專利名稱：透明導電薄膜的常溫大面積沉積生產工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能以及其他透明導電薄膜應用等技術領域，尤其是涉及一種透明導電薄膜的常溫大面積沉積生產工藝。
背景技術：
透明導電薄膜是一類既透明又導電的特殊功能性薄膜，目前主要由In、Sn、Sb、Zn 和Cd等的摻雜氧化物以及由In、Sn、Sb、Zn和Cd等的氧化物與Ag、Au等貴金屬薄膜相混合組成。他們具有禁帶寬、可見光譜區(qū)內光的透射率高和電阻率低等共同的光學和電性能， 目前廣泛用于顯示器、各種光電電子器件、觸摸屏、防輻射、建筑的節(jié)能保溫、交通工具上的防霧除霜和太陽能等眾多領域。透明導電薄膜的工業(yè)化生產通常采用物理氣相沉積法或者化學氣相沉積法制備。無論是采用物理氣相沉積的方法制備透明導電薄膜還是采用化學氣相沉積的方法沉積透明導電薄膜，其最終都是確保所沉積的透明導電薄膜在和所用的基體有足夠的附著強度的前提下，滿足不同的光學和電性能。除了以上對透明導電薄膜產品的基本要求之外，在不同的應用領域中，很多應用都對透明導電薄膜的組成、結構和缺陷等都提出了自己的特殊要求，而這些具體的不同要求都和透明導電薄膜的微觀結構緊密相聯(lián)系。透明導電薄膜的微觀結構是直接與薄膜的沉積方法、沉積設備、沉積工藝、沉積時的工作狀況和環(huán)境條件以及所用的沉積材料密切相關的。而為了滿足對透明導電薄膜的不同要求，以上在透明導電薄膜沉積時眾多要素是難于絕對的統(tǒng)一一致的，甚至有些很苛刻的獨特的沉積條件也是無法達到的。因此，幾乎所有的工業(yè)化透明導電薄膜的生產，在追求最便利和效益的前提下，通過提高薄膜沉積的溫度來實現(xiàn)滿足對透明導電薄膜產品的不同要求。另外，當采用化學氣相沉積方法制備透明導電薄膜時，由于首先要滿足所用原料的化學反應條件，一般都必須要加熱到一定的溫度。目前物理氣相沉積法制備透明導電薄膜多在真空條件下，加溫到350°C — 400°C左右，而化學氣相沉積法制備透明導電薄膜更要加溫到500°C以上。過多的加熱不僅消耗大量的能源，增加成本，對生產設備也提出許多的苛刻的要求。同時，由于在薄膜制備時始終處于高溫的狀況下，也就極大的限制了薄膜沉積所用基體材料的選用范圍，使得很多價格合理的高透明材料不能作為透明導電薄膜的基體運用，也就相應的提高了透明導電薄膜產品的成本和價格，而且更加限制了透明導電薄膜產品的應用范圍。并且，在薄膜制備時始終處于高溫的狀況下，也會促使薄膜沉積所用基體材料的變形，改變了薄膜沉積所用基體材料的某些物理和化學性能，降低了透明導電薄膜產品的成品率。高溫設備的操作也給生產安全帶來問題，會留下對生產一線人員生命保護和生產設備維護的不可預知的隱患。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種透明導電薄膜的常溫大面積沉積生產工藝，該工藝適合工業(yè)化自動連續(xù)磁控濺射生產線，可在不同的材質的基體上，大面積連續(xù)濺射批量生產不同類型的多種透明導電薄膜產品。為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案
本發(fā)明的透明導電薄膜的常溫大面積沉積生產工藝是，在真空腔體內充入惰性氣體與其他氣體的混合氣體或僅充入為惰性氣體，通過所述混合氣體或惰性氣體氛圍內的低壓等離子體氣體放電，在基體上形成透明導電薄膜，所使用的鍍膜設備是基于非平衡磁場連續(xù)磁控濺射鍍膜設備，該設備的磁極之間磁場強度互不相等構成非平衡磁場的布置形式；靶材與基體的距離為15-25cm ；作用在沉積靶材上的沉積電流控制在40 50A，相應的沉積電壓為390 420V ；流入真空腔體的惰性氣體流量為250 380sCCm，采用混合氣體時，流入真空腔體的其他氣體的流量為流入真空腔體的惰性氣體流量的3 5%，其他氣體可以是氧氣、氫氣等氣體中的一種或多種混合物；通過所述的物理氣相沉積的工藝參數(shù)的優(yōu)化，并采用非平衡磁場布置形式促使形成透明導電薄膜的材料可以最大可能的按要求沉積在基體的表面。進一步，在所述真空腔體內安裝可自由拆卸擋板形成雙通道。進一步，所述的沉積的靶材與基體之間的距離應保持在20 Cm。進一步，所述的惰性氣體的流量為300sCCm。進一步，所述的電壓最好為400V。本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明的工藝是采用的常溫物理氣相沉積方法制備透明導電薄膜的優(yōu)化磁控濺射技術，實際生產時是在室溫的條件下，利用自主設計的工業(yè)化自動連續(xù)磁控濺射生產線，主要是通過低氣壓等離子體的非均勻放電性形式，這種低氣壓等離子體的非均勻放電性形式是通過改善物理氣相沉積的工藝參數(shù)和采用更加合理的設備結構以及經過優(yōu)化的磁場布置形式等多種技術和理論的綜合，促使形成透明導電薄膜的材料可以最大可能的按要求沉積在基體的表面。本發(fā)明采用的常溫大面積工業(yè)化均勻沉積透明導電薄膜技術，可在不同的材質的基體上，大面積連續(xù)濺射批量生產不同類型的多種透明導電薄膜產品，所鍍的產品能滿足各相關應用領域對透明導電薄膜的不同光學和電性能的獨特要求。在通常的物理氣相沉積薄膜中，沉積的靶材與基體之間的距離是一個很重要的工藝參數(shù)，這個距離是否合適，很大程度上決定了所沉積的薄膜的微觀結構、薄膜缺陷狀況、 薄膜與基體的附著力的大小和薄膜的其他物理化學性能是否合乎要求。而在現(xiàn)有的工藝中，由于設備制造商是不知道使用者需要沉積的薄膜的類型，這一距離是固定不可調節(jié)的， 并且，通常取得不一定很合理，根據(jù)在常溫的條件下工業(yè)化大規(guī)模連續(xù)均勻沉積透明導電薄膜的要求，根據(jù)大量的理論分析和試驗，在多種不同的基體材料上，沉積滿足不同光學和電性能的多類型的透明導電薄膜產品的優(yōu)化后的沉積的靶材與基體之間的距離的合理范圍。為了在常溫的條件下工業(yè)化大規(guī)模連續(xù)均勻沉積透明導電薄膜，沉積的靶材與基體之間的距離應保持在20 cm,并且有5 cm左右的調節(jié)范圍。以適應不同的設備上沉積不同透明導電薄膜的需求。在物理氣相沉積中，各種工藝氣體的流量控制和配氣分布也對所沉積的薄膜的結構和性能有重要影響。其中的惰性氣體不僅是等離子體的發(fā)生源，而且其流量的大小也與沉積功率相互互動，并影響到所沉積的薄膜的致密性。其他類的工藝氣體，如氧氣、氫氣等，是作為薄膜成分中的一部分而加入，并且對透明導電薄膜的光學和電性能有很大的影響， 這些工藝氣體流量控制有時直接決定透明導電薄膜的光學透過率和薄膜的方塊電阻的大小。根據(jù)在常溫的條件下工業(yè)化大規(guī)模連續(xù)均勻沉積透明導電薄膜的要求，依照不同的設備和產量，其中惰性氣體的流量可選取300sCCm，并且應由50 - SOsccm的調節(jié)范圍，其他工作氣體則應根據(jù)實際要求配置，通常應取惰性氣體流量的3% - 5%。物理氣相沉積薄膜的功率大小是對所沉積的薄膜的微觀結構、薄膜缺陷狀況、薄膜與基體的附著力的大小和薄膜的其他物理化學性能具有決定作用的要素之一。薄膜沉積時的功率足夠，所沉積的薄膜微觀致密，缺陷少，薄膜與基體的附著力牢固，薄膜的各項物理化學性能高。但過高的沉積功率也會傷及沉積后的薄膜，功率過低則沉積的薄膜微觀疏松，缺陷多，薄膜與基體的附著力差。薄膜沉積的功率控制，通常是通過作用在沉積靶材上的電流和電壓體現(xiàn)的，在常溫的條件下工業(yè)化大規(guī)模連續(xù)均勻沉積透明導電薄膜，作用在沉積靶材上的電流應該在40 - 50A,而相應的電壓在400V左右。在雙通道之間安裝可以自由裝配的擋板機構，使得在真空腔體的兩個不同的通道能夠在不同的基體上沉積相同的薄膜時以及在相同的基體上沉積相同的薄膜時，隔絕背饒射的現(xiàn)象，提高沉積薄膜的品質。本發(fā)明中非平衡(閉合或非閉合)磁場的布置形式所作的基本改動就是使磁極之間的磁場強度由幾乎相等而改為磁場強度不相等，磁極之間的磁場強度差別越大就越不平衡。由于磁極間的磁場強度不相等，只有一部分磁力線能夠穿過中心磁極得到閉合，但另一部分非閉合的磁力線則發(fā)散開來，而且通過基體。濺射產生的部分二次電子將不再局限于靶的附近，并沿著擴散開來的磁力線朝著基體旋轉飛行，在薄膜沉積的整個過程中，基體表面都將受到氣體離子的穩(wěn)定轟擊。由于磁極間的磁場強度不相等，只有一部分磁力線能夠穿過中心磁極得到閉合，但另一部分非閉合的磁力線則發(fā)散開來，擴展了磁場分布的范圍， 可以改進薄膜的質量提高薄膜的密度和粘附性(特別是當薄膜沉積在結構和形狀復雜的基體上時)；降低薄膜沉積的溫度，促進沉積的薄膜原子遷移到較為理想的基體表面上。通過增強化學反應(由化學反應的氣相沉積時)和提高薄膜原子的表面擴散及運動，控制和提高薄膜的微觀結構和相形的演化。到達基體的離子能量和和離子對沉積原子的到達比是兩個對沉積的薄膜的生長動力、結構和性能起決定性作用的要素。薄膜的化學組成和微觀結構主要決定于沉積原子的數(shù)量和能量以及基體的溫度，而離子轟擊能夠使基體在相對較低的溫度下沉積非常致密的薄膜。本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。
具體實施例方式下面結合實施例對本發(fā)明作進一步描述。實例1、在室溫的條件下，利用工業(yè)化自動連續(xù)磁控濺射鍍膜設備，在普通的玻璃上沉積了薄膜太陽能電池所需的透明導電薄膜。所述的工業(yè)化自動連續(xù)磁控濺射鍍膜設備的非平衡(閉合或非閉合)磁場布置的有關技術內容的詳見申請人的另一專利相關內容(專利申請?zhí)朇N201110087336. 2)；薄膜沉積時，靶材到基體的距離是19cm，惰性氣體的流量時 330sccm,同時加輔助的氧氣流量為惰性氣體流量的3%，沉積電流為45A，沉積電壓為420V， 薄膜沉積的時間為30分鐘。并進行了相應的制絨，其產品性能穩(wěn)定，制絨后薄膜的透光率在550nm波長是大于83%，表面方塊電阻在7 Ω，絨度在700nm波長可達到40%。實例2、在室溫的條件下，采用同實例1相同的工業(yè)化自動連續(xù)磁控濺射鍍膜設備，在先鋼化好的玻璃上沉積了薄膜太陽能電池所需的透明導電薄膜。薄膜沉積時，靶材到基體的距離是20cm，惰性氣體的流量時350sCCm，同時加輔助的氧氣流量為惰性氣體流量的3%，沉積電流為48A，沉積電壓為440V，薄膜沉積的時間為觀分鐘。并進行了相應的制絨，其產品性能穩(wěn)定，制絨后薄膜的透光率在^Onm波長是大于84%，表面方塊電阻在8 Ω， 絨度在700nm波長可達到45%。實例3、在室溫的條件下，采用同實例1相同的工業(yè)化自動連續(xù)磁控濺射鍍膜設備，在普通的有機玻璃上沉積了薄膜太陽能電池所需的透明導電薄膜。薄膜沉積時，靶材到基體的距離是21cm，惰性氣體的流量時320sCCm，同時加輔助的氧氣流量為惰性氣體流量的3%，沉積電流為43A，沉積電壓為430V，薄膜沉積的時間為30分鐘。并進行了相應的制絨，其產品性能穩(wěn)定，制絨后薄膜的透光率在550nm波長是大于81%，表面方塊電阻在9 Ω， 絨度在700nm波長可達到30%。實例4、在室溫的條件下，采用同實例1相同的工業(yè)化自動連續(xù)磁控濺射鍍膜設備，在普通的PET薄膜上沉積了薄膜太陽能電池所需的透明導電薄膜。薄膜沉積時，靶材到基體的距離是22cm，惰性氣體的流量時350sCCm，同時加輔助的氧氣流量為惰性氣體流量的3%，沉積電流為40A，沉積電壓為430V，薄膜沉積的時間為30分鐘。并進行了相應的制絨，其產品性能穩(wěn)定，制絨后薄膜的透光率在^Onm波長是大于80%，表面方塊電阻在8 Ω， 絨度在700nm波長可達到28%。實例5、在室溫的條件下，采用同實例1相同的工業(yè)化自動連續(xù)磁控濺射鍍膜設備，在先鋼化好的5mm玻璃上沉積了薄膜太陽能電池所需的透明導電薄膜。薄膜沉積時，靶材到基體的距離是25cm，惰性氣體的流量時350sCCm，同時加輔助的氧氣流量為惰性氣體流量的3%，沉積電流為50A，沉積電壓為440V，薄膜沉積的時間為30分鐘。并進行了相應的制絨，其產品性能穩(wěn)定，制絨后薄膜的透光率在550nm波長是大于83%，表面方塊電阻在 8 Ω，絨度在700nm波長可達到47%。以上實施例采用的常溫物理氣相沉積方法制備透明導電薄膜的優(yōu)化磁控濺射技術，是在室溫的條件下，利用自主設計的工業(yè)化自動連續(xù)磁控濺射生產線，主要是通過低氣壓等離子體的非均勻放電性形式，這種低氣壓等離子體的非均勻放電性形式是通過改善物理氣相沉積的工藝參數(shù)和采用更加合理的設備結構以及經過優(yōu)化的磁場布置形式等多種技術和理論的綜合，促使形成透明導電薄膜的材料可以最大可能的按要求沉積在基體的表面。在常溫的條件下工業(yè)化大規(guī)模連續(xù)均勻沉積透明導電薄膜，在薄膜沉積時，運用離子轟擊的辦法就能達到既能增加薄膜原子的遷移率又不顯著提高基體的溫度。從而大大的擴展了基體材料的可選擇范圍，可以很便利的實現(xiàn)在各種不耐高溫的材料(如各種透明的塑料制品)表面沉積所需的多種功能的高品質的薄膜。同樣可以便利的做到在卷繞的塑料薄膜上同步或不同的沉積所需的多種功能的高品質的薄膜。本發(fā)明的工藝實現(xiàn)了磁控濺射的低溫沉積；擴大了基體材料的適用范圍；提高了薄膜的沉積速率；由于采用了與非平衡(閉合或非閉合)磁場布置相適應的基體運動的雙通道結構，大大的提高了基體運動的選擇方式和速度區(qū)間；同時，因為非平衡(閉合或非閉合) 磁場布置形式，擴展了靶材表面的濺射區(qū)域，提高了靶材的利用率；改善了沉積在基體表面的薄膜的均勻性；完善了沉積在基體表面薄膜的微觀結構；提高了沉積在基體表面的薄膜的附著力；擴展了沉積薄膜的選材范圍；極大的保證了可沉積高品質的薄膜的多種工藝條件的實現(xiàn)可能。 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本發(fā)明的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.透明導電薄膜的常溫大面積沉積生產工藝，在真空腔體內充入惰性氣體與其他氣體的混合氣體或僅充入為惰性氣體，通過所述混合氣體或惰性氣體氛圍內的低壓等離子體氣體放電，在基體上形成透明導電薄膜，其特征在于所使用的鍍膜設備是基于非平衡磁場連續(xù)磁控濺射鍍膜設備，該設備的磁極之間磁場強度互不相等構成非平衡磁場的布置形式； 靶材與基體的距離為15-25cm ；作用在沉積靶材上的沉積電流控制在40 50A，相應的沉積電壓為390 420V ；進入真空腔體的惰性氣體流量為250 380sCCm，采用混合氣體時，流入真空腔體的其他氣體的流量為流入真空腔體的惰性氣體流量的3 5% ；通過所述的物理氣相沉積的工藝參數(shù)的優(yōu)化，并采用非平衡磁場布置形式促使形成透明導電薄膜的材料可以最大可能的按要求沉積在基體的表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的透明導電薄膜的常溫大面積沉積生產工藝，其特征在于在所述真空腔體內安裝可自由拆卸擋板形成雙通道。
3.根據(jù)權利要求1所述的透明導電薄膜的常溫大面積沉積生產工藝，其特征在于所述的沉積的靶材與基體之間的距離應保持在20 cm。
4.根據(jù)權利要求1所述的透明導電薄膜的常溫大面積沉積生產工藝，其特征在于所述的惰性氣體的流量為300sCCm。
5.根據(jù)權利要求1所述的透明導電薄膜的常溫大面積沉積生產工藝，其特征在于所述的電壓最好為400V。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種透明導電薄膜的常溫大面積沉積生產工藝，該工藝采用物理氣相沉積的真空濺射鍍膜方法，鍍膜設備是基于非平衡磁場連續(xù)磁控濺射鍍膜設備，設備的磁極之間的磁場強度互不相等構成非平衡磁場；靶材與基體的距離為15-25cm；作用在沉積靶材上的沉積電流控制在40～50A，相應的沉積電壓為390～420V；流入真空腔體的惰性氣體流量為250～380sccm，混合氣體含有氧氣時，流入真空腔體的氧氣的流量為流入真空腔體的惰性氣體流量的3～5%；通過工藝參改進數(shù)并采用非平衡磁場布置形式促使形成透明導電薄膜的材料可以最大可能的按要求沉積在基體的表面；該工藝適合工業(yè)化自動連續(xù)磁控濺射生產線，可在不同的材質的基體上，大面積連續(xù)濺射批量生產不同類型的多種透明導電薄膜產品。
文檔編號H01L21/203GK102290338SQ20111027347
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權日2011年9月15日
發(fā)明者周鈞 申請人:周鈞