磁控溅射法沉积TCO薄膜的电源技术

膜，实现在塑料柔性衬底材料镀膜。

在这一领域，Kouznetsov等[15]率先取得重要突破，他通过实验证实在Cu的溅射过程中引入这种高脉冲电流，获得了比传统直流溅射高两个数量级的离子密度，其溅射物质离化率高达70%。离子流大小比传统磁控溅射高2-3个数量级，改善效果十分明显，具有革命性的意义。

实现HPPMS技术的关键之一在于电源，其必须可以提供高功率密度的脉冲波(通常为几kW/cm2左右)，同时保证施加在靶上的平均功率密度与传统直流磁控溅射相当(几W/cm2左右)[18]，以防止阴极过热导致靶材、磁铁、靶体过热损坏。目前，一些研究机构和公司已经研制出各种HPPMS电源装置，应用在实验室及生产线上，这些装置的基本结构原理相似，如图6所示。一台直流电源用以给脉冲发生部分的电容器组充电，脉冲发生部分与磁控溅射阴极直接连接。电容器组的充电电压从几100V到几1000V不等。脉冲发生部分通过斩波电路将直流电压、电流变换成频率和脉宽均可调的脉冲电压和电流。斩波电路使用IGBT模块，将IGBT作为开关串联在直流回路中，通过触发脉冲控制半导体开关的通断，进而控制了脉冲电压的输出。

图6 HPPMS电源的基本架构图

Kouznetsov等人研究表明，输出脉冲的脉宽在5ms -5000ms，频率在10Hz-10kHz范围时，靶的电流密度峰值可达到数A/cm2量级，比传统直流磁控溅射电流密度高3个数量级。进而实现70%以上的极高离化率[15]。

在HPPMS放电期间产生的高能峰值电流，会加大弧光放电出现的频率[19]。因此，很多研究采用在HPPMS电源上增加复杂的弧光放电，控制电子系统以控制弧光放电现象。另一种解决方法，是HPPMS电源输出脉宽5ms -20ms的短脉冲，实现对弧光放电现象的抑制[20]。这种操作模式的波形如图7所示，在这短暂的时间内，辉光放电从短暂的不稳定状态恢复正常[21](如图7中靶放电电流所示)。因此，辉光放电向弧光放电的转变被有效制止。这种短脉冲保证了进行金属氧化物薄膜反应溅射镀膜时放电过程无弧光放电问题。

图7 在HPPMS电源中采用短脉冲抑制弧光放电过程的电流变化

在磁控溅射TCO薄膜时(AZO、ITO)采用HPPMS技术，展现了非常积极的效果。Sittinger V等人的研究表明[22]，采用HPPMS技术制备的TCO薄膜拥有更加优良的电性能和表面光洁度。除此以外，也可实现在低温下沉积性能优良的TCO薄膜，这使得采用磁控溅射技术在PI膜等柔性材料上制备高质量TCO薄膜成为可能。

尽管HPPMS技术虽然有着很多好处，但是其电源的研制仍然面对许多挑战：

(1)目前HPPMS电源仍主要是局限于实验室小型磁控溅射设备的应用，在大面积镀膜的工业化领域应用技术仍不成熟。比如针对大型工业化设备的弧光放电现象，一方面增加了检测电路控制系统的复杂性和不可靠性，同时由于需要HPPMS电源在数ms的时间内关断MW功率工作机组，增大了系统风险，目前这样的系统可靠性仍不高。

(2)HPPMS技术生长薄膜速度比传统磁控溅射技术慢。HPPMS的优点是产生了极高的溅射物质离化，但同时由于高电压的应用，部分离化的离子会被靶上的高负电势吸回，导致生长速率偏慢。

(3)高功率脉冲电源成本高，远高于普通直流电源。由于材料成本及技术不成熟所限制，现在HPPMS电源制造成本高，制约了其在产业界的应用。

4 结语

随着平板显示产业、太阳能产业、LED产业、建筑玻璃行业、触摸屏行业的迅猛发展，TCO镀膜产业迎来了新一轮发展。磁控溅射技术是最主要的TCO镀膜技术，磁控溅射电源作为其中的核心部件，对于TCO镀膜产业的发展具有至关重要的作用。

随着对TCO薄膜产品的性能要求的日益提高。传统的直流磁控溅射电源正逐步被具备优良灭弧性能的脉冲直流电源取代，与此同时更经济的具备优良灭弧功能的新型直流电源也逐步进入商业化应用。而许多研究机构和大公司已开始研发代表新一代磁控溅射技术发展方向的HPPMS电源。

目前，国内仅实现普通磁控溅射直流电源的国产化，在其它技术方面国内仍严重落后于国际先进水平，市场基本被国际大厂垄断。随着新型电源技术的出现，磁控溅射电源技术正处于发展新技术的更新换代时期。国内电源厂商和技术人员需要抓住市场发展的机遇，努力研发，开创新的发展局面。

参考文献

[1] 徐美君. ITO 透明导电膜玻璃生产及应用[J]. 玻璃与搪瓷，2001， 29(2)：53～59.

[2] H. Glaser. 大面积玻璃镀膜[M].上海：上海交通大学出版社,2006.117～119.

[3] 刘玉萍，陈枫.AZO透明导电薄膜的制备技术及应用进展[J]. 真空与低温，2007，13(1)：1～5.

[4] 陶海华，姚宁，辛荣生. ITO 透明导电薄膜的制备及光电特性研究[J]. 郑州大学学报(理