第三章 真空技术基础与等离子体

1、第第3章章 真空技术基础与等离子体真空技术基础与等离子体 第第3章章(1) 真空技术基础真空技术基础 Elements of vacuum technology 真空的定义 真空真空：密闭容器内低于一个大气压的空间 （1.01105Pa） 绝对真空永远无法达到绝对真空永远无法达到 气体状态方程： P = n k T 体积分子数：n=7.21022P / T 20C时，若 P=1.33 10-4 Pa 则n=3.2 1010 个/cm3 真空的表示：真空度气体的压强 (Pa) 蒸发镀：Ti(约约103 K)Tg(约约103 K) 整体温度低整体温度低 Te Ti Tg104 K 整体温度高整体温

2、度高 等离子体密度等离子体密度约约1012cm-31014/cm-3 放电气体压力放电气体压力D r D 的尺度看等离子体才是电中性的 等离子体的时间条件等离子体的时间条件 ep n 3 109 . 8 等离子体的时间条件为：t tp t p1 t tp时的等离子体才是电中性的 p p t 1 等离子体判据等离子体判据 n T N D 3 3 1038. 1 等离子体判据：L D t p 1 ND 1 什么是等离子体什么是等离子体 等离子体表面工程等离子体表面工程 气体分子电离，带电粒子密度达到一定数值的电离气体 闪电和极光，太阳，日光灯，电弧 第第3章章(3) 离子渗 等离子渗氮的化学反应

3、载能电子产生电离和中性氮原子 e-N2=N+N+2e- 氮离子溅射 N+工件表面被溅射的铁和污染物 被溅射的铁原子与氮原子形成氮化铁 Fe+N=FeN FeN 在工件表面的沉积和分解 FeNFe2N+N Fe2NFe3N+N Fe3NFe4N+N Fe4NFe+N 离子注入 l 非平衡过程，高固溶度 l 低热过程 l 无变形，不改变精度 l 无界面 l 能量和剂量可控性好 l 高真空，无污染 l 对材料无限制 直射性 处理深度浅 注入元素离子化需专门设备 设备价格贵，加工成本高 离子束注入系统的两种主要类型离子束注入系统的两种主要类型 离子引出系统示意图离子引出系统示意图 带质量分析的离子注入

4、机带质量分析的离子注入机 离子束与离子源离子注入的比较离子束与离子源离子注入的比较 离子在固体中形成的位移峰离子在固体中形成的位移峰 注入剂量低时，浓度分布满足高斯分布 注入剂量高时，峰值向表面移动 能量损失 - - 2 2 exp 2 p p p R RX R N n chen dx dE dx dE dx dE dx dE 蒸发镀膜（蒸镀） 溅射沉积 金属原子金属原子 ArAr离子离子 电子电子 Ar离子轰击负电 位的金属表面 影响溅射率S的主要因素 入射离子种类：大质量、稀有气体S高 入射离子能量：阈值、注入 入射离子角度：4050o 靶材种类：周期变化，d层充满，溅射率大 工作气压：气

5、压低，S不变，气压高，S随之减小 表面温度：一定温度内不变，温度过高，急剧增大 氩离子对不同元素的溅射产额 磁控溅射 等离子体等离子体 磁道磁道 靶靶 冷却水冷却水 磁体磁体 磁控溅射靶磁控溅射靶 平衡和非平衡磁控溅射的比较 非 平 衡 技 术 提 高 轰 击 工 件 的 离 子 电 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 10 0 15 0 20 0 25 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 偏偏压压 (V) 离离子子电电流流 (A)

6、 Teer 1995 CFUBMSIP 不不平平衡衡磁磁控控溅溅射射 传传统统磁磁控控溅溅射射 100 7mA/cm2 0 240 680 10 0 5 1 1 2 Loa Friction force 1st derivative 划划痕痕临临界界载载荷荷 60N 0 2468100 0 5 10 15 20 Load Friction force 划划痕痕临临界界载载荷荷 90N 1st derivative 柱状晶柱状晶 致密等轴晶致密等轴晶 离子镀 离子镀：镀膜的同时用载能离子轰击基体和镀层表面的技术 在蒸发或溅射沉积基础上而不是独立的沉积方式 阴极电弧等离子体沉积阴极电弧等离子体沉积

7、 靶材料在真空电弧作用下蒸发。靶材料在真空电弧作用下蒸发。 电弧点仅数微米，时间仅几纳秒，温度极电弧点仅数微米，时间仅几纳秒，温度极 高，材料几乎百分之百离化。高，材料几乎百分之百离化。 离子垂直向外发射，微颗粒以一定角度射离子垂直向外发射，微颗粒以一定角度射 出。出。 一些离子被阴极吸引，打回到阴极，使电一些离子被阴极吸引，打回到阴极，使电 弧持续进行。弧持续进行。 电弧电压为电弧电压为1550V，电流可达到数百。，电流可达到数百。 金属表面产生电弧时，金属在电弧的高温金属表面产生电弧时，金属在电弧的高温 中气化，喷出金属蒸汽。此蒸汽中金属分中气化，喷出金属蒸汽。此蒸汽中金属分 子在等离子体

8、中离化成金属离子。同时还子在等离子体中离化成金属离子。同时还 产生一定量不同大小的液滴。产生一定量不同大小的液滴。 液滴形态及不同的粒子角分布液滴形态及不同的粒子角分布 离子垂直向外发射，离子垂直向外发射， 微颗粒以一定角度射出微颗粒以一定角度射出 用屏蔽法减少颗粒用屏蔽法减少颗粒 百叶窗式遮板 工件前简单挡板 在输出通道中进行在输出通道中进行 重力和磁过滤重力和磁过滤 S型和弯曲型过滤器 弧镀的局限性弧镀的局限性 金属颗粒的减少和离化率、容积矛盾。金属颗粒的减少和离化率、容积矛盾。 需要用合金靶，不同元素有不同溅射需要用合金靶，不同元素有不同溅射 率，不同部位溅射材料量不同。率，不同部位溅射

9、材料量不同。 溅射清洗和薄膜沉积过程难以控制。溅射清洗和薄膜沉积过程难以控制。 离子束增强沉积（IBED） G G G G G 注入 表面溅射 反冲 反应 气相沉积 V V G + 电荷交换与中和 离子 接真空机组 水冷 工作台 试样 中高能轰击离子源 真空室 水冷 溅射靶 溅射离子源 低能辅助离子源 磁控溅射靶 离子轰击过程对IBED 膜基结合强度的影响 界面展宽 5 10 10 20 30 轰击能量(kV) 离子轰击能量对界面宽度的影响 优点： l(1) 沉积与离子轰击相对独立，便于控制镀层成分及组织； l(2) 沉积温度低，可避免温度对材料及尺寸的影响。 l(3) 膜基间为连续界面，对所有基材均有较好的结合强度。 l(4) 可与高真空相容，污染少，有利于提高镀层质量； 不足： n(1)离子束直射性； n(2)离子源尺寸限制，生产效率很低