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直流磁控溅射制备HfO_2薄膜及其光学性能研究

赵海廷  
【摘要】: 氧化铪(HfO2)是一种性能优异的光电薄膜材料,它具有较高的硬度、良好的热稳定性以及较高的介电常数,在半导体行业被视为替代SiO2的理想材料。特别是作为光学材料,HfO2薄膜具有宽的带隙、较高的折射率、较大的硬度和抗激光损伤阈值以及在近紫外到红外波段具有良好的透过性能,成为目前制备高激光损伤阈值光学薄膜的优异材料而备受关注。 本文用直流磁控溅射法在硅衬底和石英衬底上制备了HfO2薄膜,并研究了制备工艺如衬底温度、溅射气压和氧氩比对其结构、沉积速率、成分、光学特性的影响。主要研究内容和结果如下: (1)分别在室温(RT)至500℃制备了HfO2薄膜。研究结果显示:不同衬底温度下制备的HfO2薄膜均为单斜多晶结构,且沿(-111)面择优生长;随衬底温度的升高,(-111)面择优生长更加明显,薄膜中晶粒尺寸随之增大,衬底温度对沉积速率无明显影响;衬底温度升高,薄膜折射率增加,光学带隙变小;HfO2薄膜在250nm-850nm范围内有良好的透过性能,透过率在80%以上。 (2)分别在氧氩比为1:9至3:2条件下制备了HfO2薄膜。研究结果表明:不同的氧氩比对HfO2薄膜结构的影响不大;随着氧氩比的升高,薄膜沉积速率下降;SEM观测表明氧氩比1:4左右时制备的薄膜较为致密均匀,折射率也较大;XPS研究显示氧氩比从1:9升至3:2,HfO2薄膜中氧原子和铪原子比例从1.91降至1.38,这导致在较高氧氩比下制备的薄膜光学带隙较小:氧氩比对薄膜透过率没有显著影响,在200nm-850nm范围内,透过率在85%以上。 (3)分别在溅射气压2.5Pa至8.0Pa条件下制备了HfO2薄膜。结果显示:低气压下制备的HfO2薄膜(-111)面择优生长较为明显,随着溅射气压升高,(111)面衍射峰强度相对增加,(-111)面择优生长减弱;薄膜沉积速率随着溅射气压的升高先增大后减小,溅射气压4.0Pa时,薄膜衬底速率达到最大。在300nm-850nm范围内,薄膜的透过率都在80%以上,高气压时制备的薄膜光学带隙较小。


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