[发明专利]金属溅射低温制备结晶TiO2膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种镀膜技术领域的方法，尤其涉及一种金属溅射低温制备结晶TiO₂膜的方法。

背景技术

TiO₂具有金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型。金红石型TiO₂膜具有优异的光学性能和稳定的物理性能，是理想的光学器件膜；锐钛矿型TiO₂膜具有优异的光触媒特性，广泛地应用于色素增感太阳能电池、气体传感器、污水处理、杀菌抗菌、防雾、除臭、自清洁玻璃等领域。因此，近年来制备结晶TiO₂膜备受关注。通常，利用湿式加工方法制备TiO₂膜，比如溶胶-凝胶法。但是，湿式加工方法制备TiO₂膜较难实现大面积均匀，一般需要后热处理使其结晶化，而且膜与基板的结合强度较低。利用磁控溅射技术制备TiO₂膜，具有结合强度高、基片温度低、成本低、污染少和大面积均匀制膜等优点，适合于大规模工业制备。然而，低温磁控溅射制备的TiO₂膜多为非晶型结构，也需要进行后热处理使其结晶化，转化为金红石型或者锐钛矿型。两个制备阶段，比较麻烦。如果磁控溅射制备TiO₂膜的过程中加热基板，也可以直接获得结晶的TiO₂膜。但这样会限制了一些热敏基板的选择。

经对现有技术的文献检索发现，J.Musil等在《Journal of Vacuum Scienceand Technology A》(真空科学与技术杂志A)2006年第24期第521-528页上发表的“Low-temperature sputtering of crystalline TiO₂ films”(低温溅射镀结晶TiO₂膜)述及一种利用直流脉冲双磁控溅射技术低温制备结晶TiO₂膜的方法，在镀膜室中装有两个磁控溅射靶，相对于基板轴线倾斜20度对称分布，在一个脉冲周期中轮流作为阳极和阴极。该方法实现了在低于200℃的温度下直接制备金红石型和锐钛矿型的TiO₂膜。但该方法中，为了形成化学计量比的TiO₂膜，氧分压比较高，使得溅射方式发生从金属溅射模式到过渡溅射模式再到氧化溅射模式的转变，极大地降低了制备TiO₂膜的速度。比如，该方法制备锐钛矿型TiO₂膜时，溅射发生在氧化溅射模式，成膜速度降为金属溅射模式的约1/13。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提出一种金属溅射低温制备结晶TiO₂膜的方法，使其利用在基板附近产生足够的氧离子或氧原子参与反应，实现化学计量比，利用高密度低能量离子束照射基板，实现低温结晶，目的是在金属溅射模式下低温高速制备结晶TiO₂膜。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

第一步，将氩气和氧气分离送气，在金属钛靶的表面形成局部富氩气区域，在镀膜基板的附近形成局部富氧气区域。

所述金属钛靶，其纯度为99.9％以上。

所述将氩气和氧气分离送气，是指：将氩气和氧气分别通过质量控制流量计后，独立地导入镀膜室。镀膜室中氩气的导入口设置在金属钛靶旁边，当氩气从导入管进入镀膜室时，会在金属钛靶的表面形成局部富氩气区域；镀膜室中氧气的导入口设置在镀膜基板旁边，当氧气从导入管进入镀膜室时，会在镀膜基板的附近出现局部富氧气区域。镀膜室中，氩气的分压和氧气的分压通过各自的质量控制流量计进行调节。

第二步，在金属钛靶的表面附近建立等离子体，以金属溅射模式将金属钛靶的钛原子溅射出来，其中部分钛原子移向基板。

所述以金属溅射模式将金属钛靶的钛原子溅射出来，是指：金属钛靶安装在溅射阴极上，施加400伏特-500伏特的负电压，在金属钛靶的表面附近产生等离子体，其中的氩离子被加速轰击金属钛靶，溅射出钛原子，部分钛原子移向基板。金属钛靶的溅射过程中，溅射速度大于金属钛靶的表面氧化速度，溅射发生在金属溅射模式，而不是过渡溅射模式或者氧化溅射模式。

第三步，叠加诱导型耦合射频等离子体于基板附近，提高基板附近的等离子体密度，提高照射基板的离子束密度。