磁控濺射法沉積TCO薄膜的電源技術(shù)

1前言

透明導電氧化物薄膜(TCO薄膜)有著廣泛的用途，如作為LCD、OLED顯示器面板的電極，作為觸摸屏的感應電極，作為薄膜太陽能電池的電極以及作為LED芯片前電極等[1]。

目前，主要的TCO薄膜有氧化銦錫(ITO)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅鋁(AZO)三種[2]，其中SnO2薄膜是最早應用的TCO薄膜，但由于其光電特性相對較差，目前主要應用在一些較低端的使用領(lǐng)域。ITO薄膜是目前光電特性最好，使用范圍最廣的TCO薄膜，但其同時存在使用稀有元素In，生產(chǎn)成本較高、In元素有毒、在氫等離子工藝氛圍中性能退化等缺點。近年來，成本低、性能優(yōu)良、無毒害的ZnO:Al(AZO)薄膜[3]得到了廣泛的關(guān)注與研究，有希望替代ITO薄膜。

因此，ITO與AZO材料是當前研究和生產(chǎn)的最主要的TCO材料。

目前，產(chǎn)業(yè)界制備ITO、AZO薄膜主要是采用磁控濺射鍍膜技術(shù)[4][5]。磁控濺射技術(shù)基于等離子技術(shù)，通常是在存在高電勢差的靶(陰極)與陽極之間注入氣體(一般為Ar氣)，通過等離子輝光放電實現(xiàn)對氣體原子的離化，電場與磁場對離子加速和變向，進而轟擊靶材表面，導致靶材原子被轟擊到空間中，濺射在一塊襯底材料上聚集形成薄膜[6]。

對于磁控濺射裝置，磁控濺射電源決定了磁控濺射工藝過程等離子體狀態(tài)，對鍍膜工藝和膜層生長質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用[7]。隨著生產(chǎn)和科技不斷發(fā)展，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量性能的要求越來越高。所以要求磁控濺射鍍膜設(shè)備具有良好的可靠性、穩(wěn)定性，有較高的鍍膜效率和鍍膜質(zhì)量。

本文將主要描述磁控濺射ITO、AZO兩大主要TCO薄膜的核心電源技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、最新進展以及未來面臨的挑戰(zhàn)。

2磁控濺射TCO薄膜的電源技術(shù)發(fā)展概述

2.1磁控濺射直流電源

磁控濺射電源類型有直流電源、中頻電源和射頻電源。其中中頻電源與射頻電源成本較高，且沉積速率偏慢，尤其是射頻電源沉積速率慢且由于駐波效應等，不適宜進行大面積鍍膜，因此在制備大面積TCO薄膜技術(shù)領(lǐng)域應用較少。

TCO薄膜制備以直流磁控濺射技術(shù)為主。直流磁控電源簡單可靠、工作穩(wěn)定、功率大、沉積速率快。直流電源主要有恒流、恒壓、恒功率等控制模式 以恒流磁控濺射直流電源系統(tǒng)為例，其基本原理如圖1所示。電路由主電路部分和控制部分組成。電網(wǎng)輸入單相交流電，通過工頻整流，電感電容整流后為直流電。功率電子器件在控制電路的控制下將直流轉(zhuǎn)換為脈沖交流電。經(jīng)高頻變壓器，將交流脈沖升壓。然后通過二極管整流和電感濾波輸出直流?？刂撇糠钟蒔WM控制、IGBT驅(qū)動、恒流控制、過流保護等部分組成。

普通直流電源雖然已在在磁控濺射TCO薄膜生產(chǎn)中大量應用，但仍然存在很多缺點：

(1)TCO鍍膜過程容易生成不導電物質(zhì)，隨著濺射過程中帶電離子在不導電物質(zhì)上的沉積，會形成弧光放電斑點[8]。尤其是AZO鍍膜過程，弧光放電斑點時時刻刻大量存在，容易導致薄膜出現(xiàn)斑點、孔洞、變性等各種缺陷，導致膜層質(zhì)量不高，生產(chǎn)良率低。

(2)由于電弧出現(xiàn)的頻率與磁控濺射功率成正比，因此，限制了磁控濺射功率進一步的增大，即限制了鍍膜生產(chǎn)速率進一步的提高。

(3)磁控濺射過程等離子密度低。被濺射物質(zhì)的離化程度極低，導致晶格缺陷、高殘余應力以及薄膜與襯底表面結(jié)合差[9]。

(4)由于被濺射物質(zhì)離化程度低，被濺射物質(zhì)只能直線運動，覆蓋區(qū)域淺，無法對復雜構(gòu)造物體表面全面鍍膜，這一點遠差于多弧離子鍍技術(shù)，制約了磁控濺射技術(shù)的應用空間[10]。

2.2磁控濺射脈沖電源

磁控濺射脈沖電源的一個不可比擬的優(yōu)點，是可以抑制濺射靶面的弧光放電。通過一定的頻率輸出脈沖電流，使鍍膜過程絕緣層上積累的正電荷，在形成弧光放電條件之前被中和掉。

脈沖濺射技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于大功率脈沖電源[11]。為了在正半周內(nèi)完全中和負半周中靶面絕緣層表面積累正電荷，脈沖電壓必須具有一定的波形參數(shù)。Schiller等通過計算指出，脈沖電壓的頻率應為數(shù)10kHz[12]。進一步的大量實驗研究表明，脈沖磁控濺射電源的脈沖頻率設(shè)計在中頻10kHz-200kHz時，可以有效防止靶材電弧放電及穩(wěn)定反應濺射沉積工藝，實現(xiàn)高速沉積、高質(zhì)量反應薄膜。

如圖2所示，為一種脈沖電源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。主要包括三相整流及控制電路，逆變及控制電路，保護電路等。三相電源經(jīng)整流電路整流后，變成脈動的直流電，然后由R、C網(wǎng)絡(luò)濾波后送至全橋逆變器，在控制電路的控制下與LCC串聯(lián)、并聯(lián)電路諧振，輸出變壓器與并聯(lián)電容相并聯(lián)，并隔離驅(qū)動負載。

圖2 磁控濺射脈沖電源原理示意圖

雖然磁控濺射脈沖電源具備了滅弧的功能，能有效提升磁控濺射制備TCO薄膜的工藝質(zhì)量，但其仍存在一些缺點：

(1)價格昂貴。穩(wěn)定可靠的大功率脈沖電源造價昂貴，為普通直流電源一倍以上。

(2)維護成本高。

(3)無法解決傳統(tǒng)磁控濺射過程等離子密度低，成膜質(zhì)量一般，不具備復雜結(jié)構(gòu)表面鍍膜功能的問題。

針對這些問題，在最新的磁控濺射電源技術(shù)進展中逐步提出了解決方案。

3. 磁控濺射TCO電源最新技術(shù)

3.1具備快速滅弧補償功能的直流電源

針對在TCO薄膜直流磁控濺射過程中(尤其是AZO鍍膜)存在大量弧光放電現(xiàn)象的問題，為降低電源成本，一個新的重要發(fā)展方向是采用帶快速滅弧功能的直流電源。

這種電源的最關(guān)鍵技術(shù)是3點：① 當弧光放電發(fā)生時能在早期迅速檢測到做出合理判斷。② 在識別出弧光放電情況后能迅速切斷電源而滅掉電弧;③ 在切斷電源后，恢復磁控放電。