[发明专利]一种透明导电氧化物薄膜制备设备及方法

说明书

技术领域

本发明涉及透明导电氧化物薄膜，特别涉及透明导电氧化物薄膜的制备设备及方法。

背景技术

透明导电氧化物(TCO)薄膜同时具有可见光范围内的透明性和良好的导电性的独特性质，因此，作为透明电极而被广泛应用于光电器件领域，如平板显示器和太阳能电池等。现有制备透明导电氧化物薄膜的技术很多，包括蒸镀、溅射、以及脉冲激光淀积等。其中溅射技术为工业界大规模采用的主导技术。

溅射技术通常使用作为阳极的衬底或基板和作为阴极的金属或化合物靶，在几毫托或更低压强的溅射气体，比如氩气中，使它们之间发生辉光放电，产生等离子体，电离的氩正离子与阴极靶碰撞，使靶中的粒子脱落沉积在衬底或基板上形成膜。而在靶后放置磁铁，将等离子体集中到靶附近，以改进等离子体的碰撞速率的溅射技术通常被称之为“磁控溅射技术”，其具有较高的沉积速率和较低的能耗。

如果采用金属靶作为阴极，向真空室引入一些反应气体如氧气或氮气，被溅射出来的金属原子和反应气体在基板处反应形成金属氧化物或氮化物薄膜，这样的溅射技术通常被称为“反应溅射技术”。其中，氧气是反应气体，氩气是溅射气体。

在“反应溅射”的沉积过程中，阴极(金属靶)和阳极(衬底或基板)很容易被氧化而产生阳极“消失”和阴极“中毒”问题，这不仅降低了沉积效率，而且处在阴极表面的氧化物颗粒很容易引起“起弧”现象，从而影响了系统运行的稳定性。另外，溅射放电电压受氧气流量影响很大，附图1所示为放电电压和氧气流量的函数关系，可以看出，在不同的氧气流量下，放电电压存在“迟滞”现象。这对系统的运行带来了不稳定因素。究其原因主要是金属靶表面被充实在真空室内的氧气氧化后，在阴极表面形成的氧化物对溅射起到了抑制作用。当引入氧气流量较低时，放电电压较高，即溅射的金属离子要明显多于氧气量，所形成的氧化物薄膜导电性有余而透光率不足，氧化物薄膜更接近金属；然而，当氧气量较高时，氧化物导电性较差，保持较高的透光率，氧化物薄膜更接近半导体特点。要同时兼顾导电性和透光率，氧气流量必须处于所谓的过渡阶段。而从图1可以看出，存在两个过渡阶段。这给工艺控制带来了巨大的挑战。

实践中，为了解决上述这些问题，一方面需要建立各种实时等离子体监测和快速反馈技术来控制氧气流量和稳定等离子体；另一方面，需要建立相应的“消弧”电路。所有这些技术的应用，不仅增加了设备的复杂程度，更增加了设备造价。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一个结构简单，成本低廉，效果优良的制备透明导电氧化物薄膜的设备与方法。

为实现上述技术目的，本发明提供的透明导电氧化物薄膜制备设备采用如下技术方案：一种透明导电氧化物薄膜制备设备，包括：带有抽真空系统和进气系统的封闭反应室；在封闭反应室内设有可运动或旋转的基板架，并配有加热器与挡板；与基板架相对设置的溅射源；其不同之处在于，在基板架与溅射源之间还设有氧离子源。

其中，所述氧离子源与基板架中心角度在0到180度范围内可调。

其中，所述氧离子源为Kaufman型离子源、End-Hall型离子源、ECR等离子体源、射频放电等离子体源中之一。

其中，所述氧离子源可加设加速栅或缓冲栅。

独立氧离子源的离子束能量由放电电压或放电功率控制，离子束密度由放电电流控制。氧离子能量范围为0到500电子伏可调，离子束流为0到100毫安/平方厘米可调。

其中，所述溅射源可采用单、双阴极和多阴极溅射源，视具体镀膜要求而定，分别由独立的电源控制，所述电源功率范围根据靶材尺寸可调，溅射所需要的功率密度一般为2-50瓦/平方厘米。

所述溅射源，是直流溅射源；直流磁控溅射源；脉冲直流溅射源；脉冲直流磁控溅射源中之一。

所述溅射源是射频溅射源；射频磁控溅射源；交流溅射源；交流磁控溅射源中之一，其工作频率范围为13.56MHz或0.5到400KHz。优选工作频率范围为：10-100KHz。

其中，所述溅射源采用孪生靶或对靶，在中频磁控溅射中实现均匀镀膜。

其中，所述溅射源采用移动靶或旋转靶。

其中，所述封闭反应室由奥氏体不锈钢或非磁性材料制作，可以是卧式或立式。封闭反应室的抽真空系统由机械泵和分子泵或低温泵组成。

其中，所述加热器，其温度可调，基板加热温度范围为室温到500度。

本发明提供的透明导电氧化物薄膜制备方法，采用如下技术方案：

一种透明导电氧化物薄膜制备方法，包括如下步骤：