶、表面擴散）。310~330 W時，粗糙度再次增加，過高的功率引起表面熱效應，改變形貌。310 W時粗糙度最低。

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，透光率減少，更多轟擊造成缺陷。270~310 W時，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，透光率再次減少，過高的功率引起內(nèi)部應力或結(jié)構(gòu)缺陷。310 W時平均透光率最好。

本文采用射頻磁控濺射法制備氧化硅薄膜，并結(jié)合Flexfilm探針式臺階儀與分光光度計對薄膜膜厚、粗糙度和透光率進行了分析。結(jié)果表明：氣體壓力升高時，薄膜膜厚、粗糙度和透光率均呈明顯波動變化，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，薄膜膜厚與粗糙度均先降后升，透光率則先降后升再降，250 ℃時綜合光學性能最好；濺射功率升高時，薄膜膜厚和平均透光率先降后升再降，粗糙度變化趨勢相反，其中310 W時薄膜粗糙度最低、平均透光率最好。

Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀

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Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，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
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

Flexfilm費曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，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性能研究》

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