第三章 真空技術(shù)基礎(chǔ)與等離子體.

1、第第3章章 真空技術(shù)基礎(chǔ)與等離子體真空技術(shù)基礎(chǔ)與等離子體第第3章章(1) 真空技術(shù)基礎(chǔ)真空技術(shù)基礎(chǔ)Elements of vacuum technology真空的定義真空真空：密閉容器內(nèi)低于一個(gè)大氣壓的空間（1.01105Pa）絕對真空永遠(yuǎn)無法達(dá)到絕對真空永遠(yuǎn)無法達(dá)到氣體狀態(tài)方程： P = n k T體積分子數(shù)：n=7.21022P / T20C時(shí)，若 P=1.33 10-4 Pa則n=3.2 1010 個(gè)/cm3真空的表示：真空度氣體的壓強(qiáng) (Pa)蒸發(fā)鍍：103 10310-1 10-110-6 10-6 平均自由程（平均自由程（cm） 105 真空在氣相沉積中的作用：防止氧化、污染；減少

2、蒸發(fā)原子與殘余氣體分子的碰撞，抑制它們之間的反應(yīng)；絕熱保溫碰撞分子百分?jǐn)?shù)：ldeNNfd-110d: 分子行進(jìn)距離若自由程足夠大：f d / l 真空的作用真空的獲得 產(chǎn)生真空的過程抽氣；工具真空泵 單位時(shí)間抽出的氣體體積抽氣速率 真空泵工作足夠時(shí)間后所達(dá)到的最低氣壓極限真空 不同類型的真空泵有特定的工作范圍，通常需要兩級聯(lián)合才能達(dá)到高真空以上。從大氣開始的叫“前級泵”，從低氣壓開始工作的叫“次級泵”。旋片式機(jī)械真空泵（機(jī)械泵）旋片式機(jī)械真空泵（機(jī)械泵）極限真空由于結(jié)構(gòu)限制無法提高，并取決于加工和裝配精度實(shí)際抽氣速率隨進(jìn)氣口氣壓降低而下降，極限真空時(shí)為零可以做成兩級形式油擴(kuò)散泵（擴(kuò)散泵）不能與

3、大氣相連，需與前級（機(jī)械泵）聯(lián)合，預(yù)抽1Pa左右抽氣速率幾 l / s 至幾萬 l / s 油的蒸汽壓應(yīng)當(dāng)在常溫下低于10-4 Pa ，而在工作時(shí)盡可能高，高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性可能有回油污染渦輪分子泵（分子泵）純機(jī)械運(yùn)動(dòng)，高速轉(zhuǎn)子葉片對氣體加壓抽氣速率1000 l /s無回油污染問題低溫吸附泵（低溫泵）通過20K以下低溫凝聚氣體分子需前級泵具有最高極限真空度無回油污染問題工作后需再生處理幾種常用真空泵的工作氣壓范圍真空的測量 測量真空的工具真空計(jì)和真空規(guī)管 直接法：絕對真空計(jì)，準(zhǔn)確但不適合高真空 間接法：相絕對真空計(jì)，測量與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量，與絕對真空計(jì)比較后獲得。準(zhǔn)確度略差，和所測氣體種類

4、有關(guān)熱偶真空計(jì)利用氣體導(dǎo)熱率隨真空度變化測量范圍 0.1100Pa簡單、使用方便測量精度不很高熱絲熱絲熱偶熱偶電離真空計(jì)利用氣體電離時(shí)，離子電流與氣壓關(guān)系進(jìn)行測量范圍 0.110-5Pa常與熱偶計(jì)結(jié)合使用放氣和漏氣漏氣放氣tp泵工作不良真空室內(nèi)清洗 加熱加熱脫吸附 離子轟擊離子轟擊濺射第第3章章(2)等離子體表面工程等離子體表面工程什么是等離子體什么是等離子體氣體分子電離，帶電粒子密度達(dá)到一定數(shù)值的電離氣體閃電和極光，太陽，日光燈，電弧什么是等離子體什么是等離子體氣體分子電離，帶電粒子密度達(dá)到一定數(shù)值的電離氣體 放電 直流放電 低頻放電 高頻放電 微波放電 感應(yīng)放電 宇 宙 天 體 上層大氣

5、真空紫外光 激 光 等離子體等離子體 沖擊波 輝光下游的利用 場致電離 放射線 放射性同位素 X 射 線 粒子加速器 反 應(yīng) 堆 燃燒 獲得等離子體的主要方法和途徑獲得等離子體的主要方法和途徑直流輝光放電的伏安特性曲線直流輝光放電的伏安特性曲線BCDEFG1x10-221x10-181x10-141x10-101x10-61x10-202004006008001000電流密度 (A/cm2)電壓 (V)1非 自 持 放 電 區(qū)湯生放電氣體擊穿電壓電暈放電前期輝光正常輝光異常輝光異常輝光弧光放電輝光放電輝光放電的結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性輝光放電的結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性氣體放電的巴邢曲線氣體放電的巴邢曲線（Pasc

6、hen）氣體分子數(shù)與離化幾率的關(guān)系氣體分子數(shù)與離化幾率的關(guān)系- - e- -e- -e- -e - -高真空高真空壓強(qiáng)壓強(qiáng) 1Pa 1Pa分壓分壓1Pa 1Pa 壓強(qiáng)壓強(qiáng) 1000Pa 1000Pa大氣壓大氣壓壓強(qiáng)壓強(qiáng) Pa什么是等離子體什么是等離子體等離子體表面工程等離子體表面工程氣體分子電離，帶電粒子密度達(dá)到一定數(shù)值的電離氣體閃電和極光，太陽，日光燈，電弧輝光放電、各種能量場等離子體的特點(diǎn)等離子體的特點(diǎn)普通氣體普通氣體等離子體等離子體沒有空間和時(shí)間限度沒有空間和時(shí)間限度等離子體的存在具有特征的空間和時(shí)間限度等離子體的存在具有特征的空間和時(shí)間限度由電中性的分子或原子組成由電中性的分子或原子組

7、成是帶電粒子和中性粒子組成的集合體是帶電粒子和中性粒子組成的集合體不導(dǎo)電流體不導(dǎo)電流體具有很高的電導(dǎo)率，而又能在與氣體體積相比擬具有很高的電導(dǎo)率，而又能在與氣體體積相比擬的宏觀尺度內(nèi)維持電中性的宏觀尺度內(nèi)維持電中性做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)做無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)有三種運(yùn)動(dòng)形式熱運(yùn)動(dòng)，在電磁場作用下的有三種運(yùn)動(dòng)形式熱運(yùn)動(dòng)，在電磁場作用下的遷移運(yùn)動(dòng)和沿帶電粒子濃度遞減方向的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)遷移運(yùn)動(dòng)和沿帶電粒子濃度遞減方向的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)分子的運(yùn)動(dòng)不受電磁場的影響分子的運(yùn)動(dòng)不受電磁場的影響粒子運(yùn)動(dòng)受到電磁場的影響和支配粒子運(yùn)動(dòng)受到電磁場的影響和支配反應(yīng)活性相對較小反應(yīng)活性相對較小富集的離子、電子、激發(fā)態(tài)的原子、分子及自由富集的離

8、子、電子、激發(fā)態(tài)的原子、分子及自由基具反應(yīng)活性基具反應(yīng)活性固、液、氣三種基本形式之一固、液、氣三種基本形式之一新的聚集狀態(tài)物質(zhì)第四態(tài)新的聚集狀態(tài)物質(zhì)第四態(tài)分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)和等離子體中分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)和等離子體中離子的定向運(yùn)動(dòng)離子的定向運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的能量范圍物質(zhì)的能量范圍 0 0 0 0. . . .0 0 0 01 1 1 1 0 0 0 0. . . .0 0 0 05 5 5 5 0 0 0 0. . . .1 1 1 1 0 0 0 0. . . .5 5 5 5 1 1 1 1 5 5 5 5 電電電電子子子子伏伏伏伏特特特特/ / / /粒粒粒粒子子子子 原原原原子子子子 室室室室溫溫溫溫

9、氣氣氣氣體體體體 分分分分子子子子 液液液液體體體體 固固固固體體體體 1 1 1 10 0 0 02 2 2 2 1 1 1 10 0 0 03 3 3 3 1 1 1 10 0 0 04 4 4 4 1 10 05 5 溫溫溫溫度度度度，KK 等等等等離離離離子子子子體體體體 電子溫度和離子溫度電子溫度和離子溫度23/12eNlqePE 23212kTmvKE電子在離子靜電勢場中的平均勢能單個(gè)粒子平均動(dòng)能多種粒子同時(shí)存在，不可能用一個(gè)統(tǒng)一的溫度來描述。同類粒子碰撞能量交換最有效，各粒子自身先平衡。電子溫度Te，離子溫度Ti，中性粒子溫度Tg，等離子體溫度取決于重粒子溫度。溫度單位：電子伏特

10、eV，TeVkT ， 1eV相當(dāng)于T=11600K電子溫度和離子溫度電子溫度和離子溫度等離子體溫度和氣壓的關(guān)系等離子體溫度和氣壓的關(guān)系等離子體類型與等離子體類型與P/E的依賴關(guān)系的依賴關(guān)系弧光等離子體弧光等離子體電暈等離子體電暈等離子體輝光輝光等離子體等離子體p/E電流電流等離子體類型 等離子體密度/cm3 電子溫度/K 氣體溫度/K 電弧 1014 約104 104 直流輝光放電 1091012 約104 約7102 電暈放電 Ti(約約103 K)Tg(約約103 K)整體溫度低整體溫度低Te Ti Tg104 K整體溫度高整體溫度高等離子體密度等離子體密度約約1012cm-31014/c

11、m-3放電氣體壓力放電氣體壓力Dr D 的尺度看等離子體才是電中性的等離子體的時(shí)間條件等離子體的時(shí)間條件epn3109 . 8等離子體的時(shí)間條件為：t tp t p1t tp時(shí)的等離子體才是電中性的ppt1等離子體判據(jù)等離子體判據(jù)nTND331038. 1等離子體判據(jù)：L D t p 1ND 1什么是等離子體什么是等離子體等離子體表面工程等離子體表面工程氣體分子電離，帶電粒子密度達(dá)到一定數(shù)值的電離氣體閃電和極光，太陽，日光燈，電弧第第3章章(3)離子滲等離子滲氮的化學(xué)反應(yīng) 載能電子產(chǎn)生電離和中性氮原子e-N2=N+N+2e- 氮離子濺射N+工件表面被濺射的鐵和污染物 被濺射的鐵原子與氮原子形成

12、氮化鐵Fe+N=FeN FeN 在工件表面的沉積和分解FeNFe2N+NFe2NFe3N+N Fe3NFe4N+NFe4NFe+N離子注入l 非平衡過程，高固溶度l 低熱過程l 無變形，不改變精度l 無界面l 能量和劑量可控性好l 高真空，無污染l 對材料無限制 直射性 處理深度淺 注入元素離子化需專門設(shè)備 設(shè)備價(jià)格貴，加工成本高離子束注入系統(tǒng)的兩種主要類型離子束注入系統(tǒng)的兩種主要類型離子引出系統(tǒng)示意圖離子引出系統(tǒng)示意圖帶質(zhì)量分析的離子注入機(jī)帶質(zhì)量分析的離子注入機(jī)離子束與離子源離子注入的比較離子束與離子源離子注入的比較離子在固體中形成的位移峰離子在固體中形成的位移峰 注入劑量低時(shí)，濃度分布滿足

13、高斯分布 注入劑量高時(shí)，峰值向表面移動(dòng) 能量損失-2 2exp 2pppRRXRNnchendxdEdxdEdxdEdxdE蒸發(fā)鍍膜（蒸鍍）濺射沉積金屬原子金屬原子ArAr離子離子電子電子Ar離子轟擊負(fù)電位的金屬表面 影響濺射率S的主要因素 入射離子種類：大質(zhì)量、稀有氣體S高 入射離子能量：閾值、注入 入射離子角度：4050o 靶材種類：周期變化，d層充滿，濺射率大 工作氣壓：氣壓低，S不變，氣壓高，S隨之減小 表面溫度：一定溫度內(nèi)不變，溫度過高，急劇增大氬離子對不同元素的濺射產(chǎn)額磁控濺射等離子體等離子體磁道磁道靶靶冷卻水冷卻水磁體磁體磁控濺射靶磁控濺射靶平衡和非平衡磁控濺射的比較非平衡技術(shù)提

14、高轟擊工件的離子電流 Mag 4 Ti Mag 1 Mag 2 Ti Mag 3 Ti target N polar S polar 1 fold 3 fold Teer 1996 CFUBMSIP 0 50 100 150 200 250 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 偏壓偏壓 (V) 離子離子電電流流 (A) Teer 1995 CFUBMSIP 不平衡磁控濺射不平衡磁控濺射 傳統(tǒng)磁控濺射傳統(tǒng)磁控濺射 100 7mA/cm2 0 240 680 100 5 112Loa Friction force 1st derivative 劃痕臨界載荷劃痕臨界載荷 60N 0 246810

15、0 0 5 10 15 20 Load Friction force 劃痕臨界載荷劃痕臨界載荷 90N 1st derivative 柱狀晶柱狀晶致密等軸晶致密等軸晶 離子鍍離子鍍：鍍膜的同時(shí)用載能離子轟擊基體和鍍層表面的技術(shù)在蒸發(fā)或?yàn)R射沉積基礎(chǔ)上而不是獨(dú)立的沉積方式陰極電弧等離子體沉積陰極電弧等離子體沉積 靶材料在真空電弧作用下蒸發(fā)。靶材料在真空電弧作用下蒸發(fā)。 電弧點(diǎn)僅數(shù)微米，時(shí)間僅幾納秒，溫度極電弧點(diǎn)僅數(shù)微米，時(shí)間僅幾納秒，溫度極高，材料幾乎百分之百離化。高，材料幾乎百分之百離化。 離子垂直向外發(fā)射，微顆粒以一定角度射離子垂直向外發(fā)射，微顆粒以一定角度射出。出。 一些離子被陰極吸引，打回

16、到陰極，使電一些離子被陰極吸引，打回到陰極，使電弧持續(xù)進(jìn)行?；〕掷m(xù)進(jìn)行。 電弧電壓為電弧電壓為1550V，電流可達(dá)到數(shù)百。，電流可達(dá)到數(shù)百。金屬表面產(chǎn)生電弧時(shí)，金屬在電弧的高溫金屬表面產(chǎn)生電弧時(shí)，金屬在電弧的高溫中氣化，噴出金屬蒸汽。此蒸汽中金屬分中氣化，噴出金屬蒸汽。此蒸汽中金屬分子在等離子體中離化成金屬離子。同時(shí)還子在等離子體中離化成金屬離子。同時(shí)還產(chǎn)生一定量不同大小的液滴。產(chǎn)生一定量不同大小的液滴。 液滴形態(tài)及不同的粒子角分布液滴形態(tài)及不同的粒子角分布離子垂直向外發(fā)射，離子垂直向外發(fā)射，微顆粒以一定角度射出微顆粒以一定角度射出用屏蔽法減少顆粒用屏蔽法減少顆粒百葉窗式遮板 工件前簡單擋板

17、在輸出通道中進(jìn)行在輸出通道中進(jìn)行重力和磁過濾重力和磁過濾S型和彎曲型過濾器 弧鍍的局限性弧鍍的局限性 金屬顆粒的減少和離化率、容積矛盾。金屬顆粒的減少和離化率、容積矛盾。 需要用合金靶，不同元素有不同濺射需要用合金靶，不同元素有不同濺射率，不同部位濺射材料量不同。率，不同部位濺射材料量不同。 濺射清洗和薄膜沉積過程難以控制。濺射清洗和薄膜沉積過程難以控制。離子束增強(qiáng)沉積（IBED）GGGGG注入表面濺射反沖反應(yīng)氣相沉積VVG+電荷交換與中和離子接真空機(jī)組水冷工作臺(tái)試樣中高能轟擊離子源真空室水冷濺射靶濺射離子源低能輔助離子源磁控濺射靶離子轟擊過程對IBED膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響 界面展寬 5 10 10 20 30 轟擊能量(kV) 離子轟擊能量對界面寬度的影響優(yōu)點(diǎn)：l(1) 沉積與離子轟擊相對獨(dú)立，便于控制鍍層成分及組織；l(2)