第三章 真空技术基础与等离子体.ppt

第3章 真空技术基础与等离子体,第3章(1) 真空技术基础Elements of vacuum technology,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 = n k T 体积分子数：n=7.2×1022P / T 20C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：<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,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,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,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 0.1～100Pa简单、使用方便测量精度不很高,,,热丝,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 0.1～10-5Pa常与热偶计结合使用,真空室内清洗,加热 脱吸附离子轰击 溅射,气体放电与等离子体,第3章(2),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,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,辉光放电的结构和电学特性,气体放电的巴邢曲线（Paschen）,气体分子数与离化几率的关系,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,等离子体的特点,分子无规则运动和等离子体中离子的定向运动,物质的能量范围,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,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（Thermal plasma)Te>>Ti：非平衡等离子体（Nonthermal plasma)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（Cold plasma)辉光放电时Te＝10eV105K，但Ti只有数百K，带电粒子密度只有109~1013cm-3 ，宏观温度可以很低等离子体温度和气压的关系,等离子体类型与P/E的依赖关系,p—气压E—电场强度,各种等离子体的电子密度、电子温度和气体温度,,非平衡等离子体与平衡等离子体的比较,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,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，其过程产生空间电荷振荡，即等离子体振荡。

振荡周期：,等离子体判据,德拜球内粒子数：,等离子体判据： L >> lD t wp >> 1 ND >> 1,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,等离子体的应用,第3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,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,离子束注入系统的两种主要类型,离子引出系统示意图,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,蒸发镀膜（蒸镀）,溅射沉积,金属原子Ar离子电子,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：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,氩离子对不同元素的溅射产额,磁控溅射,,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,,,,,柱状晶,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,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,用屏蔽法减少颗粒,百叶窗式遮板,工件前简单挡板,,,在输出通道中进行重力和磁过滤,S型和弯曲型过滤器,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离子束增强沉积（IBED）,,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,优点：(1) 沉积与离子轰击相对独立，便于控制镀层成分及组织；(2) 沉积温度低，可避免温度对材料及尺寸的影响 (3) 膜基间为连续界面，对所有基材均有较好的结合强度4) 可与高真空相容，污染少，有利于提高镀层质量；不足：(1)离子束直射性；(2)离子源尺寸限制，生产效率很低；(3) 镀膜速度慢，成本较高。

化学气相沉积（CVD）,1-炉体 2-加热体 3-进气管 4-工件 5-阴极 6-脉冲电源 7-加热控制柜 8-观察窗 9-热电偶 10-气源柜 11-冷阱 12-机械真空泵,。