CN1317422C - 透明导电膜的等离子体增强化学气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“透明导电膜的等离子体增强化学气相沉积设备”，属于光电功能材料的规模化生产设备。本发明为实施特殊金属氧化物薄膜的制造技术，着重解决大面积薄膜的性能优良，厚度均匀及废气排放等问题。其特点在于设置了特殊的均压喷口，用接地电极对射频电极进行充分的屏蔽、安装冷阱捕集反应废气。本发明适用于多种氧化物薄膜的大面积制造。

Description

透明导电膜的等离子体增强化学气相沉积设备

技术领域

本发明属于光电功能材料的规模化生产设备

二、背景技术

透明导电膜是一种应用范围日益广泛的光电功能材料，在太阳电池和显示器上的应用尤其重要。目前，有较为常用的透明导电膜为ITO、SnO₂、ZnO、CdSnO₄等，制备的方法是磁控溅射、低压化学气相沉积、常压化学气相沉积、喷涂热分解等。这些方法已能用于大生产，因此已有实施这些方法的大型设备。

磁控溅射方法制备的透明导电膜在透过率、电导率、均匀性上都是最好的。但是这种方法沉积速率低，制造成本高，制造大面积的靶也很困难。低压化学气相沉积和常压化学气相沉积所制备的透明导电膜的质量良好，但沉积温度较高，大面积上的均匀性也不易解决。喷涂热分解(包括超声喷雾热分解)是正在发展的一项技术，就目前的水平看，膜的质量还不够稳定，厚度不够均匀，膜的表面也不够平整。

另一方面，等离子体增强化学气相沉积技术已用于沉积非晶硅、多晶硅、碳化硅薄膜。但用于沉积透明导电膜还是一种新技术。这种技术的依据是下列反应

上述反应中有些可以在室温下进行，但要生成品质好的氧化物薄膜，则反应温度和沉积温度一般高于500℃。等离子体的作用在于促进上述反应的进行，使之在衬底温度较低时，也能沉积出品质优良的透明导电膜。配合衬底温度的改变，可以分别沉积出多晶的薄膜，纳米晶的薄膜和非晶的薄膜。它们的性质，特别是电学性质和光学性质会有很大的变化。

在现有的等离子体增强化学气相沉积设备中，沉积大面积薄膜的技术已经解决，在规模化生产上，采取了两种方法，一是一次沉积一片样品的多室系统，每个室有不同的功能，如预真空、预热、沉积、降温等等。这样的设备复杂系数较高，造价高。另一种方法是一室多片系统，现每对电极得有一个射频电源和匹配器，设备也较昂贵。

三、发明内容

本发明的目的是设计一台用等离子体增强化学气相沉积方法，能沉积大面积透明导电膜，并适合于规模化生产的设备。

本发明透明导电膜等离子体增强化学气相沉积设备的结构如图1所示。A1是真空室，B1、B2、B3是板状加热器。C1和C2是电极，接地。D1和D2是绝缘板。E1和E2是电极，接射频高压。加热板B3在长和宽上都等于或小于加热板B1和B2；电极E1和E2在长和宽上都小于绝缘板D1和D2，且D1和D2应将高频电极E1和E2的边缘包裹住。S是样品。板状加热器B1和B2或电极C1和C2的位置可以在水平方向调整，以分别改变与高压射频电极E1与E2的间距。F1和F2为均压腔，它们分别有进气口G1和G2，对于通常的化学汽相沉积，通过G1和G2进入这两个腔内的是同一种气体。如图2所示，这两腔的内壁的上半部有一排小孔，反应气体通过小孔进入电极上的空间K。F1的F2之间，是均压腔F3，F3的上部有进气口H；另一种反应气体经由F3进入空间K。因此，实际上，K是一个开口的混气室。M1、M2和M3分别为热电偶。

I1为真空室的抽气口，L1为截止阀，J为冷阱。反应后的废气经过冷阱J后，再进入真空泵。冷阱的作用很重要。上面的反应式表明，对某些反应，要生成HCl。这是一种活泼的气体，在高温下有较强的腐蚀性，为此首先要把它的温度尽可能地降下来，然后排出或处理；甚至固化在冷阱中，然后再处理。JQ为收集器。

这里所述的系统的特点是用单室结构一次沉积4个样品。但是在破坏真空、装入样品、获取真空、样品加热等辅助过程要耗去相当长的时间，使制造的效率降低。为此，本发明再提出一种两室的结构，如图3。真空室A2及其内部配置和真空室A1及内部配置完全相同。对A2，抽气口为I2，经截止阀L2进入冷阱J。这样，本发明的两室结构，不存在传动样品的机构，但共用一个射频电源，共用一个冷阱和机械泵。在使用时，当A1工作时，A2处于取、装样品和等待状态；接下来，A2工作时，A1处于取、装样品和等待状态。这样，只增加一个相同的反应室，使产生效率提高了一倍。

本发明有如下优点：

1、发展了一种制造透明导电膜的设备。这种设备所使用的技术是等离子体增强化学气相沉积。这种技术比起现有技术如溅射、低压化学气相沉积、常压化学气相沉积来，具有沉积温度低、电阻率更高(由于薄膜是非晶结构)、厚度更均匀等优点。

2、有专门设计的进气喷口，加上均匀的辉光放电的作用，保证了所制备薄膜的均匀性。

3、采用了低温冷阱收集废气，保护了后续设备和环境。

4、本设备结构相对简单而样品的生产效率高。特别是双反应室系统，不用复杂的传动机构，最有效地利用射频电源和真空系统，使生产效率提高了一倍。

四、附图说明

图1为本发明的基本结构

图2为本发明的进气喷口结构

图3为本发明两反应室系统的基本结构

图4为本发明的进气喷口的另一种结构

五、具体实施方式

实施例1：如图1所示，真空室A1用碳钢制造，形成普通箱式镀膜机结构，正面开门。板状加热器B1、B2和B3是一种与真空隔绝的加热装置，即其所有电接头都不裸露在真空室内，以避免造成低气压放电。电极C1、C2、E1和E2为2～4mm厚的不锈钢板。电极E1和E2应与样品的衬底有相同的形状，其尺寸略大于后者。绝缘板D1和D2用刚玉瓷制造，厚度2～3mm，表面应平整，但无须成镜面。整个电极系统的尺寸示例如下：样品尺寸300×400×3mm³，电极E1和E2的尺寸为300(高)×400(长)×3mm³，D1和D2的尺寸为346(高)×446(长)×3mm³，板状加热器面积为346(高)×446(长)mm²，装上样品后，样品表面间距S在8～100mm间可调，接地电极C1和C2的尺寸为350(高)×450(长)×3mm³。

板状加热器的功率按如下温度要求设定：电极温度为350℃，样品表面温度为250℃。

如图2所示，反应气体进气喷口用不锈钢制造。实际上是由相互平行的三个腔组成复合均压喷头。侧面大体为一个等腰直角三角形加一个矩形。具体尺寸如图所示：d＝440mm，h＝60mm，l＝220mm。剖面可见由三个腔组成，三个腔的总宽度与图1中电极C1和C2间距相当，即k＝100mm左右。三个腔下底面均有喷口，喷口的分布由仰视图表示，中腔的喷孔处于两边腔喷口所形成四方形的中心。以增加两种反应气体接触的面。孔直径为b＝4mm，孔间距a＝8mm。

冷阱J用液氮作工作物质。反应室排的气体之一HCl的凝固点为-114.8℃，可在冷阱中固化而不进入真空泵和大气。在反应结束后，HCl在-114.8℃和-84.9℃之间时成液态而流入收集器JQ。JQ与J用快速密封接头连接，可将JQ取下用水清洗干净，后再安装还原。

实施例2：在实施例1中，真空室由真空罩和底板组成。在真空被坏后，真空罩由一提升装置提起。

电极E1和E2的面积大于样品面积的2倍、3倍、4倍或更多倍。在样品面积为300×400mm²的情况下，电极E1和E2的面积为440×640mm²。电极C1和C2的面积为480×680mm²。在放置样品时，两样品紧靠在一起，不留间隙。均压喷头的结构形状与实施例1相同。d应略长于600mm，且应保持l＝d/2。圆形喷孔的直径与间距可以保持不变而需相应增加数目。为了改善均匀性，均压喷头可以将三个腔改成5个腔迭合而成，其结构如图4所示H、G3、G4、G5、G6均为反应气体进气口，而G5、G6也可以引入不参与反应的保护气体。用这种结构，一次可沉积8块样品，或沉积更多的样品。

实施例3：在实施例1中，加热器B1、B2和B3均可去掉。因此，绝缘板D1和D2也可去掉，电极E1和E2合并成一个电极板。这样的装置适用于无须对衬底加热的沉积过程。冷阱J由氟里昂制冷或磁制冷。

实施例4：在实施例2中，为了提高生产效率，采取了扩大电极面板的办法。但是，这会给样品的均匀性带来问题。因此，可采取另一种办法，即根据实施例1，多造一个反应室，两个反应室的结构与尺寸和实施例1中A1的完全相同，如图3所示。反应气体气路各自独立。废气出口I1和I2分别经阀门L1和L2后汇集于一个气路再进入冷阱J。射频电源也只用一套，可分别切换到反应室A1和A2。如果，两个反应室内的几何配置完全相同，射频电源的适配器也可以是一个。当左边的反应室在工作时，射频电源切换到A1，开I1和L1，关I2和L2；右边的反应室进行取放样品的操作。当右边的反应室在工作时，射频电源切换到A2，开I2和L2，关I1和L1；左边的反应室进行取放样品的操作。

Claims (5)

1、一种制备透明导电膜的设备，其特点是一套实施离子体增强化学气相沉积技术的、具有射频高压电源和真空反应室的系统，真空反应室内安装的射频高压电极及接地电极能够被加热，在电极的上方安装一个使反应气体能均匀地进入电极之间的均压喷头，反应室与真空泵之间有一个处理反应尾气的冷阱。

2、如权利要求1所述的制备透明导电膜设备，其特征是在反应室和真空泵之间的尾气处理装置是一个冷却处理反应室废气的冷阱，冷阱底部有一个可拆卸的液体收集器。

3、权利要求1所述的制备透明导电膜设备，其特征是在电极上方有一个用以引入反应气体的均压喷头，其外形是一个正放的等腰三角形，由3个或5个形状、大小相同的均压腔迭合而成，各个均压腔互相隔离，其底部有一串均匀分布的喷孔，反应气体从喷孔喷出后才得以混合。

4、权利要求1所述的制备透明导电膜设备，其特征是两块接地电极的背面有与它形状与大小基本相同的板状加热器，在此两块接地电极之间的射频高压电极由两块平行的不锈钢板并联而成，其间装有与之电绝缘的板状加热器。

5、权利要求1所述的制备透明导电膜设备，其特征是具有两个真空反应室，两个真空反应室各通过一个开关共同联结到一套射频电源上，还各通过一个截止阀共同连接到一个处理尾气的冷阱和一个真空泵上，轮流实施等离子体增强化学气相沉积过程。