DE102009011696A1

DE102009011696A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gradientenschichten und Schichtsystem

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Publication number: DE102009011696A1
Application number: DE102009011696A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Faber; Ekkehart Reinhold; Sven Barth; Uwe Kralapp
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kostengünstigen Herstellung thermisch wirksamer Schichtsysteme, insbesondere Solarabsorber-Schichtstapel, durch Koverdampfen zweier Verdampfungsmaterialien in ein und derselben Prozesskammer und Abscheidung mit hoher Rate auf einem kontinuierlich durchlaufenden Substrat offenbart. Die Dampfquellen werden relativ zueinander und jeweils in ihrem Abstand zum Substrat unabhängig voneinander positioniert. Die Ausbreitung der Dampfströme aus den beiden Dampfquellen in Richtung auf das Substrat und damit das Konzentrationsverhältnis der Komponenten und der Gradient der Gradientenschicht werden durch Positionierung einer Einlauf- und Auslaufblende sowie einer zwischen den beiden Dampfquellen angeordneten höhenveränderlichen Trennwand in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Dampfquellen und das Substrat festgelegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Gradientenschicht durch gleichzeitiges Verdampfen zweier Materialien in einer Prozesskammer. Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden einer Cermet-Gradientenschicht. Die Erfindung betrifft außerdem ein Solarabsorber-Schichtsystem, das eine Cermet-Gradientenschicht umfasst.
Gradientenschichten sind als thermisch wirksame Schichten auf mehreren Gebieten im Einsatz, beispielsweise bei der Herstellung von Bau- oder Dekorationsglas oder Wärmeschutzglas für den Einsatz im Baubereich. Gradientenschichten sind aber auch auf dem Gebiet der Solarthermie im Einsatz. Wegen der begrenzten Energieressourcen hat die Nutzung von Solarenergie in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Die Sonnenstrahlung wird dabei in geeignete Energieformen umgewandelt, beispielsweise mittels Solarzellen in Elektrizität oder mittels thermischer Sonnenkollektoren in Wärme. Wesentlichster Funktionsbestandteil thermischer Sonnenkollektoren ist dabei ein Solarabsorber, der die Sonnenenergie in Wärme umwandelt und diese an einen vorbeiströmenden Wärmeträger abgibt. Als Solarabsorber werden bisher Aluminium- oder Kupferbleche genutzt, die mit einer Beschichtung versehen sind, welche dafür sorgen soll, dass die Sonnenstrahlung gut absorbiert wird und zugleich möglichst wenig Wärme abgestrahlt wird, die also wellenlängenselektiv wirkt.
Als selektive Absorbermaterialien bekannt sind CrO_x- und TiO_x-Schichten, die durch graduelle reaktive Prozesse abgeschieden werden. Die CrO_x-Technologie ist allerdings wegen der möglichen Entstehung von umweltbedenklichem Chrom(VI)-oxid umstritten. TiO_x-basierte Absorber besitzen bei hohen Temperaturen nur eine begrenzte Lebensdauer.
Als ein vielversprechendes Konzept für selektive Solarabsorber haben sich Schichtsysteme erwiesen, die aus einer Keramik und Metall enthaltenden Verbundschicht, einem so genannten Cermet (engl.: CERamic – METal), bestehen, das auf einer Infrarot (IR) reflektierenden Schicht aufgebracht ist und mit einer Entspiegelungs-(Antireflex-)Schicht abgedeckt ist. Es gibt eine Reihe von Cermets, die hochtemperaturstabil sind, zum Beispiel eine Kombination aus Molybdän und Aluminiumoxid (Mo-Al₂O₃), die aber nicht reaktiv abgeschieden werden können. Bisher werden solche Cermet-Schichten durch DC- und RF-Sputtern hergestellt, wobei durch die niedrigen Abscheidungsraten der Sputtertechnik und die dabei auftretenden hohen Energieeinträge die Produktivität begrenzt ist. Außerdem sind aufwendige Kühlverfahren zur Substratkühlung notwendig.
Zur Erhöhung der Produktivität wurde reaktives Sputtern vorgeschlagen, zum Beispiel von Teixeira, V. et al. in "Spectrally selektive composite coatings of Cr-Cr2O3 and Mo-Al2O3 for solar energy applications", Thin Solid Films 392 (2001) S. 320–326. Simulationsergebnisse legen außerdem nahe, dass sich sehr gute selektive optische Eigenschaften ergeben, wenn der Mo-Gehalt in der Mo-Al₂O₃-Cermetschicht zur Oberfläche hin allmählich abnimmt, man vergleiche beispielsweise "High efficiency Mo-Al2O3 cermet selective surfaces for high-temperature application", Solar Energy Materials and Solar Cells 40 (1996).
Prinzipiell wurde vom Anmelder bereits gezeigt, dass die Herstellung von Mo-Al₂O₃-Cermetschichten durch Koverdampfen mittels Elektronenstrahl (EB) möglich ist. Man vergleiche "Highly Efficient Solar Absorbers Produced by Large Area Electron Beam Deposition", Faber et al., AIMCAL, Fall Technical Conference 2006, Reno, USA, 22.–25. Oktober. Allerdings waren in der vorgestellten Apparatur die Beschichtungsraten und der Gradient der Cermetschichten nicht ausreichend genau und nicht langzeitstabil einstellbar und eine großflächige Beschichtung nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von thermisch wirksamen Schichtsystemen aufzuzeigen, bei denen die vorstehend erwähnten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Solarabsorberschichtsystemen zur Verfügung zu stellen, die eine Schichtabscheidung mit hoher Rate mit möglichst geringem technischen Aufwand ermöglichen, die umweltverträglich sind und mit denen sich hochtemperatur- und langzeitstabile Schichtsysteme kostengünstig herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Ausbilden einer Gradientenschicht gemäß Anspruch 1, mit einem Verfahren zur Herstellung eines Solarabsorber-Schichtsystems gemäß Anspruch 13 und mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 20 gelöst.
Erfindungsgemäß wird die Gradientenschicht in einer Prozesskammer durch gleichzeitiges Verdampfen zweier Verdampfungsmaterialien mit einander durchdringenden Dampfströmen erzeugt, wobei ein Substrat kontinuierlich durch die Dampfgemischwolke hindurch bewegt wird und die Verdampfungsmaterialien in der Transportrichtung des Substrats hintereinander angeordnet sind.
Im Falle eines Solarabsorbers ist die Gradientenschicht eine aus einer Metallkomponente und einer Oxid- oder Keramikkomponente bestehende Cermetschicht, wobei das Substrat den vom Metall dominierten Teil der Dampfgemischwolke zuerst passiert. Das Verdampfungsmaterial kann mittels Elektronenstrahl oder anderen thermischen Verfahren verdampft werden. Das Verdampfen der Metallkomponente kann dabei plasmaaktiviert erfolgen. Zur Stöchiometriestabilisierung der Oxidkomponente kann außerdem in den von der Oxidkomponente dominierten Bereich ein Reaktivgas eingeleitet werden.
Eine großflächige und langzeitstabile Beschichtung, bei der sich ein dezidiertes Konzentrationsverhältnis in der Schicht ergibt, wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Verdampfungsmaterialien in unabhängigen Dampfquellen angeordnet werden, deren Position und gegenseitiger Abstand in der Transportrichtung des Substrats veränderbar ist und die jeweils unabhängig voneinander in ihrem Abstand zum Substrat positioniert werden können. Außerdem wird zwischen den Dampfquellen und quer zur Transportrichtung des Substrats eine senkrechte Trennwand angeordnet, die an die Substratbreite angepasst ist. Durch die Trennwand kann vorteilhaft eine gegenseitige Kontamination der Dampfquellen verhindert werden. Die Ausbreitung der Dampfströme von den beiden Dampfquellen in Richtung auf das Substrat und die Durchmischung dieser kann erfindungsgemäß durch Anpassung der Höhe der Trennwand und ihrer relativen Position zu den Dampfquellen eingegrenzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können eine horizontal verschiebbare Einlaufblende und eine horizontal verschiebbare Auslaufblende unmittelbar unterhalb des durchlaufenden Substrats und parallel zu diesem angeordnet werden. Sie legen den Bedampfungsbereich fest. Das Konzentrationsverhältnis der Komponenten zu Beginn und zum Ende der Bedampfung sowie der Gradient der Gradientenschicht können durch Positionieren der Einlaufblende, der Auslaufblende und der Trennwand in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Dampfquellen und das Substrat, sowie durch das Rateverhältnis beider Quellen, das heißt das Verhältnis der Verdampfungsraten beider Dampfquellen, festgelegt werden.
Um eine gewünschte gleichmäßige Beschichtung über die Substratbreite hin zu erzielen, kann die Dampfquelle aus zwei oder mehr Einzelquellen bestehen, die jeweils quer zur Transportrichtung des Substrats nebeneinander angeordnet sind, sodass in der Dampfgemischwolke am Substrat eine ausreichende Gleichmäßigkeit der Dichte beider Dampfkomponenten quer zur Substrattransportrichtung gegeben ist.
In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich die Einlaufblende, die Auslaufblende und die Trennwand in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Dampfquellen und das Substrat derart positionieren, dass zum Zwecke der Gradientengestaltung und gegebenenfalls einer teilweisen Abscheidung der reinen Komponenten als Begrenzung der eigentlichen Cermetschicht eine oder beide Dampfkomponenten gezielt ausgeblendet werden. Die Trennwand und/oder die Ein- und Auslaufblende können dabei wassergekühlt werden.
Ein Solarabsorber-Schichtsystem kann auf einem metallhaltigen oder glasartigen Substrat eine Schichtfolge aus einer metallhaltigen haftvermittelnden und Infrarot reflektierenden Basisschicht, der Cermet-Gradientenschicht und einer Entspiegelungsschicht umfassen, wobei die genannten Schichten jeweils aus mehreren Teilschichten bestehen können. Im Falle eines solchen Schichtsystems ist es erfindungsgemäß insbesondere möglich, die IR-Reflexionsschicht oder einen Teil derselben unter der Cermetschicht und/oder die Entspiegelungsschicht oder einen Teil derselben über der Cermetschicht im gleichen Prozess und in derselben Prozesskammer abzuscheiden wie die Cermet-Gradientenschicht. Das bringt deutliche Verfahrens- und Kostenvorteile mit sich. Die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren und mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Schichtsysteme sind als Teil der Erfindung zu betrachten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie den anliegenden Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigt:
1 eine Metallband-Beschichtungsanlage gemäß dem Stand der Technik, in welche die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert werden kann und in der damit das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden kann;
2 eine Anlage zur großflächigen Beschichtung gemäß dem Stand der Technik, in welche die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert werden kann und in der damit das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden kann;
3 eine Prinzipskizze der Ausgestaltung einer Verdampfungskammer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die in die Anlage aus 1 und 2 integriert werden kann; und
4 ein Solarabsorber-Schichtsystem, das vorteilhaft in einer die Verdampfungskammer aus 3 enthaltenden Anlage hergestellt werden kann.
1 zeigt eine bekannte Metallband-Beschichtungsanlage. Stark vereinfacht ist schematisch ein Ab- und ein Aufwickler 1 für ein Metallbandsubstrat, eine Magnetron-Sputterätzkammer 2 zur Substratvorbehandlung, eine Doppeltiegel-Verdampfungskammer 3 zur Erzeugung einer aus zwei Komponenten bestehenden Schicht auf dem Substrat, eine Messkammer 5 zur Überprüfung von Schichteigenschaften und eine Elektronenstrahlkanone 4 zum Verdampfen der beiden Verdampfungsmaterialien dargestellt.
In 2 ist schematisch eine bekannte kontinuierlich arbeitende Inline-Beschichtungsanlage für großformatige metall- oder glashaltige Substrate dargestellt, die verschiedene PVD- und CVD-Beschichtungsschritte ermöglicht. Zwischen einer Eingabeschleuse 10A und einer Ausgabeschleuse 10B sind hintereinander eine Magnetron-Sputterätzkammer 20 zur Substratvorbehandlung, eine Sputterkammer 60, eine Doppeltiegel-Verdampfungskammer 30 und eine weitere Verdampfungskammer 70 gezeigt. Den Verdampfungskammern sind jeweils Elektronenstrahlkanonen 40A bzw. 40B zugeordnet. In der Vorbehandlungskammer 2 aus 1 bzw. 20 aus 2 kann alternativ auch eine Ionenstrahlätzeinrichtung oder Glimmeinrichtung installiert sein. Den Prozesskammern sind jeweils Messkammern 50A–D zwischengeordnet, in denen die Schichteigenschaften durch berührungslose Schichtmesstechnik, beispielsweise Reflexionsmessung oder Ellipsometrie überwacht werden. Verfahren hierzu sind dem Fachmann bekannt und sollen hier nicht eingehender beschrieben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer der Anlagen aus den 1 und 2 realisiert werden, wenn die Doppeltiegel- Verdampfungskammer 3 bzw. 30 erfindungsgemäß modifiziert ausgebildet wird, wie noch mit Bezug auf 3 eingehender erläutert wird. Die Anlagen aus den 1 und 2 stellen lediglich zwei Beispiele für Beschichtungsanlagen dar, in denen die Erfindung realisiert werden kann. In Abhängigkeit von der gewünschten Beschichtungskonfiguration sind auch andere Prozesskammerfolgen denkbar. Wesentlich ist, dass das zu beschichtende Substrat, wie Metallbänder, Metall- oder Glasplatten, Metall- oder Glasrohre, die Prozesskammerfolge kontinuierlich mit einer produktivitätsangepassten Geschwindigkeit passiert.
Die Erfindung soll am Beispiel der Herstellung eines Solarabsorber-Schichtstapels 400 beschrieben werden, der als funktionelle Absorberschicht eine Cermet-Gradientenschicht enthält. Eine exemplarische Ausführungsform eines Solarabsorber-Schichtsystems ist in 4 gezeigt. Auf einem metallhaltigen oder glasartigen Substrat 410 ist eine Haftvermittlungs- und/oder IR-Reflexionsschicht 420 aufgebracht, die aus einem Schichtstapel 421, 422 bestehen kann, der eine optisch dichte Teilschicht mit zum Beispiel Cr, Mo, Cu, Ag, Ti, Nb, Zr oder Al enthält. Handelt es sich bei dem Substrat um ein Metall, so kann auch auf die Basisschicht verzichtet werden und die Funktion der IR-Reflektion durch das Substrat geleistet werden, dass dann lediglich im Rahmen der Substratvorbehandlung eine saubere metallische Oberfläche erhält. Die Schichten 421, 422 können das gleiche Metall enthalten, können aber auch unterschiedliche Metalle enthalten, so dass die optischen Eigenschaften der Teilschichten einander ergänzen. Die Haftvermittlungs- und/oder IR-Reflexionsschicht 420 kann teilweise oder vollständig in einer Prozesskammer mit einer Sputtereinrichtung, wie in 2 bei 60 gezeigt, ausgebildet werden. Sie kann auch teilweise oder vollständig in einer Prozesskammer mit einem Elektronenstrahlverdampfer-System oder einem anderen thermischen Verdampfer-System ausgebildet werden, wobei ein Elektronenstrahlverdampfer-System dann aus Elektronenstrahlkanone und Tiegelsystem besteht, wie in 2 bei 70 gezeigt ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die obere Teilschicht 422 oder die gesamte Haftvermittlungs- und/oder IR-Reflexionsschicht 420 in demselben Prozessschritt und derselben Prozesskammer wie die funktionelle Cermet-Gradientenschicht 430 ausgebildet werden, wie noch mit Bezug auf 3 eingehender erläutert wird.
Auf der Cermetschicht 430 ist eine Antireflexions- oder Entspiegelungsschicht 440 aufgebracht. Diese kann aus einem Schichtsystem mit einer Zwischenschicht 441 von weniger als 10 nm, einer Hauptentspiegelungsschicht 442 und einer schützenden Deckschicht 443 mit einer Dicke kleiner 10 nm bestehen. Die Entspiegelungsschicht 440 besteht aus transparenten niedrig- oder mittelbrechenden Materialien, wie zum Beispiel Al₂O₃ oder SiO₂ oder SiN mit einer Gesamtschichtdicke zwischen 40 und 120 nm. Der Entspiegelungsschichtstapel 440 kann, wie bereits für die Haftvermittlungs- und/oder IR-Reflexionsschicht 420 beschrieben, teilweise oder vollständig in Sputterprozesskammern und/oder Vedampfungsprozesskammern mit einem Elektronenstrahlverdampfer-System oder einem anderen thermischen Verdampfer-System ausgebildet werden, wie exemplarisch in 2 bei 60 bzw. 70 gezeigt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Zwischenschicht 441 oder, im Falle einer einzigen Deckschicht die gesamte Entspiegelungsschicht 440, in demselben Prozessschritt und derselben Prozesskammer wie die funktionelle Cermet-Gradientenschicht 430 ausgebildet werden, wie noch mit Bezug auf 3 eingehender erläutert wird.
Schichtstapel, wie in 4 dargestellt, wurden bereits in vielen Ausgestaltungen für Solarthermie-Anwendungen beschrieben. Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, ein solches Schichtsystem großflächig, langzeitstabil und kostengünstig, hochtemperaturbeständig und korrosionsbeständig herzustellen. Speziell wird eine kostengünstige Möglichkeit zum Aufdampfen der funktionellen Cermet-Gradientenschicht 430 aufgezeigt. Zugleich wird eine Möglichkeit aufgezeigt, die Basisschicht 420 und/oder die Entspiegelungsschicht 440 teilweise oder vollständig in demselben Prozessschritt herzustellen. Dies soll nachfolgend anhand von 3 veranschaulicht werden, die schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Doppeltiegel-Verdampfungskammer 300 zeigt, welche in den Anlagen aus 1 und 2 die Kammern 3 bzw. 30 ersetzen kann.
Erfindungsgemäß wird die Cermet-Gradientenschicht durch zeit-gleiches Verdampfen der Gradientenkomponenten bei Durchdringung beider Komponentendampfströme verbunden mit einer translativen Substratbewegung abgeschieden. In dem Beschichtungsprozess wird in ein und derselben Kammer eine Metallkomponente (M), die in einer Dampfquelle 330 angeordnet ist und zum Beispiel Mo, Ti, Nb und/oder Zr enthält, gleichzeitig mit einer Keramik- oder Oxidkomponente (C), die in einer Dampfquelle 330 angeordnet ist und zum Beispiel Al₂O₃ oder SiO₂ enthält, verdampft. Die Metall-Dampfquelle 330 ist in Transportrichtung des Substrats 310 betrachtet vor der Keramik-Dampfquelle 340 angeordnet, wie in 3 gezeigt. Das Substrat passiert also den vom Metall dominierten Teil der Dampfgemischwolke zuerst, sodass eine Gradientenschicht mit einem zur Oberfläche hin abnehmenden Metallanteil ausgebildet wird. Die Schichtdicke der Cermetschicht wird im Bereich zwischen 80 und 200 nm liegen.
Die Kammer 300 umfasst Elektronenstrahlverdampfer und/oder andere thermische Verdampfer, wobei der Elektronenstrahlverdampfer aus mindestens einer Elektronenstrahlquelle und den zwei materialspezifischen Dampfquellen bzw. Tiegelsystemen 330, 340 besteht. Jedes Tiegelsystem kann aus mehreren Einzeltiegeln bestehen, die angepasst an die Substratbreite quer zur Substrattransportrichtung angeordnet sind. Das Material kann mit nur einer Elektronenkanone oder zwei Elektronenkanonen, gegebenenfalls sogar mit 4 Elektronenkanonen, verdampft werden.
Eine Langzeitstabilität des Cermetabscheidungsprozesses wird dadurch unterstützt, dass für beide Verdampfungsmaterialien unabhängige Verdampfersysteme verwendet werden, die eine Aufrechterhaltung stabiler Verdampfungsprozesse über lange Zeiträume gewährleisten. Dabei werden ausreichende Mengen an Verdampfungsgut bei näherungsweiser Erhaltung der Verdampfungsgeometrie bereitgestellt. Die Tiegelsysteme können unbewegt und nach dem Prinzip des umgekehrten Strangabzugs nachgefüttert oder mittels Draht nachgefüttert werden. Die Erhaltung der Verdampfungsgeometrie kann aber auch durch geeignete Tiegelbewegung erreicht werden.
Weiterhin wird die Langzeitstabilität des Abscheidungsprozesses durch eine Stöchiometriestabilisierung der Oxidkomponente in der Dampfphase mittels Einleitung von Reaktivgas (wie z. B. O₂, H₂O, N₂O) in den Bereich der bevorzugten Abscheidung der Oxidkomponente begünstigt. Die Gasregelung in dem Gaseinlass-System kann durch Flussreglung, durch Druckreglung oder auch durch Reglung nach mit der Messeinrichtung gemessenen optischen Parametern erfolgen.
Weiterhin wird zur Herstellung besonders dichter und damit widerstandfähiger Cermetschichten die Prozesskammer so gestaltet, dass eine zusätzliche Plasmaaktivierung möglich ist. Die plasmaaktivierte Bedampfung kann zum Beispiel mittels SAD-Prozess (Spotless arc Activated Deposition) für die Tiegel des metallischen Verdampfungsguts (refraktäre Metalle) erfolgen. Beim SAD-Prozess wird die Elektronenstrahl-Bedampfung mit einer speziellen Vakuumbogenentladung kombiniert. Damit können zusätzlich verbesserte Schichteigenschaften erreicht werden. Wird eine solche Verdampfereinheit mit einem Verdampfer für Keramikmaterial kombiniert, verbessern sich auch die Schichteigenschaften der Gesamtschicht. Zur plasmaaktivierten Bedampfung mit dem so genannten SAD-Verfahren werden die Tiegel der metallischen Komponente isoliert gegen Masse befestigt und dazu mindestens eine zusätzliche Anode (auch isoliert befestigt) angeordnet. Eine Hochstromversorgung erlaubt die Aufrechterhaltung einer Bogenentladung zwischen Anode und Tiegel, die im Metalldampf brennt. Durch eine zusätzliche Bias-Stromversorgung wird eine zusätzliche Beschleunigung der Ionen zum auf Masse liegenden Substrat erreicht.
Die geeignete Beschichtungskonfiguration für eine funktionell optimierte Einzelprozessgestaltung wird erfindungsgemäß zum einen dadurch hergestellt, dass die für die Cermetkomponenten geeigneten unabhängigen Verdampfersysteme 330 und 340 jeweils unabhängig von einander in ihrer Höhe zum Substrat 310 und in ihrer Entfernung zueinander positionierbar sind, wie in 3 durch die Doppelpfeile verdeutlicht ist. Zum anderen wird der freie Bedampfungsbereich durch eine geeignete Begrenzung der Beschichtung im Einlaufbereich und im Auslaufbereich durch horizontal variabel positionierbare und unmittelbar unterhalb des durchlaufenden Substrats und parallel zu diesem angeordnete Einlauf- bzw. Auslaufblenden 320A/B festgelegt. Damit kann in Kombination mit der Anpassung des Verdampfungsrateverhältnisses für die beiden Verdampfungsmaterialien das gewünschte optimale Start- und Endkonzentrationsverhältnis der Cermetkomponenten eingestellt werden.
Außerdem ist zwischen den Dampfquellen 330, 340 und quer zur Transportrichtung des Substrats eine senkrechte Trennwand 350 angeordnet, die an die Substratbreite angepasst ist. Sie dient zum einen dazu, eine gegenseitige Kontamination der beiden Verdampfungsmaterialien während des gleichzeitigen Verdampfungsprozesses zu vermeiden. Zum anderen ist diese Trennwand in ihrer Höhe in Bezug auf die Dampfquellen und im Abstand ihrer Oberkante zum Substrat anpassbar. Ihre Position in Substrattransportrichtung relativ zu den Dampfquellen lässt sich durch die unabhängig einstellbaren Positionen der Dampfquellen wählen. Die Anpassung der Höhe in Verbindung mit einer gewählten Position kann entsprechend der gewünschten Schichtkonfiguration durch Ersatz der Trennwand durch eine andere mit anderer Höhe oder durch Höhenverstellung, wie in 3 durch den Doppelpfeil veranschaulicht, erfolgen. Die Einstellung der Höhe der Trennwand und ihrer Position relativ zu den Dampfquellen kann außerdem der gezielten Ausblendung der einen oder anderen Verdampfungskomponente unmittelbar hinter der Einlaufblende 320A und/oder unmittelbar vor der Auslaufblende 320B dienen. So wird es gegebenenfalls möglich, als Begrenzung der eigentlichen Cermet-Gradientenschicht eine der Komponenten oder auch beide Komponenten rein abzuscheiden.
3 veranschaulicht insbesondere die durch eine spezifische Positionierung der Trennwand 350, der ersten Dampfquelle 330 und der zweiten Dampfquelle 340 in Bezug aufeinander bewirkte Eingrenzung der Dampfströme von den beiden Dampfquellen in Richtung auf das Substrat und die Durchmischung dieser. Bei der in 3 dargestellten Geometrie wird nach der Einlaufblende 320A zunächst auf dem mit M/C bezeichneten Abschnitt des Substrats eine Gradientenschicht mit in Transportrichtung des Substrats abnehmendem Metallgehalt abgeschieden. Der mit C bezeichnete Abschnitt des Substrats ist durch die Trennwand 350 abgeschattet, sodass der Metalldampf nicht dorthin gelangen wird. In diesem Abschnitt wird also eine reine Keramikschicht abgeschieden. Diese kann zum Beispiel als Entspiegelungsschicht 440 oder zumindest als Zwischenschicht 441 dienen, so dass hier die Entspiegelungsschicht oder ein Teil derselben im gleichen Prozess und in derselben Prozesskammer wie die Cermet-Gradientenschicht abgeschieden wird. Anhand der in 3 veranschaulichten geometrischen Verhältnisse ist leicht vorstellbar, dass sich bei tieferer Positionierung der Dampfquelle 340 in Bezug auf die Oberkante der Trennwand 350 ummittelbar hinter der Einlaufblende ein abgeschatteter Beschichtungsbereich ergibt, in den dann kein Keramikdampf gelangen wird, so dass in diesem Fall vor, d. h. unter der Cermetschicht zunächst eine reine Metallschicht abgeschieden wird. Die in der Verdampfungskammer 300 in einem einzigen Prozess abscheidbare Schichtfolge Metall/Cermet/Keramik bzw. Oxid ist in 4 mit ”V” bezeichnet.
Anhand der vorstehenden Beschreibung sollte deutlich geworden sein, dass es mithilfe der erfindungsgemäßen Blendenkombination und Ausgestaltung der Prozesskammer vorteilhaft möglich ist, durch Variation der Positionierung der Einlaufblende 320A, der Auslaufblende 320B und der Trennwand 350 in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Dampfquellen 330, 340 und das Substrat 310 in dem Beschichtungsbereich zwischen Einlauf- und Auslaufblende mehrere funktionelle Schichten in ein und derselben Verdampfungskammer 300 durch Koverdampfen zweier Materialien auf einem durchlaufenden Substrat kostengünstig abzuscheiden. Durch Wahl der beschriebenen Prozessgeometrie und des Verdampfungsrateverhältnisses beider Komponenten lässt sich zudem der spezielle Verlauf des Gradienten von der Anfangs- bis zur Endkonzentration gezielt festlegen.

1: Ab-/Aufwickler
2: Vorbehandlungskammer
3: Doppeltiegel-Verdampfungskammer
4: Elektronenstrahl(EB)-Kanone
5: Messkammer
10A/B: Eingabe-/Ausgabeschleuse
20: Vorbehandlungskammer
30: Doppeltiegel-Verdampfungskammer
40A/B: Elektronenstrahl(EB)-Kanone
50A–D: Messkammern
60: Sputterkammer
70: Verdampfungskammer
300: Doppeltiegel-Verdampfungskammer
310: Substrat
320A/B: Einlauf-/Auslaufblende
330: erste Verdampfungsquelle
340: zweite Verdampfungsquelle
350: Trennwand
M: Metall
C: Keramik/Oxid
400: Absorber-Schichtsystem
410: Substrat
420: IR-Reflexionsschicht
421, 422: Teilschichten der IR-Reflexionsschicht
430: Cermet-Schicht
440: Entspiegelungs- und Schutzschicht
441–443: Teilschichten der Entspiegelungs- und Schutzschicht
V: Schichtstapel, der in der Kammer 300 aufgedampft werden kann

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Teixeira, V. et al. in ”Spectrally selektive composite coatings of Cr-Cr2O3 and Mo-Al2O3 for solar energy applications”, Thin Solid Films 392 (2001) S. 320–326 [0005]
- ”High efficiency Mo-Al2O3 cermet selective surfaces for high-temperature application”, Solar Energy Materials and Solar Cells 40 (1996) [0005]
- ”Highly Efficient Solar Absorbers Produced by Large Area Electron Beam Deposition”, Faber et al., AIMCAL, Fall Technical Conference 2006, Reno, USA, 22.–25. Oktober [0006]

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer aus zwei Komponenten bestehenden Gradientenschicht (430) auf einem Substrat (310; 410) durch gleichzeitiges Verdampfen zweier Verdampfungsmaterialien in ein und derselben Prozesskammer, wobei das Substrat in einer Transportrichtung kontinuierlich durch die Prozesskammer hindurch bewegt wird und die Verdampfungsmaterialien in der Transportrichtung hintereinander angeordnet sind, gekennzeichnet durch – Anordnen der Verdampfungsmaterialien in jeweils einzelnen Dampfquellen (330, 340) und Anordnen der Dampfquellen in der Prozesskammer in solcher Weise, dass sie in der Transportrichtung des Substrats relativ zueinander und jeweils in ihrem Abstand zum Substrat (310) unabhängig voneinander positioniert werden, – Anordnen einer senkrechten Trennwand (350) zwischen den Dampfquellen und quer zur Transportrichtung des Substrats, wobei die Trennwand an die Substratbreite angepasst wird, – Eingrenzen der Ausbreitung der Dampfströme aus den beiden Dampfquellen in Richtung auf das Substrat und der Durchmischung dieser durch Einstellung der Höhe der Trennwand.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Anordnen einer horizontalen Einlaufblende (320A) und einer horizontalen Auslaufblende (320B) unmittelbar unterhalb des durchlaufenden Substrats und parallel zu diesem und Festlegen des Bedampfungsbereichs durch Positionieren der Blenden relativ zueinander und zu der Prozesskammer.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Festlegen des Konzentrationsverhältnisses der Komponenten zu Beginn und zum Ende der Bedampfung sowie des Gradienten der Gradientenschicht durch Positionieren der Einlaufblende, der Auslaufblende und der Trennwand in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Dampfquellen und das Substrat und durch Einstellung des Verdampfungsrateverhältnisses beider Komponenten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Dampfquelle aus zwei oder mehr Einzelquellen besteht, die jeweils quer zur Transportrichtung des Substrats nebeneinander angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfen thermisch erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfen zumindest einer Komponente mittels Elektronenstrahl erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verdampfungsmaterial ein Metall ist und das zweite Verdampfungsmaterial eine Keramik oder ein Oxid ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat den vom Metall dominierten Teil der Dampfgemischwolke zuerst passiert.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfen der Metallkomponente plasmaaktiviert erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den von der Oxidkomponente dominierten Bereich ein Reaktivgas eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufblende, die Auslaufblende und die Trennwand in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Dampfquellen und das Substrat derart positioniert werden, dass in einem in Transportrichtung unmittelbar auf die Einlaufblende folgenden Bereich, zeitlich vor der Gradientenschicht, eine Schicht abgeschieden wird, die im Wesentlichen aus der ersten die Gradientenschicht bildenden Komponente besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufblende, die Auslaufblende und die Trennwand in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Dampfquellen und das Substrat derart positioniert werden, dass in einem in Transportrichtung unmittelbar der Auslaufblende vorangehenden Bereich, zeitlich nach der Gradientenschicht, eine Schicht abgeschieden wird, die im Wesentlichen aus der zweiten die Gradientenschicht bildenden Komponente besteht.
Verfahren zum Ausbilden eines Solarabsorber-Schichtsystems auf einem Substrat (310; 410), das kontinuierlich durch hintereinander angeordnete Prozesskammern hindurch bewegt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Vorbehandeln des Substrats, Ausbilden einer Infrarot reflektierenden Basisschicht auf dem Substrat, Ausbilden einer Solarabsorber-Gradientenschicht auf der IR-Reflexionsschicht, Ausbilden einer Entspiegelungsschicht auf der Solarabsorber-Gradientenschicht, wobei die Solarabsorber-Gradientenschicht durch gleichzeitiges Verdampfen zweier Verdampfungsmaterialien, eines Metallmaterials und eines Oxid- oder Keramikmaterials, in ein und derselben Prozesskammer ausgebildet wird, wobei der Aufdampfschritt gekennzeichnet ist durch – Anordnen der Verdampfungsmaterialien in jeweils einzelnen Dampfquellen (330, 340) und Anordnen der Dampfquellen in der Prozesskammer in solcher Weise, dass sie in der Transportrichtung des Substrats zueinander und jeweils in ihrem Abstand zum Substrat (310) unabhängig voneinander positioniert werden, – Anordnen einer senkrechten Trennwand (350) zwischen den Dampfquellen und quer zur Transportrichtung des Substrats, wobei die Trennwand an die Substratbreite angepasst wird, – Eingrenzen der Ausbreitung der Dampfströme aus den beiden Dampfquellen in Richtung auf das Substrat und der Durchmischung dieser durch Einstellung der Höhe der Trennwand.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Anordnen einer horizontalen Einlaufblende (320A) und einer horizontalen Auslaufblende (320B) unmittelbar unterhalb des durchlaufenden Substrats und parallel zu diesem und Festlegen des Bedampfungsbereichs durch Positionieren der Blenden relativ zueinander und zu der Prozesskammer.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Festlegen des Konzentrationsverhältnisses der Komponenten zu Beginn und zum Ende der Bedampfung sowie des Gradienten der Gradientenschicht durch Positionieren der Einlaufblende, der Auslaufblende und der Trennwand in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Dampfquellen und das Substrat und durch Einstellung des Verdampfungsrateverhältnisses beider Komponenten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot reflektierende Basisschicht aus mehreren Teilschichten ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspiegelungsschicht aus mehreren Teilschichten ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Reflexionsschicht oder eine Teilschicht dieser in demselben Prozessschritt in derselben Prozesskammer wie die Solarabsorber-Gradientenschicht aufgedampft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspiegelungsschicht oder eine Teilschicht dieser in demselben Prozessschritt in derselben Prozesskammer wie die Solarabsorber-Gradientenschicht aufgedampft wird.
Vorrichtung zum Ausbilden einer aus zwei Komponenten bestehenden Gradientenschicht (430) auf einem Substrat (310; 410), die eine Prozesskammer umfasst, in der zwei Dampfquellen angeordnet sind, in welche Verdampfungsmaterialien einbringbar sind, wobei die Vorrichtung Mittel zum kontinuierlichen Bewegen des Substrats in einer Transportrichtung durch die Prozesskammer hindurch umfasst und wobei die Verdampfungsmaterialien in der Transportrichtung des Substrats hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Dampfquellen (330, 340) als separate Dampfquellen (330, 340) ausgeführt sind, wobei die Dampfquellen in der Prozesskammer (300) in der Transportrichtung des Substrats relativ zueinander positionierbar sind und jeweils in ihrem Abstand zum Substrat (310) unabhängig voneinander positionierbar sind; – eine senkrechte Trennwand (350) zwischen den Dampfquellen und quer zur Transportrichtung des Substrats angeordnet ist, wobei die Trennwand an die Substratbreite angepasst ist, und – die Höhe der Trennwand in Bezug auf die Dampfquellen und das Substrat modifizierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine horizontal positionierbare Einlaufblende (320A) und eine horizontal positionierbare Auslaufblende (320B) unmittelbar unterhalb des durchlaufenden Substrats und parallel zu diesem variabel positionierbar angeordnet sind und zwischen diesen der Bedampfungsbereich liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass jede Dampfquelle aus zwei oder mehr Einzelquellen besteht, die jeweils quer zur Transportrichtung des Substrats nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfquellen jeweils mit einem Verdampfungsmaterialnachfüttersystem verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum thermischen Verdampfen des Verdampfungsmaterials umfasst, wobei mit diesen Mitteln die Verdampfungsraten der Einzelquellen variabel einstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Elektronenstrahlkanone zum Verdampfen des Verdampfungsmaterials umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verdampfungsmaterial ein Metall ist und das zweite Verdampfungsmaterial eine Keramik oder ein Oxid ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall in der Transportrichtung des Substrats betrachtet vor der Keramik/dem Oxid angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel zur Plasmaaktivierung des Metallverdampfungsprozesses umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer (300) Mittel zum Einlass eines Reaktivgases in den von der Oxidkomponente dominierten Bereich umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufblende, die Auslaufblende und die Trennwand in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Dampfquellen und das Substrat derart positioniert sind, dass ein in Transportrichtung unmittelbar auf die Einlaufblende folgender Bereich vollständig für die Dampfausbreitung der zweiten Komponente abgeschattet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufblende, die Auslaufblende und die Trennwand in Bezug aufeinander und in Bezug auf die Dampfquellen und das Substrat derart positioniert sind, dass ein in Transportrichtung unmittelbar der Auslaufblende vorangehender Bereich, vollständig für die Dampfausbreitung der ersten Komponente abgeschattet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass für die Trennwand und/oder die Ein- und Auslaufblende eine Wasserkühlung vorhanden ist.
Beschichtungsanordnung, die eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Kammern, darunter Kammern zum Ein- und Ausschleusen eines Substrats, mindestens eine Vorbehandlungskammer, mindestens eine Verdampfungskammer und mindestens eine Messkammer sowie Mittel zum kontinuierlichen Transport eines Substrats (310; 410) in einer Transportrichtung durch die verschiedenen Kammern hindurch umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Verdampfungskammern eine Kammer entsprechend einem der Ansprüche 20 bis 32 ist.
Solarabsorber-Schichtsystem, das auf einem metallhaltigen oder glasartigen Substrat (410) in der genannten Reihenfolge umfasst: eine metallhaltige haftvermittelnde und Infrarot reflektierende Basisschicht (420), eine Cermet-Gradientenschicht (430), bestehend aus einer Metallkomponente und einer Keramik- oder Oxidkomponente, wobei der Anteil der Metallkomponente zur Oberfläche der Schichtfolge hin abnimmt, und eine Entspiegelungsschicht, wobei die genannten Schichten jeweils aus mehreren Teilschichten bestehen können, dadurch gekennzeichnet, dass die Cermet-Gradientenschicht mit einem Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 13 bis 19 und in einer Vorrichtung gemäß Anspruch 33 durch Verdampfen ausgebildet ist.
Solarabsorber-Schichtsystem nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Reflexionsschicht oder eine Teilschicht dieser in demselben Prozessschritt und in derselben Prozesskammer wie die Solarabsorber-Gradientenschicht ausgebildet ist.
Solarabsorber-Schichtsystem nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspiegelungsschicht oder eine Teilschicht dieser in demselben Prozessschritt und in derselben Prozesskammer wie die Solarabsorber-Gradientenschicht ausgebildet ist.