抑制银凝聚的双源金属共沉积方法

日期:2019-06-05 12:31:20

抑制银凝聚的双源金属共沉积方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种抑制银凝聚的双源金属共沉积方法。
【背景技术】
[0002] 金属银由于其良好的导电性(所有金属材料中电阻率最小)、高的光学反射率(除 320nm附近的等离子共振吸收外,全波段95%以上的光学反射率)而备受光、电、光电转换技 术青睐。但它的热稳定性极差,在应用时需要复杂的处理技术甚至放弃它而选择光电性能 次之的铜、铝等。而人们一直没有放弃对银热稳定性改善的研究。
[0003] 经过几十年的努力,人们对银的热稳定性及其改善的研究都取得了一定的成绩。 人们发现银较差的热稳定性主要与它在热处理中极易凝聚有关,添加其他金属可改善银薄 膜的凝聚进而可提高银的热稳定性。
[0004] 美国的Alford小组主要探究了真空或NH3、H2等气氛环境下银薄膜凝聚的改善。 改善的方式主要是添加其他金属形成合金膜或双层膜,较典型例子可参见Alford小组研 究论文,文献 1 :J〇urnal of Applied Physics, 90(11): 5593-5598, 2001;文献 2 :Journal of Applied Physics, 94(8): 5393-5395,2003。
[0005] 具体的过程如下: 文献1研究不同气氛下银铝双层膜热稳定性,利用电子束蒸发沉积技术在二氧化硅基 片上先后沉积铝和银,形成Si02/Al/Ag结构。
[0006] 沉积条件:①真空度:沉积前真空腔本底真空l(T5Pa,沉积过程中的工作真空 10_ 4Pa ;②膜层厚度:Si02/Al (?8nm)/Ag (?200nm)。
[0007] 退火条件:利用单晶炉分别在氩气(Ar)、氦-氢(He-H)、氨气(NH3)中,退火温度在 300-700°C之间,退火时间为半小时。退火前炉子被反复地用气体冲洗,退火整个过程一直 都通气体,气体流速为2升/分钟。
[0008] 文献2研究真空环境下纯银、银铝合金膜热稳定性,为了对比铝的添加对银薄膜 热稳定性的改善,利用电子束蒸发沉积技术在二氧化硅基片上沉积纯银、银铝合金膜。
[0009] 沉积条件:①真空度:沉积前真空腔本底真空l(T5Pa,沉积过程中的工作真空 10_ 4Pa;②合金膜构成:将混有少量铝的银(一种是Ag(Al)_I: 90 at.% Ag-10 at.% A1, 一种是Ag(Al)-II: 95 at.% Ag-5 at.% Al)放在一个坩埚里融化,形成Ag(Al)-I和 △8仏1)-11两种银铝合金膜;@膜层厚度 :纯4§3§仏1)-13§仏1)一11都大约9511111。
[0010] 退火条件:真空条件下(真空度?5Xl(T6Pa)退火,退火温度在300-600°C之间,退 火时间为一小时。
[0011] 如图1至图5是文献1和文献2部分样品形貌图,其中图1是文献1中二氧化硅 基片上约200nm厚的纯银薄膜在氩气中300°C退火半小时后的形貌;图2是文献2中二氧化 硅基片上约95nm厚的纯银薄膜(a-c)、Ag(Al)-I银铝合金膜(d-f )制备态、在真空中400、 600°C退火一小时后的形貌;图3至图5是文献1中二氧化娃基片上的A1 (?8nm)/Ag(? 200nm)薄膜制备态(小插图)和分别在氩气(Ar)、氦-氢(He-H)、氨气(NH3) 400°C (a)和 700°C (b)退火半小时后的形貌。
[0012] 从这些图中清晰的看到,不同厚度的纯银薄膜在不同气氛(真空或氩气)中退火, 在较低的温度(300-400°C)就出现了明显的凝聚而使原本光滑的表面出现了明显的"孔 洞"。而添加铝形成合金或者分层膜对银膜的凝聚都有不同程度的改善。
[0013] 如图6和图7是文献1和文献2部分样品电阻率与退火温度的关系,添加铝形成 合金或者分层膜对银膜电阻率的热稳定性也有明显的提高。其中,图6是文献2中二氧化 硅基片上约95nm厚的纯银薄膜、银铝合金膜电阻率与退火温度的关系,图7是文献1中在 氩气(Ar)、氦-氢(He-H)、氨气(NH3)退火的二氧化硅基片上约200nm厚的A1 (?8nm)/ Ag(?200nm)薄膜的电阻率与退火温度的关系。
[0014] 从这些图中清晰的看到,即使很高真空度的真空条件下,纯银薄膜400°C退火后导 电能力就明显下降了。而添加铝形成合金或者分层膜退火温度升高到600、700°C后导电能 力还非常好。
[0015] 除了以上两个文献Alford小组添加A1外,他们还研究过添加钛(Ti)、铜(Cu)、金 (Au)、钨(W)、铬(Cr)等。这些都表明,在制备银薄膜时,添加其他金属形成合金或分层膜都 明显改善了银薄膜的热稳定性,特别是它的导电能力,700°C后导电能力还非常好。
[0016] 赖发春小组主要探究的是大气环境下银薄膜凝聚的改善。他们的方案在专利 (【申请号】200710009719. 1)中,该发明采用镀膜技术,先后在基片层上逐层镀上缓冲层、导 电层、保护层,最后利用马弗炉进行大气环境下热处理。其中,导电层是金属银薄膜,厚度 为150-300纳米;导电层的下方是薄膜缓冲层,薄膜缓冲层可以为铝、钛(Ti)、铜(Cu)、金 (Au)、钨(W)、铬(Cr)等其中一种或多种,厚度为10-40纳米;薄膜导电层的上方是薄膜保护 层,薄膜保护层可以为金属氧化物如氧化铝、氧化钛、氧化锌等,厚度为5-15纳米。这样的 设计,可使银薄膜在大气环境下的凝聚现象得到明显改善,按此方案,可获得在大气环境下 室温到550°C使用的具有高光学反射的导电薄膜。
[0017] Alford小组的研究探明了影响银凝聚的因素并实现了银热稳定性的改善。但 Alford小组的研究范围较窄,实验条件苛刻,仅实现了真空或气氛环境下银薄膜的高温使 用,且主要研究的是电学性质的热稳定性。赖发春小组的研究进一步扩大了银薄膜的高温 使用环境,实现了大气环境下银薄膜良好的光、电能力的发挥。但改善方案过于复杂,且使 用温度仅在550°C范围内。
[0018] Alford小组和赖发春小组的研究都存在一定的不足,这两种方案证明添加其他金 属可以改善银薄膜的热稳定性。但是,他们的研究都没有涉及高温基片上生长的银薄膜热 稳定性的改善。

【发明内容】

[0019] 本发明的目的就在于修正以上方法的不足,提供一种抑制银凝聚的双源金属共沉 积方法,以在较普通的镀膜条件制备薄膜并实现较普通的高温条件下银薄膜良好光电性质 的发挥。
[0020] 为了达成上述目的,本发明的解决方案是: 抑制银凝聚的双源金属共沉积方法,具有如下步骤: (一)添加金属材料选择:铝、金、铜、镁、钛或铟; (二) 基片选择:如果膜正反两面反射都要应用或要应用背面反射,选择透明材料;如果 只用膜表面反射,各种基片都可以; (三) 膜制备温度和使用温度,高温条件制备、使用的,要选择耐高温材料; (四) 基片清洗:基片使用前必须认真清洗; (五) 沉积成膜要考虑:镀膜方式、基片温度、沉积方式、沉积真空度、两种金属材料比例 及控制和薄膜厚度等; (六) 镀膜方式:可以选择电阻蒸发,电子束蒸发、磁控溅射等; (七) 基片温度:室温至300°C ; (八) 沉积方式:双源金属共沉积,银和添加金属分别装在两个容器里共同沉积; (九) 沉积真空度:本底真空至少5X l(T3Pa。
[0021 ] 所述第(八)步,采用电子束蒸发技术,就是把这两种材料分别各放入一个坩埚。
[0022] 所述第(八)步,采用热蒸发法镀膜,把这两种材料分别各放入一个蒸发舟里。
[0023] 所述第(八)步,采用磁控溅射就需要纯的金属靶材各一块放在靶上,然后共同沉 积。
[0024] 采用上述方案后,本发明是真空度在5. 0Xl(T3Pa以上的环境下采用普通的镀膜 方式如热蒸发、磁控溅射等技术,在各种温度的基片上沉积添加其他金属的银薄膜,使之在 大气、真空或其他气氛的各种温度下使用都能保持其良好的光电性质。
【附图说明】
[0025] 图1是文献1中二氧化硅基片上约200nm厚的纯银薄膜在氩气中300°C退火半小 时后的形貌; 图2是文献2中二氧化硅基片上约95nm厚的纯银薄膜(a-c)、Ag(Al)-I银铝合金膜 (d-f)制备态、在真空中400、600°C退火一小时后的形貌; 图3至图5是文献1中二氧化娃基片上的A1 (?8nm)/Ag(?200nm)薄膜制备态(小 插图)和分别在氩气(Ar)、氦-氢(He-H)、氨气(NH3)在400°C (a)和700°C (b)退火半小 时后的形貌; 图6是文献2中二氧化

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