阴极等离子源对太阳选择性吸收涂层金属基材表面清洁的研究

威海蓝膜光热科技有限公司 ■ 陈刚 裴宏伟 祝明

0 引言

现今，随着我国全面建设小康社会目标的不断推进，传统能源的弊端日益凸显，雾霾、酸雨现象频现，再加之各地能源供给紧张，严重影响了国民健康及国家发展。太阳能作为大自然馈赠给人类的清洁能源，日益受到关注。特别是在太阳能光热领域，太阳能集热器、太阳能热发电等技术不断得到发展与完善，正日益改善着人们的生活。太阳选择性吸收涂层作为光热利用的关键薄膜涂层，越来越受到重视，若要得到高质量的太阳选择性吸收涂层，基材的清洁处理至关重要，因其直接关系到涂层的使用寿命。传统的基材清洗方式主要是采用酸碱洗剂的刷洗，容易因化学试剂的残留而造成基材的二次污染，为此，我公司进一步研发出了等离子源清洁技术，提高了基材表面的清洁程度。

等离子源是使气体中的中性原子或分子发生电离，并从中引出等离子源电子束的装置。而等离子源电子束在真空镀膜中的一项重要应用就是对镀膜基体进行真空内在线清洁处理。采用等离子源电子束清洁，可在无外部环境污染的条件下对镀膜基材表面残留的水分子、碳氢化合物分子进行高能激发，使其脱离被镀基体或在高能条件下发生分解反应，进而提高基体表面的清洁程度。同时，由于高能粒子的激发作用，基体表面分子处于一种受激的活跃状态，其表面势能得到明显提升，使镀膜材料能够更好地与基材表面结合，提高其分子间范德华力，在特殊膜系中，其薄膜本身的硬度与耐磨耐蚀特性也会得到改善。本文主要研发出一种适用于大型基材的、具有汇聚作用的新型等离子源，以改善太阳选择性吸收涂层基材镀膜前的清洁状态及表面活性。

1 实验原理

本研究主要利用磁控溅射原理及磁场对电子的束缚作用，配合电磁场压缩作用，制造出一种阴极等离子源，并且该阴极等离子源的工作压强可在10-4～10-3Torr (1 Torr=133.322 Pa)之间，其放电电压在100 V左右。

2 实验过程

为使太阳选择性吸收涂层获得更好的膜层结合力，本文主要研究一种可以清洗太阳选择性吸收涂层基材的阴极等离子源。此研究主要是在真空磁控溅射阴极的基础上，探究如何利用电磁场压缩理论来改善放电条件；并在放电条件得到改善的基础上，通过研发等离子源电子束汇聚导出结构，得到高能汇聚等离子源电子束，以便清洗太阳选择性吸收涂层基材。

本文在本底值为9.2×10-6Torr时进行了3次实验：实验1为标准磁控阴极放电实验；实验2是在实验1的基础上利用电磁场压缩原理来改善真空放电条件；实验3是在实验2的基础上获得高能汇聚等离子源电子束，以便在真空下对基材进行清洗。

2.1 实验1

制作标准磁控溅射阴极，其阴极表面最高磁场为230～250 Gs，除正面磁场可穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料，基距L采用标准的120 mm，如图1所示。在不同真空度条件下，对实验装置分别充入50、70、90、110 sccm的氩气，以形成不同的等离子体，并观察其放电现象。

图1 标准磁控阴极实验示意图

电源功率为0.5 kW时，实验1参数如表1所示。

表1 实验1参数

由表1可知，在标准磁控溅射条件下，充入氩气后，当真空度低于9.8×10-4Torr时，电压极大，无法起辉光；当真空度大于或等于9.8×10-4Torr时，阴极起辉，且辉光稳定，起辉电压在240 V左右，起辉电流为2 A。由此可知，当真空度大于或等于9.8×10-4Torr时，无论是电压，还是电流，均处于标准磁控溅射范围内，辉光处于阴极表面附近。

2.2 实验2

如图2所示，制作标准磁控溅射阴极，其阴极表面最高磁场为230～250 Gs，除正面磁场可穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料，基距L采用标准的120 mm，阴极四周采用凸起结构，L1为磁场压缩宽度。该架构的目的是利用电磁场压缩原理来改善放电条件。在相同真空度条件下往实验装置充入90 sccm的氩气，在电源功率为0.5 kW时进行放电实验。

图2 磁场压缩实验示意图

实验2参数如表2所示。

表2 实验2参数

由表2可知，随着L1的增大，整个实验装置的放电电压在逐步降低，放电电流逐步增大，即电子在装置内得到汇聚，使得装置更容易放电。由此可见，电子的汇聚是由凸起引起的。装置中的凸起结构的目的是为了在装置周边构成一个小的负电位等势场，该等势场同阴极处于同一电位水平，当磁控溅射阴极开始激发等离子溅射时，其空间内的原子被大量电离，电子在磁场的作用下进行螺旋运动，从而造成“雪崩”效应，进入二次放电阶段。但阴极区域电离产生的电子在等电位凸起部位，由于其受到负电位的排斥作用而将此区域的电子进行向内螺旋压缩，这就造成阴极中心区域出现高密度电子群，该区域内电子与气体碰撞概率加大，使放电条件得到改善。

当L1在30 mm以内时，其压缩的电子无法进入到磁感线范围内，其压缩的电子并未获得充分的二次碰撞机会(如图3所示) ，此时放电电压基本保持在240 V左右，依旧属于标准磁控溅射范围内。

图3 L1＜30 mm时的辉光效果图

如图4所示，当L1在30～40 mm时，部分被压缩的电子开始有切割磁感线的趋势，该趋势破坏了原有的放电条件，此时辉光出现不稳定状态，有向两边散射趋势，该趋势可理解为辉光线路上获得了密度更高的电子，而放电电压开始逐渐下降。由此可见，在不改变真空环境的条件下，放电条件得到改善。

当L1在50～60 mm时，此时被压缩进入磁场范围内的电子增多，原有在阴极附近的辉光完全消失，出现两条明显向外发射的辉光，且辉光较为稳定。该辉光可以看作是由于压缩区间电子密度急剧上升引起的，此时放电电压降低到110 V左右。可见，放电条件得到明显改善，且放电电压低于磁控溅射的电压，即可称其为“类磁控溅射”。

图4 L1≥30mm时的辉光效果图

2.3 实验3

图5 阴极等离子源装置示意图

如图5所示，制作标准磁控溅射阴极，其阴极表面最高磁场为230～250 Gs，除正面磁场穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料；基距L采用标准的120 mm，阴极四周采用凸起结构，凸起上设有观察窗，以便观察内部放电情况；阴极前端采用屏蔽材料覆盖，且中间开有5 mm空隙；基材置于阴极前端，且处于阳极电位；基材后安装磁铁，其表磁强度为200～220 Gs(除正面磁场穿出外，其余部分均采用磁屏蔽材料)；在电源功率为0.5 kW时，90 sccm氩气直接通入阴极内部。

该实验的目的是将阴极产生的电子大量汇聚到基材表面，通过高能电子束达到清洁基材表面、提高表面材料活性的目的。

实验3参数如表3所示。

表3 实验3参数

在实验3中，当在阴极前部安装屏蔽罩板后，类磁控溅射产生的溅射物质很难从阴极内沉积到基材上，同时由于外部磁场的引入，使得内部向内聚集的等离子束只能通过孔隙向阳极基材涌出，而外部磁场起到对等离子体的束缚作用，如图6所示。

在氢气中通入一定的氧气，氧气分子在等离子体作用下成为激活的氧分子或原子氧，活性氧与基材表面的油(碳－氢分子)作用，形成易挥发物，如二氧化碳，再由真空泵抽走，由此起到清洁基材的功能。

图6 阴极等离子源辉光效果图

由表3可知，在该实验中，当L1＜30 mm时，由于屏蔽罩板已经切入阴极磁感线范围，阻断了电子沿磁感线方向的螺旋运动轨迹，造成其无法与更多的氩原子碰撞产生“雪崩效应”，无法产生大量等离子体，因此，透过观察窗可以看到阴极内部无辉光产生，也就是不存在大量电离现象；当L1逐渐增大到30～40 mm时，磁场的束缚作用突显，大量电离现象产生，这与实验2类似；当L1达到50～60 mm，内部辉光稳定，同时由于外部磁场的作用，使得等离子电子束通过孔隙向外汇聚，形成一定密度等离子电子束。

3 实验结果

采用实验3的阴极等离子源装置对太阳选择性吸收涂层的铝质基材进行清洁测试。一组未做真空阴极等离子源电子束轰击清洁，一组采用真空阴极等离子源电子束轰击清洁，并采用SEM形貌进行分析。未做真空阴极等离子源电子束轰击清洁的太阳选择性吸收涂层的铝质基材及其SEM形貌图如图7所示，其表面存在大量的大颗粒物质，切面结构明显粗糙。采用真空阴极等离子源电子束轰击清洁的太阳选择性吸收涂层的铝质基材及其SEM形貌图如图8所示，其表面大颗粒物质明显减少，切面更加细腻。同样，在达因笔张力测试过程中，未经过真空阴极等离子源电子束轰击清洁的基材表面选用低标准38号达因笔进行测试，测试结果如图9所示，由图可知，线条出现明显收缩，证明其表面存在油脂物质；而经过真空阴极等离子源电子束轰击清洁的基材表面使用高标准58号达因笔进行测试，如图10所示，由图可知，其线条仍未出现收缩现象，由此可见，在被阴极等离子源电子束轰击过程中，其表面油脂类物质被分解。

图7 未经过真空阴极等离子源轰击清洁的基材及其SEM图

图8 经过真空阴极等离子源轰击清洁的基材及其SEM图

图9 38号达因笔测试结果

图10 58号达因笔测试结果

4 结论

通过本文的分析可知，在相同条件下，实验3放电最为容易，可获得较大放电电流，同时获得高汇聚的高能等离子源电子束。通过阴极等离子源的高能电子束的轰击，可有效去除太阳选择性吸收涂层基材金属表面的碳氢化合物成分，并能达到提高基材表面活性的效果。