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。進而實現(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行金屬氧化物薄膜反應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驗室小型磁控濺射設(shè)備的應用，在大面積鍍膜的工業(yè)化領(lǐng)域應用技術(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功率工作機組，增大了系統(tǒng)風險，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用，部分離化的離子會被靶上的高負電勢吸回，導致生長速率偏慢。

(3)高功率脈沖電源成本高，遠高于普通直流電源。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)濟的具備優(yōu)良滅弧功能的新型直流電源也逐步進入商業(yè)化應用。而許多研究機構(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)仍嚴重落后于國際先進水平，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)展的機遇，努力研發(fā)，開創(chuàng)新的發(fā)展局面。

參考文獻

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

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

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

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

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

[6] 徐萬勁.磁控濺射技術(shù)進展及應用(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)學報.2006， 1l(4)：78～81.

[12] 陳文光.脈沖濺射電源設(shè)計[J].機械加工與自動化,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.