CN102290338B - 透明导电薄膜的常温大面积沉积生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明导电薄膜的常温大面积沉积生产工艺，该工艺采用物理气相沉积的真空溅射镀膜方法，镀膜设备是基于非平衡磁场连续磁控溅射镀膜设备，设备的磁极之间的磁场强度互不相等构成非平衡磁场；靶材与基体的距离为15-25cm；作用在沉积靶材上的沉积电流控制在40～50A，相应的沉积电压为390～420V；流入真空腔体的惰性气体流量为250～380sccm，混合气体含有氧气时，流入真空腔体的氧气的流量为流入真空腔体的惰性气体流量的3～5%；通过工艺参改进数并采用非平衡磁场布置形式促使形成透明导电薄膜的材料可以最大可能的按要求沉积在基体的表面；该工艺适合工业化自动连续磁控溅射生产线，可在不同的材质的基体上，大面积连续溅射批量生产不同类型的多种透明导电薄膜产品。

Description

透明导电薄膜的常温大面积沉积生产工艺

技术领域

本发明涉及太阳能以及其他透明导电薄膜应用等技术领域，尤其是涉及一种透明导电薄膜的常温大面积沉积生产工艺 。

背景技术

透明导电薄膜是一类既透明又导电的特殊功能性薄膜，目前主要由In、Sn、Sb、Zn和Cd等的掺杂氧化物以及由In、Sn、Sb、Zn和Cd等的氧化物与Ag、Au等贵金属薄膜相混合组成。他们具有禁带宽、可见光谱区内光的透射率高和电阻率低等共同的光学和电性能，目前广泛用于显示器、各种光电电子器件、触摸屏、防辐射、建筑的节能保温、交通工具上的防雾除霜和太阳能等众多领域。透明导电薄膜的工业化生产通常采用物理气相沉积法或者化学气相沉积法制备。无论是采用物理气相沉积的方法制备透明导电薄膜还是采用化学气相沉积的方法沉积透明导电薄膜，其最终都是确保所沉积的透明导电薄膜在和所用的基体有足够的附着强度的前提下，满足不同的光学和电性能。除了以上对透明导电薄膜产品的基本要求之外，在不同的应用领域中，很多应用都对透明导电薄膜的组成、结构和缺陷等都提出了自己的特殊要求，而这些具体的不同要求都和透明导电薄膜的微观结构紧密相联系。透明导电薄膜的微观结构是直接与薄膜的沉积方法、沉积设备、沉积工艺、沉积时的工作状况和环境条件以及所用的沉积材料密切相关的。而为了满足对透明导电薄膜的不同要求，以上在透明导电薄膜沉积时众多要素是难于绝对的统一一致的，甚至有些很苛刻的独特的沉积条件也是无法达到的。因此，几乎所有的工业化透明导电薄膜的生产，在追求最便利和效益的前提下，通过提高薄膜沉积的温度来实现满足对透明导电薄膜产品的不同要求。 另外，当采用化学气相沉积方法制备透明导电薄膜时，由于首先要满足所用原料的化学反应条件，一般都必须要加热到一定的温度。目前物理气相沉积法制备透明导电薄膜多在真空条件下，加温到350℃—400℃左右，而化学气相沉积法制备透明导电薄膜更要加温到500℃以上。过多的加热不仅消耗大量的能源，增加成本，对生产设备也提出许多的苛刻的要求。同时，由于在薄膜制备时始终处于高温的状况下，也就极大的限制了薄膜沉积所用基体材料的选用范围，使得很多价格合理的高透明材料不能作为透明导电薄膜的基体运用，也就相应的提高了透明导电薄膜产品的成本和价格，而且更加限制了透明导电薄膜产品的应用范围。并且，在薄膜制备时始终处于高温的状况下，也会促使薄膜沉积所用基体材料的变形，改变了薄膜沉积所用基体材料的某些物理和化学性能，降低了透明导电薄膜产品的成品率。高温设备的操作也给生产安全带来问题，会留下对生产一线人员生命保护和生产设备维护的不可预知的隐患。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种透明导电薄膜的常温大面积沉积生产工艺，该工艺适合工业化自动连续磁控溅射生产线，可在不同的材质的基体上，大面积连续溅射批量生产不同类型的多种透明导电薄膜产品。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的透明导电薄膜的常温大面积沉积生产工艺是，在真空腔体内充入惰性气体与其他气体的混合气体或仅充入为惰性气体，通过所述混合气体或惰性气体氛围内的低压等离子体气体放电，在基体上形成透明导电薄膜，所使用的镀膜设备是基于非平衡磁场连续磁控溅射镀膜设备，该设备的磁极之间磁场强度互不相等构成非平衡磁场的布置形式；靶材与基体的距离为15-25cm；作用在沉积靶材上的沉积电流控制在40～50A，相应的沉积电压为390～420V；流入真空腔体的惰性气体流量为250～380sccm，采用混合气体时，流入真空腔体的其他气体的流量为流入真空腔体的惰性气体流量的3～5%，其他气体可以是氧气、氢气等气体中的一种或多种混合物；通过所述的物理气相沉积的工艺参数的优化，并采用非平衡磁场布置形式促使形成透明导电薄膜的材料可以最大可能的按要求沉积在基体的表面。

进一步，在所述真空腔体内安装可自由拆卸挡板形成双通道。

进一步，所述的沉积的靶材与基体之间的距离应保持在20㎝。

进一步，所述的惰性气体的流量为300sccm。

进一步，所述的电压最好为400V。

本发明的有益效果是：

本发明的工艺是采用的常温物理气相沉积方法制备透明导电薄膜的优化磁控溅射技术，实际生产时是在室温的条件下，利用自主设计的工业化自动连续磁控溅射生产线，主要是通过低气压等离子体的非均匀放电性形式，这种低气压等离子体的非均匀放电性形式是通过改善物理气相沉积的工艺参数和采用更加合理的设备结构以及经过优化的磁场布置形式等多种技术和理论的综合，促使形成透明导电薄膜的材料可以最大可能的按要求沉积在基体的表面。本发明采用的常温大面积工业化均匀沉积透明导电薄膜技术，可在不同的材质的基体上，大面积连续溅射批量生产不同类型的多种透明导电薄膜产品，所镀的产品能满足各相关应用领域对透明导电薄膜的不同光学和电性能的独特要求。

在通常的物理气相沉积薄膜中，沉积的靶材与基体之间的距离是一个很重要的工艺参数，这个距离是否合适，很大程度上决定了所沉积的薄膜的微观结构、薄膜缺陷状况、薄膜与基体的附着力的大小和薄膜的其他物理化学性能是否合乎要求。而在现有的工艺中，由于设备制造商是不知道使用者需要沉积的薄膜的类型，这一距离是固定不可调节的，并且，通常取得不一定很合理，根据在常温的条件下工业化大规模连续均匀沉积透明导电薄膜的要求，根据大量的理论分析和试验，在多种不同的基体材料上，沉积满足不同光学和电性能的多类型的透明导电薄膜产品的优化后的沉积的靶材与基体之间的距离的合理范围。为了在常温的条件下工业化大规模连续均匀沉积透明导电薄膜，沉积的靶材与基体之间的距离应保持在20㎝，并且有5㎝左右的调节范围。以适应不同的设备上沉积不同透明导电薄膜的需求。

在物理气相沉积中，各种工艺气体的流量控制和配气分布也对所沉积的薄膜的结构和性能有重要影响。其中的惰性气体不仅是等离子体的发生源，而且其流量的大小也与沉积功率相互互动，并影响到所沉积的薄膜的致密性。其他类的工艺气体，如氧气、氢气等，是作为薄膜成分中的一部分而加入，并且对透明导电薄膜的光学和电性能有很大的影响，这些工艺气体流量控制有时直接决定透明导电薄膜的光学透过率和薄膜的方块电阻的大小。根据在常温的条件下工业化大规模连续均匀沉积透明导电薄膜的要求，依照不同的设备和产量，其中惰性气体的流量可选取300sccm，并且应由50－80sccm的调节范围，其他工作气体则应根据实际要求配置，通常应取惰性气体流量的3%－5%。 

物理气相沉积薄膜的功率大小是对所沉积的薄膜的微观结构、薄膜缺陷状况、薄膜与基体的附着力的大小和薄膜的其他物理化学性能具有决定作用的要素之一。薄膜沉积时的功率足够，所沉积的薄膜微观致密，缺陷少，薄膜与基体的附着力牢固，薄膜的各项物理化学性能高。但过高的沉积功率也会伤及沉积后的薄膜，功率过低则沉积的薄膜微观疏松，缺陷多，薄膜与基体的附着力差。薄膜沉积的功率控制，通常是通过作用在沉积靶材上的电流和电压体现的，在常温的条件下工业化大规模连续均匀沉积透明导电薄膜，作用在沉积靶材上的电流应该在40－50A，而相应的电压在400V左右。

在双通道之间安装可以自由装配的挡板机构，使得在真空腔体的两个不同的通道能够在不同的基体上沉积相同的薄膜时以及在相同的基体上沉积相同的薄膜时，隔绝背饶射的现象，提高沉积薄膜的品质。

本发明中非平衡（闭合或非闭合）磁场的布置形式所作的基本改动就是使磁极之间的磁场强度由几乎相等而改为磁场强度不相等，磁极之间的磁场强度差别越大就越不平衡。由于磁极间的磁场强度不相等，只有一部分磁力线能够穿过中心磁极得到闭合，但另一部分非闭合的磁力线则发散开来，而且通过基体。溅射产生的部分二次电子将不再局限于靶的附近，并沿着扩散开来的磁力线朝着基体旋转飞行，在薄膜沉积的整个过程中，基体表面都将受到气体离子的稳定轰击。由于磁极间的磁场强度不相等，只有一部分磁力线能够穿过中心磁极得到闭合，但另一部分非闭合的磁力线则发散开来，扩展了磁场分布的范围，可以改进薄膜的质量提高薄膜的密度和粘附性（特别是当薄膜沉积在结构和形状复杂的基体上时）；降低薄膜沉积的温度，促进沉积的薄膜原子迁移到较为理想的基体表面上。通过增强化学反应（由化学反应的气相沉积时）和提高薄膜原子的表面扩散及运动，控制和提高薄膜的微观结构和相形的演化。到达基体的离子能量和和离子对沉积原子的到达比是两个对沉积的薄膜的生长动力、结构和性能起决定性作用的要素。薄膜的化学组成和微观结构主要决定于沉积原子的数量和能量以及基体的温度，而离子轰击能够使基体在相对较低的温度下沉积非常致密的薄膜。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书中所特别指出的结构来实现和获得。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实例1、在室温的条件下，利用工业化自动连续磁控溅射镀膜设备，在普通的玻璃上沉积了薄膜太阳能电池所需的透明导电薄膜。所述的工业化自动连续磁控溅射镀膜设备的非平衡（闭合或非闭合）磁场布置的有关技术内容的详见申请人的另一专利相关内容（专利申请号CN201110087336.2）；薄膜沉积时，靶材到基体的距离是19cm，惰性气体的流量时330sccm，同时加辅助的氧气流量为惰性气体流量的3%，沉积电流为45A，沉积电压为420V，薄膜沉积的时间为30分钟。并进行了相应的制绒，其产品性能稳定，制绒后薄膜的透光率在550nm波长是大于83%，表面方块电阻在7Ω，绒度在700nm波长可达到40%。

实例2、在室温的条件下，采用同实例1相同的工业化自动连续磁控溅射镀膜设备，在先钢化好的玻璃上沉积了薄膜太阳能电池所需的透明导电薄膜。薄膜沉积时，靶材到基体的距离是20cm，惰性气体的流量时350sccm，同时加辅助的氧气流量为惰性气体流量的3%，沉积电流为48A，沉积电压为440V，薄膜沉积的时间为28分钟。并进行了相应的制绒，其产品性能稳定，制绒后薄膜的透光率在550nm波长是大于84%，表面方块电阻在8Ω，绒度在700nm波长可达到45%。

实例3、在室温的条件下，采用同实例1相同的工业化自动连续磁控溅射镀膜设备，在普通的有机玻璃上沉积了薄膜太阳能电池所需的透明导电薄膜。薄膜沉积时，靶材到基体的距离是21cm，惰性气体的流量时320sccm，同时加辅助的氧气流量为惰性气体流量的3%，沉积电流为43A，沉积电压为430V，薄膜沉积的时间为30分钟。并进行了相应的制绒，其产品性能稳定，制绒后薄膜的透光率在550nm波长是大于81%，表面方块电阻在9Ω，绒度在700nm波长可达到30%。

实例4、在室温的条件下，采用同实例1相同的工业化自动连续磁控溅射镀膜设备，在普通的PET薄膜上沉积了薄膜太阳能电池所需的透明导电薄膜。薄膜沉积时，靶材到基体的距离是22cm，惰性气体的流量时350sccm，同时加辅助的氧气流量为惰性气体流量的3%，沉积电流为40A，沉积电压为430V，薄膜沉积的时间为30分钟。并进行了相应的制绒，其产品性能稳定，制绒后薄膜的透光率在550nm波长是大于80%，表面方块电阻在8Ω，绒度在700nm波长可达到28%。

实例5、在室温的条件下，采用同实例1相同的工业化自动连续磁控溅射镀膜设备，在先钢化好的5㎜玻璃上沉积了薄膜太阳能电池所需的透明导电薄膜。薄膜沉积时，靶材到基体的距离是25cm，惰性气体的流量时350sccm，同时加辅助的氧气流量为惰性气体流量的3%，沉积电流为50A，沉积电压为440V，薄膜沉积的时间为30分钟。并进行了相应的制绒，其产品性能稳定，制绒后薄膜的透光率在550nm波长是大于83%，表面方块电阻在8Ω，绒度在700nm波长可达到47%。

以上实施例采用的常温物理气相沉积方法制备透明导电薄膜的优化磁控溅射技术，是在室温的条件下，利用自主设计的工业化自动连续磁控溅射生产线，主要是通过低气压等离子体的非均匀放电性形式，这种低气压等离子体的非均匀放电性形式是通过改善物理气相沉积的工艺参数和采用更加合理的设备结构以及经过优化的磁场布置形式等多种技术和理论的综合，促使形成透明导电薄膜的材料可以最大可能的按要求沉积在基体的表面。在常温的条件下工业化大规模连续均匀沉积透明导电薄膜，在薄膜沉积时，运用离子轰击的办法就能达到既能增加薄膜原子的迁移率又不显著提高基体的温度。从而大大的扩展了基体材料的可选择范围，可以很便利的实现在各种不耐高温的材料（如各种透明的塑料制品）表面沉积所需的多种功能的高品质的薄膜。同样可以便利的做到在卷绕的塑料薄膜上同步或不同的沉积所需的多种功能的高品质的薄膜。

本发明的工艺实现了磁控溅射的低温沉积；扩大了基体材料的适用范围；提高了薄膜的沉积速率；由于采用了与非平衡（闭合或非闭合）磁场布置相适应的基体运动的双通道结构，大大的提高了基体运动的选择方式和速度区间；同时，因为非平衡（闭合或非闭合）磁场布置形式，扩展了靶材表面的溅射区域，提高了靶材的利用率；改善了沉积在基体表面的薄膜的均匀性；完善了沉积在基体表面薄膜的微观结构；提高了沉积在基体表面的薄膜的附着力；扩展了沉积薄膜的选材范围；极大的保证了可沉积高品质的薄膜的多种工艺条件的实现可能。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.透明导电薄膜的常温大面积沉积生产工艺，在真空腔体内充入惰性气体与其他气体的混合气体或仅充入为惰性气体，通过所述混合气体或惰性气体氛围内的低压等离子体气体放电，在基体上形成透明导电薄膜，其特征在于：所使用的镀膜设备是基于非平衡磁场连续磁控溅射镀膜设备，该设备的磁极之间磁场强度互不相等构成非平衡磁场的布置形式；靶材与基体的距离为15-25cm；作用在沉积靶材上的沉积电流控制在40～50A，相应的沉积电压为390～420V；进入真空腔体的惰性气体流量为250～380sccm，采用混合气体时，流入真空腔体的其他气体的流量为流入真空腔体的惰性气体流量的3～5%；通过物理气相沉积的工艺参数的优化，并采用非平衡磁场布置形式促使形成透明导电薄膜的材料可以最大可能的按要求沉积在基体的表面。

2.根据权利要求1所述的透明导电薄膜的常温大面积沉积生产工艺，其特征在于：在所述真空腔体内安装可自由拆卸挡板形成双通道。

3.根据权利要求1所述的透明导电薄膜的常温大面积沉积生产工艺，其特征在于：所述的沉积的靶材与基体之间的距离保持在20㎝。

4.根据权利要求1所述的透明导电薄膜的常温大面积沉积生产工艺，其特征在于：所述的惰性气体的流量为300sccm。

5.根据权利要求1所述的透明导电薄膜的常温大面积沉积生产工艺，其特征在于：所述的电压为400V。