CN103436844A - 一种低温沉积柔性基材ito膜镀膜装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置及方法，其装置是将可实现正转和反转的基材卷绕机构、离子源和非平衡中频磁控溅射机构分别设于容器体内，离子源设于基材卷绕机构中放卷组件的外侧，非平衡中频磁控溅射机构设于基材卷绕机构中主辊的外侧；容器体外接高真空抽气机构，基材卷绕机构的输入端外接工件输送机构，基材卷绕机构的主辊一端外接冷热交换机构。其方法是：工件输送机构送样；高真空抽气机构对容器体抽真空；基材卷绕机构对柔性基材进行传送时，采用非平衡中频磁控溅射低温沉积柔性基材ITO薄膜。本发明实现了低温沉积较高质量的柔性基材ITO膜，其产品质量高、适用范围广。

Description

一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置及方法

技术领域

本发明涉及ITO薄膜的镀膜技术，特别涉及一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置及方法。

背景技术

透明导电（TCO）薄膜是一种对可见光平均透过率高（T>80%）、电阻率低（ρ<10^-3Ω·cm），兼具透明、导电两大特性的特殊物质，被广泛应用于平板显示、触摸屏、太阳能电池、光电子器件等领域。其中，ITO透明导电薄膜是目前研究和应用较多的高质量TCO薄膜之一，ITO透明导电薄膜具有高可见光透过率、低电阻率、对衬底附着性好，以及高硬度、耐磨性、耐化学腐蚀特性等特点。

与硬质衬底ITO膜相比，柔性基材ITO膜不但具有硬质衬底ITO膜的光电特性，而且具有重量轻、可折叠、不易破碎便于运输、设备投资少等优点。2008年日本Seiren公司通过化学镀膜法在透明PET薄膜上形成的线宽25μm左右的铜网图案的ITO薄膜，能够屏蔽40dB以上的电场（频率为l0M～1GHz），可见光的透过率为80％，可作为透明电磁屏蔽材料使用。近年来美国等发达国家已率先使用柔性基材ITO膜研制并生产出塑料液晶显示器，且已获得多种应用。

目前，柔性ITO薄膜的制备方法主要有磁控溅射法、化学气相沉积法、喷雾热分解法和溶胶—凝胶法，其中，磁控溅射法工艺成熟，已用于柔性基材ITO膜的生产。但传统的磁控溅射法中，为了提高柔性基材ITO膜的成膜质量，一般需要对柔性基材进行加热处理，但存在诸多缺点：（1）柔性基材不耐高温，遇热易变形；（2）高温条件下，基材在溅射过程中会有放气现象，放出的杂质元素进入容易ITO膜，会严重影响薄膜质量，使其导电性和可见光区透射率都不够理想；（3）高温环境对于设备工件的耐热性要求高，增加设备成本。因此，探讨在低温条件下制备高质量柔性基材ITO膜的镀膜装置及方法具有实际的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置，该装置可实现在常温下沉积出高质量的ITO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低温沉积柔性基材ITO膜镀膜方法。

本发明的技术方案为：一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置，包括可实现正转和反转的基材卷绕机构、离子源、非平衡中频磁控溅射机构以及容器体，基材卷绕机构、离子源和非平衡中频磁控溅射机构分别设于容器体内，离子源设于基材卷绕机构中放卷组件的外侧，非平衡中频磁控溅射机构设于基材卷绕机构中主辊的外侧；容器体外接高真空抽气机构，基材卷绕机构的输入端外接工件输送机构，基材卷绕机构的主辊一端外接冷热交换机构。

所述基材卷绕机构包括依次连接的放卷组件、主辊和收卷组件，放卷组件和收卷组件对称设于主辊的两侧；按照柔性基材的输送方向，放卷组件包括依次连接的放卷辊、第一导辊、第一检测辊、第二导辊和第三导辊，收卷组件包括依次连接的第四导辊、第五导辊、第二检测辊、第六导辊和收卷辊，其中，第三导辊和第四导辊之间设置主辊，第一检测辊和第二检测辊分别外接伺服电机转速监控机构。

所述容器体为横置的圆筒状结构，主辊设于容器体下部的空间内，放卷辊和收卷辊分别设于容器体上部的空间内，非平衡中频磁控溅射机构设于主辊下方，离子源设于放卷组件外侧的容器体内壁上。在容器体下部的空间内，非平衡中频磁控溅射机构周围形成镀膜区域。

所述非平衡中频磁控溅射机构包括至少一对阴极组，每对阴极组独立配置一个中频交流电源；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、阴极体和磁铁，靶材固定在阴极体上，阴极体设于主辊的外侧，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；相邻两个磁铁之间的磁极极性相反。

所述阴极组中的两个溅射阴极为孪生排列结构，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极性相反。

所述非平衡中频磁控溅射机构包括多对阴极组时，相邻的两对阴极组之间，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。

传统的磁控溅射沉积原理是：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容器体内的工作气体产生碰撞，然后产生电离，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。

而本镀膜装置中的非平衡中频磁控溅射机构，其工作原理是：采用每个阴极组配置一个中频交流电源，使两个溅射阴极互为正负，形成交变电场和磁场，扩大等离子体区域范围，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，进一步扩大了等离子区域。由于等离子区覆盖了基片表面，同时在交变电场和磁场的作用下，等离子体区域内的电子高速震荡运动，电子不断轰击基材表面，从而对沉积膜层进行电子轰击及表面加热处理，改善膜层的结晶度，提高膜层导电性和可见光区透射率。因此无需对柔性基材加热，可实现在低温条件下沉积较高质量的柔性ITO膜。

所述高真空抽气机构包括扩散泵机组和分子泵机组，扩散泵机组设于容器体的一端，分子泵机组设于容器体的底部；扩散泵机组包括扩散泵和第一前级泵，扩散泵一端与容器体连接，扩散泵另一端通过管道与第一前级泵连接，扩散泵与第一前级泵连接的管道上设有阀门；分子泵机组包括分子泵和第二前级泵，分子泵一端与容器体底部连接，分子泵另一端与第二前级泵连接；第一前级泵和第二前级泵均为机械真空泵。其中，分子泵机组主要对容器体的上腔体进行抽真空，分子泵机组主要对容器体下部的镀膜区域进行抽真空；运用抽气能力大的扩散泵机组和分子泵机组相结合对容器体进行抽真空，可确保整个容器体内获得高真空，避免使用传统抽真空机构所产生的上腔体真空度不足的现象。

本发明通过上述装置实现一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜方法，包括以下步骤：

（1）工件输送机构将柔性基材送入容器体内的基材卷绕机构中；

（2）启动高真空抽气机构对容器体进行抽真空；

（3）当容器体内的真空度达到预定真空度后，启动基材卷绕机构，对柔性基材进行放卷和收卷的传送；

（5）柔性基材放卷后，先通过离子源对柔性基材进行离子表面处理；

（6）柔性基材传送至主辊处时，通过非平衡中频磁控溅射机构进行溅射，在柔性基材表面沉积ITO层。

其中，所述步骤（6）中，非平衡中频磁控溅射机构进行溅射后，若柔性基材表面的ITO层厚度未达到产品所要求的厚度，则基材卷绕机构反转，非平衡中频磁控溅射机构对柔性基材表面进行二次溅射。

所述柔性基材为耐高温材料或不耐高温材料；不耐高温材料如PET等。

柔性基材的宽度为300～2500mm，柔性基材的卷绕直径为200～1000mm。

在基材卷绕机构传送柔性基材的过程中，第一检测辊或第二检测辊可通过外接伺服电机转速监控机构来控制柔性基材传送的张力和速度。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）本低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置中，溅射系统运用了非平衡中频磁控溅射技术，可实现低温沉积高质量的柔性ITO膜。无需在装置中加入大量加热器件，不仅降低了设备的制造成本，而且可适用于不耐高温、低成本的基材（如PET薄膜）镀膜。

（2）本低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置中，可通过伺服电机转速监控机构来控制柔性基材传送的张力和速度，由于伺服电机是个闭环反馈系统，它可准确的实时监控张力及转速，使柔性基材张力适中、转速平缓，从而提高薄膜均匀度。

（3）本低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置中，基材卷绕机构在放卷侧设有离子源，离子源电离气体，并将电离产生的离子附着于基材表面，从而提高基材表面膜层的附着力，提高柔性ITO膜的成品质量。

（4）本低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置中，主辊外接冷热交换机构，通过冷热交换机构不断地向主辊通入循环冷却液体，可防止在溅射镀膜过程中柔性基材变形，保证产品质量。

（5）本低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置中，采用高真空抽气机构对容器体进行抽真空。由于传统分子泵对镀膜区抽高真空时，会产生上腔体真空度不足的现象，而且柔性基材在溅射过程中有放气现象，运用抽气能力大的扩散泵机组和分子泵机组相结合对容器体进行抽真空，可确保整个容器体内获得高真空。

附图说明

图1为本低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置的结构示意图；

图2为本低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置中非平衡中频磁控溅射机构的结构示意图；

图3为本低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置中基材卷绕机构的结构示意图；

图4为本低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置中高真空抽气机构的结构示意图；

图5为本低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置中主辊外接冷热交换机构时的结构示意图。

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

本实施例一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置，如图1所示，包括可实现正转和反转的基材卷绕机构、离子源、非平衡中频磁控溅射机构以及容器体1，基材卷绕机构、离子源和非平衡中频磁控溅射机构分别设于容器体内，离子源设于基材卷绕机构中放卷组件的外侧，非平衡中频磁控溅射机构设于基材卷绕机构中主辊的外侧；容器体外接高真空抽气机构，基材卷绕机构的输入端外接工件输送机构2，如图5所示，基材卷绕机构的主辊3一端外接冷热交换机构14。其中，工件输送机构可采用传统的薄膜工件输送系统，冷热交换机构可采用传统的冷热交换机组。

如图3所示，基材卷绕机构包括依次连接的放卷组件、主辊3和收卷组件，放卷组件和收卷组件对称设于主辊的两侧；按照柔性基材的输送方向，放卷组件包括依次连接的放卷辊4、第一导辊5、第一检测辊6、第二导辊7和第三导辊8，收卷组件包括依次连接的第四导辊9、第五导辊10、第二检测辊11、第六导辊12和收卷辊13，其中，第三导辊和第四导辊之间设置主辊，第一检测辊和第二检测辊分别外接伺服电机转速监控机构。伺服电机转速监控机构可采用传统的伺服电机转速监控器。

如图3所示，容器体1为横置的圆筒状结构，主辊设于容器体下部的空间内，放卷辊和收卷辊分别设于容器体上部的空间内，非平衡中频磁控溅射机构设于主辊下方，离子源设于放卷组件外侧的容器体内壁上。在容器体下部的空间内，非平衡中频磁控溅射机构周围形成镀膜区域。

如图2所示，非平衡中频磁控溅射机构包括至少一对阴极组15，每对阴极组独立配置一个中频交流电源16；各阴极组分别包括两个溅射阴极17；各溅射阴极分别包括靶材18、阴极体19和磁铁20，靶材固定在阴极体上，阴极体设于主辊的外侧，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；相邻两个磁铁之间的磁极极性相反。

其中，阴极组中的两个溅射阴极为孪生排列结构，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极性相反。

本实施例中，非平衡中频磁控溅射机构包括两对阴极组时，相邻的两对阴极组之间，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。

传统的磁控溅射沉积原理是：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容器体内的工作气体产生碰撞，然后产生电离，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。

而本镀膜装置中的非平衡中频磁控溅射机构，其工作原理是：采用每个阴极组配置一个中频交流电源，使两个溅射阴极互为正负，形成交变电场和磁场，扩大等离子体区域范围，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，进一步扩大了等离子区域。由于等离子区覆盖了基片表面，同时在交变电场和磁场的作用下，等离子体区域内的电子高速震荡运动，电子不断轰击基材表面，从而对沉积膜层进行电子轰击及表面加热处理，改善膜层的结晶度，提高膜层导电性和可见光区透射率。因此无需对柔性基材加热，可实现在低温条件下沉积较高质量的柔性ITO膜。

如图4所示，高真空抽气机构包括扩散泵机组和分子泵机组，扩散泵机组设于容器体的一端，分子泵机组设于容器体的底部；扩散泵机组包括扩散泵21和第一前级泵22，扩散泵一端与容器体1连接，扩散泵另一端通过管道23与第一前级泵连接，扩散泵与第一前级泵连接的管道上设有阀门24；分子泵机组包括分子泵25和第二前级泵26，分子泵一端与容器体底部连接，分子泵另一端与第二前级泵连接；第一前级泵和第二前级泵均为机械真空泵。其中，分子泵机组主要对容器体的上腔体进行抽真空，分子泵机组主要对容器体下部的镀膜区域进行抽真空；运用抽气能力大的扩散泵机组和分子泵机组相结合对容器体进行抽真空，可确保整个容器体内获得高真空，避免使用传统抽真空机构所产生的上腔体真空度不足的现象。

实施例2

本实施例通过实施例1所述装置实现一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜方法，包括以下步骤：

（1）工件输送机构将柔性基材送入容器体内的基材卷绕机构中；

（2）启动高真空抽气机构对容器体进行抽真空；

（3）当容器体内的真空度达到预定真空度后，启动基材卷绕机构，对柔性基材进行放卷和收卷的传送；

（5）柔性基材放卷后，先通过离子源对柔性基材进行离子表面处理；

（6）柔性基材传送至主辊处时，通过非平衡中频磁控溅射机构进行溅射，在柔性基材表面沉积ITO层。

其中，步骤（6）中，非平衡中频磁控溅射机构进行溅射后，若柔性基材表面的ITO层厚度未达到产品所要求的厚度，则基材卷绕机构反转，非平衡中频磁控溅射机构对柔性基材表面进行二次溅射。

柔性基材为耐高温材料或不耐高温材料；不耐高温材料如PET等。

柔性基材的宽度为300～2500mm，柔性基材的卷绕直径为200～1000mm。

在基材卷绕机构传送柔性基材的过程中，第一检测辊或第二检测辊可通过外接伺服电机转速监控机构来控制柔性基材传送的张力和速度。

对上述方法制得的ITO膜的膜厚、结晶率、电阻率、透过率及表面形貌进行表征测试，其结晶率高，电阻率达到1.5×10^-4Ω·cm，透过率大于80%，均匀度为±5%。

在基材卷绕机构传动柔性基材的过程中，离子源电离气体（如氧气、氩气），并将电离产生的离子附着于基材表面，从而提高基材表面膜层的附着力，提高柔性ITO薄膜的成品质量；伺服电机转速监控机构对第一检测辊和第二检测辊进行监控，将第一检测辊和第二检测辊采集的电压信号转化为转矩和转速以驱动第一检测辊和第二检测，实现实时监控张力及转速，使基材张力适中转速平缓，从而提高薄膜均匀度；非平衡中频磁控溅射机构镀膜时会引起基材升温，设置冷热交换机构与主辊连通，冷热交换机构不断地向主辊通入循环冷却液体，防止柔性基材变形。

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)

1.一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置，其特征在于，包括可实现正转和反转的基材卷绕机构、离子源、非平衡中频磁控溅射机构以及容器体，基材卷绕机构、离子源和非平衡中频磁控溅射机构分别设于容器体内，离子源设于基材卷绕机构中放卷组件的外侧，非平衡中频磁控溅射机构设于基材卷绕机构中主辊的外侧；容器体外接高真空抽气机构，基材卷绕机构的输入端外接工件输送机构，基材卷绕机构的主辊一端外接冷热交换机构。

2.根据权利要求1所述一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置，其特征在于，所述基材卷绕机构包括依次连接的放卷组件、主辊和收卷组件，放卷组件和收卷组件对称设于主辊的两侧；按照柔性基材的输送方向，放卷组件包括依次连接的放卷辊、第一导辊、第一检测辊、第二导辊和第三导辊，收卷组件包括依次连接的第四导辊、第五导辊、第二检测辊、第六导辊和收卷辊，其中，第三导辊和第四导辊之间设置主辊，第一检测辊和第二检测辊分别外接伺服电机转速监控机构。

3.根据权利要求2所述一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置，其特征在于，所述容器体为横置的圆筒状结构，主辊设于容器体下部的空间内，放卷辊和收卷辊分别设于容器体上部的空间内，非平衡中频磁控溅射机构设于主辊下方，离子源设于放卷组件外侧的容器体内壁上。

4.根据权利要求1所述一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置，其特征在于，所述非平衡中频磁控溅射机构包括至少一对阴极组，每对阴极组独立配置一个中频交流电源；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、阴极体和磁铁，靶材固定在阴极体上，阴极体设于主辊的外侧，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；相邻两个磁铁之间的磁极极性相反。

5.根据权利要求4所述一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置，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，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极性相反。

6.根据权利要求4所述一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置，其特征在于，所述非平衡中频磁控溅射机构包括多对阴极组时，相邻的两对阴极组之间，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。

7.根据权利要求1所述一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜装置，其特征在于，所述高真空抽气机构包括扩散泵机组和分子泵机组，扩散泵机组设于容器体的一端，分子泵机组设于容器体的底部；扩散泵机组包括扩散泵和第一前级泵，扩散泵一端与容器体连接，扩散泵另一端通过管道与第一前级泵连接，扩散泵与第一前级泵连接的管道上设有阀门；分子泵机组包括分子泵和第二前级泵，分子泵一端与容器体底部连接，分子泵另一端与第二前级泵连接；第一前级泵和第二前级泵均为机械真空泵。

8.根据权利要求1～7任一项所述装置实现一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）工件输送机构将柔性基材送入容器体内的基材卷绕机构中；

（2）启动高真空抽气机构对容器体进行抽真空；

（3）当容器体内的真空度达到预定真空度后，启动基材卷绕机构，对柔性基材进行放卷和收卷的传送；

（5）柔性基材放卷后，先通过离子源对柔性基材进行离子表面处理；

（6）柔性基材传送至主辊处时，通过非平衡中频磁控溅射机构进行溅射，在柔性基材表面沉积ITO层。

9.根据权利要求8所述一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜方法，其特征在于，所述步骤（6）中，非平衡中频磁控溅射机构进行溅射后，若柔性基材表面的ITO层厚度未达到产品所要求的厚度，则基材卷绕机构反转，非平衡中频磁控溅射机构对柔性基材表面进行二次溅射。

10.根据权利要求8所述一种低温沉积柔性基材ITO膜镀膜方法，其特征在于，所述柔性基材为耐高温材料或不耐高温材料；

柔性基材的宽度为300～2500mm，柔性基材的卷绕直径为200～1000mm。

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