第三章真空技術基礎與等離子體

第3章真空技術基礎與等離子體第3章(1)真空技術基礎

Elementsofvacuumtechnology真空的定義真空：密閉容器內(nèi)低于一個大氣壓的空間（1.01×105Pa）

絕對真空永遠無法達到 氣體狀態(tài)方程： P=nkT

體積分子數(shù)：n=7.2×1022P/T 20C時，若P=1.33×10-4Pa 則n=3.2×1010個/cm3真空的表示：真空度——氣體的壓強(Pa)

蒸發(fā)鍍：<10-3Pa；濺射鍍：10-2～10Pa； 低壓化學氣相沉積：10-1～10Pa； 等離子體化學氣相沉積：10～102Pa； 表面分析：超高真空平均自由程：氣體分子之間相鄰兩次碰撞的平均距離

d為分子直徑，P為氣壓，C為常數(shù)，T為溫度平均自由程與氣壓（或氣體分子密度）成反比真空在氣相沉積中的作用： 防止氧化、污染；減少蒸發(fā)原子與殘余氣體分子的碰撞，抑制它們之間的反應；絕熱保溫 碰撞分子百分數(shù)： d:分子行進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——真空泵單位時間抽出的氣體體積——抽氣速率真空泵工作足夠時間后所達到的最低氣壓 ——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”。旋片式機械真空泵（機械泵）旋片式機械真空泵（機械泵）極限真空由于結構限制無法提高，并取決于加工和裝配精度實際抽氣速率隨進氣口氣壓降低而下降，極限真空時為零可以做成兩級形式油擴散泵（擴散泵）不能與大氣相連，需與前級（機械泵）聯(lián)合，預抽1Pa左右抽氣速率幾l/s

至幾萬l/s

油的蒸汽壓應當在常溫下低于10-4Pa

，而在工作時盡可能高，高熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性可能有回油污染渦輪分子泵（分子泵）純機械運動，高速轉子葉片對氣體加壓抽氣速率1000l/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——真空計和真空規(guī)管直接法：絕對真空計，準確但不適合高真空間接法：相絕對真空計，測量與壓強有關的物理量，與絕對真空計比較后獲得。準確度略差，和所測氣體種類有關熱偶真空計利用氣體導熱率隨真空度變化測量范圍0.1～100Pa簡單、使用方便測量精度不很高熱絲熱偶電離真空計利用氣體電離時，離子電流與氣壓關系進行測量范圍0.1～10-5Pa常與熱偶計結合使用真空室內(nèi)清洗加熱 脫吸附離子轟擊 濺射氣體放電與等離子體第3章(2)等離子體表面工程日常見到的等離子體有哪些如何獲得等離子體什么是等離子體氣體分子電離，帶電粒子密度達到一定數(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日常見到的等離子體有哪些氣體分子電離，帶電粒子密度達到一定數(shù)值的電離氣體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輝光放電的結構和電學特性氣體放電的巴邢曲線

（Paschen）氣體分子數(shù)與離化幾率的關系日常見到的等離子體有哪些什么是等離子體等離子體表面工程如何獲得等離子體等離子體的性質和特點氣體分子電離，帶電粒子密度達到一定數(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分子無規(guī)則運動和等離子體中

離子的定向運動物質的能量范圍電子溫度和離子溫度電子在離子靜電勢場中的平均勢能單個粒子平均動能多種粒子同時存在，不可能用一個統(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eV，TeV＝kT，1eV相當于T=11600K電子溫度和離子溫度Te=Ti：熱平衡等離子體，簡稱為熱等離子體（Thermalplasma)Te>>Ti：非平衡等離子體（Nonthermalplasma)。電子溫度104K以上，重粒子溫度可低至300~500K，也稱為低溫等離子體（Coldplasma)輝光放電時Te＝10eV105K，但Ti只有數(shù)百K，帶電粒子密度只有109~1013cm-3，宏觀溫度可以很低。等離子體溫度和氣壓的關系等離子體類型與P/E的依賴關系p—氣壓E—電場強度各種等離子體的電子密度、電子溫度和氣體溫度非平衡等離子體與平衡等離子體的比較類別非平衡等離子體平衡等離子體粒子溫度Te(約104K)>>Ti(約103K)>Tg(約103K)整體溫度低TeTiTg104K整體溫度高等離子體密度約1012cm-3>1014/cm-3放電氣體壓力<13300Pa0.1MPa氣相沉積溫度較低較高典型放電形式輝光放電弧光放電等離子體的空間條件德拜長度：等離子體的空間條件為：L>>lDr>lD的尺度看等離子體才是電中性的等離子體的時間條件振蕩頻率：等離子體的時間條件為：t>>tp，或twp>>1t>tp時的等離子體才是電中性的等離子體電中性受到破壞時具有恢復宏觀電中性的趨勢，其過程產(chǎn)生空間電荷振蕩，即等離子體振蕩。振蕩周期：等離子體判據(jù)德拜球內(nèi)粒子數(shù)：等離子體判據(jù)： L>>lD

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>>1日常見到的等離子體有哪些什么是等離子體等離子體表面工程如何獲得等離子體表面工程中如何利用等離子體等離子體的性質和特點氣體分子電離，帶電粒子密度達到一定數(shù)值的電離氣體閃電和極光，太陽，日光燈，電弧等離子體的應用第3章(3)離子滲等離子滲氮的化學反應載能電子產(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氮化鐵

Fe+N=FeNFeN

在工件表面的沉積和分解

FeN→Fe2N+N Fe2N→Fe3N+N Fe3N→Fe4N+N Fe4N→Fe+N離子注入非平衡過程，高固溶度低熱過程無變形，不改變精度無界面能量和劑量可控性好高真空，無污染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備設備價格貴，加工成本高離子束注入系統(tǒng)的兩種主要類型離子引出系統(tǒng)示意圖帶質量分析的離子注入機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注入劑量低時，濃度分布滿足高斯分布注入劑量高時，峰值向表面移動能量損失蒸發(fā)鍍膜（蒸鍍）濺射沉積金屬原子Ar離子電子Ar離子轟擊負電位的金屬表面影響濺射率S的主要因素入射離子種類：大質量、稀有氣體S高入射離子能量：閾值、注入入射離子角度：40－50o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磁道靶冷卻水磁體磁控濺射靶平衡和非平衡磁控濺射的比較非平衡技術提高轟擊工件的離子電流

Mag4

Ti

Mag1

Mag2Ti

Mag3

Titarget

Npolar

Spolar

1fold

3fold

柱狀晶致密等軸晶

離子鍍離子鍍：鍍膜的同時用載能離子轟擊基體和鍍層表面的技術

在蒸發(fā)或濺射沉積基礎上而不是獨立的沉積方式陰極電弧等離子體沉積靶材料在真空電弧作用下蒸發(fā)。電弧點僅數(shù)微米，時間僅幾納秒，溫度極高，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出。一些離子被陰極吸引，打回到陰極，使電弧持續(xù)進行。電弧電壓為15－50V，電流可達到數(shù)百。金屬表面產(chǎn)生電弧時，金屬在電弧的高溫中氣化，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。同時還產(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離子垂直向外發(fā)射，微顆粒以一定角度射出用屏蔽法減少顆粒百葉窗式遮板

工件前簡單擋板在輸出通道中進行重力和磁過濾S型和彎曲型過濾器

弧鍍的局限性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。離子束增強沉積（IBED）離子轟擊過程對IBED膜基結合強度的影響離子轟擊能量對界面寬度的影響優(yōu)點：(1)沉積與離子轟擊相對獨立，便于控制鍍層成分及組織；(2)沉積溫度低，可避免溫度對材料及尺寸的影響。(3)