磁控濺射法沉積TCO薄膜的電源技術(shù)

在此基礎(chǔ)上，通過采用補(bǔ)償技術(shù)，可進(jìn)一步減少滅弧后殘余能量的影響，精細(xì)優(yōu)化鍍膜質(zhì)量。

目前主要有3種不同的電弧監(jiān)測(cè)方法[13]：

(1)基于弧光放電電流探測(cè)的檢測(cè)方法

在輸出電流Iout超過用戶設(shè)定電流閾值Ix時(shí)作出反應(yīng)(圖3)。偵測(cè)時(shí)間取決于設(shè)定的閾值，通常為300ns。關(guān)斷時(shí)間大約為1.5μs。中斷時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間可以分別設(shè)定在0ms~80ms或者0ms~100ms。

圖3 基于電流檢測(cè)弧光放電的原理圖

(2)基于弧光放電時(shí)的電壓檢測(cè)方法

當(dāng)電壓超過用戶設(shè)定的閾值時(shí)監(jiān)測(cè)器開始工作，電壓低于用戶設(shè)定的閾值時(shí)監(jiān)測(cè)器觸發(fā)。

(3)基于電壓電流結(jié)合的檢測(cè)方法

當(dāng)輸出電壓低于用戶設(shè)定的電壓閾值而電流高于用戶設(shè)定的電流閾值時(shí)監(jiān)測(cè)器工作。

在快速檢測(cè)和切斷滅弧的系統(tǒng)基礎(chǔ)上，電源具備滅弧補(bǔ)償技術(shù)可進(jìn)一步提升工藝的可靠性。這種技術(shù)的基本原理，是當(dāng)電弧被檢測(cè)到以及關(guān)斷電源以后，給電源電纜施加一個(gè)正電壓，使電纜上的負(fù)電壓很快消失，可以進(jìn)一步減小監(jiān)測(cè)出電弧以后傳送到濺射陰極上的剩余能量，優(yōu)化鍍膜質(zhì)量。

如圖4所示，為一種滅弧補(bǔ)償裝置的原理。在正常工作時(shí)，電容C被充電。發(fā)生電弧時(shí)，快速切換開關(guān)SS打開，電容對(duì)電纜施加一個(gè)正的電壓。電源與陰極之間的感應(yīng)能量可以通過公式E=(LI2)/2計(jì)算出來。假設(shè)電纜電感為每米L=1μH，那么對(duì)10m長的電纜和電流為I=100A的電弧，能量為50mJ。

圖4 滅弧補(bǔ)償裝置原理示意圖

增加補(bǔ)償裝置以后的電弧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以再實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷的同時(shí)，顯著減小電弧能量到1mJ/kW以下。

Dirk Ochs等人實(shí)驗(yàn)研究了采用補(bǔ)償裝置的電源在鍍AZO薄膜過程的實(shí)際效用。如圖5所示，在AZO濺射過程中的一次電弧發(fā)生時(shí)，電流從工藝中的10A上升到約30A。大約2μs后電源關(guān)斷，電流下降。又過了7μs后電流下降到大約0A。具備補(bǔ)償裝置的電源其電流下降得更迅速。電流下降到零的時(shí)間不足1μs。這樣顯著減小了輸送到電弧的能量，使其低于1mJ/kW。

圖5 電弧發(fā)生時(shí)具備補(bǔ)償裝置(CL)及不具備補(bǔ)償裝置的電流波形對(duì)比

在同樣的工藝下，Dirk Ochs[14]對(duì)具備滅弧補(bǔ)償功能的直流電源和普通脈沖電源(脈沖電源的頻率為50kHz，占空比為75%)進(jìn)行了對(duì)比。在玻璃上沉積460nm厚的AZO膜層并檢測(cè)其透光率。結(jié)果顯示，對(duì)應(yīng)兩種工藝的透光率完全一樣。兩種樣品都在真空下350℃退火15min，退火后，短波段下的透光率稍微上升，而長波段的透過率下降。同樣，兩種工藝下的結(jié)果一樣。兩種沉積工藝下的電阻率對(duì)比也顯示了相似的結(jié)果。

因此，采用有效的快速電弧關(guān)斷恢復(fù)技術(shù)的新型直流電源技術(shù)，相比脈沖直流電源技術(shù)性能相當(dāng)，成本更低，具備廣闊的發(fā)展空間。

這種技術(shù)的主要缺點(diǎn)是，仍然無法解決傳統(tǒng)磁控濺射過程濺射物質(zhì)離化率低，成膜質(zhì)量一般，不具備復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面鍍膜功能的弱點(diǎn)。此外，由于大功率化制造成本較高，可靠性較低，也制約了其大功率化發(fā)展。

3.2模塊化磁控濺射電源

為了提高磁控濺射電源性能，同時(shí)降低成本、提高系統(tǒng)可靠性和降低設(shè)備的稼動(dòng)率，業(yè)界采用了電源模塊化的概念。電源系統(tǒng)可按單臺(tái)20kw或30kw或其它功率值設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊。模塊之間組合堆棧(主/從設(shè)計(jì))。各模塊機(jī)架可完全分離，便于用戶以后的擴(kuò)容或減容，使用非常方便，故障處理簡單方便，有利于提高生產(chǎn)效率。

模塊化技術(shù)的引入，進(jìn)一步的推廣了磁控濺射電源的應(yīng)用。

3.3 HPPMS專用脈沖直流電源

上文介紹的各種磁控濺射電源雖然都有不少優(yōu)點(diǎn)，但始終無法解決傳統(tǒng)磁控濺射過程中濺射物質(zhì)原子的離化率極低的弱點(diǎn)。

高功率脈沖磁控濺射技術(shù)(HPPMS)[15]是近年來新興的重要發(fā)展方向，它通過HPPMS專用電源可以大幅提升濺射物質(zhì)原子的離化率[16][17]。通過外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)可大幅增強(qiáng)對(duì)濺射物質(zhì)成膜工藝過程的精確控制，可以制備更加精細(xì)可靠的薄膜，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜結(jié)構(gòu)外表的全方位可控鍍膜，同時(shí)，充分有效的離子轟擊襯底，可實(shí)現(xiàn)低溫鍍膜，實(shí)現(xiàn)在塑料柔性襯底材料鍍膜。

在這一領(lǐng)域，Kouznetsov等[15]率先取得重要突破，他通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)在Cu的濺射過程中引入這種高脈沖電流，獲得了比傳統(tǒng)直流濺射高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的離子密度，其濺射物質(zhì)離化率高達(dá)70%。離子流大小比傳統(tǒng)磁控濺射高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，改善效果十分明顯，具有革命性的意義。

實(shí)現(xiàn)HPPMS技術(shù)的關(guān)鍵之一在于電源，其必須可以提供高功率密度的脈沖波(通常為幾kW/cm2左右)，同時(shí)保證施加在靶上的平均功率密度與傳統(tǒng)直流磁控濺射相當(dāng)(幾W/cm2左右)[18]，以防止陰極過熱導(dǎo)致靶材、磁鐵、靶體過熱損壞。目前，一些研究機(jī)構(gòu)和公司已經(jīng)研制出各種HPPMS電源裝置，應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室及生產(chǎn)線上，這些裝置的基本結(jié)構(gòu)原理相似，如圖6所示。一臺(tái)直流電源用以給脈沖發(fā)生部分的電容器組充電，脈沖發(fā)生部分與磁控濺射陰極直接連接。電容器組的充電電壓從幾100V到幾1000V不等。脈沖發(fā)生部分通過斬波電路將直流電壓、電流變換成頻率和脈寬均可調(diào)的脈沖電壓和電流。斬波電路使用IGBT模塊，將IGBT作為開關(guān)串聯(lián)在直流回路中，通過觸發(fā)脈沖控制半導(dǎo)體開關(guān)的通斷，進(jìn)而控制了脈沖電壓的輸出。

圖6 HPPMS電源的基本架構(gòu)圖