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1 第第3章章(1) 真空技术基础真空技术基础Elements of vacuum technology2 真空的定义真空真空：密闭容器内低于一个大气压的空间（1.01×105Pa）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=7.2×1022P / T20C时，若 P=1.33 × 10-4 Pa则n=3.2 ×1010 个/cm33 真空的表示：真空度——气体的压强 (Pa)蒸发镀：<10-3 Pa；溅射镀：10-2 ～ 10 Pa；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 4 •平均自由程平均自由程：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5 •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6 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”7 旋片式机械真空泵（机械泵）8 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9 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10-4 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10 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11 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12 几种常用真空泵的工作气压范围13 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14 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丝热偶热偶15 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16 17 真空室内清洗•加热加热脱吸附•离子轰击离子轰击溅射18 第第3章章(2)19 等离子体表面工程等离子体表面工程日常见到的等离子体有哪些日常见到的等离子体有哪些日常见到的等离子体有哪些日常见到的等离子体有哪些如何获得等离子体如何获得等离子体如何获得等离子体如何获得等离子体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日常见到的等离子体有哪些日常见到的等离子体有哪些日常见到的等离子体有哪些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20 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21 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22 辉光放电的结构和电学特性辉光放电的结构和电学特性23 气体放电的巴邢曲线气体放电的巴邢曲线（Paschen）24 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25 日常见到的等离子体有哪些日常见到的等离子体有哪些日常见到的等离子体有哪些日常见到的等离子体有哪些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如何获得等离子体如何获得等离子体如何获得等离子体如何获得等离子体等离子体的性质和特点等离子体的性质和特点等离子体的性质和特点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26 等离子体的特点等离子体的特点27 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28 物质的能量范围物质的能量范围29 电子温度和离子温度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=11600K30 电子温度和离子温度电子温度和离子温度T Te e= =T Ti i：热平衡等离子体，简称为热等离子体（：热平衡等离子体，简称为热等离子体（Thermal Thermal plasma)plasma)T Te e>>>>T Ti i：非平衡等离子体（：非平衡等离子体（Nonthermal plasma)Nonthermal plasma)电子温度度10104 4K K以上，重粒子温度可低至以上，重粒子温度可低至300~500K300~500K，也称为低，也称为低温等离子体（温等离子体（Cold plasma)Cold plasma)辉光放电时辉光放电时T Te e＝＝10eV10eV 10105 5K K，但，但T Ti i只有数百只有数百K K，带电粒，带电粒子密度只有子密度只有10109 9~10~101313cmcm-3 -3 ，，宏观温度可以很低宏观温度可以很低31 等离子体温度和气压的关系等离子体温度和气压的关系32 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p—p—气压气压E—E—电场强度电场强度33 各种等离子体的电子密度、电子温度和气体温度各种等离子体的电子密度、电子温度和气体温度各种等离子体的电子密度、电子温度和气体温度各种等离子体的电子密度、电子温度和气体温度34 非平衡等离子体与平衡等离子体的比较非平衡等离子体与平衡等离子体的比较非平衡等离子体与平衡等离子体的比较非平衡等离子体与平衡等离子体的比较类别类别非平衡等离子体非平衡等离子体平衡等离子体平衡等离子体粒子温度粒子温度Te(约约104K)>>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-3>1014/cm-3放放电电气体气体压压力力<13300Pa0.1MPa气相沉气相沉积积温度温度较较低低较较高高典型放典型放电电形式形式辉辉光放光放电电弧光放弧光放电电35 等离子体的空间条件等离子体的空间条件德拜长度：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36 等离子体的时间条件等离子体的时间条件振荡频率：振荡频率：等离子体的时间条件为：t >>tp ，或，或t wp>>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，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。
其过程产生空间电荷振荡，即等离子体振荡振荡周期：振荡周期：37 等离子体判据等离子体判据德拜球内粒子数：德拜球内粒子数：等离子体判据：L >> lD t wp >> 1ND >> 138 日常见到的等离子体有哪些日常见到的等离子体有哪些日常见到的等离子体有哪些日常见到的等离子体有哪些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如何获得等离子体如何获得等离子体如何获得等离子体如何获得等离子体表面工程中如何利用等离子体表面工程中如何利用等离子体表面工程中如何利用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等离子体的性质和特点等离子体的性质和特点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39 第第3章章(3)40 41 离子渗42 43 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=FeN•FeN 在工件表面的沉积和分解•FeN→Fe2N+N•Fe2N→Fe3N+N •Fe3N→Fe4N+N•Fe4N→Fe+N44 45 46 47 48 49 50 51 52 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53 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54 离子引出系统示意图离子引出系统示意图55 56 带质量分析的离子注入机带质量分析的离子注入机57 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58 59 60 61 离子在固体中形成的位移峰离子在固体中形成的位移峰62 63 64 65 66 •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67 68 69 70 71 72 73 蒸发镀膜（蒸镀）74 75 76 77 78 79 80 溅射沉积81 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82 •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83 84 85 氩离子对不同元素的溅射产额86 87 88 89 90 91 磁控溅射92 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93 94 95 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96 Mag 4 Ti Mag 1 Mag 2 Ti Mag 3 Ti target N polar S polar 1 fold 3 fold 97 98 柱状晶柱状晶致密等轴晶致密等轴晶 99 离子镀100 101 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102 103 104 105 106 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•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15－－50V，，电流可达到数百电流可达到数百107 108 110 111 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112 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 113 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 114 115 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116 117 118 119 离子束增强沉积（IBED）120 121 122 123 124 离子轰击过程对IBED膜基结合强度的影响离子轰击能量对界面宽度的影响125 126 •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；n(3) 镀膜速度慢，成本较高 127 化学气相沉积（CVD）128 129 130 131 132 1-炉体炉体 2-加热体加热体 3-进气管进气管 4-工件工件 5-阴极阴极 6-脉脉冲电源冲电源 7-加热控制柜加热控制柜 8-观察窗观察窗 9-热电偶热电偶 10-气气源柜源柜 11-冷阱冷阱 12-机械真空泵机械真空泵133 134 135 136 137 个人观点供参考，欢迎讨论 。