2024年3月28日发(作者：姓水风)
溅射制备的Al2O3薄膜的光学性质
骆红;廖国进
【摘 要】采用中频反应磁控溅射技术,在石英基片上制备了氧化铝薄膜.研究了氧化
铝薄膜的XRD谱和Al 2p核心能级的XPS谱随不同制备氧分压比的演变规律.结
果表明:随着制备氧分压比的增加,薄膜中的铝元素从金属态逐渐升高到正3价,同时
薄膜由晶态逐渐转变成非晶态.当氧分压比为11%时,可以得到符合化学计量比的、
非晶态的、表面非常光滑的氧化铝薄膜,该薄膜具有较高的折射率和较低的消光系
数.AFM表面相貌图片显示:随氧分压比增加薄膜表面形貌呈现逐渐光滑的趋势.薄
膜在300～1100nm波段有很高的透射率.以上性质表明用中频反应磁控溅射技术
制备的氧化铝薄膜在光学领域有着广泛的应用前景.
【期刊名称】《沈阳农业大学学报》
【年(卷),期】2010(041)004
【总页数】5页(P468-472)
【关键词】中频反应磁控溅射;氧化铝薄膜;X射线光电子能谱(XPS);光学特性
【作 者】骆红;廖国进
【作者单位】中石油东北炼化工程有限公司,锦州设计院,辽宁,锦州,121001;辽宁工
业大学,机械工程与自动化学院,辽宁,锦州,121001
【正文语种】中 文
【中图分类】TB43
Al2O3是一种新型的Ⅲ-Ⅵ族宽禁带半导体材料。由于其有独特的物理化学特性，
它可以作为发光激发层[1-2]、光学涂层、介电层、耐磨涂层和保护层而广泛的应
用于光学、电子和机械等领域。因而氧化铝薄膜近年来越来越受到广泛关注。在薄
膜制备方面，近年来已经研究出多种方法来制备氧化铝薄膜，如喷射热解法[3]、
等离子增强化学汽相沉积法[4]、金属有机化学汽相沉积法[5]、双离子束溅射法[6]、
真空弧技术[7]和磁控溅射法[8]。在这些方法中，中频反应磁控溅射技术是应用于
制备金属氧化物和氮化物薄膜的成熟技术[9]。这主要因为该方法有以下优点：（1）
通过溅射纯金属靶，使溅射原子和活性气体进行反应而形成化合物薄膜，避免了制
备高纯化合物靶的繁难，并且能够控制薄膜的化学计量比；（2）高纯度的金属铝
靶材容易获得，且金属铝靶材易于加工成型、与磁控靶连接简单容易；（3）中频
孪生靶互为阴阳极溅射效率高，能有效抑制打弧及根除阳极消失现象，从而保证溅
射沉积能够稳定进行；（4）金属铝靶材是热的良导体，易于冷却避免了工作过程
的不稳定；（5）能够在低温条件下沉积Al2O3薄膜。关于中频磁控溅射技术制
备的氧化铝薄膜的结构已经有了一些报道[8]。然而，专门论述关于氧化铝薄膜光
学特性与制备时氧分压的关系方面的研究还不充分。本研究应用中频磁控溅射技术，
在石英基底上制备Al2O3薄膜的光学性质随不同沉积时的氧分压的变化规律。
1 材料与方法
1.1 材料
溅射沉积试验是在自制的中频真空磁控溅射系统上进行的。溅射用的2个孪生金
属铝靶纯度为99.99%。靶形为长270mm，宽70mm的矩形。靶和基片之间的
距离约70mm。溅射过程中基片处于自然温升状态，不另加热。实验采用1mm
厚的石英作为基片。实验使用一台自制的双极性中频电源，电源频率为50kHz。
氧气通过D08－2B/2M型气体质量流量计导入真空室，并自动恒定于所选定的流
量值。氩气则由压电阀导入。溅射室内的氩、氧混合气体总压强由HY2型自动压
强控制仪通过控制氩气的进入量来维持恒定。因此氧流量的大小间接反映了溅射室
内氧分压的高低。真空气压为0.6Pa，电流为2.5A。
1.2 方法
氧化铝薄膜的晶体结构采用X射线衍射（XRD）检测，所用仪器是日本理学
D/max－rA旋转阳极X射线双晶衍射仪；氧化铝薄膜的化学组成和键态检测使用
X射线光电子发射谱（XPS），采用能量分辨率为0.56 eV的Al KαX放射线
（hv=1486.6 eV）。氧化铝薄膜的表面形貌采用原子力显微镜（AFM）检测。
利用U－2800型双光束分光光度计检测沉积在石英基片上的Al2O3薄膜的透射
率和反射率，测量范围是190～1100 nm，测量时参比样品为空气。
光学常数和薄膜厚度应用Swanepoel公式对透射谱和反射谱进行拟合计算，其详
细模拟过程参考文献[10]。
2 结果与分析
图1是不同氧分压比条件下制备的薄膜试样的XRD衍射图样。由图1可明显看出
氧分压对薄膜结构有显著影响。当氧分压为0时，可以看出薄膜成晶体结构，并
且图样峰值正是对应于立方体铝[11]的特征峰。当氧分压增加到1%时，2个金属
特征峰强度明显减弱。当氧分压增加到5%时，金属铝峰已经变得很弱了（图
1c）。继续增加氧分压比到8%时，这两个金属特征峰完全消失，总体上成为非晶
结构。这是因为氧化铝的形成热比较高，即在 298.15K 时 ΔHfAl2O3=－
1675.7±1.3 kJmol－1[12]。 TAYA[13]的研究表明：反应磁控溅射制备的 Al2O3
薄膜晶体结构取决于制备薄膜的基片温度和沉积粒子的能量等参数，只有当基片温
度超过500℃，并且沉积粒子能量较高时，才可能得到晶态氧化铝薄膜。本实验
基片处在自然温升状态，因此得到非晶Al2O3薄膜是合理的。
图2表示氧化铝薄膜中Al2p核心能级随沉积时氧分压的变化情况。碳1s结合能
峰值（BE=284.6 eV）作为参考值。对于氧分压比为5%条件下沉积的氧化铝薄膜，
在曲线a上可以看到金属铝峰A（BE=72 eV）和氧化态的铝峰B（BE=74.3eV），
这说明金属铝在膜中是过剩的；这与XRD检测的结果是一致的，在图1（c）中残
存着金属铝峰也说明薄膜中铝元素过剩；当沉积时氧分压增加后，XPS谱中的氧
化态铝峰74.3 eV随着铝元素的价态提高而逐渐向高能方向移动，并且金属铝峰
消失，如图2中的b曲线和c曲线所示。这时XRD检测也显示金属铝峰消失，并
且薄膜呈非晶结构。进一步提高氧分压比到11%，薄膜中Al 2p核心能级结合能
为74.8eV，比在较低氧分压条件下沉积的试样的有较大提高。图2中a曲线中的
峰A与c曲线中的峰B的Al 2p核心能级相差2.5～3.0 eV，标志着铝原子从金属
态转变成了氧化态（Al3+）。在这个转变过程中，存在着若干个过度氧化态即：
从AlOx 到 Al2O3[14－15]。
图1 不同氧分压比条件下制备的薄膜试样的XRD衍射图样Figure 1 Evolution of
XRD patterns for the thin films deposited at different oxygen partial
pressures
图2 在不同氧分压条件下沉积的氧化铝薄膜中Al 2p核能级XPS演变图Figure 2
XPS Evolution of Al 2p core level in aluminium oxide thin films deposited
at different oxygen partial pressures
图3是在氧分压比为11%条件下沉积的氧化铝薄膜的宽范围XPS谱。由图3可知，
谱线上存在着O 2p，Al 2p，Al 2s，C 1s，O 1s和O KVV结合能峰。存在碳元
素主要是因为薄膜沉积后在空气中受到污染。图4中的2个曲线分别是Al 2p和
O 1s能级的局部扫描图，通过2个图谱的覆盖面积的计算，可知薄膜中的氧和铝
元素的比率接近1.5。说明Al处在氧化态，即大部分Al元素都处在Al3+态，薄
膜中没有原始价态的Al。这表明氧分压比为11%条件下，中频反应溅射方法能够
制备出符合化学配比的氧化铝薄膜。
图3 氧化铝薄膜宽范围XPS谱Figure 3 XPS broad scan of alumina film
图4 氧化铝薄膜局部范围XPS谱Figure 4 XPS narrow scan for Al2p and O 1s
图5是在不同氧流量条件下制备薄膜的原子力显微照片。当氧流量为0时，薄膜
表面形成很大的金属铝颗粒。随着氧流量增加薄膜表面颗粒大大减小，这与XRD
检测(图1b～c)晶相随氧分压比增加而减小的结果是一致的。当氧分压比率是8%
时，薄膜已经表现出非晶相特征。随着氧分压增加薄膜表面形貌有逐渐变得光滑的
趋势。符合化学计量比薄膜的光滑的表面可以有效地减少表面光散射损失，因而可
以得到高的薄膜透射率。
在190～1100nm范围内，各种氧分压条件下沉积的薄膜进行了透射谱的检测。
其结果如图6，其透射率和没有镀膜的石英基片几乎一致。当氧分压比是5%时，
薄膜呈现棕黑色，几乎是不透光的，因此透射率很差。增加氧分压比到8%，薄膜
透射率有所改善，但仍不透明，而呈现浅灰色。这是因为部分入射光被来自于没有
与氧元素充分反应的铝元素的自由载流子吸收，而导致较低的透射率。也就是说，
在相对较低的氧分压条件下沉积的薄膜内氧元素不足。当氧分压高于8%后，所得
薄膜都是透明的并且有较高的透射率。随着氧分压继续增大，薄膜的透射率几乎与
石英基片的相接近。这表明在高的氧分压条件下沉积的Al2O3薄膜符合化学计量
比。这与前面图1中对XRD谱和图2中对XPS谱的分析结果相一致。
图7是在550nm处薄膜的折射系数和消光系数随沉积时的氧分压的变化图，折射
系数和消光系数随溅射氧分压的增加而降低。当氧分压比为11%时，薄膜表现出
相对较低的折射系数和消光系数，这与符合化学计量比的氧化铝薄膜的性质很符合。
文献[16－18]也报道了氧化铝薄膜折射系数随氧分压增大呈下降趋势。文献认为
薄膜折射系数这样变化的原因主要是气体散射强度变化引起薄膜的堆积密度降低
[17－18]。这一点在图7b中可以看出。图7b是薄膜的堆积密度随氧分压变化图，
其中的密度值可通过下式计算[19]：
式中：ρ为薄膜的堆积密度；nf为薄膜的折射系数；ns为块体氧化铝材料的折射
系数，ns=1.774。
由图7a可以看出折射系数高的薄膜样品的消光系数也比较高。薄膜中元素的化学
计量比变化导致其消光系数的变化。减少薄膜中的氧空位就可以降低薄膜的消光系
数。这个结果与图6中的薄膜透射率的结果一致。
图5 不同氧分压比条件下制备的氧化铝薄膜AFM表面形貌Figure 5 The surface
morphology for Al2O3films under different O2partial pressures
图6 在不同氧分压比条件下沉积的氧化铝薄膜的透射率曲线Figure 6
Transmittance spectra of aluminium oxide thin films deposited under
different oxygen pressures
图7 薄膜折射系数、消光系数（a）和堆积密度（b）随不同氧分压比的变化图
Figure 7 Variations of refractive index,extinction coefficient(550nm)(a) and
packing density of aluminium oxide thin films grown under different
oxygen pressures(b)
3 结论
采用中频反应磁控溅射系统沉积了氧化铝薄膜。对氧化铝薄膜的XRD谱和Al2p
核能级的XPS谱随不同制备氧分压的演变规律进行了研究。逐渐向高能方向移动
的Al2p核心能级，表明薄膜中的Al元素从金属态向Al3+过度。相对高的Al2p
结合能显示出该试样是完全符合化学计量比的Al2O3薄膜。随着氧分压比的提高，
薄膜从金属晶态向氧化的非晶态逐渐过渡。AFM表面形貌图片显示：随制备氧分
压比增加，薄膜表面趋于光滑平整。在长波长范围内氧化铝薄膜的透射率与石英基
片一样高。随着氧分压的减小，薄膜的折射系数和消光系数都增大。在优化条件下
沉积的薄膜表现出很好的光学特性。当沉积时的氧分压高到足以制备出符合化学计
量比的Al2O3薄膜时，薄膜具有与块体材料相近的折射率和较低的消光系数。该
薄膜表现出的特性能够满足光学应用的需要。
参考文献：
[1] 廖国进,闫邵峰,巴德纯.铈掺杂氧化铝薄膜的蓝紫色发光特性[J].物理学
报,2008,57:7327-7332.
[2] 廖国进,巴德纯,闻立时,等.掺杂浓度对Al2O3:Ce3+薄膜发光性能的影响[J].功能
材料,2007,38:872-875.
[3] AGUILAR-FRUTIS M,GARCIA M,FALCONY l and electrical
properties of aluminum oxide films deposited by spray pyrolysis[J].Appl
Phys Lett,1998,72:1700.
[4]LIN C H,WANG H L,HON M effect of residual stress on the
adhesion of PECVD-coated aluminum oxide film on glass[J].Thin Solid
Films,1996,283:171-175.
[5] CILIBERTO E,FRAGALA I,RIZZA R,et sis of aluminum oxide thin
films Use of aluminum trisdipivaloyl methanate as a new low pressure
metal organic chemical vapor deposition precursor[J].Appl Phys
Lett,1995,67:1624.
[6] EMILIANI G,SCAGLIONE ties of silicon and aluminum oxide thin
films deposited by dual ion beam sputtering[J].J Vac Sci Technol
A,1987,5:1824.
[7] BOLT H,KOCH F,RODET J L,et 2O3coatings deposited by filtered
vacuum arc—characterization of high temperature properties[J].Surf Coat
Technol,1999,116/119:956-961.
[8]SPROULW D,GRAHAM M E,WONG M S,et ve direct current
magnetron sputtering of aluminum oxide coatings[J].J Vac Sci Technol
A,1995,13:1188-1192.
[9] SEINO T,SATO um oxide films deposited in low pressure
conditions by reactive pulsed dc magnetron sputtering[J].J Vac Sci Technol
A,2002,20:634-638.
[10]廖国进,闻立时,巴德纯,等.中频反应磁控溅射Al2O3薄膜的光学性质[J].东北大
学学报:自然科学版,2007,28:687-691.
[11]JOINT COMMITTEE ON POWDER DIFFRACTION
Diffraction File[M].JCPDS:Card,1998:85-1327.
[12]MOHAMED S H,DRESE ural and optical properties of direct
current sputtered zinc aluminum oxides with a high Al
concentration[J].Thin Solid Films,2006,513:64-71.
[13]TAYA B K,ZHAOA Z W,CHUA D H of metal oxide films
deposited by filtered cathodic vacuum arc technique[J].Materials Science
and Engineering,2006,52:1-48.
[14]BACHRACH R Z,HAGSTROM S B M,Flodrstom S -Al2O3interface
study using surface soft-x-ray absorption and photoemission
spectroscopy[J].Phys Rev B,1979,19:2837-2841.
[15]FARACI G,LA ROSA S,R PENNISI A,et intermediate oxidation states
observed by core level photoemission spectroscopy[J].J Appl
Phys,1995,78:4091-4101.
[16]GOTTMANN J,HUSMANN A,KLOTZBUCHER T,et l properties of
alumina and zirconia thin films grown by pulsed laser deposition[J].Surf
Coat Technol,1998,100/101:415-421.
[17]LEHAN J P,SARGENT R B,KLINGER R -rate aluminum oxide
deposition by MetaModeTM reactive sputtering[J].J Vac Sci Technol
A,1992,10:3401-3421.
[18]MENG L J,ANDRITSCHKY M,DOS SANTOS M effect of substrate
temperature on the properties of ve magnetron sputtered
titanium oxide films[J].Thin Solid Films,1993,223:242-251.
[19]PARFITT L,GOLDINER M,JONES J W,et al stresses in
amorphous alumina films synthesized by ion beam assisted deposition[J].J
Appl Phys,1995,77:3029-3041.
2024年3月28日发(作者：姓水风)
溅射制备的Al2O3薄膜的光学性质
骆红;廖国进
【摘 要】采用中频反应磁控溅射技术,在石英基片上制备了氧化铝薄膜.研究了氧化
铝薄膜的XRD谱和Al 2p核心能级的XPS谱随不同制备氧分压比的演变规律.结
果表明:随着制备氧分压比的增加,薄膜中的铝元素从金属态逐渐升高到正3价,同时
薄膜由晶态逐渐转变成非晶态.当氧分压比为11%时,可以得到符合化学计量比的、
非晶态的、表面非常光滑的氧化铝薄膜,该薄膜具有较高的折射率和较低的消光系
数.AFM表面相貌图片显示:随氧分压比增加薄膜表面形貌呈现逐渐光滑的趋势.薄
膜在300～1100nm波段有很高的透射率.以上性质表明用中频反应磁控溅射技术
制备的氧化铝薄膜在光学领域有着广泛的应用前景.
【期刊名称】《沈阳农业大学学报》
【年(卷),期】2010(041)004
【总页数】5页(P468-472)
【关键词】中频反应磁控溅射;氧化铝薄膜;X射线光电子能谱(XPS);光学特性
【作 者】骆红;廖国进
【作者单位】中石油东北炼化工程有限公司,锦州设计院,辽宁,锦州,121001;辽宁工
业大学,机械工程与自动化学院,辽宁,锦州,121001
【正文语种】中 文
【中图分类】TB43
Al2O3是一种新型的Ⅲ-Ⅵ族宽禁带半导体材料。由于其有独特的物理化学特性，
它可以作为发光激发层[1-2]、光学涂层、介电层、耐磨涂层和保护层而广泛的应
用于光学、电子和机械等领域。因而氧化铝薄膜近年来越来越受到广泛关注。在薄
膜制备方面，近年来已经研究出多种方法来制备氧化铝薄膜，如喷射热解法[3]、
等离子增强化学汽相沉积法[4]、金属有机化学汽相沉积法[5]、双离子束溅射法[6]、
真空弧技术[7]和磁控溅射法[8]。在这些方法中，中频反应磁控溅射技术是应用于
制备金属氧化物和氮化物薄膜的成熟技术[9]。这主要因为该方法有以下优点：（1）
通过溅射纯金属靶，使溅射原子和活性气体进行反应而形成化合物薄膜，避免了制
备高纯化合物靶的繁难，并且能够控制薄膜的化学计量比；（2）高纯度的金属铝
靶材容易获得，且金属铝靶材易于加工成型、与磁控靶连接简单容易；（3）中频
孪生靶互为阴阳极溅射效率高，能有效抑制打弧及根除阳极消失现象，从而保证溅
射沉积能够稳定进行；（4）金属铝靶材是热的良导体，易于冷却避免了工作过程
的不稳定；（5）能够在低温条件下沉积Al2O3薄膜。关于中频磁控溅射技术制
备的氧化铝薄膜的结构已经有了一些报道[8]。然而，专门论述关于氧化铝薄膜光
学特性与制备时氧分压的关系方面的研究还不充分。本研究应用中频磁控溅射技术，
在石英基底上制备Al2O3薄膜的光学性质随不同沉积时的氧分压的变化规律。
1 材料与方法
1.1 材料
溅射沉积试验是在自制的中频真空磁控溅射系统上进行的。溅射用的2个孪生金
属铝靶纯度为99.99%。靶形为长270mm，宽70mm的矩形。靶和基片之间的
距离约70mm。溅射过程中基片处于自然温升状态，不另加热。实验采用1mm
厚的石英作为基片。实验使用一台自制的双极性中频电源，电源频率为50kHz。
氧气通过D08－2B/2M型气体质量流量计导入真空室，并自动恒定于所选定的流
量值。氩气则由压电阀导入。溅射室内的氩、氧混合气体总压强由HY2型自动压
强控制仪通过控制氩气的进入量来维持恒定。因此氧流量的大小间接反映了溅射室
内氧分压的高低。真空气压为0.6Pa，电流为2.5A。
1.2 方法
氧化铝薄膜的晶体结构采用X射线衍射（XRD）检测，所用仪器是日本理学
D/max－rA旋转阳极X射线双晶衍射仪；氧化铝薄膜的化学组成和键态检测使用
X射线光电子发射谱（XPS），采用能量分辨率为0.56 eV的Al KαX放射线
（hv=1486.6 eV）。氧化铝薄膜的表面形貌采用原子力显微镜（AFM）检测。
利用U－2800型双光束分光光度计检测沉积在石英基片上的Al2O3薄膜的透射
率和反射率，测量范围是190～1100 nm，测量时参比样品为空气。
光学常数和薄膜厚度应用Swanepoel公式对透射谱和反射谱进行拟合计算，其详
细模拟过程参考文献[10]。
2 结果与分析
图1是不同氧分压比条件下制备的薄膜试样的XRD衍射图样。由图1可明显看出
氧分压对薄膜结构有显著影响。当氧分压为0时，可以看出薄膜成晶体结构，并
且图样峰值正是对应于立方体铝[11]的特征峰。当氧分压增加到1%时，2个金属
特征峰强度明显减弱。当氧分压增加到5%时，金属铝峰已经变得很弱了（图
1c）。继续增加氧分压比到8%时，这两个金属特征峰完全消失，总体上成为非晶
结构。这是因为氧化铝的形成热比较高，即在 298.15K 时 ΔHfAl2O3=－
1675.7±1.3 kJmol－1[12]。 TAYA[13]的研究表明：反应磁控溅射制备的 Al2O3
薄膜晶体结构取决于制备薄膜的基片温度和沉积粒子的能量等参数，只有当基片温
度超过500℃，并且沉积粒子能量较高时，才可能得到晶态氧化铝薄膜。本实验
基片处在自然温升状态，因此得到非晶Al2O3薄膜是合理的。
图2表示氧化铝薄膜中Al2p核心能级随沉积时氧分压的变化情况。碳1s结合能
峰值（BE=284.6 eV）作为参考值。对于氧分压比为5%条件下沉积的氧化铝薄膜，
在曲线a上可以看到金属铝峰A（BE=72 eV）和氧化态的铝峰B（BE=74.3eV），
这说明金属铝在膜中是过剩的；这与XRD检测的结果是一致的，在图1（c）中残
存着金属铝峰也说明薄膜中铝元素过剩；当沉积时氧分压增加后，XPS谱中的氧
化态铝峰74.3 eV随着铝元素的价态提高而逐渐向高能方向移动，并且金属铝峰
消失，如图2中的b曲线和c曲线所示。这时XRD检测也显示金属铝峰消失，并
且薄膜呈非晶结构。进一步提高氧分压比到11%，薄膜中Al 2p核心能级结合能
为74.8eV，比在较低氧分压条件下沉积的试样的有较大提高。图2中a曲线中的
峰A与c曲线中的峰B的Al 2p核心能级相差2.5～3.0 eV，标志着铝原子从金属
态转变成了氧化态（Al3+）。在这个转变过程中，存在着若干个过度氧化态即：
从AlOx 到 Al2O3[14－15]。
图1 不同氧分压比条件下制备的薄膜试样的XRD衍射图样Figure 1 Evolution of
XRD patterns for the thin films deposited at different oxygen partial
pressures
图2 在不同氧分压条件下沉积的氧化铝薄膜中Al 2p核能级XPS演变图Figure 2
XPS Evolution of Al 2p core level in aluminium oxide thin films deposited
at different oxygen partial pressures
图3是在氧分压比为11%条件下沉积的氧化铝薄膜的宽范围XPS谱。由图3可知，
谱线上存在着O 2p，Al 2p，Al 2s，C 1s，O 1s和O KVV结合能峰。存在碳元
素主要是因为薄膜沉积后在空气中受到污染。图4中的2个曲线分别是Al 2p和
O 1s能级的局部扫描图，通过2个图谱的覆盖面积的计算，可知薄膜中的氧和铝
元素的比率接近1.5。说明Al处在氧化态，即大部分Al元素都处在Al3+态，薄
膜中没有原始价态的Al。这表明氧分压比为11%条件下，中频反应溅射方法能够
制备出符合化学配比的氧化铝薄膜。
图3 氧化铝薄膜宽范围XPS谱Figure 3 XPS broad scan of alumina film
图4 氧化铝薄膜局部范围XPS谱Figure 4 XPS narrow scan for Al2p and O 1s
图5是在不同氧流量条件下制备薄膜的原子力显微照片。当氧流量为0时，薄膜
表面形成很大的金属铝颗粒。随着氧流量增加薄膜表面颗粒大大减小，这与XRD
检测(图1b～c)晶相随氧分压比增加而减小的结果是一致的。当氧分压比率是8%
时，薄膜已经表现出非晶相特征。随着氧分压增加薄膜表面形貌有逐渐变得光滑的
趋势。符合化学计量比薄膜的光滑的表面可以有效地减少表面光散射损失，因而可
以得到高的薄膜透射率。
在190～1100nm范围内，各种氧分压条件下沉积的薄膜进行了透射谱的检测。
其结果如图6，其透射率和没有镀膜的石英基片几乎一致。当氧分压比是5%时，
薄膜呈现棕黑色，几乎是不透光的，因此透射率很差。增加氧分压比到8%，薄膜
透射率有所改善，但仍不透明，而呈现浅灰色。这是因为部分入射光被来自于没有
与氧元素充分反应的铝元素的自由载流子吸收，而导致较低的透射率。也就是说，
在相对较低的氧分压条件下沉积的薄膜内氧元素不足。当氧分压高于8%后，所得
薄膜都是透明的并且有较高的透射率。随着氧分压继续增大，薄膜的透射率几乎与
石英基片的相接近。这表明在高的氧分压条件下沉积的Al2O3薄膜符合化学计量
比。这与前面图1中对XRD谱和图2中对XPS谱的分析结果相一致。
图7是在550nm处薄膜的折射系数和消光系数随沉积时的氧分压的变化图，折射
系数和消光系数随溅射氧分压的增加而降低。当氧分压比为11%时，薄膜表现出
相对较低的折射系数和消光系数，这与符合化学计量比的氧化铝薄膜的性质很符合。
文献[16－18]也报道了氧化铝薄膜折射系数随氧分压增大呈下降趋势。文献认为
薄膜折射系数这样变化的原因主要是气体散射强度变化引起薄膜的堆积密度降低
[17－18]。这一点在图7b中可以看出。图7b是薄膜的堆积密度随氧分压变化图，
其中的密度值可通过下式计算[19]：
式中：ρ为薄膜的堆积密度；nf为薄膜的折射系数；ns为块体氧化铝材料的折射
系数，ns=1.774。
由图7a可以看出折射系数高的薄膜样品的消光系数也比较高。薄膜中元素的化学
计量比变化导致其消光系数的变化。减少薄膜中的氧空位就可以降低薄膜的消光系
数。这个结果与图6中的薄膜透射率的结果一致。
图5 不同氧分压比条件下制备的氧化铝薄膜AFM表面形貌Figure 5 The surface
morphology for Al2O3films under different O2partial pressures
图6 在不同氧分压比条件下沉积的氧化铝薄膜的透射率曲线Figure 6
Transmittance spectra of aluminium oxide thin films deposited under
different oxygen pressures
图7 薄膜折射系数、消光系数（a）和堆积密度（b）随不同氧分压比的变化图
Figure 7 Variations of refractive index,extinction coefficient(550nm)(a) and
packing density of aluminium oxide thin films grown under different
oxygen pressures(b)
3 结论
采用中频反应磁控溅射系统沉积了氧化铝薄膜。对氧化铝薄膜的XRD谱和Al2p
核能级的XPS谱随不同制备氧分压的演变规律进行了研究。逐渐向高能方向移动
的Al2p核心能级，表明薄膜中的Al元素从金属态向Al3+过度。相对高的Al2p
结合能显示出该试样是完全符合化学计量比的Al2O3薄膜。随着氧分压比的提高，
薄膜从金属晶态向氧化的非晶态逐渐过渡。AFM表面形貌图片显示：随制备氧分
压比增加，薄膜表面趋于光滑平整。在长波长范围内氧化铝薄膜的透射率与石英基
片一样高。随着氧分压的减小，薄膜的折射系数和消光系数都增大。在优化条件下
沉积的薄膜表现出很好的光学特性。当沉积时的氧分压高到足以制备出符合化学计
量比的Al2O3薄膜时，薄膜具有与块体材料相近的折射率和较低的消光系数。该
薄膜表现出的特性能够满足光学应用的需要。
参考文献：
[1] 廖国进,闫邵峰,巴德纯.铈掺杂氧化铝薄膜的蓝紫色发光特性[J].物理学
报,2008,57:7327-7332.
[2] 廖国进,巴德纯,闻立时,等.掺杂浓度对Al2O3:Ce3+薄膜发光性能的影响[J].功能
材料,2007,38:872-875.
[3] AGUILAR-FRUTIS M,GARCIA M,FALCONY l and electrical
properties of aluminum oxide films deposited by spray pyrolysis[J].Appl
Phys Lett,1998,72:1700.
[4]LIN C H,WANG H L,HON M effect of residual stress on the
adhesion of PECVD-coated aluminum oxide film on glass[J].Thin Solid
Films,1996,283:171-175.
[5] CILIBERTO E,FRAGALA I,RIZZA R,et sis of aluminum oxide thin
films Use of aluminum trisdipivaloyl methanate as a new low pressure
metal organic chemical vapor deposition precursor[J].Appl Phys
Lett,1995,67:1624.
[6] EMILIANI G,SCAGLIONE ties of silicon and aluminum oxide thin
films deposited by dual ion beam sputtering[J].J Vac Sci Technol
A,1987,5:1824.
[7] BOLT H,KOCH F,RODET J L,et 2O3coatings deposited by filtered
vacuum arc—characterization of high temperature properties[J].Surf Coat
Technol,1999,116/119:956-961.
[8]SPROULW D,GRAHAM M E,WONG M S,et ve direct current
magnetron sputtering of aluminum oxide coatings[J].J Vac Sci Technol
A,1995,13:1188-1192.
[9] SEINO T,SATO um oxide films deposited in low pressure
conditions by reactive pulsed dc magnetron sputtering[J].J Vac Sci Technol
A,2002,20:634-638.
[10]廖国进,闻立时,巴德纯,等.中频反应磁控溅射Al2O3薄膜的光学性质[J].东北大
学学报:自然科学版,2007,28:687-691.
[11]JOINT COMMITTEE ON POWDER DIFFRACTION
Diffraction File[M].JCPDS:Card,1998:85-1327.
[12]MOHAMED S H,DRESE ural and optical properties of direct
current sputtered zinc aluminum oxides with a high Al
concentration[J].Thin Solid Films,2006,513:64-71.
[13]TAYA B K,ZHAOA Z W,CHUA D H of metal oxide films
deposited by filtered cathodic vacuum arc technique[J].Materials Science
and Engineering,2006,52:1-48.
[14]BACHRACH R Z,HAGSTROM S B M,Flodrstom S -Al2O3interface
study using surface soft-x-ray absorption and photoemission
spectroscopy[J].Phys Rev B,1979,19:2837-2841.
[15]FARACI G,LA ROSA S,R PENNISI A,et intermediate oxidation states
observed by core level photoemission spectroscopy[J].J Appl
Phys,1995,78:4091-4101.
[16]GOTTMANN J,HUSMANN A,KLOTZBUCHER T,et l properties of
alumina and zirconia thin films grown by pulsed laser deposition[J].Surf
Coat Technol,1998,100/101:415-421.
[17]LEHAN J P,SARGENT R B,KLINGER R -rate aluminum oxide
deposition by MetaModeTM reactive sputtering[J].J Vac Sci Technol
A,1992,10:3401-3421.
[18]MENG L J,ANDRITSCHKY M,DOS SANTOS M effect of substrate
temperature on the properties of ve magnetron sputtered
titanium oxide films[J].Thin Solid Films,1993,223:242-251.
[19]PARFITT L,GOLDINER M,JONES J W,et al stresses in
amorphous alumina films synthesized by ion beam assisted deposition[J].J
Appl Phys,1995,77:3029-3041.