CN103215556A

CN103215556A - 一种组合式光谱选择性吸收膜层快速沉积工艺

Info

Publication number: CN103215556A
Application number: CN2013101744368A
Authority: CN
Inventors: 焦青太; 尧克光; 王国伟
Original assignee: Solareast Holdings Co Ltd
Current assignee: Solareast Holdings Co Ltd
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: CN103215556B

Abstract

本发明是一种组合式光谱选择性吸收膜层快速沉积工艺，组合式光谱选择性吸收膜层由内至外由红外反射层、吸收层和减反层依次叠合组成；它采用磁控溅射方法得到红外反射层和吸收层，采用空心阴极气流溅射方法得到减反层。本发明工艺充分利用了磁控溅射方法制备的红外反射层、吸收层金属纯度高，且能够充分发挥磁控溅射法能够精确控制膜层中的金属含量和膜层厚度的优点，从而得到具有高吸收比，低发射比的太阳光谱选择性吸收膜层。利用气流反应溅射制备的金属化合物纯度高、致密、沉积速率快的优点，提高整个光谱选择性吸收膜层的抗氧化性、耐腐蚀性和耐高温性能。本发明工艺沉积效率高、沉积速率快、膜层结合牢靠、膜层性能大幅度提高的优点。

Description

一种组合式光谱选择性吸收膜层快速沉积工艺

技术领域

本发明涉及一种制备真空或非真空集热器件的吸热体材料的方法，特别是一种组合式光谱选择性吸收膜层快速沉积工艺，属于太阳能光热利用领域。

背景技术

目前，中国光热产业发展迅猛，特别是其核心的太阳能能真空集热管已经达到年产过亿支的规模，年新增集热面积达到千万平方米以上，对于太阳光谱选择性吸收涂层，目前国内主要使用阳极氧化类、电镀黑铬类甚至高分子基喷涂类涂层，这类涂层为湿法工艺制备，其制备过程或多或少都会产生废液等环境污染问题，且其在制备的光热转换膜层并不能有效的降低发射比。

物理气相沉积法（Physical Vapor Deposition，PVD）作为近几十年来发展起来的绿色环保干法镀膜技术，其在制备光谱选择性吸收膜层方面，具有相当优势。其基本过程为，靶材和背板绑定为一体。基材和靶材分别接地和负电压，从而在两者之间形成之间电场，通入的工作气体（一般为Ar气）原子在电场的作用下，电离形成Ar正离子和电子e的等离子态，等离子体充斥在靶材和基材间的溅射区域。Ar正离子在电场作用下轰击靶材表面，从而使靶材原子脱落形成粒子团，并沉积在基材上边形成所需膜层。根据需要，还可以通入反应气体，粒子团和反应气体反应生产化合物，并沉积在基材上。

提高等离子体密度是提高沉积率的根本方法。为了提高沉积速率，促进PVD方法的实用化，出现了磁控溅射方法，作为PVD技术中的重要分支，其在原有电场基础上，在靶材附近增加磁体及其产生的磁场，利用磁场R对带点粒子的约束，并与电场交互作用，使电子在靶表面附近成螺旋状运行，从而极大程度增大电子撞击氩气产生产生离化的概率，形成密度较高的等离子体区，进而等离子体中的Ar正粒子在电场作用下，撞击靶面，溅射出靶材，并沉积在基材上。

磁控溅射方法镀膜具有沉积速率高、工艺重复性好、膜层厚度控制准确等优点。目前，使用磁控溅射方法已经制备成功了一大批性能优异的光谱选择性吸收膜层。目前典型的膜层为CN85100142“溅射太阳能选择性吸收涂层”提及的Al-AlN单靶涂层，和CN96102331“太阳能选择性吸收表面涂层及其形成方法”提及的Cu-SS-AlN的三靶涂层，具有高的吸收比，低的发射比，一般吸收比大于90%，发射比不大于0.1，上述实用化的光谱选择性膜层大大促进光热产业的发展。

专利文献CN101408354使用溅射沉积方法制备薄层TiN、TiC、TiCN制备阻热扩散层。专利文献CN102278833也提到使用溅射沉积薄层AlN作为粘结层和扩散阻挡层的方法，以提高膜层的高温稳定性。

上述专利中均使用单一的磁控溅射方法进行制备各个亚层和子层结构，且特别优先直流磁控溅射工艺进行。磁控溅射借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量，从而实现提高溅射速率的目的。该方法在制备吸收层时优势特别明显，能够较好的调整膜层中的金属含量，进而控制膜层的组分。

但是对于制备纯度要求很高的金属化合物薄膜时，使用直流磁控反应溅射并不能制备出纯度较高的陶瓷化合物层（金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物等）。这主要是由于磁控溅射过程中工作气体和反应气体基本在同一区域加入造成的。尽管工作气体的等离子体密度较高，但活性较高的反应气体同时加入的过程中，则导致大量的金属粒子快速在该区域反应，无法到达靶材表面，从而导致沉积速率极低。甚至当氧化物等金属化合物沉积在靶材表面，导致靶材中毒，无法进行磁控溅射。

目前磁控溅射制备出的氧化物、氮化物等金属氧化物薄膜中含有大量的金属活性粒子，从而降低这些薄膜应有的增透、减反、阻挡等的作用，进而导致整个膜层的热稳定性、耐腐蚀性等性能降低，无法满足实际应用要求。

为了使用磁控溅射法制备出纯度高、致密均匀的陶瓷化合物层，一方面不得不使用使用烧结、热喷涂等复杂方法制备出化合物靶材，然后选择脉冲电源、中频电源进行射频溅射、中频溅射等方式进行，配合复杂的回路控制系统，才能始终控制溅射过程顺利进行，进而得到纯度较高的陶瓷化合物薄膜。该方法使用的脉冲电源极为昂贵，且膜层的沉积速率，其沉积速率较慢，因此实际应用推广受到较大限制。

而且从整个磁控溅射过程上说，磁控溅射方法要求真空度较高，一般要求本底真空达到10^-3Pa级别，工艺气压一般也要维持在10^-1Pa级别。这就使得整个真空抽气系统需要配置高真空、低真空组合式真空机组，一方面整个镀膜过程抽真空时间极长，降低镀膜效率，另一方面提高了系统的复杂性，加大了投入成本。

空心阴极效应是增加等离子体密度的另一种重要的方法，它是通过平行或相对设置的靶材对带点粒子的几何约束，并配合电场的交互作用，形成电子在阴极空腔的二个阴极表面之间来回振荡的空气阴极效应。电子在振荡过程中大量离化工作气体原子，从而形成高密度的等离子体。氩正离子Ar+轰击阴极内的靶材表面形成靶材粒子团。同时氩气流流过空腔，粒子团随着氩气气流出腔体，并沉积沉积在基材。

气流反应溅射的显著特点是其气体流量大，沉积速率极快，整个系统运行真空度要求不高，仅需要已经10^-1Pa~100Pa之间的低真空条件即可进行反应溅射，所以减少了常见磁控溅射所必须的昂贵的高真空泵组，从而能够大幅度降低设备造价及运行维护费用，工艺时间和生产效率也大大提高。

气流反应溅射的最大的优点是特别适合用于制备纯度较高的金属化合物膜层，特别是氧化物薄膜。该方法和磁控溅射的工作气体和反应气体在同一个区域不同。该方法中的反应气体是在空心阴极腔外加入的，其反应过程也是在溅射粒子团的沉积路径中完成的。高活性的气体（如氧气）由于惰性气体流氩气等的冲击下，不会反向流动到空心阴极腔内，因此反应气体也就不会在腔内和靶表面发生反应，在靶表面沉积形成氧化物等导电性能极差的金属化合物，也就避免了磁控溅射常出现的阴极钝化和靶中毒现象的发生，从而能够使氧化物等金属化合物的反应能够持续快速进行。

专利文献CN101798675A中提及一种气流反应溅射制备二氧化钛薄膜的方法，该方法使用中空阴极原理，能够实现在10Pa~100Pa的低真空溅射气压下，进行氧化物薄膜的制备。该方法结合等中空阴极离子体放电的等离子体密度高、靶材刻蚀速率高、刻蚀均匀的特点，结合大流量高速氩气的作用，将等离子体溅射下来的靶材金属粒子带向基材，并在溅射物质流经的路径中加入反应气体，溅射金属和反应气体生产所需要的氧化物并沉积在基材表面。

但是同样由于其沉积速率较快，导致其不易控制其中各种组分的比例。而对于光谱选择性吸收膜层的吸收层，其使用特定金属含量金属化合物+金属混合薄膜组合而成，因此，使用气流反应溅射不能准确控制其成分比例，进而无法达到太阳光谱的选择性吸收作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种新的、操作简单、效果好的组合式太阳光谱选择性吸收膜层快速沉积工艺。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种组合式光谱选择性吸收膜层快速沉积工艺，其特点是：组合式光谱选择性吸收膜层由内至外由红外反射层、吸收层和减反层依次叠合组成；该沉积工艺采用磁控溅射方法（magnetron sputtering），分别得到红外反射层和吸收层，采用空心阴极气流溅射方法（hollow cathode gas-flow sputting）得到减反层；

所述的红外反射层采用Ag、Ni、Cu、Al中的一种为原料，或者采用Ag、Ni、Cu、Al中两种或两种以上的合金为原料；

所述的吸收层由金属填充因子依次变化的2-4个子层组成，每个子层均采用磁控溅射方法制备金属填充元素M+M氧化物或者M+M氮氧化物组成混合物陶瓷介质薄膜，其中靠近红外反射层的吸收子层的金属填充因子高于靠近减反层的吸收子层的金属填充因子；所述金属填充元素M选自Fe、Cr、Ni、Ti、Mn、Sn、Zn、Mg、Si、V、Mo、W、Re中的一种或几种组成的合金；

所述的减反层为Al₂O₃薄膜，沉积时采用金属Al合金为原料并使用空心阴极气流溅射法生成。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的工艺，其特点是：所述的氧化物或氮氧化物优选为Fe-O，Fe-ON，Cr-O、Cr-ON、Ni-O、Ni-ON、Ti-O、Ti-ON、Mn-O、Mn-ON、Sn-O、Sn-ON、Zn-O、ZnON、Mg-O、Mg-ON、Si-O、Si-ON、V-O、V-ON、Mo-O、Mo-ON、W-O、W-ON、Re-O、Re-ON、FeCr-O、FeCr-ON。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的工艺，其特点是：空心阴极气流溅射方法沉积Al₂O₃减反层时，其真空度优选控制在100~10^-1Pa，溅射功率密度维持在0.5-100W/cm²，氩气流量为1000-10000sccm，氧气流量为10-200sccm。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的工艺，其特点是：减反层沉积厚度优选70-90nm。其真空度控制在2.0~6.0×10^-1Pa，溅射功率密度维持在10~30W/cm²，氩气流量为5000~7000sccm，氧气流量为100~120sccm，溅射时间200~360s。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的工艺，其特点是：所述的M优选为铁铬合金，特别优选AISI304（OCr18Ni9）或AISI316（00Cr17Ni14Mo2）。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的工艺，其特点是：在红外反射层内侧还设有Al₂O₃粘结层，Al₂O₃粘结层的沉积采用空心阴极气流溅射方法。粘结层具有亲和作用，从而提高吸收层和基材的结合力，同时由于高纯金属化合物的良好耐腐蚀性，从而赋予整个基材较高的抗腐蚀能力，提高整个光热转换膜层的耐腐蚀性。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的工艺，其特点是：在红外反射层和吸收层之间还设有Al₂O₃阻挡层，Al₂O₃阻挡层的沉积采用磁控溅射工艺。阻挡层具有隔离阻挡作用，能够阻止吸收层元素和红外反射层元素间的互扩散，从而能够提高整个光热转换涂层的耐高温热老化性能。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的工艺，其特点是：在采用磁控溅射方法与采用空心阴极气流溅射方法制得各层材料的操作工序之间，增加一缓冲工序，缓冲工序采用设置中间室、窄缝法阀的方法，将前后工序隔离开来，实现前后两种操作工序的过渡，缓冲工序的缓冲真空度处于其前后两种操作工序的真空度之间。缓冲工序的主要作用是隔离形成磁控溅射工艺、气流反应溅射工艺所需的真空室和不同真空度要求，避免两者交叉污染。

本发明中，红外反射层、吸收层和减反层三层基本决定了光谱选择性吸收膜层的光学特性，是膜层的主要组成部分。粘结层、阻挡层是根据需要才会进一步添加的功能性亚层，该类功能性亚层对膜层的光学特性无明显影响，但能提高了膜层的附着力、耐热性、抗氧化能力等方面的性能。本发明工艺提出了磁控溅射结合气流反应溅射的组合式工艺制备多层膜的工艺，该工艺能充分发挥各自的优势，同时又相辅相成。它充分利用了磁控溅射方法制备红外反射层、吸收层，该方法制备的红外反射层、吸收层金属纯度高，且能够充分发挥磁控溅射法能够精确控制膜层中的金属含量和膜层厚度的优点，从而得到具有高吸收比，低发射比的太阳光谱选择性吸收膜层。利用气流反应溅射制备减反层、粘结层，发挥气流溅射方法制备的金属化合物纯度高、致密、沉积速率快的优点，提高整个光谱选择性吸收膜层的抗氧化性、耐腐蚀性和耐高温性能。本发明工艺综合上述两种方法的优点，达到了合理安排相关工序，沉积效率高、沉积速率快、膜层结合牢靠、膜层性能大幅度提高的优点。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1，一种组合式光谱选择性吸收膜层快速沉积工艺，组合式光谱选择性吸收膜层由内至外由红外反射层、吸收层和减反层依次叠合组成；该沉积工艺采用磁控溅射方法，分别得到红外反射层和吸收层，采用空心阴极气流溅射方法得到减反层；

实施例2，实施例1所述的工艺中：所述的氧化物或氮氧化物为Fe-O，Fe-ON，Cr-O、Cr-ON、Ni-O、Ni-ON、Ti-O、Ti-ON、Mn-O、Mn-ON、Sn-O、Sn-ON、Zn-O、ZnON、Mg-O、Mg-ON、Si-O、Si-ON、V-O、V-ON、Mo-O、Mo-ON、W-O、W-ON、Re-O、Re-ON、FeCr-O、FeCr-ON。

实施例3，实施例1或2所述的工艺中：空心阴极气流溅射方法沉积Al₂O₃减反层时，其真空度控制在100~10^-1Pa，溅射功率密度维持在0.5-100W/cm²，氩气流量为1000-10000sccm，氧气流量为10-200sccm。

实施例4，实施例1-3任何一项所述的工艺中：减反层沉积厚度优选70-90nm。其真空度控制在2.0~6.0×10^-1Pa，溅射功率密度维持在10~30W/cm²，氩气流量为5000~7000sccm，氧气流量为100~120sccm，溅射时间200~360s。

实施例5，实施例1-4任何一项所述的工艺中：所述的M为铁铬合金。

实施例6，实施例1-5任何一项所述的工艺中：在红外反射层内侧还设有Al₂O₃粘结层，Al₂O₃粘结层的沉积采用空心阴极气流溅射方法。

实施例7，实施例1-6任何一项所述的工艺中：在红外反射层和吸收层之间还设有Al₂O₃阻挡层，Al₂O₃阻挡层的沉积采用磁控溅射工艺。

实施例8，实施例1-7任何一项所述的工艺中：在采用磁控溅射方法与采用空心阴极气流溅射方法制得各层材料的操作工序之间，增加一缓冲工序，缓冲工序采用设置中间室、窄缝法阀的方法，将前后工序隔离开来，实现前后两种操作工序的过渡，缓冲工序的缓冲真空度处于其前后两种操作工序的真空度之间。

实施例9，一种组合式光谱选择性吸收膜层快速沉积工艺实验一，步骤如下：铝基材经清洗剂、丙酮浸泡和去离子水超声清洗，充分烘干后进入预处理真空室。启动机械泵低真空机组，真空度抽至1.0×10^-1~1.0×10^-2Pa，通入氩气，工艺压强为1~10Pa，启动等离子源进一步对基材进行等离子体清洗1-5min，使基材清洁程度进一步提高。基材进入高真空室磁控溅射区域，真空度抽至1.0×10^-2~1.0×10^-3Pa，启动红外反射层Cu靶，持续通入氩气，工艺压强维持在0.1~0.5Pa，沉积红外反射Cu层70-150nm。基材进入下一高真空室磁控溅射区域，真空度抽至1.0×10^-2~1.0×10^-3Pa，启动吸收层SS靶，持续通入氩气，工艺压强维持在0.1~0.5Pa，调整氧气流量，获得高阻值吸收子层和低阻值吸收子层。首先通入氧气60sccm，溅射得到低阻值吸收子层，层后30-80nm，然后通入氧气110sccm，溅射得到高阻值吸收子层，层后30-80nm，两个吸收子层相加，总厚度不大于100nm。基材进入下一低真空室气流反应溅射区域，真空度抽至1.0×10^-1~1.0×1.0^-2Pa，通入氩气，维持工艺压强为1~10Pa，启动气流反应溅射金属Al靶，电压200-1000V，持续通入反应氧气，继续沉积一层高纯化合物减反层，厚度宜在50-100nm。沉积完成减反层后，基材推出真空室，完成高性能抗氧化性光谱选择性吸收膜层的制备。

实施例10，一种组合式光谱选择性吸收膜层快速沉积工艺实验二，步骤如下：表面粗糙度极低的镜面铝基材经去离子水超声清洗，充分烘干后进入预处理真空室。表面粗糙度极低的镜面铝基材经去离子水超声清洗，充分烘干后进入预处理真空室。启动机械泵低真空机组，真空度抽至1.0×10^-1~1.0×10^-2Pa，通入氩气，工艺压强为1~10Pa，启动等离子源进一步对基材进行等离子体清洗1-5min，使基材清洁程度进一步提高。基材进入高真空室磁控溅射区域，真空度抽至1.0×10^-2~1.0×10^-3Pa，启动吸收层SS靶，持续通入氩气，工艺压强维持在0.1~0.5Pa，调整氧气流量，获得高阻值吸收子层和低阻值吸收子层。首先通入氧气60sccm，溅射得到低阻值吸收子层，层后30-80nm，然后通入氧气110sccm，溅射得到高阻值吸收子层，层后30-80nm，两个吸收子层相加，总厚度不大于100nm。基材进入下一低真空室气流反应溅射区域，真空度抽至1.0×10^-1~1.0×10^-2Pa，通入氩气，维持工艺压强为1~10Pa，启动气流反应溅射金属Al靶，电压200-1000V，持续通入反应氧气，继续沉积一层高纯化合物减反层，厚度宜在50-100nm。沉积完成减反层后，基材推出真空室，完成高性能抗氧化性光谱选择性吸收膜层的制备。

实施例11，一种组合式光谱选择性吸收膜层快速沉积工艺实验三，步骤如下：铝基材经清洗剂、丙酮浸泡和去离子水超声清洗，充分烘干后进入预处理真空室。启动机械泵低真空机组，真空度抽至1.0×10^-1~1.0×10^-2Pa，通入氩气，工艺压强为1~10Pa，启动等离子源进一步对基材进行等离子体清洗1-5min，使基材清洁程度进一步提高。基材进入下一低真空室气流反应溅射区域，真空度抽至1.0×10^-1~1.0×1.0^-2Pa，通入氩气，维持工艺压强为1~10Pa，启动气流反应溅射金属Al靶，电压200-1000V，持续通入反应氧气，继续沉积一层高纯化合物减反层，厚度宜在10-50nm。基材进入高真空室磁控溅射区域，真空度抽至1.0×10^-2~1.0×10^-3Pa，启动红外反射层Cu靶，持续通入氩气，工艺压强维持在0.1~0.5Pa，沉积红外反射Cu层70-150nm。基材进入下一高真空室磁控溅射区域，真空度抽至1.0×1.0^-2~1.0×10^-3Pa，启动吸收层SS靶，持续通入氩气，工艺压强维持在0.1~0.5Pa，调整氧气流量，获得高阻值吸收子层和低阻值吸收子层。首先通入氧气60sccm，溅射得到低阻值吸收子层，层后30-80nm，然后通入氧气110sccm，溅射得到高阻值吸收子层，层后30-80nm，两个吸收子层相加，总厚度不大于100nm。基材进入下一低真空室气流反应溅射区域，真空度抽至1.0×10^-1~1.0×1.0^-2Pa，通入氩气，维持工艺压强为1~10Pa，启动气流反应溅射金属Al靶，电压200-1000V，持续通入反应氧气，继续沉积一层高纯化合物减反层，厚度宜在50-100nm。沉积完成减反层后，基材推出真空室，完成高性能抗氧化性光谱选择性吸收膜层的制备。

Claims

1.一种组合式光谱选择性吸收膜层快速沉积工艺，其特征在于：组合式光谱选择性吸收膜层由内至外由红外反射层、吸收层和减反层依次叠合组成；该沉积工艺采用磁控溅射方法，分别得到红外反射层和吸收层，采用空心阴极气流溅射方法得到减反层；

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述的氧化物或氮氧化物为Fe-O，Fe-ON，Cr-O、Cr-ON、Ni-O、Ni-ON、Ti-O、Ti-ON、Mn-O、Mn-ON、Sn-O、Sn-ON、Zn-O、ZnON、Mg-O、Mg-ON、Si-O、Si-ON、V-O、V-ON、Mo-O、Mo-ON、W-O、W-ON、Re-O、Re-ON、FeCr-O、FeCr-ON。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：空心阴极气流溅射方法沉积Al₂O₃减反层时，其真空度控制在100~10^-1Pa，溅射功率密度维持在0.5-100W/cm²，氩气流量为1000-10000sccm，氧气流量为10-200sccm。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：减反层沉积厚度优选70-90nm，其真空度控制在2.0~6.0×10^-1Pa，溅射功率密度维持在10~30W/cm²，氩气流量为5000~7000sccm，氧气流量为100~120sccm，溅射时间200~360s。

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述的M为铁铬合金。

6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：在红外反射层内侧还设有Al₂O₃粘结层，Al₂O₃粘结层的沉积采用空心阴极气流溅射方法。

7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于：在红外反射层和吸收层之间还设有Al₂O₃阻挡层，Al₂O₃阻挡层的沉积采用磁控溅射工艺。

8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：在红外反射层和吸收层之间还设有Al₂O₃阻挡层，Al₂O₃阻挡层的沉积采用磁控溅射工艺。

9.根据权利要求1-8任何一项所述的工艺，其特征在于：在采用磁控溅射方法与采用空心阴极气流溅射方法制得各层材料的操作工序之间，增加一缓冲工序，缓冲工序采用设置中间室、窄缝法阀的方法，将前后工序隔离开来，实现前后两种操作工序的过渡，缓冲工序的缓冲真空度处于其前后两种操作工序的真空度之间。