电弧离子镀氮化铝薄膜的光学及表面性能研究.pdf

摘 要 关于AlN 的研究，已经有超过半个世纪的时间。随着材料制备技术的发展， AlN 薄膜应用越来越广泛。例如AlN 薄膜的禁带宽、耐热高、光学性能好，可作为 光学材料，用它制造各种光学器件。AlN 薄膜具有优良的介电性能，是一种优异的 绝缘薄膜，特别适用于高温绝缘。除此之外，AlN 薄膜还有优良的压电性能，是压 电器件的优选材料，是表声波(SAW)器件的首选材料。高质量的AlN作为光学材料 有着独特的优势，在光学薄膜器件上有很好的应用前景。因此对于AlN 薄膜的透 射率、光学常数、表面的防水、防腐蚀研究就非常有必要。 本课题采用电弧离子镀技术，以硅片、不锈钢和玻璃片为基底，通过改变沉积 时间、氮气含量、氧掺杂、基底温度和沉积气压等沉积条件来获得高质量的AlN 薄膜，研究AlN 薄膜的光学性能、表面的疏水性以及耐腐蚀性能。又对薄膜进行 退火、空气氧化等后续处理，发现对其的性能也有着重要的影响。 研究结果表明：电弧离子镀制备的AlN 薄膜，表面有大量的金属颗粒生成， AlN 随着沉积时间的增加， 薄膜表面大颗粒的尺寸增大、数量增多、表面也更粗糙， 表面越粗糙，测得的薄膜表面接触角越大，疏水性越好。除此之外，将薄膜在空气 中时效氧化，发现薄膜中的金属成分变少，表面能减少，测得的接触角比刚沉积出 时更大、疏水性更强。同时也有效地增强了薄膜的抗腐蚀性，表明疏水性越强耐腐 蚀性越好。 实验中设定不同沉积时间，制备AlN 样品。研究发现，(1)沉积时间越长薄膜 AlN Al 的透射率越差，因为 薄膜表面较粗糙，有金属 大颗粒的出现，导致其光学 性能较弱，所以通过增加Al 的氮化，使Al与N 充分反应，或者空气氧化，降低 2 薄膜中金属Al 的成分，对AlN 薄膜的光学透射性能有着明显的提高。(2)氮气含量 也是较为关键的参数。氮气含量越多，得到的AlN 薄膜透射率越高。(3)基底温度 Al N 可以为 和 的充分反应提供更好的条件，随着基底温度的升高，薄膜的透射率 2 呈先升高后降低的趋势。(4)在薄膜沉积过程中，沉积气压是决定气体平均自由程 的重要参数，是改变薄膜质量的重要条件。随着沉积气压的增大，薄膜的透射率提 (5) 高。 氧掺杂也是影响薄膜光学性能的重要参数，在实验中我们既通入氮气又通 入氧气，当氧气含量增多时，薄膜的透射率提高。 Al 综合以上研究结果：通过氮化或氧化的方法减少沉积在薄膜表面的金属 成 分，不但可以提高AlN 薄膜的光学性能 （透射率），还可以减少薄膜的表面能， I 提高薄膜的疏水性和耐腐蚀能力。 关键词：电弧离子镀；AlN薄膜；透射率；折射率；疏水性；耐腐蚀性 II 目录 第一章 绪论1 1.1 引言1 1.2 电弧离子镀技术的研究现状1 1.3AlN薄膜的研究现状3 第二章 实验内容与方法5 2.1实验材料5 2.2AlN薄膜样品的制备过程5 2.3AlN薄膜表征与测试6 2.3.1扫描电子显微镜测试6 2.3.2X射线衍射仪 （XRD）测试6 2.3.3原子力显微镜测试7 2.3.4UV-3600分光光度计测试7 2.3.5静态接触角测试7 2.3.6椭圆偏振光谱测试8 2.3.7 电化学测试8 第三章 AlN薄膜的结构与性能9 3.1A