真空技術基礎與等離子體

真空技術基礎與等離子體第1頁/共138頁第3章(1)真空技術基礎

Elementsofvacuumtechnology第2頁/共138頁真空的定義真空：密閉容器內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第3頁/共138頁真空的表示：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：超高真空第4頁/共138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5頁/共138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；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

真空的作用第6頁/共138頁真空的獲得產生真空的過程——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”。第7頁/共138頁旋片式機械真空泵（機械泵）第8頁/共138頁旋片式機械真空泵（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第9頁/共138頁油擴散泵（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第10頁/共138頁渦輪分子泵（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無回油污染問題第11頁/共138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12頁/共138頁幾種常用真空泵的工作氣壓范圍第13頁/共138頁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第14頁/共138頁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第15頁/共138頁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第16頁/共138頁第17頁/共138頁真空室內清洗加熱 脫吸附離子轟擊 濺射第18頁/共138頁氣體放電與等離子體第3章(2)第19頁/共138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)值的電離氣體第20頁/共138頁獲得等離子體的主要方法和途徑第21頁/共138頁直流輝光放電的伏安特性曲線第22頁/共138頁輝光放電的結構和電學特性第23頁/共138頁氣體放電的巴邢曲線

（Paschen）第24頁/共138頁氣體分子數(shù)與離化幾率的關系第25頁/共138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、各種能量場第26頁/共138頁等離子體的特點第27頁/共138頁分子無規(guī)則運動和等離子體中

離子的定向運動第28頁/共138頁物質的能量范圍第29頁/共138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相當于T=11600K第30頁/共138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31頁/共138頁等離子體溫度和氣壓的關系第32頁/共138頁等離子體類型與P/E的依賴關系p—氣壓E—電場強度第33頁/共138頁各種等離子體的電子密度、電子溫度和氣體溫度第34頁/共138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35頁/共138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36頁/共138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宏觀電中性的趨勢，其過程產生空間電荷振蕩，即等離子體振蕩。振蕩周期：第37頁/共138頁等離子體判據(jù)德拜球內粒子數(shù)：等離子體判據(jù)： L>>lD

twp>>1

ND

>>1第38頁/共138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，電弧第39頁/共138頁等離子體的應用第3章(3)第40頁/共138頁第41頁/共138頁離子滲第42頁/共138頁第43頁/共138頁等離子滲氮的化學反應載能電子產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44頁/共138頁第45頁/共138頁第46頁/共138頁第47頁/共138頁第48頁/共138頁第49頁/共138頁第50頁/共138頁第51頁/共138頁第52頁/共138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備設備價格貴，加工成本高第53頁/共138頁離子束注入系統(tǒng)的兩種主要類型第54頁/共138頁離子引出系統(tǒng)示意圖第55頁/共138頁第56頁/共138頁帶質量分析的離子注入機第57頁/共138頁離子束與離子源離子注入的比較第58頁/共138頁第59頁/共138頁第60頁/共138頁第61頁/共138頁離子在固體中形成的位移峰第62頁/共138頁第63頁/共138頁第64頁/共138頁第65頁/共138頁第66頁/共138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67頁/共138頁第68頁/共138頁第69頁/共138頁第70頁/共138頁第71頁/共138頁第72頁/共138頁第73頁/共138頁蒸發(fā)鍍膜（蒸鍍）第74頁/共138頁第75頁/共138頁第76頁/共138頁第77頁/共138頁第78頁/共138頁第79頁/共138頁第80頁/共138頁濺射沉積第81頁/共138頁金屬原子Ar離子電子Ar離子轟擊負電位的金屬表面第82頁/共138頁影響濺射率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：一定溫度內不變，溫度過高，急劇增大第83頁/共138頁第84頁/共138頁第85頁/共138頁氬離子對不同元素的濺射產額第86頁/共138頁第87頁/共138頁第88頁/共138頁第89頁/共138頁第90頁/共138頁第91頁/共138頁磁控濺射第92頁/共138頁等離子體磁道靶冷卻水磁體磁控濺射靶第93頁/共138頁第94頁/共138頁第95頁/共138頁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第96頁/共138頁

Mag4

Ti

Mag1

Mag2Ti

Mag3

Titarget

Npolar

Spolar

1fold

3fold

第97頁/共138頁第98頁/共138頁柱狀晶致密等軸晶

第99頁/共138頁離子鍍第100頁/共138頁第101頁/共138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

在蒸發(fā)或濺射沉積基礎上而不是獨立的沉積方式第102頁/共138頁第103頁/共138頁第104頁/共138頁第105頁/共138頁第106頁/共138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。第107頁/共138頁第108頁/共138頁金屬表面產生電弧時，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。同時還產生一定量不同大小的液滴。第109頁/共138頁第110頁/共138頁第111頁/共138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112頁/共138頁用屏蔽法減少顆粒百葉窗式遮板

工件前簡單擋板第113頁/共138頁在輸出通道中進行重力和磁過濾S型和彎曲型過濾器

第114頁/共138頁第115頁/共138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116頁/共138頁第117頁/共138頁第118頁/共138頁第119頁/共138頁離子束增強沉積（IBED）第120頁/共138頁第12