溅射镀TiO2镀膜时,选用的靶材有Ti, TiO2和TiO2-x(即非化学计量二氧化钛)等不同类型。下文介绍采用3种不同靶材溅射镀膜的具体情况。

2.1 Ti靶材

由于所镀的膜是TiO2,所以用金属钛作靶材镀膜时,有一个化学反应过程,气氛为氧气或氧气与其他惰性气体的混合气体。以Ti为靶材大大降低了靶材的制造成本,采用反应溅射可有效改善薄膜的性质,但存在过程不易稳定、溅射速率较低等弊端。

直流反应磁控溅射是以钛为靶材镀膜时常用的方法,镀膜后的玻璃具有良好的透明性、较强的光催化性能和光致超亲水性,薄膜均匀,厚度可控,但是此法对靶材的导电性有要求,导电率必须达到某一值以上才可行。

直流反应溅射时,气氛对溅射速率影响较大,氩气气氛下溅射速率最高,当氧气分压增大时,溅射速率降低,但氧气量又必须大于某一值才能使Ti转化为化学计量比的TiO2薄膜。溅射时基体温度、总压力对所得薄膜光学性质、致密度有一定的影响,对薄膜进行后期热处理也可以改变薄膜的应用性能。但总体来看,此法需进一步解决溅射速率不高的问题。

由于靶材和阳极表面的电荷积累,直流反应磁控溅射会遇到靶中毒、阳极消失及靶面和电极间打火等问题。这些问题可以通过施加交变电压不断提供释放靶电荷的机会来解决。根据所采用交变电源的不同,又可分为采用正弦波电源的中频溅射法和采用矩形脉冲电源的脉冲溅射,这两种方法在解决上述问题的同时,还可达到较高的沉积速率。Ohno等采用中频反应双极磁控溅射,以Ti(99.99%)为靶材,以未加热的非碱性玻璃为基体,最大沉积速率可达30 nm·min-1,比常规单极磁控溅射高得多。但上述两种溅射技术的控制过程复杂,对设备要求很高。

也有人采用射频溅射技术以Ti为靶材制备TiO2薄膜。射频溅射时采用的气氛为O2和Ar的混合气体,通过控制压力控制所得薄膜的相态;对于一些特殊基体,还要考虑薄膜与基体之间的附着性能,根据基体的性质采取相应的工艺;实际生产中,在低成本前提下大规模镀膜,要求较高的沉积速率,射频溅射沉积速率很低,不适合大规模生产。

2.2 以TiO2作为靶材

与以Ti为靶材相比,以TiO2为靶材,可将复杂的反应过程转化为较简单的物理过程。TiO2靶材通常导电性很差,由于一定的溅射速率需要一定的工作电流,若用直流溅射,则需大幅度提高直流溅射电源的电压来弥补靶材导电性不足引起的电压降。射频溅射对靶材的导电性没有要求,适用于各种金属和非金属材料,因此,射频溅射法的应用比较广泛。

射频溅射一般采用纯氩气作为溅射气体,可以通过改变某些射频溅射参数控制薄膜的结构和光学参数。由于TiO2靶材制备简单,且射频溅射技术已经比较成熟,这种镀膜方法已得到广泛应用。但此法溅射速率也不高。

直流磁控溅射也可使用电导率足够高的氧化物靶材。采用该方法时,一般气氛为氧气和氩气的混合气体,因有研究证明少量的氧气有助于得到化学计量比的薄膜,氧气分压对二氧化钛薄膜的电学和光学性质有直接影响,但所需氧气量比用纯金属镀膜时所需少得多。后期在氧气中的热处理也能改善薄膜的晶型。

2.3 以TiO2-x作为靶材

TiO2-x(通常0