TWI425107B - 連續式濺鍍設備以及太陽能選擇性吸收膜的製造方法 - Google Patents

Description

連續式濺鍍設備以及太陽能選擇性吸收膜的製造方法

本發明是有關於一種濺鍍設備，且特別是有關於一種連續式濺鍍設備以及使用此設備的太陽能選擇性吸收膜的製造方法。

在1990年開始建立太陽能選擇性吸收膜的雙陶瓷合金層結構，即金屬-氮化鋁(M-AlN)和金屬-氧化鋁(M-Al₂ O₃ )，此為使用一種新型的雙靶材直流電磁控管電漿濺鍍技術(Novel two-target DC magnetron plasma sputtering technology)來製備太陽能選擇性吸收膜，可得到非常高的光熱轉換效率。

傳統之吸收膜製程大部份均為雙靶產生複合膜，例如不鏽鋼與鋁的雙靶材製程，可製作陶瓷金屬膜(Cermet)做為選擇性吸收膜。適當的金屬陶瓷複合膜厚度與金屬分率，可在太陽能輻射區域表現出高吸收而對熱輻射(紅外線區域)表現出透明型態。該複合物沈積在對紅外線反射的金屬基材上可以形成太陽能選擇性吸收膜。

由於捲對捲(Roll-to-Roll)連續式濺鍍製程有大面積、高量產、低成本等特性，是商業化產品朝向連續生產之主要技術方法之一。但是，如利用捲對捲連續濺鍍設備來製造多層選擇性吸收膜時，對應於所形成的膜層數，必須設置相對應數量的真空濺鍍腔體，並且對應真空濺鍍腔體的數量，必須設置對應數量的真空泵來控制不同腔體中之濺鍍氣氛，而且，在真空濺鍍腔體之間還需設置隔壓腔，以阻隔不同真空濺鍍腔體的濺鍍氣氛。

因此，在上述的捲對捲連續濺鍍設備中，由於使用了多個真空濺鍍腔體、多個真空泵以及隔壓腔，從而使得機台的造價昂貴，並且，由於必須將多個真空濺鍍腔體中所通入製程氣體的濺鍍氣氛控制為不同，從而使得連續式濺鍍製程的操作變得較為複雜與不穩定，而且如果製程複雜化的話，在製程控制方面所需的硬體成本往往也會跟著提高。

本發明提供一種連續式濺鍍設備以及太陽能選擇性吸收膜的製造方法，能夠使用單一濺鍍腔體來形成多層結構的太陽能選擇性吸收膜。

本發明提出一種連續式濺鍍設備，至少包括基材傳送裝置、一個濺鍍腔體、多個靶材以及控制構件。其中基材傳送裝置用以使基材沿一個移動路徑移動。濺鍍腔體設置於基材的移動路徑上。而多個靶材設置在濺鍍腔體內，用以對基材進行濺鍍，其中多個靶材依序設置於基材的移動路徑上。控制構件用以控制濺鍍時供給至多個靶材的操作參數，其中控制構件將濺鍍時供給至多個靶材的操作參數控制為彼此不同。

在本發明的一實施例中，操作參數包括施加於多個靶材的功率、電壓或是電流，且施加於多個靶材的功率、電壓或是電流隨著基材通過靶材的順序而依序變小。

在本發明的一實施例中，控制構件更包括電源，用以分別供給靶材功率、電壓或是電流。

在本發明的一實施例中，更包括真空抽取構件，連接至濺鍍腔體，用以抽取濺鍍腔體的空氣。

在本發明的一實施例中，更包括氣體供應源，連接至濺鍍腔體，用以供應濺鍍腔體製程氣體。

在本發明的一實施例中，基材傳送裝置更包括捲出構件，用以捲繞基材，以及捲取構件，用以捲繞基材，其中基材的兩端分別設置於捲出構件與捲取構件，使基材由捲出構件移動至捲取構件。

本發明提出一種太陽能選擇性吸收膜的形成方法，包括下列步驟：提供基材連續通過一個濺鍍腔體，其中濺鍍腔體設置有多個靶材，且該多個靶材依序設置於基材的移動路徑上，通入製程氣體至濺鍍腔體並提供不同操作參數至多個靶材以進行金屬濺鍍，形成多層金屬-陶瓷複合膜於基材上。

在本發明的一實施例中，操作參數包括施加於多個靶材的功率、電壓或是電流，且施加於多個靶材的功率、電壓或是電流隨著基材通過靶材的順序而依序變小。

在本發明的一實施例中，基材包括銅金屬基板或鋁金屬基板。

在本發明的一實施例中，製程氣體包括氮氣和氬氣，或是氮氣和氧氣。

在本發明的一實施例中，靶材的材質包括鋁、不銹鋼、鈦、鎳或鎢。

於本發明的連續式濺鍍設備以及太陽能選擇性吸收膜的製造方法中，由於能夠利用單一濺鍍腔體來形成多層結構的太陽能選擇性吸收膜，因此至少能夠減少一個真空濺鍍腔室、真空泵以及隔壓腔的設置，從而能夠大幅減少硬體設備的成本。

而且，於本發明的連續式濺鍍設備以及太陽能選擇性吸收膜的製造方法中，由於僅需對單一濺鍍腔體的濺鍍氣氛進行控制，因此製程較為簡易且穩定性較高，並且亦可能進一步減少用於製程控制方面的硬體成本。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

連續式濺鍍設備

圖1所示為本發明較佳實施例的連續式濺鍍裝置10的示意圖。此處需事先說明的是，雖然在本案的圖1中僅繪示出用以說明本發明之連續式濺鍍裝置10的主要構件，然而，本領域具有通常知識的技術人員應可依其具有的相關知識，輕易的推知本發明之連續式濺鍍裝置10所應具有的所有構件。而且，須注意圖中所示者為本發明選用之實施例結構，此僅供說明之用，在專利申請上並不受此種結構的限制。

請參照圖1，本發明之連續式濺鍍裝置10為一種捲對捲連續式濺鍍裝置，至少包括捲出構件20、捲取構件30、一個濺鍍腔體40以及多個靶材50，其中捲出構件20、捲取構件30則構成本實施例的基材傳送裝置。

如圖1所示，基材傳送裝置是用以使基材60沿著一個移動路徑進行傳送，其中的捲出構件20與捲取構件30是分別裝設在連續式濺鍍裝置10的上游處與下游處，其中捲出構件20與捲取構件30皆適用於捲繞基材60，而基材60是以兩端分別固定在捲出構件20與捲取構件30上，藉由捲取構件30的轉動，基材60將會連續的由捲出構件20移動至捲取構件30。上述捲出構件20與捲取構件30例如是由軸承與轉輪(未圖示)所構成，其中軸承樞設於連續式濺鍍裝置10上，轉輪裝設於軸承上，至於基材60則捲繞於轉輪上。捲取構件30的轉動可藉由將捲取構件30連接至驅動構件(未圖示)以達成，其例如是可將捲取構件30的軸承經由適當的齒輪配置而連接至馬達，以藉由馬達的轉動而帶動捲取構件30的轉動。

濺鍍腔體40設置於基板60的移動路徑上，亦即是，基板60藉由捲出構件20與捲取構件30的驅動，將會連續的經過濺鍍腔體40內部，而當基板60在濺鍍腔體40中移動時，進行基板60的濺鍍。

靶材50、52設置在濺鍍腔體40內，用以對基板60進行濺鍍，其中靶材50、52沿著基板60的移動路徑而依序設置在濺鍍腔體40內。而其中特別值得注意的是，本發明在進行濺鍍時，提供給靶材50、52的操作參數彼此並不相同，其中操作參數例如是施加至靶材50、52的功率、電壓或是電流。在一較佳實施例中，例如是使提供給靶材50、52的功率、電壓或是電流隨著基板60通過靶材50、52的順序而依序變小，亦即是使提供給靶材52的功率(電壓或是電流)小於提供給靶材50的功率(電壓或是電流)。

本發明的連續式濺鍍設備藉由在進行濺鍍時提供給靶材50、52不同的操作參數，即使在濺鍍時採用相同的濺鍍氣氛，亦能夠在基板60上形成具有不同組成成分的多層膜。此外，雖然在圖1中所繪示的靶材50、52為2個，適用於在基板60上形成2層膜，但是本發明並不限定於此，亦可以視實際所需形成的膜層數，在單一濺鍍腔體40內設置對應膜層數的多個靶材。而且，雖然在進行濺鍍時所使用的濺鍍氣氛通常為固定的，但是在進行濺鍍前能夠依照實際濺鍍製程上的需要，對所使用的濺鍍氣氛的種類以及混合比例進行適當的選擇與設定。

接著，請繼續參照圖1，本發明的連續式濺鍍裝置10還具有分別連接至靶材50、52的控制構件70，藉由控制構件70的控制，從而能夠實現本發明上述在進行濺鍍時，提供給靶材50、52的操作參數彼此並不相同的技術方案。在一較佳實施例中，在控制構件70中還具有電源，而藉由將電源輸出至提供給靶材50、52的值控制為不同，而能夠分別將不同的功率、電壓或是電流供給至靶材50、52。其中電源例如是可採用直流(DC)電源或是射頻(RF)電源。

此處值得注意的是，上述圖1所揭露者為使用一個控制構件70來控制多個靶材50、52，但是本發明並不限定於此，本發明亦可以設置為使多個靶材中的每一個靶材對應一個控制構件，以控制一個參數條件。而且，電源亦可以獨立設置於控制構件之外，由控制構件控制電源，然後再經由電源將不同的功率、電壓或是電流個別供給至不同的靶材。

而且，如圖1所示，本發明的連續式濺鍍裝置10還具有連接至濺鍍腔體40的真空抽取構件80，用以將濺鍍腔體40內的空氣抽出，以使濺鍍腔體40維持真空狀態，其中真空抽取構件80例如是可採用一般常見的機械泵與擴散泵的組合。

而且，如圖1所示，本發明的連續式濺鍍裝置10還具有連接至濺鍍腔體40的氣體供應源90，用以將濺鍍製程所需的製程氣體輸入至濺鍍腔體40中。而且，雖然在圖1中僅繪示一個氣體供應源90，但本發明可以依據實際需要而設置多個氣體供應源，以將多種製程氣體輸入至濺鍍腔體40中。

此外，本發明除了上述構件之外，亦可以視需要在捲出構件20與真空腔體40之間設置電漿蝕刻處理裝置(未圖示)，用以在對基材60進行濺鍍之前對基材60進行電漿蝕刻前處理，以清潔基材60的被濺鍍面。

此處值得注意的是，上述圖1所揭露者為一種捲對捲式的連續式濺鍍設備，但是本發明並不限定於此，本發明的基板傳送裝置可為本領域所經常使用的輸送帶式傳送系統。而且，基材也不限定為連續的帶狀，基材例如是具有特定尺寸的片狀物，利用載盤進行承載，然後將載盤設置於輸送帶式傳送系統上以進行基材的傳送，並使本發明的濺鍍腔體設置於輸送帶式傳送系統的基材傳送/移動路徑上。由上述可知，只要將本發明的濺鍍腔體設置在各種已知的連續式基材傳送裝置上，就可能建構出能夠達成本發明目的的連續式濺鍍設備。

太陽能選擇性吸收膜的製造方法

本發明的太陽能選擇性吸收膜的製造方法可利用上述的連續式濺鍍設備來製備，基材60利用捲取構件30而移動進入濺鍍腔體40內，濺鍍腔體40則利用真空抽取構件80將濺鍍腔體40內的空氣抽出，以使濺鍍腔體40維持真空狀態，由氣體供應源90提供製程氣體至濺鍍腔體40內，並由電壓源70、72分別提供不同的電壓至靶材50、52，依此對基材60進行濺鍍，以在基材60上形成多層金屬-陶瓷複合膜。

在上述的製造方法中，基材60例如是銅金屬基板或鋁金屬基板，所通入的製程氣體例如是作為電漿工作氣體的氬氣和作為反應氣體的氮氣或氧氣，靶材50、52的材質例如是鋁、不銹鋼、鈦、鎳或鎢等金屬靶材，並且例如是使提供給靶材50、52的電壓隨著基板60通過靶材50、52的順序而依序變小，亦即是使提供給靶材52的電壓小於提供給靶材50的電壓。

依照上述製程條件所製造的太陽能選擇性吸收膜具有如圖2所示的結構。請參照圖2，本發明的太陽能選擇性吸收膜在基材60上形成有雙層的金屬(Al)-陶瓷(Al-N)複合膜100、110，其中基材60作為反射層，金屬-陶瓷複合膜100具有高金屬分率，在太陽能選擇性吸收膜中作為吸收層，而金屬-陶瓷複合膜110具有低金屬分率，在太陽能選擇性吸收膜中作為抗反射層。

實驗例

實驗(I)

使用具有本發明之結構的連續式濺鍍設備來進行金屬基板的濺鍍，以形成太陽能選擇性吸收膜，在本實驗中，製程氣體(氬氣、氮氣)的氣氛濃度以及提供給靶材(鋁)的電壓固定，對於製程線速(亦即是基材的移動速度)進行變動，以求得在單一腔體內所適用的製程線速。詳細的製程參數請見下述表1。依照下述表1的製程參數進行濺鍍實驗後，所得的各太陽能選擇性吸收膜的集熱效率，表示於下述表2。

實驗(I)的結果如表2所示，吸收率隨製程線速降低而遞增、但放射率亦隨製程線速降低而遞增。當製程線速為60 cm/min(實驗編號3)時，吸收率為0.918、放射率為0.09，符合作為產品之性能需求。為了確認該製程參數是否可重現，以相同的製程參數重複進行實驗，即實驗編號5，該結果確認製程參數可穩定重現。因此，將製程線速的較佳值設定為60 cm/min。

實驗(II)

在本實驗中，將製程線速固定在實驗(I)所得之線速，並且使用與實驗(I)相同的製程氣體氣氛濃度，並對供給第一支靶材的電壓與第二支靶材的電壓進行變動，以進行第一支靶材電壓與第二支靶材電壓的匹配，以期能夠得到具有更佳的集熱效率(高吸收率、低放射率)的選擇性吸收膜。詳細的製程參數請見下述表3。依照下述表3的製程參數進行濺鍍實驗後，所得的各太陽能選擇性吸收膜的集熱效率，表示於下述表4。

實驗(II)結果如表4所示，其中實驗編號2、6、8、9所得到的選擇性吸收膜具有符合產品需求的集熱效率，特別是實驗編號8所示的結果，當第一支靶材的電壓為340 V、第二支靶為300 V時，吸收率可達0.927、放射率為0.06，與實驗(I)的結果相比較，可有效提升吸收率與降低放射率。

根據上述實驗(I)、實驗(II)的結果可知，使用具有本發明之結構的連續式濺鍍設備來形成太陽能選擇性吸收膜，確實能夠形成符合市場產品規範而具有良好性能的多層結構的太陽能選擇性吸收膜。此外，雖然在本發明中所提及的太陽能選擇性吸收膜的製造方法與實驗例都是形成為雙層結構，但是本發明並不限定於此，本發明亦可以視實際所需形成的膜層數，在單一濺鍍腔體40內設置對應膜層數的多個靶材。

綜上所述，本發明至少具有下述優點：

(1).於本發明的連續式濺鍍設備以及太陽能選擇性吸收膜的製造方法中，由於能夠在捲對捲型式的連續式濺鍍設備中利用單一濺鍍腔體來形成多層結構的太陽能選擇性吸收膜，因此至少能夠減少一個真空濺鍍腔室、真空泵以及隔壓腔的設置，從而能夠大幅減少硬體設備的成本。

(2).於本發明的連續式濺鍍設備以及太陽能選擇性吸收膜的製造方法中，由於僅需對單一濺鍍腔體的濺鍍氣氛進行控制，不僅製程較為簡易且穩定性較高，並且亦可能進一步減少用於製程控制方面的硬體成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．連續式濺鍍設備

20．．．捲出構件

30．．．捲取構件

40．．．濺鍍腔體

50、52．．．靶材

60．．．基材

70．．．控制構件

80．．．真空抽取構件

90．．．氣體供應源

100、110．．．金屬-陶瓷複合膜

圖1所示為本發明一實施例所繪示的連續式濺鍍設備的示意圖。

圖2所示為依照本發明之製造方法所得的太陽能選擇性吸收膜的剖面示意圖。

10．．．連續式濺鍍設備

20．．．捲出構件

30．．．捲取構件

40．．．濺鍍腔體

50、52．．．靶材

60．．．基材

70．．．控制構件

80．．．真空抽取構件

90．．．氣體供應源

Claims (9)

1. 一種連續式濺鍍設備，至少包括：基材傳送裝置，使基材沿一個移動路徑移動；一個濺鍍腔體，設置於前述基材的前述移動路徑上；多個靶材，設置在前述濺鍍腔體內，用以對前述基材進行濺鍍，其中前述多個靶材依序設置於前述基材的前述移動路徑上；控制構件，用以控制濺鍍時供給至前述多個靶材的操作參數，其中前述控制構件將濺鍍時供給至前述多個靶材的前述操作參數控制為彼此不同，以於前述基材上形成多層具有不同金屬分率的金屬-陶瓷複合膜；以及氣體供應源，連接至前述濺鍍腔體，用以供應前述濺鍍腔體製程氣體，其中前述製程氣體包括氮氣和氬氣，或是氮氣和氧氣。
2. 如申請專利範圍第1項所述的連續式濺鍍設備，其中前述操作參數包括施加於前述多個靶材的功率、電壓或是電流，且施加於前述多個靶材的功率、電壓或是電流隨著前述基材通過前述多個靶材的順序而依序變小。
3. 如申請專利範圍第2項所述的連續式濺鍍設備，其中前述控制構件更包括電源，用以供給前述靶材功率、電壓或是電流。
4. 如申請專利範圍第1項所述的連續式濺鍍設備，其中更包括真空抽取構件，連接至前述濺鍍腔體，用以抽取前述濺鍍腔體的空氣。
5. 如申請專利範圍第1項所述的連續式濺鍍設備，其 中前述基材傳送裝置更包括：捲出構件，用以捲繞前述基材；以及捲取構件，用以捲繞前述基材，其中前述基材的兩端分別設置於前述捲出構件與前述捲取構件，使前述基材由前述捲出構件移動至前述捲取構件。
6. 一種太陽能選擇性吸收膜的形成方法，包括：提供基材連續通過一個濺鍍腔體，其中前述濺鍍腔體中設置有多個靶材，且前述多個靶材依序設置於前述基材的移動路徑上；以及通入製程氣體至前述濺鍍腔體並提供不同操作參數至前述多個靶材以進行金屬濺鍍，形成多層具有不同金屬分率的金屬-陶瓷複合膜於前述基材上，其中前述製程氣體包括氮氣和氬氣，或是氮氣和氧氣。
7. 如申請專利範圍第6項所述的太陽能選擇性吸收膜的形成方法，其中前述操作參數包括施加於前述多個靶材的功率、電壓或是電流，且施加於前述多個靶材的功率、電壓或是電流隨著前述基材通過前述多個靶材的順序而依序變小。
8. 如申請專利範圍第6項所述的太陽能選擇性吸收膜的形成方法，其中前述基材包括銅金屬基板或鋁金屬基板。
9. 如申請專利範圍第6項所述的太陽能選擇性吸收膜的形成方法，其中前述靶材的材質包括鋁、不銹鋼、鈦、鎳或鎢。