太阳能选择性吸收涂层中铝靶拐点电压的影响因素分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京天普太阳能工业有限公司 作者:朱培强

  利用磁控溅射技术制备不锈钢- 氮化铝(SS-AlN)太阳选择性吸收涂层的过程中,铝靶拐点电压的选取以及微控对所镀膜层的质量及其重要。本文分别试验了单独开启铝靶时不同溅射压强(0.2Pa、0.3Pa、0.4Pa、0.5Pa)下、单独开启铝靶时不同铝靶电流(30A、35A、40A)下、同时开启不锈钢靶和铝靶时不同不锈钢靶电流(20A、30A、40A)下,铝靶拐点电压的变化。

  能源危机是当今社会面临的一个十分严峻的问题,世界各地都致力于开发新能源来替代常规化石燃料能源。太阳能以其清洁性、可再生性等优点正越来越多地被人们所关注。在太阳能的光热利用中,性能优异的太阳能选择性吸收膜层可大大提高太阳能光热设备的效率,延长其寿命。

  由磁控溅射技术完成的化学气相沉积(以下称反应磁控溅射),由于其显著的优点而成为各种太阳能选择性吸收涂层制备的首选方法:反应磁控溅射更有利于制备纯度高的化合物薄膜;可以通过工艺参数的调节进而精确地调节薄膜的组成及性能;对衬底的要求及影响较小;适合均匀大面积膜层的制备。

  在铝靶与氮气的反应溅射中(以氩气为溅射气体),铝靶电压与氮气流量曲线存在迟滞现象,选定铝靶的电流值不变,随着氮气流量的加大,铝靶电压逐渐下降,当下降到某一值时在一定的氮气流量范围内铝靶电压基本保持不变,当氮气流量持续加大时在某一点处铝靶电压会急剧下降,这个点的电压值被称为拐点电压,当氮气流量大于此范围,铝靶电压会急剧迅速的掉至很低的电压值,随着氮气流量的减少铝靶电压会沿着另一曲线返回起点处,出现迟滞效应,示意曲线如图1 所示。

 

图1 铝靶与氮气反应的迟滞曲线图

  在利用反应磁控溅射法制备太阳能选择性吸收涂层的过程中,靶拐点电压的确定至关重要,直接影响着膜层的性能及寿命。以不锈钢-氮化铝(SS-AlN)干涉膜层为例:铝靶拐点电压选取高了(即实际铝靶电压高于拐点电压)所溅射的氮化铝陶瓷会掺杂有金属铝成分;铝靶拐点电压选取低了(即实际铝靶电压低于拐点电压)所溅射的虽然是纯的氮化铝,但溅射速率会大大下降,同时也会引起靶“中毒”(靶材表面被改性,形成氮化铝,造成溅射速率会大幅度下降);另外,拐点电压对应的氮气流量范围较宽,可以在较宽的氮气范围内稳定铝靶电压使得溅射过程稳定,膜层的性能就稳定。在反应溅射中,控制氮气流量使铝靶电压稳定在拐点电压附近,可以实现在保证所溅射得到的氮化铝纯度高(金属铝的含量较少)的情况下又有高的溅射速率。

  1、试验

  本试验主要研究了不锈钢- 氮化铝(SS-AlN) 金属陶瓷太阳能选择性吸收膜层调试过程中,在不同的溅射压强、铝靶电流、不锈钢靶电流下铝靶拐点电压的变化规律,虽然不同的镀膜机,甚至同一镀膜机在不同的状况下铝靶拐点电压的具体数值不太相同,但变化规律基本是一致的。

  本试验用的设备是沈阳百乐生产的三靶全玻璃真空镀膜机,圆柱镀膜真空室高2800mm,内径850mm。真空室横截面图如图2 所示:镀膜室中有铝(Al)靶、不锈钢(SS)靶、铜(CU)靶三支圆柱靶,靶芯转、靶管不转,靶外径为70mm,壁厚为8mm,靶放电区长度2580mm。镀膜机装有两路进气系统,分别通入氩气、氮气(或氧气),采用北京七星华创公司生产的型号为D07-18、最大流量量程为200sccm 的质量流量计来控制两路进气管路的气体的流量。溅射电源为脉冲直流电源。本镀膜机中装载32 支直径为58mm、长度为2100mm 的玻璃管做公转加自转的行星运动。

  本试验所有分项试验的前期条件均相同,其中本底真空为4.0×10-3 Pa,转速为3.0 r/min。本试验首先研究了不锈钢靶与氮气的反应特性以及布气管路相互调换时铝靶拐点电压的变化,之后研究了在不同溅射压强、铝靶电流、不锈钢靶电流的情况下铝靶拐点电压的变化规律。各试验中寻找拐点电压的步骤如下:

  首先初步判断拐点电压,

  当电压降至粗定拐点+50V 时,每次反应气体增加量=2sccm;

  当电压降至粗定拐点+30V 时,每次反应气体增加量=1sccm;

  当电压降至粗定拐点+20V 时,每增加1sccm 反应气体,稳定时间>1min;

  当电压降至粗定拐点+10V 时,每增加1sccm 反应气体,稳定时间>2min。

  记录各点的反应气体流量、靶电压、压强等参数,绘制图表进行分析总结。

图2 真空镀膜机横截面图

  2、总结

  本文主要研究了溅射压强、铝靶电流、不锈钢靶的开启与否以及不锈钢靶电流大小对铝靶拐点电压的影响,铝靶拐点电压对太阳能选择性吸收涂层性能的调试至关重要。

  在其它条件一致的情况下,单独改变溅射压强时,随着溅射压强的升高,拐点电压逐渐下降,拐点电压范围对应的氮气流量范围越大,掉在拐点下的铝靶电压越低;单独改变铝靶电流时,明显的变化是铝靶电流越高,铝靶掉下拐点时的氮气流量大;相对于单独开启铝靶而言,同时开启不锈钢靶与铝靶的最大特点是铝靶拐点电压段对应的氮气流量范围明显增宽,并且随着不锈钢靶电流的加大,其氮气流量范围有加大的趋势。通过合理地调节溅射压强、铝靶电压、不锈钢靶电流,得到一定的铝靶拐点电压,从而可以溅射出性能优异的太阳能选择性吸收涂层。

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