磁控溅射法沉积TCO薄膜的电源技术

磁控溅射法沉积TCO薄膜的电源技术1前言

透明导电氧化物薄膜(TCO薄膜)有着广泛的用途，如作为LCD、OLED显示器面板的电极，作为触摸屏的感应电极，作为薄膜太阳能电池的电极以及作为LED芯片前电极等[1]。

目前，主要的TCO薄膜有氧化铟锡(ITO)、氧化锡(SnO2)、氧化锌铝(AZO)三种[2]，其中SnO2薄膜是最早应用的TCO薄膜，但由于其光电特性相对较差，目前主要应用在一些较低端的使用领域。ITO薄膜是目前光电特性最好，使用范围最广的TCO薄膜，但其同时存在使用稀有元素In，生产成本较高、In元素有毒、在氢等离子工艺氛围中性能退化等缺点。近年来，成本低、性能优良、无毒害的ZnO:Al(AZO)薄膜[3]得到了广泛的关注与研究，有希望替代ITO薄膜。

因此，ITO与AZO材料是当前研究和生产的最主要的TCO材料。

目前，产业界制备ITO、AZO薄膜主要是采用磁控溅射镀膜技术[4][5]。磁控溅射技术基于等离子技术，通常是在存在高电势差的靶(阴极)与阳极之间注入气体(一般为Ar气)，通过等离子辉光放电实现对气体原子的离化，电场与磁场对离子加速和变向，进而轰击靶材表面，导致靶材原子被轰击到空间中，溅射在一块衬底材料上聚集形成薄膜[6]。

对于磁控溅射装置，磁控溅射电源决定了磁控溅射工艺过程等离子体状态，对镀膜工艺和膜层生长质量起着至关重要的作用[7]。随着生产和科技不断发展，用户对产品质量性能的要求越来越高。所以要求磁控溅射镀膜设备具有良好的可靠性、稳定性，有较高的镀膜效率和镀膜质量。

本文将主要描述磁控溅射ITO、AZO两大主要TCO薄膜的核心电源技术的发展现状、最新进展以及未来面临的挑战。

2磁控溅射TCO薄膜的电源技术发展概述

2.1磁控溅射直流电源

磁控溅射电源类型有直流电源、中频电源和射频电源。其中中频电源与射频电源成本较高，且沉积速率偏慢，尤其是射频电源沉积速率慢且由于驻波效应等，不适宜进行大面积镀膜，因此在制备大面积TCO薄膜技术领域应用较少。

TCO薄膜制备以直流磁控溅射技术为主。直流磁控电源简单可靠、工作稳定、功率大、沉积速率快。直流电源主要有恒流、恒压、恒功率等控制模式以恒流磁控溅射直流电源系统为例，其基本原理如图1所示。电路由主电路部分和控制部分组成。电网输入单相交流电，通过工频整流，电感电容整流后为直流电。功率电子器件在控制电路的控制下将直流转换为脉冲交流电。经高频变压器，将交流脉冲升压。然后通过二极管整流和电感滤波输出直流。控制部分由PWM控制、IGBT驱动、恒流控制、过流保护等部分组成。

普通直流电源虽然已在在磁控溅射TCO薄膜生产中大量应用，但仍然存在很多缺点：

(1)TCO镀膜过程容易生成不导电物质，随着溅射过程中带电离子在不导电物质上的沉积，会形成弧光放电斑点[8]。尤其是AZO镀膜过程，弧光放电斑点时时刻刻大量存在，容易导致薄膜出现斑点、孔洞、变性等各种缺陷，导致膜层质量不高，生产良率低。

(2)由于电弧出现的频率与磁控溅射功率成正比，因此，限制了磁控溅射功率进一步的增大，即限制了镀膜生产速率进一步的提高。

(3)磁控溅射过程等离子密度低。被溅射物质的离化程度极低，导致晶格缺陷、高残余应力以及薄膜与衬底表面结合差[9]。

(4)由于被溅射物质离化程度低，被溅射物质只能直线运动，覆盖区域浅，无法对复杂构造物体表面全面镀膜，这一点远差于多弧离子镀技术，制约了磁控溅射技术的应用空间[10]。

2.2磁控溅射脉冲电源

磁控溅射脉冲电源的一个不可比拟的优点，是可以抑制溅射靶面的弧光放电。通过一定的频率输出脉冲电流，使镀膜过程绝缘层上积累的正电荷，在形成弧光放电条件之前被中和掉。

脉冲溅射技术实现的关键在于大功率脉冲电源[11]。为了在正半周内完全中和负半周中靶面绝缘层表面积累正电荷，脉冲电压必须具有一定的波形参数。Schiller等通过计算指出，脉冲电压的频率应为数10kHz[12]。进一步的大量实验研究表明，脉冲磁控溅射电源的脉冲频率设计在中频10kHz-200kHz时，可以有效防止靶材电弧放电及稳定反应溅射沉积工艺，实现高速沉积、高质量反应薄膜。

如图2所示，为一种脉冲电源系统的基本结构。主要包括三相整流及控制电路，逆变及控制电路，保护电路等。三相电源经整流电路整流后，变成脉动的直流电，然后由R、C 网络滤波后送至全桥逆变器，在控制电路的控制下与LCC串联、并联电路谐振，输出变压器与并联电容相并联，并隔离驱动负载。

图2 磁控溅射脉冲电源原理示意图

虽然磁控溅射脉冲电源具备了灭弧的功能，能有效提升磁控溅射制备TCO薄膜的工艺质量，但其仍存在一些缺点：

(1)价格昂贵。稳定可靠的大功率脉冲电源造价昂贵，为普通直流电源一倍以上。

(2)维护成本高。

(3)无法解决传统磁控溅射过程等离子密度低，成膜质量一般，不具备复杂结构表面镀膜功能的问题。

针对这些问题，在最新的磁控溅射电源技术进展中逐步提出了解决方案。

3. 磁控溅射TCO电源最新技术

3.1具备快速灭弧补偿功能的直流电源

针对在TCO薄膜直流磁控溅射过程中(尤其是AZO镀膜)存在大量弧光放电现象的问题，为降低电源成本，一个新的重要发展方向是采用带快速灭弧功能的直流电源。

这种电源的最关键技术是3点：①当弧光放电发生时能在早期迅速检测到做出合理判断。②在识别出弧光放电情况后能迅速切断电源而灭掉电弧;③在切断电源后，恢复磁控放电。

在此基础上，通过采用补偿技术，可进一步减少灭弧后残余能量的影响，精细优化镀膜质量。

目前主要有3种不同的电弧监测方法[13]：

(1)基于弧光放电电流探测的检测方法

在输出电流Iout超过用户设定电流阈值Ix时作出反应(图3)。侦测时间取决于设定的阈值，通常为300ns。关断时间大约为1.5μs。中断时间和恢复时间可以分别设定在

0ms~80ms或者0ms~100ms。