CN103184422A - Tco透明导电膜的低温沉积装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种TCO透明导电膜的低温沉积装置及工艺，其装置包括至少一个阴极组，各阴极组均匀分布于基片的侧面，每个阴极组独立设置一个中频电源或双极脉冲电源；阴极组包括两个溅射阴极，溅射阴极分别包括靶材、阴极体和磁铁，靶材设于基片侧面，阴极体设于靶材外侧，靶材和阴极体之间设置多个并排分布的磁铁，各磁铁两端分别与靶材和阴极体连接；相邻两个磁铁之间，与靶材连接的一端磁极相反。其工艺是阴极组内分别形成等离子区域，等离子区域覆盖基片侧面，等离子区域内的电子实现高速震荡运动并不断轰击基片侧面，对基片表面已沉积的膜层进行电子轰击及表面加热处理。本发明实现了在常温下沉积出高质量的TCO透明导电膜。
Description
技术领域
本发明涉及TCO透明导电膜的镀膜技术领域，特别涉及一种TCO透明导电膜的低温沉积装置及工艺。
背景技术
TCO玻璃，即透明导电氧化物镀膜玻璃，是在平板基材表面通过物理或化学镀膜的方法均匀镀上一层透明的导电氧化物薄膜，主要包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。TCO玻璃主要有ITO镀膜玻璃、FTO镀膜玻璃和AZO镀膜玻璃三种。其中，ITO镀膜玻璃和FTO镀膜玻璃的发展已经较为成熟。ITO镀膜玻璃具有透光率高、膜层牢固、导电性好等特点，目前多用于触摸屏领域，但应用于太阳能电池时，在等离子体中不够稳定，因此并非光伏电池主流的电极玻璃。SnO2镀膜也简称FTO，主要用于生产建筑用Low-E玻璃。AZO（即参铝氧化锌镀膜）是新型的TCO产品，其导电性好、透光性也高。
然而，不管是哪一种类的TCO玻璃，目前一般采用高温沉积工艺来改善膜层的质量，即在250-350℃的高温环境下沉积ITO、AZO等透明导电薄膜，实现薄膜沉积后再进行高温退火，从而改进薄膜微观结晶结构，实现较高的透光率和较低的电阻。该工艺方法存在以下多种缺陷：
（1）由于采用高温沉积工艺，设备需要设置大功率加热器，导致耗电量高，设备运行成本高；
（2）设备由于有高温烘烤功能，因此增加了大量的成本。另外高温的存在导致真空密封件的寿命缩短。因此为减少设备故障率，设备内要增加各种冷却部件，这也使得设备的造价进一步提高；
（3）在高温加热过程中，基片还会出现因加热不均匀而导致成膜不均匀的问题出现，降低了产品的合格率。对于玻璃基片，严重时还会因为高温不均匀导致玻璃破裂，造成浪费以及设备停机等影响
（4）无法在不耐温的材料（如：PET薄膜等）表面沉积出高质量的透明导电薄膜，导致其应用范围受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种TCO透明导电膜的低温沉积装置，该装置可实现在常温下沉积出高质量的TCO透明导电膜。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的TCO透明导电膜的低温沉积工艺。
本发明的技术方案为：一种TCO透明导电膜的低温沉积装置，包括至少一对设于真空镀膜室内的阴极组，各对阴极组分布于基片的一侧或者两侧，每对阴极组独立配置一个中频交流电源或者双极脉冲电源；各对阴极组分别包括两个溅射阴极，各溅射阴极分别包括靶材、阴极体和磁铁，靶材固定在阴极体上，阴极体设于基片的侧面，在阴极体内设置多个并排分布的磁铁，各磁铁的两极端面分别与靶材和阴极体内的导磁块垂直连接；相邻两个磁铁之间磁极性相反。
其中，每对阴极组有两种排列形式：
（1）所述阴极组的两个溅射阴极为对向结构形式，即两个溅射阴极正对向分布；两个溅射阴极中的磁铁一一对应，而相对应的两个磁铁中，磁极性相反。
所述各对阴极组并排分布于基片运行通道的侧面，各对阴极组中的两个溅射阴极分别对称位于基片运行通道的两侧；而布置在同一侧相邻的两个溅射阴极内的磁铁磁极相反。该结构的阴极组适用于对基片的双面同时沉积镀膜或两个并排行进的基片同时进行单面沉积镀膜。
（2）所述阴极组中的两个溅射阴极为孪生排列结构，即两个溅射阴极并排设于基片运行通道的同一侧；两个阴极体中的磁铁并排分布，但相邻两个位于不同溅射阴极内的磁铁之间的磁极相反。
所述各阴极组分布于基片运行通道的同一侧，相邻的两对阴极组间，相邻两个溅射阴极的阴极体内的磁铁之间的磁极磁性相同。该结构的阴极对适用于基片的单面沉积镀膜。
所述多个阴极组交叉分布于基片运行通道的两侧，即位于基片两侧的多个溅射阴极呈交叉分布；分别位于基片两侧的相邻两个阴极组中，相邻两个位于不同阴极组内且分别位于基片两侧的磁铁之间，与靶材连接的一端磁极磁性相反。该结构的阴极组适用于单个基片的双面同时沉积镀膜或两个基片同时进行单面沉积镀膜。
所述多个阴极组对称分布于基片的两侧，即位于基片两侧的多个溅射阴极一一对应；位于基片同一侧的相邻两个阴极组中，相邻两个位于不同阴极组内的磁铁之间，与靶材连接的一端磁极磁性相同；分别位于基片两侧且相对应的两个溅射阴极中，相对应的两个磁铁之间，与靶材连接的一端磁极磁性相反。该结构的阴极组适用于单个基片的双面同时沉积镀膜或两个基片同时进行单面沉积镀膜。
所述溅射阴极为平面阴极或圆柱旋转阴极。
本发明通过上述装置实现一种TCO透明导电膜的低温沉积工艺，在真空镀膜室内设置至少一个阴极组，每个阴极组独立设置一个中频电源或双极脉冲电源，各阴极组内分别形成等离子区域，等离子区域为交替的震荡电场和磁场；基片送入真空镀膜室后，等离子区域覆盖基片侧面，等离子区域内的电子实现高速震荡运动并不断轰击基片侧面，对基片表面已沉积的膜层进行电子轰击及表面加热处理。
所述基片为刚性片材或柔性卷材。
传统磁控溅射沉积的原理是：首先在溅射阴极上加入一个高压电场，实现了真空放电即辉光放电，由于磁场约束电子运动的影响，使得电子不断与充入镀膜室的工作气体产生碰撞，从而产生电离，形成稳定的等离子放电；等离子体中的离子在电场的吸引下轰击阴极靶材，实现了靶材的溅射沉积。
本TCO透明导电膜的低温沉积工艺是在传统磁控溅射的基础上进行了调整，其原理是：在单个阴极组中，采用一个中频交流电源或双极脉冲电源同时连接两个溅射阴极，使两个溅射阴极互为正负，从而使得电场和磁场形成交变，将等离子体区域范围拉大。另外，加入非平衡磁场使得闭合磁场不再只局限于单个溅射阴极表面，而是多溅射阴极之间的形成一个大区域的闭环空间磁场，从而进一步扩大了等离子区域。由于等离子区覆盖了基片表面，同时因为交变电场和磁场的作用，使得等离子体区域内的电子实现了高速震荡运动，电子会不断轰击基片的表面，从而实现了对沉积上去的膜层进行电子轰击及表面加热处理，改善了膜层的结晶状态，实现了膜层从非晶结构向微晶化和结晶化的转变，因而膜层的导电性和透光率均有明显的提高，实现了在低温下沉积出高性能的TCO薄膜的目的。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本TCO透明导电膜的低温沉积装置及工艺实现在常温下沉积出高质量的TCO透明导电膜，低温沉积无需在设备内增加大量的加热元器件，设备的制造成本大幅度降低。
本TCO透明导电膜的低温沉积工艺由于不需要进行加热处理，可节省大量的能耗，同时也降低了加工成本。另外，还可以在不耐温基片表面（如PET薄膜等）沉积出高性能的透明导电膜膜层。
本TCO透明导电膜的低温沉积装置相对于传统的高温沉积设备，由于设备结构简化，没有加热器件和专门的冷却装置，因此设备故障率更低，设备的维护更加简单。
本TCO透明导电膜的低温沉积装置及工艺既可应用于玻璃基片的单片单面、单片双面或双片单面的间歇式或连续式镀膜，也可应用于柔性卷材的单面、双面的间歇式或连续式镀膜，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1两个玻璃基片同时进行单面沉积镀膜时的原理示意图。
图2为实施例1单个玻璃基片的双面同时沉积镀膜时的原理示意图。
图3为实施例2的原理示意图。
图4为实施例3的原理示意图。
图5为图4的A局部放大图。
图6为实施例3衍变后，相邻的两对阴极组间，相邻两个溅射阴极的阴极体内的磁铁之间的磁极磁性相反时的原理示意图。
图7为图6的B局部放大图
图8为实施例4的原理示意图。
图9为图8的阴极组放大图。
图10为实施例5的原理示意图。
图11为图10的阴极组放大图。
图12为实施例5衍变后，不同单元之间，相邻两个磁铁磁极相同时的原理示意图。
图13为图12的阴极组放大图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例一种TCO透明导电膜的低温沉积装置，用于单个玻璃基片的双面同时沉积镀膜（如图2所示）或两个玻璃基片同时进行单面沉积镀膜（如图1所示）。
该装置包括多对设于真空镀膜室内的阴极组，各对阴极组分布于基片的两侧，每对阴极组独立配置一个中频交流电源或者双极脉冲电源4；各对阴极组分别包括两个溅射阴极，各溅射阴极分别包括靶材1、阴极体2和磁铁3，靶材固定在阴极体上，阴极体设于基片的侧面，在阴极体内设置多个并排分布的磁铁，各磁铁的两极端面分别与靶材和阴极体内的导磁块垂直连接；相邻两个磁铁之间磁极性相反。
阴极组的两个溅射阴极为对向结构形式，即两个溅射阴极正对向分布，两个溅射阴极分别设于基片5的两侧；两个溅射阴极中的磁铁一一对应，而相对应的两个磁铁中，磁极性相反。
各对阴极组并排分布于基片运行通道的侧面，各对阴极组中的两个溅射阴极分别对称位于基片运行通道的两侧；而布置在同一侧相邻的两个溅射阴极内的磁铁磁极相反。
本实施例的TCO透明导电膜的低温沉积装置中设置两个阴极组，各阴极组内磁极的分布如图1或图2中的N、S标识所示。
本实施例通过上述装置实现一种TCO透明导电膜的低温沉积工艺，在真空镀膜室内设置多个阴极组，每个阴极组独立设置一个中频电源或双极脉冲电源，各阴极组内分别形成等离子区域，等离子区域为交替的震荡电场和磁场；基片送入真空镀膜室后，等离子区域覆盖基片侧面，等离子区域内的电子实现高速震荡运动并不断轰击基片侧面，对基片表面已沉积的膜层进行电子轰击及表面加热处理。
该工艺是在传统磁控溅射的基础上进行了调整，其原理是：在单个阴极组中，采用一个中频交流电源同时连接两个溅射阴极，使两个溅射阴极互为正负，从而使得电场和磁场形成交变（其中，磁场的磁力线如图中的箭头所示），将等离子体区域范围拉大。另外，加入非平衡磁场使得闭合磁场不再只局限于单个溅射阴极表面，而是多溅射阴极之间的形成一个大区域的闭环空间磁场，从而进一步扩大了等离子区域。由于等离子区覆盖了基片表面，同时因为交变电场和磁场的作用，使得等离子体区域内的电子实现了高速震荡运动，电子会不断轰击基片的表面，从而实现了对沉积上去的膜层进行电子轰击及表面加热处理，改善了膜层的结晶状态，实现了膜层从非晶结构向微晶化和结晶化的转变，因而膜层的导电性和透光率均有明显的提高，实现了在低温下沉积出高性能的TCO薄膜的目的。
其中，溅射阴极可为平面阴极，也可为旋转阴极。
实施例2
本实施例一种TCO透明导电膜的低温沉积装置，用于单个玻璃基片的单面沉积镀膜。
如图3所示，该装置包括一对设于真空镀膜室内的阴极组，阴极组分布于基片的一侧，阴极组独立配置一个中频交流电源或者双极脉冲电源4；阴极组分别包括两个溅射阴极，各溅射阴极分别包括靶材1、阴极体2和磁铁3，靶材固定在阴极体上，阴极体设于基片的侧面，在阴极体内设置多个并排分布的磁铁，各磁铁的两极端面分别与靶材和阴极体内的导磁块垂直连接；相邻两个磁铁之间磁极性相反。
阴极组中的两个溅射阴极为孪生排列结构，即两个溅射阴极并排设于基片5的运行通道同一侧；两个阴极体中的磁铁并排分布，但相邻两个位于不同溅射阴极内的磁铁之间的磁极相反。
本实施例的TCO透明导电膜的低温沉积装置中设置单个阴极组，阴极组内磁极的分布如图3中的N、S标识所示。
本实施例通过上述装置实现的TCO透明导电膜的低温沉积工艺及其原理与实施例1相同。
实施例3
本实施例一种TCO透明导电膜的低温沉积装置，用于柔性卷材的单面沉积镀膜。
如图4所示，该装置包括多对设于真空镀膜室内的阴极组，各对阴极组分布于基片的一侧，每对阴极组独立配置一个中频交流电源或者双极脉冲电源4；各对阴极组分别包括两个溅射阴极，各溅射阴极分别包括靶材1、阴极体2和磁铁3，靶材固定在阴极体上，阴极体设于基片的侧面，在阴极体内设置多个并排分布的磁铁，各磁铁的两极端面分别与靶材和阴极体内的导磁块垂直连接；相邻两个磁铁之间磁极性相反。
阴极组中的两个溅射阴极为孪生排列结构，即两个溅射阴极并排设于基片5的运行通道同一侧；两个阴极体中的磁铁并排分布，但相邻两个位于不同溅射阴极内的磁铁之间的磁极相反。
各阴极组分布于基片运行通道的同一侧，相邻的两对阴极组间，相邻两个溅射阴极的阴极体内的磁铁之间的磁极磁性相同。
本实施例的TCO透明导电膜的低温沉积装置中设置两个阴极组，各阴极组内磁极的分布如图4或图5中的N、S标识所示。柔性材料通过水冷辊6进行传送，两个阴极组分布于水冷辊的外周，水冷辊两侧分别设置放卷辊7和收卷辊8。
根据实际需要，上述TCO透明导电膜的低温沉积装置也可调整为：各阴极组分布于基片运行通道的同一侧，相邻的两对阴极组间，相邻两个溅射阴极的阴极体内的磁铁之间的磁极磁性相反，此时各阴极组内磁极的分布如图6或图7中的N、S标识所示。
本实施例通过上述装置实现的TCO透明导电膜的低温沉积工艺及其原理与实施例1相同。
实施例4
本实施例一种TCO透明导电膜的低温沉积装置，用于柔性卷材的双面同时沉积镀膜或两个玻璃基片同时进行单面沉积镀膜。
如图8所示，该装置包括多对设于真空镀膜室内的阴极组，阴极组分布于基片的两侧，每对阴极组独立配置一个中频交流电源或者双极脉冲电源4；各阴极组分别包括两个溅射阴极，各溅射阴极分别包括靶材1、阴极体2和磁铁3，靶材固定在阴极体上，阴极体设于基片的侧面，在阴极体内设置多个并排分布的磁铁，各磁铁的两极端面分别与靶材和阴极体内的导磁块垂直连接；相邻两个磁铁之间磁极性相反。
阴极组中的两个溅射阴极为孪生排列结构，即两个溅射阴极并排设于基片5的运行通道同一侧；两个阴极体中的磁铁并排分布，但相邻两个位于不同溅射阴极内的磁铁之间的磁极相反。
多个阴极组交叉分布于基片运行通道的两侧，即位于基片两侧的多个溅射阴极呈交叉分布；分别位于基片两侧的相邻两个阴极组中，相邻两个位于不同阴极组内且分别位于基片两侧的磁铁之间，与靶材连接的一端磁极磁性相反。
本实施例的TCO透明导电膜的低温沉积装置中设置两个阴极组，各阴极组内磁极的分布如图8或图9中的N、S标识所示。柔性材料通过多个水冷辊6进行传送，两个阴极组分布于水冷辊的两侧，位于水冷辊两侧的溅射阴极交叉分布，多个水冷辊的两外侧分别设置放卷辊7和收卷辊8。
根据实际需要，上述TCO透明导电膜的低温沉积装置也可调整为：多个阴极组对称分布于基片的两侧，即位于基片两侧的多个溅射阴极一一对应；位于基片同一侧的相邻两个阴极组中，相邻两个位于不同阴极组内的磁铁之间，与靶材连接的一端磁极磁性相同；分别位于基片两侧且相对应的两个溅射阴极中，相对应的两个磁铁之间，与靶材连接的一端磁极磁性相反。
本实施例通过上述装置实现的TCO透明导电膜的低温沉积工艺及其原理与实施例1相同。
实施例5
本实施例一种TCO透明导电膜的低温沉积装置，用于柔性卷材的双面同时沉积镀膜或两个玻璃基片同时进行单面沉积镀膜。
如图10所示，该装置包括多对设于真空镀膜室内的阴极组，阴极组分布于基片的两侧，每对阴极组独立配置一个中频交流电源或者双极脉冲电源4；各阴极组分别包括两个溅射阴极，各溅射阴极分别包括靶材1、阴极体2和磁铁3，靶材固定在阴极体上，阴极体设于基片的侧面，在阴极体内设置多个并排分布的磁铁，各磁铁的两极端面分别与靶材和阴极体内的导磁块垂直连接；相邻两个磁铁之间磁极性相反。
阴极组的两个溅射阴极为对向结构形式，即两个溅射阴极正对向分布，两个溅射阴极分别设于基片5的两侧；两个溅射阴极中的磁铁一一对应，而相对应的两个磁铁中，磁极性相反。
各对阴极组并排分布于基片运行通道的侧面，各对阴极组中的两个溅射阴极分别对称位于基片运行通道的两侧；而布置在同一侧相邻的两个溅射阴极内的磁铁磁极相反。
本实施例的TCO透明导电膜的低温沉积装置中设置4个阴极组，各阴极组内磁极的分布如图10或图11的N、S标识所示。柔性材料通过多个导向辊9进行传送，两个阴极组分布于基片的两侧，位于基片两侧的溅射阴极一一对称，多个导向辊的两外侧分别设置放卷辊7和收卷辊8。
根据实际需要，上述TCO透明导电膜的低温沉积装置也可调整为：4个阴极组分为2个单元。同一个单元内，布置在同一侧相邻的两个溅射阴极内的磁铁磁极相反；不同单元之间，布置在同一侧相邻的两个磁铁磁极相同。此时各阴极组内磁极的分布如图12或图13的N、S标识所示。
本实施例通过上述装置实现的TCO透明导电膜的低温沉积工艺及其原理与实施例1相同。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (10)
1.TCO透明导电膜的低温沉积装置，其特征在于，包括至少一对设于真空镀膜室内的阴极组，各对阴极组分布于基片的一侧或者两侧，每对阴极组独立配置一个中频交流电源或者双极脉冲电源；各对阴极组分别包括两个溅射阴极，各溅射阴极分别包括靶材、阴极体和磁铁，靶材固定在阴极体上，阴极体设于基片的侧面，在阴极体内设置多个并排分布的磁铁，各磁铁的两极端面分别与靶材和阴极体内的导磁块垂直连接；相邻两个磁铁之间磁极性相反。
2.根据权利要求1所述TCO透明导电膜的低温沉积装置，其特征在于，所述阴极组的两个溅射阴极为对向结构形式，即两个溅射阴极正对向分布；两个溅射阴极中的磁铁一一对应，而相对应的两个磁铁磁极性相反。
3.根据权利要求2所述TCO透明导电膜的低温沉积装置，其特征在于，所述各对阴极组并排分布于基片运行通道的侧面，各对阴极组中的两个溅射阴极分别对称位于基片运行通道的两侧；而布置在同一侧相邻的两个溅射阴极内的磁铁磁极相反。
4.根据权利要求1所述TCO透明导电膜的低温沉积装置，其特征在于，所述阴极组中的两个溅射阴极为孪生排列结构，即两个溅射阴极并排设于基片运行通道的同一侧；两个阴极体中的磁铁并排分布，但相邻两个位于不同溅射阴极内的磁铁之间的磁极相反。
5.根据权利要求4所述TCO透明导电膜的低温沉积装置，其特征在于，所述各阴极组分布于基片运行通道的同一侧，相邻的两对阴极组间，相邻两个溅射阴极的阴极体内的磁铁之间的磁极磁性相同。
6.根据权利要求4所述TCO透明导电膜的低温沉积装置，其特征在于，所述多个阴极组交叉分布于基片运行通道的两侧，即位于基片两侧的多个溅射阴极呈交叉分布；分别位于基片两侧的相邻两个阴极组中，相邻两个位于不同阴极组内且分别位于基片两侧的磁铁之间，与靶材连接的一端磁极磁性相反。
7.根据权利要求4所述TCO透明导电膜的低温沉积装置，其特征在于，所述多个阴极组对称分布于基片的两侧，即位于基片两侧的多个溅射阴极一一对应；位于基片同一侧的相邻两个阴极组中，相邻两个位于不同阴极组内的磁铁之间，与靶材连接的一端磁极磁性相同；分别位于基片两侧且相对应的两个溅射阴极中，相对应的两个磁铁之间，与靶材连接的一端磁极磁性相反。
8.根据权利要求1所述TCO透明导电膜的低温沉积装置，其特征在于，所述溅射阴极为平面阴极或圆柱旋转阴极。
9.根据权利要求1～8任一项所述装置实现一种TCO透明导电膜的低温沉积工艺，其特征在于，在真空镀膜室内设置至少一个阴极组，每个阴极组独立设置一个中频电源或双极脉冲电源，各阴极组内分别形成等离子区域，等离子区域为交替的震荡电场和磁场；基片送入真空镀膜室后，等离子区域覆盖基片侧面，等离子区域内的电子实现高速震荡运动并不断轰击基片侧面，对基片表面已沉积的膜层进行电子轰击及表面加热处理。
10.根据权利要求9所述TCO透明导电膜的低温沉积工艺，其特征在于，所述基片为刚性片材或柔性卷材。
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| 葛袁静等: "《等离子体科学技术及其在工业中的应用》", 31 January 2011, 中国轻工业出版社 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103436844A (zh) * | 2013-08-19 | 2013-12-11 | 肇庆市腾胜真空技术工程有限公司 | 一种低温沉积柔性基材ito膜镀膜装置及方法 |
| CN105986236A (zh) * | 2016-06-27 | 2016-10-05 | 广东腾胜真空技术工程有限公司 | 一种低温沉积磁控溅射镀膜装置及方法 |
| CN111793785A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-10-20 | 隆基绿能科技股份有限公司 | Tco薄膜的生产方法及磁控溅射镀膜机 |
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| CN103184422B (zh) | 2015-07-22 |
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