一種硅薄膜光熱吸收體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備方法，尤其是一種多層薄膜材料的制備方法，確切的說是一種陶瓷薄膜/微結(jié)構(gòu)硅薄膜/陶瓷薄膜/金屬膜/陶瓷薄膜多層結(jié)構(gòu)光熱吸收體的制備方法。
技術(shù)背景
[0002]硅薄膜材料、以其優(yōu)良的光學(xué)和物化特性，是微電子及光電子產(chǎn)業(yè)極為重要的基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、微電子、光電子、信息顯示、光通訊、激光、精密機(jī)械、國(guó)防軍事及國(guó)內(nèi)外重大科學(xué)工程等眾多領(lǐng)域。硅薄膜材料近來又在光伏和光熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[0003]在人們研宄高性能、高穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命的太陽(yáng)能選擇性吸收膜系的不斷實(shí)踐中，已經(jīng)采用了多種不同類型的膜系結(jié)構(gòu)，諸如半導(dǎo)體吸收一反射金屬串聯(lián)型膜系，表面微不平型膜系和電介質(zhì)一金屬?gòu)?fù)合型膜系等等，而其制備方法主要有電鍍鍍膜、電化學(xué)鍍膜、真空鍍膜和涂料鍍膜等。在當(dāng)下社會(huì)廣泛應(yīng)用的真空管和平板型太陽(yáng)能集熱器的膜系結(jié)構(gòu)中，其選擇性吸收膜層，大多采用傳統(tǒng)磁控濺射多層鍍層。鍍層依靠多層吸收膜層，提高其太陽(yáng)能吸收能力，吸收率得到有效提升(達(dá)到92%)，但由于鍍層質(zhì)量不夠致密很容易引起發(fā)射率的升高，尤其是當(dāng)溫度較高時(shí)，其發(fā)射率隨溫度升高而急劇升高，而且膜層中的金屬成分容易在高溫中擴(kuò)散，造成膜層的老化和脫落，導(dǎo)致集熱器熱效率的損耗和使用壽命的縮短。另夕卜，膜層雖有保護(hù)層，但耐磨性稍差，因而影響了所述這種膜系在高溫太陽(yáng)能集熱器上的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有各種太陽(yáng)能選擇性吸收膜的耐熱、耐候、耐磨性差和壽命低等缺點(diǎn)，本發(fā)明在于提供一種既具備良好的選擇性吸收性能，同時(shí)具備耐熱，耐腐蝕，耐磨損和耐候性能好，適宜于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的梯度微結(jié)構(gòu)硅薄膜系列太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換薄膜的膜系的制備方法，以克服已有技術(shù)的不足。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是:一種硅薄膜光熱吸收體的制備方法，包括步驟如下:
步驟I在不銹鋼襯底上采用PEMS工藝沉積第一三氧化二鉻薄膜；
步驟2在三氧化二鉻薄膜層上采用PEMS工藝沉積銀薄膜；
步驟3在銀薄膜采用PEMS工藝沉積第二三氧化二鉻薄膜；
步驟4在第二三氧化二鉻薄膜上采用PEMS工藝制備多晶硅層，在多晶硅層上采用HTCVD方法依次制備微晶硅層、納米硅層和非晶硅層，形成梯度微結(jié)構(gòu)硅吸收層；
步驟5在非晶硅層采用PEMS工藝沉積氮化硅薄膜，形成氮化硅抗反射層。
[0006]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟2和步驟4中，所述的第一、第二三氧化二鉻薄膜柱狀晶低于1.0%，膜層比傳統(tǒng)濺射工藝所制備的更加致密，硬度更高，韌性和結(jié)合力更好。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟3中，銀薄膜，柱狀晶低于0.5%，所制備銀薄膜較傳統(tǒng)濺射工藝表面平整度好，紅外反射率高于95%。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟4中，所述微晶硅層、納米硅層和非晶硅層的制備溫度范圍為450°C -750°C。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟4中，微晶硅層的晶態(tài)比為60%_80%，晶粒大小12nm-30nm,納米晶娃層的晶態(tài)比為45%_55%，晶粒大小3nm_8nm。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟4中，通過調(diào)節(jié)氣體流量比、熱激發(fā)溫度和襯底偏壓參數(shù)，實(shí)現(xiàn)硅薄膜吸收體層中的膜層晶態(tài)比呈梯度變化。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟6中，所述氮化硅薄膜柱狀晶低于0.5%，膜層比傳統(tǒng)濺射工藝所制備的更加致密，硬度更高，應(yīng)力更小和開裂幾率小。
[0012]本發(fā)明中，所有膜層的制備由等離子體增強(qiáng)的磁控濺射(PEMS)工藝和微結(jié)構(gòu)可調(diào)的高溫?zé)峒ぐl(fā)化學(xué)氣相沉積(HTCVD)工藝組成。PEMS沉積技術(shù)是物理氣相沉積(PVD)的一種，是對(duì)傳統(tǒng)磁控濺射的改進(jìn)，使膜層更加致密，硬度更高，韌性和結(jié)合力更好，它是采用獨(dú)立的電子發(fā)射源達(dá)到等離子體增強(qiáng)的效果，制備出的涂層性能均有顯著提高，等離子體密度和沉積速率也有十幾倍和幾倍的提高，而且考慮工程鍍膜成本，使用的電子發(fā)射源便于維修和更換，成本低。運(yùn)用該技術(shù)可以制備傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)的所有涂層，如TiN，TiAlN,CrN, TiCN等等。以在Si片表面鍍上Cr為例，傳統(tǒng)磁控濺射沉積出來的涂層表面粗糙，晶粒比較粗大；涂層呈典型的柱狀結(jié)構(gòu)，致密度低。PEMS沉積的涂層表面光滑，無明顯的柱狀結(jié)構(gòu)，而且非常致密。而在濺射過程引入三甲基硅烷氣體沉積TiSiCN超硬納米復(fù)合涂層，其韌性得到增加，涂層的各項(xiàng)性能得到綜合性的顯著提升，在刀具上鍍TiSiCN超硬納米涂層，其壽命是普通商業(yè)鍍膜刀具的4倍。本發(fā)明依次在不銹鋼襯底上分別采用PEMS方法沉積三氧化二鉻、銀、三氧化二鉻、多晶硅；然后采用HTCVD方法分別沉積微晶硅、納米晶硅和非晶硅膜層；最后再采用PEMS工藝制備氮化硅膜層。采用PEMS工藝分別制備的三氧化二鉻薄膜結(jié)構(gòu)更致密，無明顯柱狀結(jié)構(gòu)，表面平整度好，與不銹鋼、銀和多晶硅膜層結(jié)合力高，同時(shí)可控制銀薄膜的高溫團(tuán)聚和往不銹鋼襯底與吸收層硅內(nèi)的擴(kuò)散。PEMS方法制備金屬膜銀結(jié)構(gòu)致密、晶粒均勻、表面平整度好，其紅外反射率高于95%。PEMS方法制備的氮化硅薄膜結(jié)構(gòu)致密、內(nèi)應(yīng)力小(制備過程中已基本釋放)、硬度高、折射率均勻。PEMS方法制備的多晶硅薄膜結(jié)構(gòu)致密、內(nèi)應(yīng)力小、表面平整度好。本發(fā)明采用HTCVD方法分別制備微晶硅、納米晶硅和非晶硅薄膜，通過調(diào)節(jié)硅氣源的稀釋比、溫度和氣體流量來控制硅膜層的微結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明所述工藝的有益效果是:
(I)高致密性、高硬度和高表面平整度的三氧化二鉻介質(zhì)層可與不銹鋼、銀和多晶硅形成高的結(jié)合力。
[0014](2)高性能的三氧化二鉻介質(zhì)層可阻擋銀的高溫?cái)U(kuò)散和高溫團(tuán)聚，由本發(fā)明制備的光熱吸收體可在500°C溫度高溫環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。
[0015](3)梯度微結(jié)構(gòu)硅膜層中的微晶層、納米晶層和非晶層都是采用H T C V D方法制備，因生長(zhǎng)溫度高(6 4 (TC左右)，膜內(nèi)基本不能存在氫來補(bǔ)償懸掛鍵，結(jié)構(gòu)缺陷多，但會(huì)帶來更大的吸收，且不存在光漂特性，膜的光熱穩(wěn)定性比其它方法制備的硅膜更好。
[0016](4)PEMS方法制備的氮化硅薄膜結(jié)構(gòu)致密、內(nèi)應(yīng)力小(制備過程中已基本釋放)、硬度高、折射率均勻，保證了本發(fā)明所制備的光熱吸收膜可在大氣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，具有更好的耐熱、耐候性能。
[0017]另外，本發(fā)明所述的方法與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝兼容，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉；該方法可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、微電子、光電子、信息顯示、光通訊、激光、精密機(jī)械、國(guó)防軍事及國(guó)內(nèi)外重大科學(xué)工程等眾多領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0018]圖1為硅薄膜光熱吸收體的膜層結(jié)構(gòu)示意圖；其中，10為硅薄膜光熱吸收體，6為氮化硅抗反射層；5為梯度微結(jié)構(gòu)硅吸收層；4為第二三氧化二鉻薄膜層；3為銀薄膜層；2第一為三氧化二鉻薄膜層；1為不銹鋼襯底。
[0019]圖2 (a)為常規(guī)磁控濺射涂層的表面形貌圖；
圖2 (b)為常規(guī)磁控濺射涂層的斷面形貌圖；
圖3 (a)為PEMS涂層的表面形貌圖；
圖3 (b)為PEMS涂層的斷面形貌圖；
圖4為納米硅薄膜HRTEM圖譜。
[0020]圖中顯示納米硅的晶粒尺寸大約4_7nm。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1
一種硅薄膜光熱吸收體的制備方法，包括下列步驟:
步驟I