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 / T20C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：103 10310-1 10-110-6 10-6 平均自由程（平均自由程（cm） 105 真空在气相沉积中的作用：防止氧化、污染；减少

2、蒸发原子与残余气体分子的碰撞，抑制它们之间的反应；绝热保温碰撞分子百分数：ldeNNfd-110d: 分子行进距离若自由程足够大：f d / l 真空的作用真空的获得 产生真空的过程抽气；工具真空泵 单位时间抽出的气体体积抽气速率 真空泵工作足够时间后所达到的最低气压极限真空 不同类型的真空泵有特定的工作范围，通常需要两级联合才能达到高真空以上。从大气开始的叫“前级泵”，从低气压开始工作的叫“次级泵”。旋片式机械真空泵（机械泵）旋片式机械真空泵（机械泵）极限真空由于结构限制无法提高，并取决于加工和装配精度实际抽气速率随进气口气压降低而下降，极限真空时为零可以做成两级形式油扩散泵（扩散泵）不能与

3、大气相连，需与前级（机械泵）联合，预抽1Pa左右抽气速率几 l / s 至几万 l / s 油的蒸汽压应当在常温下低于10-4 Pa ，而在工作时尽可能高，高热稳定性和化学稳定性可能有回油污染涡轮分子泵（分子泵）纯机械运动，高速转子叶片对气体加压抽气速率1000 l /s无回油污染问题低温吸附泵（低温泵）通过20K以下低温凝聚气体分子需前级泵具有最高极限真空度无回油污染问题工作后需再生处理几种常用真空泵的工作气压范围真空的测量 测量真空的工具真空计和真空规管 直接法：绝对真空计，准确但不适合高真空 间接法：相绝对真空计，测量与压强有关的物理量，与绝对真空计比较后获得。准确度略差，和所测气体种类

4、有关热偶真空计利用气体导热率随真空度变化测量范围 0.1100Pa简单、使用方便测量精度不很高热丝热丝热偶热偶电离真空计利用气体电离时，离子电流与气压关系进行测量范围 0.110-5Pa常与热偶计结合使用放气和漏气漏气放气tp泵工作不良真空室内清洗 加热加热脱吸附 离子轰击离子轰击溅射第第3章章(2)等离子体表面工程等离子体表面工程什么是等离子体什么是等离子体气体分子电离，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，电弧什么是等离子体什么是等离子体气体分子电离，带电粒子密度达到一定数值的电离气体 放电 直流放电 低频放电 高频放电 微波放电 感应放电 宇 宙 天 体 上层大气

5、真空紫外光 激 光 等离子体等离子体 冲击波 辉光下游的利用 场致电离 放射线 放射性同位素 X 射 线 粒子加速器 反 应 堆 燃烧 获得等离子体的主要方法和途径获得等离子体的主要方法和途径直流辉光放电的伏安特性曲线直流辉光放电的伏安特性曲线BCDEFG1x10-221x10-181x10-141x10-101x10-61x10-202004006008001000电流密度 (A/cm2)电压 (V)1非 自 持 放 电 区汤生放电气体击穿电压电晕放电前期辉光正常辉光异常辉光异常辉光弧光放电辉光放电辉光放电的结构和电学特性辉光放电的结构和电学特性气体放电的巴邢曲线气体放电的巴邢曲线（Pasc

6、hen）气体分子数与离化几率的关系气体分子数与离化几率的关系- - e- -e- -e- -e - -高真空高真空压强压强 1Pa 1Pa分压分压1Pa 1Pa 压强压强 1000Pa 1000Pa大气压大气压压强压强 Pa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，电弧辉光放电、各种能量场等离子体的特点等离子体的特点普通气体普通气体等离子体等离子体没有空间和时间限度没有空间和时间限度等离子体的存在具有特征的空间和时间限度等离子体的存在具有特征的空间和时间限度由电中性的分子或原子组成由电中性的分子或原子组

7、成是带电粒子和中性粒子组成的集合体是带电粒子和中性粒子组成的集合体不导电流体不导电流体具有很高的电导率，而又能在与气体体积相比拟具有很高的电导率，而又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性的宏观尺度内维持电中性做无规则的热运动做无规则的热运动有三种运动形式热运动，在电磁场作用下的有三种运动形式热运动，在电磁场作用下的迁移运动和沿带电粒子浓度递减方向的扩散运动迁移运动和沿带电粒子浓度递减方向的扩散运动分子的运动不受电磁场的影响分子的运动不受电磁场的影响粒子运动受到电磁场的影响和支配粒子运动受到电磁场的影响和支配反应活性相对较小反应活性相对较小富集的离子、电子、激发态的原子、分子及自由富集的离

8、子、电子、激发态的原子、分子及自由基具反应活性基具反应活性固、液、气三种基本形式之一固、液、气三种基本形式之一新的聚集状态物质第四态新的聚集状态物质第四态分子无规则运动和等离子体中分子无规则运动和等离子体中离子的定向运动离子的定向运动物质的能量范围物质的能量范围 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 电电电电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 室室室室温温温温

9、气气气气体体体体 分分分分子子子子 液液液液体体体体 固固固固体体体体 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 温温温温度度度度，KK 等等等等离离离离子子子子体体体体 电子温度和离子温度电子温度和离子温度23/12eNlqePE 23212kTmvKE电子在离子静电势场中的平均势能单个粒子平均动能多种粒子同时存在，不可能用一个统一的温度来描述。同类粒子碰撞能量交换最有效，各粒子自身先平衡。电子温度Te，离子温度Ti，中性粒子温度Tg，等离子体温度取决于重粒子温度。温度单位：电子伏特

10、eV，TeVkT ， 1eV相当于T=11600K电子温度和离子温度电子温度和离子温度等离子体温度和气压的关系等离子体温度和气压的关系等离子体类型与等离子体类型与P/E的依赖关系的依赖关系弧光等离子体弧光等离子体电晕等离子体电晕等离子体辉光辉光等离子体等离子体p/E电流电流等离子体类型 等离子体密度/cm3 电子温度/K 气体温度/K 电弧 1014 约104 104 直流辉光放电 1091012 约104 约7102 电晕放电 Ti(约约103 K)Tg(约约103 K)整体温度低整体温度低Te Ti Tg104 K整体温度高整体温度高等离子体密度等离子体密度约约1012cm-31014/c

11、m-3放电气体压力放电气体压力Dr 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epn3109 . 8等离子体的时间条件为：t tp t p1t tp时的等离子体才是电中性的ppt1等离子体判据等离子体判据nTND331038. 1等离子体判据：L D t p 1ND 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 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

12、氮化铁Fe+N=FeN FeN 在工件表面的沉积和分解FeNFe2N+NFe2NFe3N+N Fe3NFe4N+NFe4NFe+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

13、高斯分布 注入剂量高时，峰值向表面移动 能量损失-2 2exp 2pppRRXRNnchendxdEdxdEdxdEdxdE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

14、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 50 100 150 200 250 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 偏压偏压 (V) 离子离子电电流流 (A) Teer 1995 CFUBMSIP 不平衡磁控溅射不平衡磁控溅射 传统磁控溅射传统磁控溅射 100 7mA/cm2 0 240 680 100 5 112Loa Friction force 1st derivative 划痕临界载荷划痕临界载荷 60N 0 246810

15、0 0 5 10 15 20 Load Friction force 划痕临界载荷划痕临界载荷 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 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

16、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

17、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）GGGGG注入表面溅射反冲反应气相沉积VVG+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)