磁控濺射法沉積TCO薄膜的電源技術(shù)

Kouznetsov等人研究表明，輸出脈沖的脈寬在5ms -5000ms，頻率在10Hz-10kHz范圍時，靶的電流密度峰值可達(dá)到數(shù)A/cm2量級，比傳統(tǒng)直流磁控濺射電流密度高3個數(shù)量級。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)70%以上的極高離化率[15]。

在HPPMS放電期間產(chǎn)生的高能峰值電流，會加大弧光放電出現(xiàn)的頻率[19]。因此，很多研究采用在HPPMS電源上增加復(fù)雜的弧光放電，控制電子系統(tǒng)以控制弧光放電現(xiàn)象。另一種解決方法，是HPPMS電源輸出脈寬5ms -20ms的短脈沖，實(shí)現(xiàn)對弧光放電現(xiàn)象的抑制[20]。這種操作模式的波形如圖7所示，在這短暫的時間內(nèi)，輝光放電從短暫的不穩(wěn)定狀態(tài)恢復(fù)正常[21](如圖7中靶放電電流所示)。因此，輝光放電向弧光放電的轉(zhuǎn)變被有效制止。這種短脈沖保證了進(jìn)行金屬氧化物薄膜反應(yīng)濺射鍍膜時放電過程無弧光放電問題。

圖7 在HPPMS電源中采用短脈沖抑制弧光放電過程的電流變化

在磁控濺射TCO薄膜時(AZO、ITO)采用HPPMS技術(shù)，展現(xiàn)了非常積極的效果。Sittinger V等人的研究表明[22]，采用HPPMS技術(shù)制備的TCO薄膜擁有更加優(yōu)良的電性能和表面光潔度。除此以外，也可實(shí)現(xiàn)在低溫下沉積性能優(yōu)良的TCO薄膜，這使得采用磁控濺射技術(shù)在PI膜等柔性材料上制備高質(zhì)量TCO薄膜成為可能。

盡管HPPMS技術(shù)雖然有著很多好處，但是其電源的研制仍然面對許多挑戰(zhàn)：

(1)目前HPPMS電源仍主要是局限于實(shí)驗(yàn)室小型磁控濺射設(shè)備的應(yīng)用，在大面積鍍膜的工業(yè)化領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)仍不成熟。比如針對大型工業(yè)化設(shè)備的弧光放電現(xiàn)象，一方面增加了檢測電路控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和不可靠性，同時由于需要HPPMS電源在數(shù)ms的時間內(nèi)關(guān)斷MW功率工作機(jī)組，增大了系統(tǒng)風(fēng)險，目前這樣的系統(tǒng)可靠性仍不高。

(2)HPPMS技術(shù)生長薄膜速度比傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)慢。HPPMS的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生了極高的濺射物質(zhì)離化，但同時由于高電壓的應(yīng)用，部分離化的離子會被靶上的高負(fù)電勢吸回，導(dǎo)致生長速率偏慢。

(3)高功率脈沖電源成本高，遠(yuǎn)高于普通直流電源。由于材料成本及技術(shù)不成熟所限制，現(xiàn)在HPPMS電源制造成本高，制約了其在產(chǎn)業(yè)界的應(yīng)用。

4 結(jié)語

隨著平板顯示產(chǎn)業(yè)、太陽能產(chǎn)業(yè)、LED產(chǎn)業(yè)、建筑玻璃行業(yè)、觸摸屏行業(yè)的迅猛發(fā)展，TCO鍍膜產(chǎn)業(yè)迎來了新一輪發(fā)展。磁控濺射技術(shù)是最主要的TCO鍍膜技術(shù)，磁控濺射電源作為其中的核心部件，對于TCO鍍膜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

隨著對TCO薄膜產(chǎn)品的性能要求的日益提高。傳統(tǒng)的直流磁控濺射電源正逐步被具備優(yōu)良滅弧性能的脈沖直流電源取代，與此同時更經(jīng)濟(jì)的具備優(yōu)良滅弧功能的新型直流電源也逐步進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。而許多研究機(jī)構(gòu)和大公司已開始研發(fā)代表新一代磁控濺射技術(shù)發(fā)展方向的HPPMS電源。

目前，國內(nèi)僅實(shí)現(xiàn)普通磁控濺射直流電源的國產(chǎn)化，在其它技術(shù)方面國內(nèi)仍嚴(yán)重落后于國際先進(jìn)水平，市場基本被國際大廠壟斷。隨著新型電源技術(shù)的出現(xiàn)，磁控濺射電源技術(shù)正處于發(fā)展新技術(shù)的更新?lián)Q代時期。國內(nèi)電源廠商和技術(shù)人員需要抓住市場發(fā)展的機(jī)遇，努力研發(fā)，開創(chuàng)新的發(fā)展局面。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐美君. ITO 透明導(dǎo)電膜玻璃生產(chǎn)及應(yīng)用[J]. 玻璃與搪瓷，2001， 29(2)：53～59.

[2] H. Glaser. 大面積玻璃鍍膜[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2006.117～119.

[3] 劉玉萍，陳楓.AZO透明導(dǎo)電薄膜的制備技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 真空與低溫，2007，13(1)：1～5.

[4] 陶海華，姚寧，辛榮生. ITO 透明導(dǎo)電薄膜的制備及光電特性研究[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版)，2003，35(4)：37～40.

[5] 徐成海，陸峰，謝元華.氧化鋅鋁透明導(dǎo)電膜[J].真空電子技術(shù)，2003，(6)：39～44.

[6] 徐萬勁.磁控濺射技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用(上)[J].現(xiàn)代儀器，2005，(5)：1～5.

[7] Brauer G., Szyszka B, Vergohl M. Magnetron sputtering-Milestones of 30 year[J]. Vacuum，2010，84：1354–1359.

[8] Takikawa H, Tanoue H. Review of cathodic arc deposition for preparing droplet-free thin films [J]. Plasma Science, IEEE Transactions on, 2007, 35(4): 992～999.

[9] Christou C, Barber Z.H. Ionization of sputtered material in a planar

magnetron discharge [J]. Journal of Vacuum Science Technology A, 2000, 18(6): 2897～2908.

[10] Helmersson U, Lattemann M, Bohlmark J, et al. Ionized physical vapor deposition

(IPVD): A review of technology and applications [J]. Thin Solid Films, 2006, 513(1):1～24.

[11] 陳侃松，顧豪爽，孫奉婁等.一種新型的中頻交流等離子體電源[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報.2006， 1l(4)：78～81.

[12] 陳文光.脈沖濺射電源設(shè)計[J].機(jī)械加工與自動化,2004，(4)：8～11.

[13] Ochs D, Rettich T. SVC 51th Annual Technical Conference Proceedings SVC (2008).

[14] Ochs D. New Features of DC Power Supplies for TCO Magnetron Sputtering [J]. OTTI Thin

Films Photovoltaic Conference 2009.

[15] Kouznetsov V, Macak K, Schneider J.M, et al. A novel pulsed magnetron sputter techni

queutilizing very high target power densities [J]. Surface and coatings technology, 1999, 1222):

290～293.

[16] Bugaev S.P, Koval N.N, Sochugov N.S, et al. Investigation of a highcurrent pulsed

magnetron discharge initiated in the low-pressure diffuse arc plasm

[J]. XVIIth International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 1996,

2:1074～1076.

[17] Fetisov I.K, Filippov A.A, Khodachenko G.V. Impulse irradiation plasma technology for

filmdeposition [J]. Vacuum, 1999, 53(1):133～136.