一種低溫沉積柔性基材ito膜鍍膜裝置及方法
【專利摘要】本發明公開一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置及方法，其裝置是將可實現正轉和反轉的基材卷繞機構、離子源和非平衡中頻磁控濺射機構分別設于容器體內，離子源設于基材卷繞機構中放卷組件的外側，非平衡中頻磁控濺射機構設于基材卷繞機構中主輥的外側；容器體外接高真空抽氣機構，基材卷繞機構的輸入端外接工件輸送機構，基材卷繞機構的主輥一端外接冷熱交換機構。其方法是：工件輸送機構送樣；高真空抽氣機構對容器體抽真空；基材卷繞機構對柔性基材進行傳送時，采用非平衡中頻磁控濺射低溫沉積柔性基材ITO薄膜。本發明實現了低溫沉積較高質量的柔性基材ITO膜，其產品質量高、適用范圍廣。
【專利說明】一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及ITO薄膜的鍍膜技術，特別涉及一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置及方法。
【背景技術】
[0002]透明導電(TCO)薄膜是一種對可見光平均透過率高(T>80%)、電阻率低(Ρ〈10_3Ω.cm)，兼具透明、導電兩大特性的特殊物質，被廣泛應用于平板顯示、觸摸屏、太陽能電池、光電子器件等領域。其中，ITO透明導電薄膜是目前研究和應用較多的高質量TCO薄膜之一，ITO透明導電薄膜具有高可見光透過率、低電阻率、對襯底附著性好，以及高硬度、耐磨性、耐化學腐蝕特性等特點。
[0003]與硬質襯底ITO膜相比，柔性基材ITO膜不但具有硬質襯底ITO膜的光電特性，而且具有重量輕、可折疊、不易破碎便于運輸、設備投資少等優點。2008年日本Seiren公司通過化學鍍膜法在透明PET薄膜上形成的線寬25 μ m左右的銅網圖案的ITO薄膜，能夠屏蔽40dB以上的電場(頻率為IOM?IGHz)，可見光的透過率為80%，可作為透明電磁屏蔽材料使用。近年來美國等發達國家已率先使用柔性基材ITO膜研制并生產出塑料液晶顯示器，且已獲得多種應用。
[0004]目前，柔性ITO薄膜的制備方法主要有磁控濺射法、化學氣相沉積法、噴霧熱分解法和溶膠一凝膠法，其中，磁控濺射法工藝成熟，已用于柔性基材ITO膜的生產。但傳統的磁控濺射法中，為了提高柔性基材IT`O膜的成膜質量，一般需要對柔性基材進行加熱處理，但存在諸多缺點:(1)柔性基材不耐高溫，遇熱易變形；(2)高溫條件下，基材在濺射過程中會有放氣現象，放出的雜質元素進入容易ITO膜，會嚴重影響薄膜質量，使其導電性和可見光區透射率都不夠理想；(3)高溫環境對于設備工件的耐熱性要求高，增加設備成本。因此，探討在低溫條件下制備高質量柔性基材ITO膜的鍍膜裝置及方法具有實際的意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置，該裝置可實現在常溫下沉積出高質量的ITO透明導電膜。
[0006]本發明的另一目的在于提供一種通過上述裝置實現的低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜方法。
[0007]本發明的技術方案為:一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置，包括可實現正轉和反轉的基材卷繞機構、離子源、非平衡中頻磁控濺射機構以及容器體，基材卷繞機構、離子源和非平衡中頻磁控濺射機構分別設于容器體內，離子源設于基材卷繞機構中放卷組件的外側，非平衡中頻磁控濺射機構設于基材卷繞機構中主輥的外側；容器體外接高真空抽氣機構，基材卷繞機構的輸入端外接工件輸送機構，基材卷繞機構的主輥一端外接冷熱交換機構。
[0008]所述基材卷繞機構包括依次連接的放卷組件、主輥和收卷組件，放卷組件和收卷組件對稱設于主輥的兩側；按照柔性基材的輸送方向，放卷組件包括依次連接的放卷輥、第一導輥、第一檢測輥、第二導輥和第三導輥，收卷組件包括依次連接的第四導輥、第五導輥、第二檢測棍、第六導棍和收卷棍，其中，第三導棍和第四導棍之間設置主棍，第一檢測棍和第二檢測輥分別外接伺服電機轉速監控機構。
[0009]所述容器體為橫置的圓筒狀結構，主輥設于容器體下部的空間內，放卷輥和收卷輥分別設于容器體上部的空間內，非平衡中頻磁控濺射機構設于主輥下方，離子源設于放卷組件外側的容器體內壁上。在容器體下部的空間內，非平衡中頻磁控濺射機構周圍形成鍍膜區域。
[0010]所述非平衡中頻磁控濺射機構包括至少一對陰極組，每對陰極組獨立配置一個中頻交流電源；各陰極組分別包括兩個濺射陰極；各濺射陰極分別包括靶材、陰極體和磁鐵，靶材固定在陰極體上，陰極體設于主輥的外側，在陰極體內設置多個并排分布的磁鐵，各磁鐵的兩極端面分別與靶材和陰極體內的導磁塊垂直連接；相鄰兩個磁鐵之間的磁極極性相反。
[0011]所述陰極組中的兩個濺射陰極為孿生排列結構，兩個陰極體中的磁鐵并排分布，但相鄰兩個位于不同濺射陰極內的磁鐵之間的磁極極性相反。
[0012]所述非平衡中頻磁控濺射機構包括多對陰極組時，相鄰的兩對陰極組之間，相鄰兩個濺射陰極的陰極體內的磁鐵之間的磁極磁性相同。
[0013]傳統的磁控濺射沉積原理是:首先在濺射陰極上加入一個高壓電場，實現了真空放電即輝光放電，由于磁場約束電子運動的影響，使得電子不斷與充入容器體內的工作氣體產生碰撞，然后產生電離，形成穩定的等離子放電。等離子體中的離子在電場的吸引下轟擊陰極靶材，實現了靶材的濺射沉積。
[0014]而本鍍膜裝置中的非平衡中頻磁控濺射機構，其工作原理是:采用每個陰極組配置一個中頻交流電源，使兩個濺射陰極互為正負，形成交變電場和磁場，擴大等離子體區域范圍，另外加入非平衡磁場 使得閉合磁場不再只局限于單個濺射陰極表面，而是多濺射陰極之間的形成一個大區域的閉環空間磁場，進一步擴大了等離子區域。由于等離子區覆蓋了基片表面，同時在交變電場和磁場的作用下，等離子體區域內的電子高速震蕩運動，電子不斷轟擊基材表面，從而對沉積膜層進行電子轟擊及表面加熱處理，改善膜層的結晶度，提高膜層導電性和可見光區透射率。因此無需對柔性基材加熱，可實現在低溫條件下沉積較高質量的柔性ITO膜。
[0015]所述高真空抽氣機構包括擴散泵機組和分子泵機組，擴散泵機組設于容器體的一端，分子泵機組設于容器體的底部；擴散泵機組包括擴散泵和第一前級泵，擴散泵一端與容器體連接，擴散泵另一端通過管道與第一前級泵連接，擴散泵與第一前級泵連接的管道上設有閥門；分子泵機組包括分子泵和第二前級泵，分子泵一端與容器體底部連接，分子泵另一端與第二前級泵連接；第一前級泵和第二前級泵均為機械真空泵。其中，分子泵機組主要對容器體的上腔體進行抽真空，分子泵機組主要對容器體下部的鍍膜區域進行抽真空；運用抽氣能力大的擴散泵機組和分子泵機組相結合對容器體進行抽真空，可確保整個容器體內獲得高真空，避免使用傳統抽真空機構所產生的上腔體真空度不足的現象。
[0016]本發明通過上述裝置實現一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜方法，包括以下步驟:[0017](I)工件輸送機構將柔性基材送入容器體內的基材卷繞機構中；
[0018](2)啟動高真空抽氣機構對容器體進行抽真空；
[0019](3)當容器體內的真空度達到預定真空度后，啟動基材卷繞機構，對柔性基材進行放卷和收卷的傳送；
[0020](5)柔性基材放卷后，先通過離子源對柔性基材進行離子表面處理；
[0021 ] (6)柔性基材傳送至主輥處時，通過非平衡中頻磁控濺射機構進行濺射，在柔性基材表面沉積ITO層。
[0022]其中，所述步驟(6)中，非平衡中頻磁控濺射機構進行濺射后，若柔性基材表面的ITO層厚度未達到產品所要求的厚度，則基材卷繞機構反轉，非平衡中頻磁控濺射機構對柔性基材表面進行二次濺射。
[0023]所述柔性基材為耐高溫材料或不耐高溫材料；不耐高溫材料如PET等。
[0024]柔性基材的寬度為300?2500mm，柔性基材的卷繞直徑為200?1000mm。
[0025]在基材卷繞機構傳送柔性基材的過程中，第一檢測輥或第二檢測輥可通過外接伺服電機轉速監控機構來控制柔性基材傳送的張力和速度。
[0026]本發明相對于現有技術，具有以下有益效果:
[0027](I)本低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置中，濺射系統運用了非平衡中頻磁控濺射技術，可實現低溫沉積高質量的柔性ITO膜。無需在裝置中加入大量加熱器件，不僅降低了設備的制造成本，而且可適用于不耐高溫、低成本的基材(如PET薄膜)鍍膜。
.[0028](2)本低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置中，可通過伺服電機轉速監控機構來控制柔性基材傳送的張力和速度，由于伺服電機是個閉環反饋系統，它可準確的實時監控張力及轉速，使柔性基材張力適中、轉速平緩，從而提高薄膜均勻度。
[0029](3)本低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置中，基材卷繞機構在放卷側設有離子源，離子源電離氣體，并將電離產生的離子附著于基材表面，從而提高基材表面膜層的附著力，提高柔性ITO膜的成品質量。
[0030](4)本低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置中，主輥外接冷熱交換機構，通過冷熱交換機構不斷地向主輥通入循環冷卻液體，可防止在濺射鍍膜過程中柔性基材變形，保證產
品質量。
[0031](5)本低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置中，采用高真空抽氣機構對容器體進行抽真空。由于傳統分子泵對鍍膜區抽高真空時，會產生上腔體真空度不足的現象，而且柔性基材在濺射過程中有放氣現象，運用抽氣能力大的擴散泵機組和分子泵機組相結合對容器體進行抽真空，可確保整個容器體內獲得高真空。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1為本低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置的結構示意圖；
[0033]圖2為本低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置中非平衡中頻磁控濺射機構的結構示意圖；
[0034]圖3為本低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置中基材卷繞機構的結構示意圖；
[0035]圖4為本低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置中高真空抽氣機構的結構示意圖；
[0036]圖5為本低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置中主輥外接冷熱交換機構時的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0038]實施例1
[0039]本實施例一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置，如圖1所示，包括可實現正轉和反轉的基材卷繞機構、離子源、非平衡中頻磁控濺射機構以及容器體I，基材卷繞機構、離子源和非平衡中頻磁控濺射機構分別設于容器體內，離子源設于基材卷繞機構中放卷組件的外側，非平衡中頻磁控濺射機構設于基材卷繞機構中主輥的外側；容器體外接高真空抽氣機構,基材卷繞機構的輸入端外接工件輸送機構2，如圖5所示，基材卷繞機構的主輥3 —端外接冷熱交換機構14。其中，工件輸送機構可采用傳統的薄膜工件輸送系統，冷熱交換機構可采用傳統的冷熱交換機組。
[0040]如圖3所示，基材卷繞機構包括依次連接的放卷組件、主輥3和收卷組件，放卷組件和收卷組件對稱設于主輥的兩側；按照柔性基材的輸送方向，放卷組件包括依次連接的放卷輥4、第一導輥5、第一檢測輥6、第二導輥7和第三導輥8，收卷組件包括依次連接的第四導輥9、第五導輥10、第二檢測輥11、第六導輥12和收卷輥13，其中，第三導輥和第四導輥之間設置主輥，第一檢測輥和第二檢測輥分別外接伺服電機轉速監控機構。伺服電機轉速監控機構可采用傳統的伺服電機轉速監控器。
[0041]如圖3所示，容器體I為橫置的圓筒狀結構，主輥設于容器體下部的空間內，放卷輥和收卷輥分別設于容器體上部的空間內，非平衡中頻磁控濺射機構設于主輥下方，離子源設于放卷組件外側的容器體內壁上。在容器體下部的空間內，非平衡中頻磁控濺射機構周圍形成鍍膜區域。
[0042]如圖2所示，非平衡中頻`磁控濺射機構包括至少一對陰極組15，每對陰極組獨立配置一個中頻交流電源16 ;各陰極組分別包括兩個濺射陰極17 ;各濺射陰極分別包括靶材18、陰極體19和磁鐵20，靶材固定在陰極體上，陰極體設于主輥的外側，在陰極體內設置多個并排分布的磁鐵，各磁鐵的兩極端面分別與靶材和陰極體內的導磁塊垂直連接；相鄰兩個磁鐵之間的磁極極性相反。
[0043]其中，陰極組中的兩個濺射陰極為孿生排列結構，兩個陰極體中的磁鐵并排分布，但相鄰兩個位于不同濺射陰極內的磁鐵之間的磁極極性相反。
[0044]本實施例中，非平衡中頻磁控濺射機構包括兩對陰極組時，相鄰的兩對陰極組之間，相鄰兩個濺射陰極的陰極體內的磁鐵之間的磁極磁性相同。
[0045]傳統的磁控濺射沉積原理是:首先在濺射陰極上加入一個高壓電場，實現了真空放電即輝光放電，由于磁場約束電子運動的影響，使得電子不斷與充入容器體內的工作氣體產生碰撞，然后產生電離，形成穩定的等離子放電。等離子體中的離子在電場的吸引下轟擊陰極靶材，實現了靶材的濺射沉積。
[0046]而本鍍膜裝置中的非平衡中頻磁控濺射機構，其工作原理是:采用每個陰極組配置一個中頻交流電源，使兩個濺射陰極互為正負，形成交變電場和磁場，擴大等離子體區域范圍，另外加入非平衡磁場使得閉合磁場不再只局限于單個濺射陰極表面，而是多濺射陰極之間的形成一個大區域的閉環空間磁場，進一步擴大了等離子區域。由于等離子區覆蓋了基片表面，同時在交變電場和磁場的作用下，等離子體區域內的電子高速震蕩運動，電子不斷轟擊基材表面，從而對沉積膜層進行電子轟擊及表面加熱處理，改善膜層的結晶度，提高膜層導電性和可見光區透射率。因此無需對柔性基材加熱，可實現在低溫條件下沉積較高質量的柔性ITO膜。
[0047]如圖4所示，高真空抽氣機構包括擴散泵機組和分子泵機組，擴散泵機組設于容器體的一端，分子泵機組設于容器體的底部；擴散泵機組包括擴散泵21和第一前級泵22，擴散泵一端與容器體I連接，擴散泵另一端通過管道23與第一前級泵連接，擴散泵與第一前級泵連接的管道上設有閥門24 ;分子泵機組包括分子泵25和第二前級泵26，分子泵一端與容器體底部連接，分子泵另一端與第二前級泵連接；第一前級泵和第二前級泵均為機械真空泵。其中，分子泵機組主要對容器體的上腔體進行抽真空，分子泵機組主要對容器體下部的鍍膜區域進行抽真空；運用抽氣能力大的擴散泵機組和分子泵機組相結合對容器體進行抽真空，可確保整個容器體內獲得高真空，避免使用傳統抽真空機構所產生的上腔體真空度不足的現象。
[0048]實施例2
[0049]本實施例通過實施例1所述裝置實現一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜方法，包括以下步驟:
[0050]( I)工件輸送機構將柔性基材送入容器體內的基材卷繞機構中；
[0051](2)啟動高真空抽氣機構對容器體進行抽真空；
[0052](3)當容器體內的真空度達到預定真空度后，啟動基材卷繞機構，對柔性基材進行放卷和收卷的傳送；
[0053](5)柔性基材放卷后，先通過離子源對柔性基材進行離子表面處理；
[0054](6)柔性基材傳送至主輥處時，通過非平衡中頻磁控濺射機構進行濺射，在柔性基材表面沉積ITO層。
[0055]其中，步驟(6)中，非平衡中頻磁控濺射機構進行濺射后，若柔性基材表面的ITO層厚度未達到產品所要求的厚度，則基材卷繞機構反轉，非平衡中頻磁控濺射機構對柔性基材表面進行二次濺射。
[0056]柔性基材為耐高溫材料或不耐高溫材料；不耐高溫材料如PET等。
[0057]柔性基材的寬度為300?2500mm，柔性基材的卷繞直徑為200?1000mm。
[0058]在基材卷繞機構傳送柔性基材的過程中，第一檢測輥或第二檢測輥可通過外接伺服電機轉速監控機構來控制柔性基材傳送的張力和速度。
[0059]對上述方法制得的ITO膜的膜厚、結晶率、電阻率、透過率及表面形貌進行表征測試，其結晶率高，電阻率達到1.5Χ10_4Ω.Cm，透過率大于80%，均勻度為±5%。
[0060]在基材卷繞機構傳動柔性基材的過程中，離子源電離氣體(如氧氣、氬氣)，并將電離產生的離子附著于基材表面，從而提高基材表面膜層的附著力，提高柔性ITO薄膜的成品質量；伺服電機轉速監控機構對第一檢測輥和第二檢測輥進行監控，將第一檢測輥和第二檢測輥采集的電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動第一檢測輥和第二檢測，實現實時監控張力及轉速，使基材張力適中轉速平緩，從而提高薄膜均勻度；非平衡中頻磁控濺射機構鍍膜時會引起基材升溫，設置冷熱交換機構與主輥連通，冷熱交換機構不斷地向主輥通入循環冷卻液體，防止柔性基材變形。
[0061]如上所述，便可較好地實現本發明，上述實施例僅為本發明的較佳實施例，并非用來限定本發明的實施范圍；即凡依本
【發明內容】
所作的均等變化與修飾，都為本發明權利要求所要求保護的范圍所涵蓋。.
【權利要求】
1.一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置，其特征在于，包括可實現正轉和反轉的基材卷繞機構、離子源、非平衡中頻磁控濺射機構以及容器體，基材卷繞機構、離子源和非平衡中頻磁控濺射機構分別設于容器體內，離子源設于基材卷繞機構中放卷組件的外側，非平衡中頻磁控濺射機構設于基材卷繞機構中主輥的外側；容器體外接高真空抽氣機構，基材卷繞機構的輸入端外接工件輸送機構，基材卷繞機構的主輥一端外接冷熱交換機構。
2.根據權利要求1所述一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置，其特征在于，所述基材卷繞機構包括依次連接的放卷組件、主輥和收卷組件，放卷組件和收卷組件對稱設于主輥的兩側；按照柔性基材的輸送方向，放卷組件包括依次連接的放卷輥、第一導輥、第一檢測輥、第二導輥和第三導輥，收卷組件包括依次連接的第四導輥、第五導輥、第二檢測輥、第六導輥和收卷輥，其中，第三導輥和第四導輥之間設置主輥，第一檢測輥和第二檢測輥分別外接伺服電機轉速監控機構。
3.根據權利要求2所述一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置，其特征在于，所述容器體為橫置的圓筒狀結構，主輥設于容器體下部的空間內，放卷輥和收卷輥分別設于容器體上部的空間內，非平衡中頻磁控濺射機構設于主輥下方，離子源設于放卷組件外側的容器體內壁上。
4.根據權利要求1所述一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置，其特征在于，所述非平衡中頻磁控濺射機構包括至少一對陰極組，每對陰極組獨立配置一個中頻交流電源；各陰極組分別包括兩個濺射陰極；各濺射陰極分別包括靶材、陰極體和磁鐵，靶材固定在陰極體上，陰極體設于主輥的外側，在陰極體內設置多個并排分布的磁鐵，各磁鐵的兩極端面分別與靶材和陰極體內的導磁塊垂直連接；相鄰兩個磁鐵之間的磁極極性相反。
5.根據權利要求4所述一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置，其特征在于，所述陰極組中的兩個濺射陰極 為孿生排列結構，兩個陰極體中的磁鐵并排分布，但相鄰兩個位于不同濺射陰極內的磁鐵之間的磁極極性相反。
6.根據權利要求4所述一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置，其特征在于，所述非平衡中頻磁控濺射機構包括多對陰極組時，相鄰的兩對陰極組之間，相鄰兩個濺射陰極的陰極體內的磁鐵之間的磁極磁性相同。
7.根據權利要求1所述一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜裝置，其特征在于，所述高真空抽氣機構包括擴散泵機組和分子泵機組，擴散泵機組設于容器體的一端，分子泵機組設于容器體的底部；擴散泵機組包括擴散泵和第一前級泵，擴散泵一端與容器體連接，擴散泵另一端通過管道與第一前級泵連接，擴散泵與第一前級泵連接的管道上設有閥門；分子泵機組包括分子泵和第二前級泵，分子泵一端與容器體底部連接，分子泵另一端與第二前級泵連接；第一前級泵和第二前級泵均為機械真空泵。
8.根據權利要求1?7任一項所述裝置實現一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)工件輸送機構將柔性基材送入容器體內的基材卷繞機構中； (2)啟動高真空抽氣機構對容器體進行抽真空； (3 )當容器體內的真空度達到預定真空度后，啟動基材卷繞機構，對柔性基材進行放卷和收卷的傳送； (5)柔性基材放卷后，先通過離子源對柔性基材進行離子表面處理；(6 )柔性基材傳送至主輥處時，通過非平衡中頻磁控濺射機構進行濺射，在柔性基材表面沉積ITO層。
9.根據權利要求8所述一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜方法，其特征在于，所述步驟(6)中，非平衡中頻磁控濺射機構進行濺射后，若柔性基材表面的ITO層厚度未達到產品所要求的厚度，則基材卷繞機構反轉，非平衡中頻磁控濺射機構對柔性基材表面進行二次濺射。
10.根據權利要求8所述一種低溫沉積柔性基材ITO膜鍍膜方法，其特征在于，所述柔性基材為耐高溫材料或不耐高溫材料； 柔性基材的寬度 為300?2500mm，柔性基材的卷繞直徑為200?1000mm。
【文檔編號】C23C14/08GK103436844SQ201310362867
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】朱剛毅, 朱剛勁, 江紹基 申請人:肇慶市騰勝真空技術工程有限公司, 中山大學