第三章真空技术基础与等离子体

第三章真空技术基础与等离子体第1页，共134页，2023年，2月20日，星期一第3章(1)真空技术基础

Elementsofvacuumtechnology第2页，共134页，2023年，2月20日，星期一真空的定义真空：密闭容器内低于一个大气压的空间（1.01×105Pa）

绝对真空永远无法达到 气体状态方程： P=nkT

体积分子数：n=7.2×1022P/T 20C时，若P=1.33×10-4Pa

则n=3.2×1010个/cm3第3页，共134页，2023年，2月20日，星期一真空的表示：真空度——气体的压强(Pa)

蒸发镀：<10-3Pa；溅射镀：10-2～10Pa； 低压化学气相沉积：10-1～10Pa； 等离子体化学气相沉积：10～102Pa； 表面分析：超高真空第4页，共134页，2023年，2月20日，星期一平均自由程：气体分子之间相邻两次碰撞的平均距离

d为分子直径，P为气压，C为常数，T为温度平均自由程与气压（或气体分子密度）成反比第5页，共134页，2023年，2月20日，星期一真空在气相沉积中的作用： 防止氧化、污染；减少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： d:分子行进距离若自由程足够大：f≈d/l

真空的作用第6页，共134页，2023年，2月20日，星期一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”。第7页，共134页，2023年，2月20日，星期一旋片式机械真空泵（机械泵）第8页，共134页，2023年，2月20日，星期一旋片式机械真空泵（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第9页，共134页，2023年，2月20日，星期一油扩散泵（扩散泵）不能与大气相连，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10-4Pa

，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第10页，共134页，2023年，2月20日，星期一涡轮分子泵（分子泵）纯机械运动，高速转子叶片对气体加压抽气速率1000l/s无回油污染问题第11页，共134页，2023年，2月20日，星期一低温吸附泵（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第12页，共134页，2023年，2月20日，星期一几种常用真空泵的工作气压范围第13页，共134页，2023年，2月20日，星期一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，和所测气体种类有关第14页，共134页，2023年，2月20日，星期一热偶真空计利用气体导热率随真空度变化测量范围0.1～100Pa简单、使用方便测量精度不很高热丝热偶第15页，共134页，2023年，2月20日，星期一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0.1～10-5Pa常与热偶计结合使用第16页，共134页，2023年，2月20日，星期一第17页，共134页，2023年，2月20日，星期一真空室内清洗加热 脱吸附离子轰击 溅射第18页，共134页，2023年，2月20日，星期一气体放电与等离子体第3章(2)第19页，共134页，2023年，2月20日，星期一等离子体表面工程日常见到的等离子体有哪些如何获得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日常见到的等离子体有哪些气体分子电离，带电粒子密度达到一定数值的电离气体第20页，共134页，2023年，2月20日，星期一获得等离子体的主要方法和途径第21页，共134页，2023年，2月20日，星期一直流辉光放电的伏安特性曲线第22页，共134页，2023年，2月20日，星期一辉光放电的结构和电学特性第23页，共134页，2023年，2月20日，星期一气体放电的巴邢曲线

（Paschen）第24页，共134页，2023年，2月20日，星期一气体分子数与离化几率的关系第25页，共134页，2023年，2月20日，星期一日常见到的等离子体有哪些什么是等离子体等离子体表面工程如何获得等离子体等离子体的性质和特点气体分子电离，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、各种能量场第26页，共134页，2023年，2月20日，星期一等离子体的特点第27页，共134页，2023年，2月20日，星期一分子无规则运动和等离子体中

离子的定向运动第28页，共134页，2023年，2月20日，星期一物质的能量范围第29页，共134页，2023年，2月20日，星期一电子温度和离子温度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eV，TeV＝kT，1eV相当于T=11600K第30页，共134页，2023年，2月20日，星期一电子温度和离子温度Te=Ti：热平衡等离子体，简称为热等离子体（Thermalplasma)Te>>Ti：非平衡等离子体（Nonthermalplasma)。电子温度104K以上，重粒子温度可低至300~500K，也称为低温等离子体（Coldplasma)辉光放电时Te＝10eV105K，但Ti只有数百K，带电粒子密度只有109~1013cm-3，宏观温度可以很低。第31页，共134页，2023年，2月20日，星期一等离子体温度和气压的关系第32页，共134页，2023年，2月20日，星期一等离子体类型与P/E的依赖关系p—气压E—电场强度第33页，共134页，2023年，2月20日，星期一各种等离子体的电子密度、电子温度和气体温度第34页，共134页，2023年，2月20日，星期一非平衡等离子体与平衡等离子体的比较类别非平衡等离子体平衡等离子体粒子温度Te(约104K)>>Ti(约103K)>Tg(约103K)整体温度低TeTiTg104K整体温度高等离子体密度约1012cm-3>1014/cm-3放电气体压力<13300Pa0.1MPa气相沉积温度较低较高典型放电形式辉光放电弧光放电第35页，共134页，2023年，2月20日，星期一等离子体的空间条件德拜长度：等离子体的空间条件为：L>>lDr>lD的尺度看等离子体才是电中性的第36页，共134页，2023年，2月20日，星期一等离子体的时间条件振荡频率：等离子体的时间条件为：t>>tp，或twp>>1t>tp时的等离子体才是电中性的等离子体电中性受到破坏时具有恢复宏观电中性的趋势，其过程产生空间电荷振荡，即等离子体振荡。振荡周期：第37页，共134页，2023年，2月20日，星期一等离子体判据德拜球内粒子数：等离子体判据： L>>lD

twp>>1

ND

>>1第38页，共134页，2023年，2月20日，星期一日常见到的等离子体有哪些什么是等离子体等离子体表面工程如何获得等离子体表面工程中如何利用等离子体等离子体的性质和特点气体分子电离，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39页，共134页，2023年，2月20日，星期一等离子体的应用第3章(3)第40页，共134页，2023年，2月20日，星期一第41页，共134页，2023年，2月20日，星期一离子渗第42页，共134页，2023年，2月20日，星期一第43页，共134页，2023年，2月20日，星期一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氮化铁

Fe+N=FeNFeN在工件表面的沉积和分解

FeN→Fe2N+N Fe2N→Fe3N+N Fe3N→Fe4N+N Fe4N→Fe+N第44页，共134页，2023年，2月20日，星期一第45页，共134页，2023年，2月20日，星期一第46页，共134页，2023年，2月20日，星期一第47页，共134页，2023年，2月20日，星期一第48页，共134页，2023年，2月20日，星期一第49页，共134页，2023年，2月20日，星期一第50页，共134页，2023年，2月20日，星期一第51页，共134页，2023年，2月20日，星期一第52页，共134页，2023年，2月20日，星期一离子注入非平衡过程，高固溶度低热过程无变形，不改变精度无界面能量和剂量可控性好高真空，无污染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，加工成本高第53页，共134页，2023年，2月20日，星期一离子束注入系统的两种主要类型第54页，共134页，2023年，2月20日，星期一离子引出系统示意图第55页，共134页，2023年，2月20日，星期一第56页，共134页，2023年，2月20日，星期一带质量分析的离子注入机第57页，共134页，2023年，2月20日，星期一离子束与离子源离子注入的比较第58页，共134页，2023年，2月20日，星期一第59页，共134页，2023年，2月20日，星期一第60页，共134页，2023年，2月20日，星期一第61页，共134页，2023年，2月20日，星期一离子在固体中形成的位移峰第62页，共134页，2023年，2月20日，星期一第63页，共134页，2023年，2月20日，星期一第64页，共134页，2023年，2月20日，星期一第65页，共134页，2023年，2月20日，星期一第66页，共134页，2023年，2月20日，星期一注入剂量低时，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第67页，共134页，2023年，2月20日，星期一第68页，共134页，2023年，2月20日，星期一第69页，共134页，2023年，2月20日，星期一第70页，共134页，2023年，2月20日，星期一第71页，共134页，2023年，2月20日，星期一第72页，共134页，2023年，2月20日，星期一第73页，共134页，2023年，2月20日，星期一蒸发镀膜（蒸镀）第74页，共134页，2023年，2月20日，星期一第75页，共134页，2023年，2月20日，星期一第76页，共134页，2023年，2月20日，星期一第77页，共134页，2023年，2月20日，星期一第78页，共134页，2023年，2月20日，星期一第79页，共134页，2023年，2月20日，星期一第80页，共134页，2023年，2月20日，星期一溅射沉积第81页，共134页，2023年，2月20日，星期一金属原子Ar离子电子Ar离子轰击负电位的金属表面第82页，共134页，2023年，2月20日，星期一影响溅射率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：40－50o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，急剧增大第83页，共134页，2023年，2月20日，星期一第84页，共134页，2023年，2月20日，星期一第85页，共134页，2023年，2月20日，星期一氩离子对不同元素的溅射产额第86页，共134页，2023年，2月20日，星期一第87页，共134页，2023年，2月20日，星期一第88页，共134页，2023年，2月20日，星期一第89页，共134页，2023年，2月20日，星期一第90页，共134页，2023年，2月20日，星期一第91页，共134页，2023年，2月20日，星期一磁控溅射第92页，共134页，2023年，2月20日，星期一等离子体磁道靶冷却水磁体磁控溅射靶第93页，共134页，2023年，2月20日，星期一第94页，共134页，2023年，2月20日，星期一第95页，共134页，2023年，2月20日，星期一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第96页，共134页，2023年，2月20日，星期一

Mag4

Ti

Mag1

Mag2Ti

Mag3

Titarget

Npolar

Spolar

1fold

3fold

第97页，共134页，2023年，2月20日，星期一第98页，共134页，2023年，2月20日，星期一柱状晶致密等轴晶

第99页，共134页，2023年，2月20日，星期一离子镀第100页，共134页，2023年，2月20日，星期一第101页，共134页，2023年，2月20日，星期一离子镀：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第102页，共134页，2023年，2月20日，星期一第103页，共134页，2023年，2月20日，星期一第104页，共134页，2023年，2月20日，星期一第105页，共134页，2023年，2月20日，星期一第106页，共134页，2023年，2月20日，星期一阴极电弧等离子体沉积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出。一些离子被阴极吸引，打回到阴极，使电弧持续进行。电弧电压为15－50V，电流可达到数百。第107页，共134页，2023年，2月20日，星期一第108页，共134页，2023年，2月20日，星期一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。第109页，共134页，2023年，2月20日，星期一第110页，共134页，2023年，2月20日，星期一第111页，共134页，2023年，2月20日，星期一液滴形态及不同的粒子角分布离子垂直向外发射，微颗粒以一定角度射出第112页，共134页，2023年，2月20日，星期一用屏蔽法减少颗粒百叶窗式遮板

工件前简单挡板第113页，共134页，2023年，2月20日，星期一在输出通道中进行重力和磁过滤S型和弯曲型过滤器

第114页，共134页，2023年，2月20日，星期一第115页，共134页，2023年，2月20日，星期一弧镀的局限性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。第116页，共134页，2023年，2月20日，星期一第117页，共134页，2023年，2月20日，星期一第118页，共134页，2023年，2月20日，星期一第119页，共134页