第三章真空技術(shù)基礎(chǔ)與等離子體

第三章真空技術(shù)基礎(chǔ)與等離子體第一頁，共137頁。第3章(1)真空技術(shù)基礎(chǔ)

Elementsofvacuumtechnology第二頁，共137頁。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(yuǎn)無法達(dá)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第三頁，共137頁。真空的表示：真空度——?dú)怏w的壓強(qiáng)(Pa)

蒸發(fā)鍍：<10-3Pa；濺射鍍：10-2～10Pa； 低壓化學(xué)氣相沉積：10-1～10Pa； 等離子體化學(xué)氣相沉積：10～102Pa； 表面分析：超高真空第四頁，共137頁。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）成反比第五頁，共137頁。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(yīng)；絕熱保溫 碰撞分子百分?jǐn)?shù)： d:分子行進(jìn)距離若自由程足夠大：f≈d/l

真空的作用第六頁，共137頁。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(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”。第七頁，共137頁。旋片式機(jī)械真空泵（機(jī)械泵）第八頁，共137頁。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，極限真空時為零可以做成兩級形式第九頁，共137頁。油擴(kuò)散泵（擴(kuò)散泵）不能與大氣相連，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10-4Pa

，而在工作時盡可能高，高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性可能有回油污染第十頁，共137頁。渦輪分子泵（分子泵）純機(jī)械運(yùn)動，高速轉(zhuǎn)子葉片對氣體加壓抽氣速率1000l/s無回油污染問題第十一頁，共137頁。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第十二頁，共137頁。幾種常用真空泵的工作氣壓范圍第十三頁，共137頁。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，和所測氣體種類有關(guān)第十四頁，共137頁。熱偶真空計(jì)利用氣體導(dǎo)熱率隨真空度變化測量范圍0.1～100Pa簡單、使用方便測量精度不很高熱絲熱偶第十五頁，共137頁。電離真空計(jì)利用氣體電離時，離子電流與氣壓關(guān)系進(jìn)行測量范圍0.1～10-5Pa常與熱偶計(jì)結(jié)合使用第十六頁，共137頁。第十七頁，共137頁。真空室內(nèi)清洗加熱 脫吸附離子轟擊 濺射第十八頁，共137頁。氣體放電與等離子體第3章(2)第十九頁，共137頁。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(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(dá)到一定數(shù)值的電離氣體第二十頁，共137頁。獲得等離子體的主要方法和途徑第二十一頁，共137頁。直流輝光放電的伏安特性曲線第二十二頁，共137頁。輝光放電的結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性第二十三頁，共137頁。氣體放電的巴邢曲線

（Paschen）第二十四頁，共137頁。氣體分子數(shù)與離化幾率的關(guān)系第二十五頁，共137頁。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(zhì)和特點(diǎn)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、各種能量場第二十六頁，共137頁。等離子體的特點(diǎn)第二十七頁，共137頁。分子無規(guī)則運(yùn)動和等離子體中

離子的定向運(yùn)動第二十八頁，共137頁。物質(zhì)的能量范圍第二十九頁，共137頁。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(dāng)于T=11600K第三十頁，共137頁。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。第三十一頁，共137頁。等離子體溫度和氣壓的關(guān)系第三十二頁，共137頁。等離子體類型與P/E的依賴關(guān)系p—?dú)鈮篍—電場強(qiáng)度第三十三頁，共137頁。各種等離子體的電子密度、電子溫度和氣體溫度第三十四頁，共137頁。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第三十五頁，共137頁。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第三十六頁，共137頁。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(fù)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：第三十七頁，共137頁。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

twp>>1

ND

>>1第三十八頁，共137頁。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(zhì)和特點(diǎn)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，電弧第三十九頁，共137頁。等離子體的應(yīng)用第3章(3)第四十頁，共137頁。第四十一頁，共137頁。離子滲第四十二頁，共137頁。第四十三頁，共137頁。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第四十四頁，共137頁。第四十五頁，共137頁。第四十六頁，共137頁。第四十七頁，共137頁。第四十八頁，共137頁。第四十九頁，共137頁。第五十頁，共137頁。第五十一頁，共137頁。第五十二頁，共137頁。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(shè)備設(shè)備價格貴，加工成本高第五十三頁，共137頁。離子束注入系統(tǒng)的兩種主要類型第五十四頁，共137頁。離子引出系統(tǒng)示意圖第五十五頁，共137頁。第五十六頁，共137頁。帶質(zhì)量分析的離子注入機(jī)第五十七頁，共137頁。離子束與離子源離子注入的比較第五十八頁，共137頁。第五十九頁，共137頁。第六十頁，共137頁。第六十一頁，共137頁。離子在固體中形成的位移峰第六十二頁，共137頁。第六十三頁，共137頁。第六十四頁，共137頁。第六十五頁，共137頁。第六十六頁，共137頁。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第六十七頁，共137頁。第六十八頁，共137頁。第六十九頁，共137頁。第七十頁，共137頁。第七十一頁，共137頁。第七十二頁，共137頁。第七十三頁，共137頁。蒸發(fā)鍍膜（蒸鍍）第七十四頁，共137頁。第七十五頁，共137頁。第七十六頁，共137頁。第七十七頁，共137頁。第七十八頁，共137頁。第七十九頁，共137頁。第八十頁，共137頁。濺射沉積第八十一頁，共137頁。金屬原子Ar離子電子Ar離子轟擊負(fù)電位的金屬表面第八十二頁，共137頁。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：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，急劇增大第八十三頁，共137頁。第八十四頁，共137頁。第八十五頁，共137頁。氬離子對不同元素的濺射產(chǎn)額第八十六頁，共137頁。第八十七頁，共137頁。第八十八頁，共137頁。第八十九頁，共137頁。第九十頁，共137頁。第九十一頁，共137頁。磁控濺射第九十二頁，共137頁。等離子體磁道靶冷卻水磁體磁控濺射靶第九十三頁，共137頁。第九十四頁，共137頁。第九十五頁，共137頁。平衡和非平衡磁控濺射的比較非平衡技術(shù)提高轟擊工件的離子電流第九十六頁，共137頁。

Mag4

Ti

Mag1

Mag2Ti

Mag3

Titarget

Npolar

Spolar

1fold

3fold

第九十七頁，共137頁。第九十八頁，共137頁。柱狀晶致密等軸晶

第九十九頁，共137頁。離子鍍第一百頁，共137頁。第一百零一頁，共137頁。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(shù)

在蒸發(fā)或?yàn)R射沉積基礎(chǔ)上而不是獨(dú)立的沉積方式第一百零二頁，共137頁。第一百零三頁，共137頁。第一百零四頁，共137頁。第一百零五頁，共137頁。第一百零六頁，共137頁。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(diǎn)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(jìn)行。電弧電壓為15－50V，電流可達(dá)到數(shù)百。第一百零七頁，共137頁。第一百零八頁，共137頁。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。第一百零九頁，共137頁。第一百一十頁，共137頁。第一百一十一頁，共137頁。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第一百一十二頁，共137頁。用屏蔽法減少顆粒百葉窗式遮板

工件前簡單擋板第一百一十三頁，共137頁。在輸出通道中進(jìn)行重力和磁過濾S型和彎曲型過濾器

第一百一十四頁，共137頁。第一百一十五頁，共137頁。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。第一百一十六頁，共137頁。第一百一十七頁，共137頁。第一百一十八頁，共137頁。第一百一十九頁，共137頁。離子束增強(qiáng)沉積（IBED）第一百二十頁，共137頁。第一百二十一頁，共137頁。第一百二十二頁，共137頁。第一百二十三頁，共137頁。第一百二十四頁，共137頁。離子轟擊過程對IBED膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響離子轟擊能量對界面寬度的影響第一百二十五頁，共137頁。第一百二十六頁，共137頁。優(yōu)點(diǎn)：(1)沉積與離子轟擊相對獨(dú)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)膜基間為連續(xù)界面，對所有基材均有較好的結(jié)合強(qiáng)度。(4)可與高真空相容，污染少，有利于提高鍍層質(zhì)量；不足：(1)離子束直射性；(2)離子源尺寸