磁控濺射法沉積TCO薄膜的電源技術

在此基礎上，通過采用補償技術，可進一步減少滅弧后殘余能量的影響，精細優化鍍膜質量。

目前主要有3種不同的電弧監測方法[13]：

(1)基于弧光放電電流探測的檢測方法

在輸出電流Iout超過用戶設定電流閾值Ix時作出反應(圖3)。偵測時間取決于設定的閾值，通常為300ns。關斷時間大約為1.5μs。中斷時間和恢復時間可以分別設定在0ms~80ms或者0ms~100ms。

圖3 基于電流檢測弧光放電的原理圖

(2)基于弧光放電時的電壓檢測方法

當電壓超過用戶設定的閾值時監測器開始工作，電壓低于用戶設定的閾值時監測器觸發。

(3)基于電壓電流結合的檢測方法

當輸出電壓低于用戶設定的電壓閾值而電流高于用戶設定的電流閾值時監測器工作。

在快速檢測和切斷滅弧的系統基礎上，電源具備滅弧補償技術可進一步提升工藝的可靠性。這種技術的基本原理，是當電弧被檢測到以及關斷電源以后，給電源電纜施加一個正電壓，使電纜上的負電壓很快消失，可以進一步減小監測出電弧以后傳送到濺射陰極上的剩余能量，優化鍍膜質量。

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

圖4 滅弧補償裝置原理示意圖

增加補償裝置以后的電弧監測系統可以再實現快速關斷的同時，顯著減小電弧能量到1mJ/kW以下。

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

圖5 電弧發生時具備補償裝置(CL)及不具備補償裝置的電流波形對比

在同樣的工藝下，Dirk Ochs[14]對具備滅弧補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%)進行了對比。在玻璃上沉積460nm厚的AZO膜層并檢測其透光率。結果顯示，對應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，兩種工藝下的結果一樣。兩種沉積工藝下的電阻率對比也顯示了相似的結果。

因此，采用有效的快速電弧關斷恢復技術的新型直流電源技術，相比脈沖直流電源技術性能相當，成本更低，具備廣闊的發展空間。

這種技術的主要缺點是，仍然無法解決傳統磁控濺射過程濺射物質離化率低，成膜質量一般，不具備復雜結構表面鍍膜功能的弱點。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，同時降低成本、提高系統可靠性和降低設備的稼動率，業界采用了電源模塊化的概念。電源系統可按單臺20kw或30kw或其它功率值設計成一個模塊。模塊之間組合堆棧(主/從設計)。各模塊機架可完全分離，便于用戶以后的擴容或減容，使用非常方便，故障處理簡單方便，有利于提高生產效率。

模塊化技術的引入，進一步的推廣了磁控濺射電源的應用。

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點，但始終無法解決傳統磁控濺射過程中濺射物質原子的離化率極低的弱點。

高功率脈沖磁控濺射技術(HPPMS)[15]是近年來新興的重要發展方向，它通過HPPMS專用電源可以大幅提升濺射物質原子的離化率[16][17]。通過外加電場和磁場可大幅增強對濺射物質成膜工藝過程的精確控制，可以制備更加精細可靠的薄膜，可以實現更復雜結構外表的全方位可控鍍膜，同時，充分有效的離子轟擊襯底，可實現低溫鍍膜，實現在塑料柔性襯底材料鍍膜。

在這一領域，Kouznetsov等[15]率先取得重要突破，他通過實驗證實在Cu的濺射過程中引入這種高脈沖電流，獲得了比傳統直流濺射高兩個數量級的離子密度，其濺射物質離化率高達70%。離子流大小比傳統磁控濺射高2-3個數量級，改善效果十分明顯，具有革命性的意義。

實現HPPMS技術的關鍵之一在于電源，其必須可以提供高功率密度的脈沖波(通常為幾kW/cm2左右)，同時保證施加在靶上的平均功率密度與傳統直流磁控濺射相當(幾W/cm2左右)[18]，以防止陰極過熱導致靶材、磁鐵、靶體過熱損壞。目前，一些研究機構和公司已經研制出各種HPPMS電源裝置，應用在實驗室及生產線上，這些裝置的基本結構原理相似，如圖6所示。一臺直流電源用以給脈沖發生部分的電容器組充電，脈沖發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的脈沖電壓和電流。斬波電路使用IGBT模塊，將IGBT作為開關串聯在直流回路中，通過觸發脈沖控制半導體開關的通斷，進而控制了脈沖電壓的輸出。

圖6 HPPMS電源的基本架構圖