磁控溅射法沉积TCO薄膜的电源技术

在此基础上，通过采用补偿技术，可进一步减少灭弧后残余能量的影响，精细优化镀膜质量。

目前主要有3种不同的电弧监测方法[13]：

(1)基于弧光放电电流探测的检测方法

在输出电流Iout超过用户设定电流阈值Ix时作出反应(图3)。侦测时间取决于设定的阈值，通常为300ns。关断时间大约为1.5μs。中断时间和恢复时间可以分别设定在0ms~80ms或者0ms~100ms。

图3 基于电流检测弧光放电的原理图

(2)基于弧光放电时的电压检测方法

当电压超过用户设定的阈值时监测器开始工作，电压低于用户设定的阈值时监测器触发。

(3)基于电压电流结合的检测方法

当输出电压低于用户设定的电压阈值而电流高于用户设定的电流阈值时监测器工作。

在快速检测和切断灭弧的系统基础上，电源具备灭弧补偿技术可进一步提升工艺的可靠性。这种技术的基本原理，是当电弧被检测到以及关断电源以后，给电源电缆施加一个正电压，使电缆上的负电压很快消失，可以进一步减小监测出电弧以后传送到溅射阴极上的剩余能量，优化镀膜质量。

如图4所示，为一种灭弧补偿装置的原理。在正常工作时，电容C被充电。发生电弧时，快速切换开关SS打开，电容对电缆施加一个正的电压。电源与阴极之间的感应能量可以通过公式E=(LI2)/2计算出来。假设电缆电感为每米L=1μH，那么对10m长的电缆和电流为I=100A的电弧，能量为50mJ。

图4 灭弧补偿装置原理示意图

增加补偿装置以后的电弧监测系统可以再实现快速关断的同时，显著减小电弧能量到1mJ/kW以下。

Dirk Ochs等人实验研究了采用补偿装置的电源在镀AZO薄膜过程的实际效用。如图5所示，在AZO溅射过程中的一次电弧发生时，电流从工艺中的10A上升到约30A。大约2μs后电源关断，电流下降。又过了7μs后电流下降到大约0A。具备补偿装置的电源其电流下降得更迅速。电流下降到零的时间不足1μs。这样显著减小了输送到电弧的能量，使其低于1mJ/kW。

图5 电弧发生时具备补偿装置(CL)及不具备补偿装置的电流波形对比

在同样的工艺下，Dirk Ochs[14]对具备灭弧补偿功能的直流电源和普通脉冲电源(脉冲电源的频率为50kHz，占空比为75%)进行了对比。在玻璃上沉积460nm厚的AZO膜层并检测其透光率。结果显示，对应两种工艺的透光率完全一样。两种样品都在真空下350℃退火15min，退火后，短波段下的透光率稍微上升，而长波段的透过率下降。同样，两种工艺下的结果一样。两种沉积工艺下的电阻率对比也显示了相似的结果。

因此，采用有效的快速电弧关断恢复技术的新型直流电源技术，相比脉冲直流电源技术性能相当，成本更低，具备广阔的发展空间。

这种技术的主要缺点是，仍然无法解决传统磁控溅射过程溅射物质离化率低，成膜质量一般，不具备复杂结构表面镀膜功能的弱点。此外，由于大功率化制造成本较高，可靠性较低，也制约了其大功率化发展。

3.2模块化磁控溅射电源

为了提高磁控溅射电源性能，同时降低成本、提高系统可靠性和降低设备的稼动率，业界采用了电源模块化的概念。电源系统可按单台20kw或30kw或其它功率值设计成一个模块。模块之间组合堆栈(主/从设计)。各模块机架可完全分离，便于用户以后的扩容或减容，使用非常方便，故障处理简单方便，有利于提高生产效率。

模块化技术的引入，进一步的推广了磁控溅射电源的应用。

3.3 HPPMS专用脉冲直流电源

上文介绍的各种磁控溅射电源虽然都有不少优点，但始终无法解决传统磁控溅射过程中溅射物质原子的离化率极低的弱点。

高功率脉冲磁控溅射技术(HPPMS)[15]是近年来新兴的重要发展方向，它通过HPPMS专用电源可以大幅提升溅射物质原子的离化率[16][17]。通过外加电场和磁场可大幅增强对溅射物质成膜工艺过程的精确控制，可以制备更加精细可靠的薄膜，可以实现更复杂结构外表的全方位可控镀膜，同时，充分有效的离子轰击衬底，可实现低温镀膜，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