1、第3章真空技術(shù)基礎(chǔ)與等離子體,第3章(1)真空技術(shù)基礎(chǔ)Elementsofvacuumtechnology,真空的定義真空：密閉容器內(nèi)低于一個大氣壓的空間（1.01105Pa）絕對真空永遠(yuǎn)無法達(dá)到氣體狀態(tài)方程：P=nkT體積分子數(shù)：n=7.21022P/T20C時，若P=1.3310-4Pa則n=3.21010個/cm3,真空的表示：真空度氣體的壓強(qiáng)(Pa),蒸發(fā)鍍：10-3Pa；濺射鍍：10-210Pa；低壓化學(xué)氣相沉積：10-110Pa；等離子體化學(xué)氣相沉積：10102Pa；表面分析：超高真空,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

2、自由程與氣壓（或氣體分子密度）成反比,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(yīng)；絕熱保溫碰撞分子百分?jǐn)?shù)：,d:分子行進(jìn)距離若自由程足夠大：fd/l,真空的作用,真空的獲得,產(chǎn)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(dá)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(dá)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”。,旋片式機(jī)械真空泵（機(jī)械泵）,旋片式機(jī)械真空泵（機(jī)械泵）,極限真空由于結(jié)構(gòu)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(jìn)氣口氣壓降低而下降

3、，極限真空時為零可以做成兩級形式,油擴(kuò)散泵（擴(kuò)散泵）,不能與大氣相連，需與前級（機(jī)械泵）聯(lián)合，預(yù)抽1Pa左右抽氣速率幾l/s至幾萬l/s油的蒸汽壓應(yīng)當(dāng)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(xué)穩(wěn)定性可能有回油污染,渦輪分子泵（分子泵）,純機(jī)械運(yùn)動，高速轉(zhuǎn)子葉片對氣體加壓抽氣速率1000l/s無回油污染問題,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,幾種常用真空泵的工作氣壓范圍,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(zhǔn)確但不適合高真空間接法：相絕對真空計，測量與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量，與絕對

4、真空計比較后獲得。準(zhǔn)確度略差，和所測氣體種類有關(guān),熱偶真空計,利用氣體導(dǎo)熱率隨真空度變化測量范圍0.1100Pa簡單、使用方便測量精度不很高,熱絲,熱偶,電離真空計,利用氣體電離時，離子電流與氣壓關(guān)系進(jìn)行測量范圍0.110-5Pa常與熱偶計結(jié)合使用,真空室內(nèi)清洗,加熱脫吸附離子轟擊濺射,氣體放電與等離子體,第3章(2),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(dá)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(dá)到一定數(shù)值的電離氣體,獲得等離子體的主要方法和途

5、徑,直流輝光放電的伏安特性曲線,輝光放電的結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性,氣體放電的巴邢曲線（Paschen）,氣體分子數(shù)與離化幾率的關(guān)系,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(zhì)和特點,氣體分子電離，帶電粒子密度達(dá)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,等離子體的特點,分子無規(guī)則運(yùn)動和等離子體中離子的定向運(yùn)動,物質(zhì)的能量范圍,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

6、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，TeVkT，1eV相當(dāng)于T=11600K,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)TeTi：非平衡等離子體（Nonthermalplasma)。電子溫度104K以上，重粒子溫度可低至300500K，也稱為低溫等離子體（Coldplasma)輝光放電時Te10eV105K，但Ti只有數(shù)百K，帶電粒子密度只有1091013cm-3，宏觀溫度可以很低。,等離子體溫度和氣壓的關(guān)系,等離子體類型與P/E的依賴關(guān)系,p氣壓E電場強(qiáng)度,各種等離子體的電子密度、電子溫度和氣體溫度,非平衡等離

7、子體與平衡等離子體的比較,等離子體的空間條件,德拜長度：,等離子體的空間條件為：LlDrlD的尺度看等離子體才是電中性的,等離子體的時間條件,振蕩頻率：,等離子體的時間條件為：ttp，或twp1ttp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(fù)宏觀電中性的趨勢，其過程產(chǎn)生空間電荷振蕩，即等離子體振蕩。,振蕩周期：,等離子體判據(jù),德拜球內(nèi)粒子數(shù)：,等離子體判據(jù)：LlDtwp1ND1,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(zhì)和特點,氣體分子電離，帶電粒子密度達(dá)到一定數(shù)值的電離氣體,閃電和極光，太陽，日光燈

8、，電弧,等離子體的應(yīng)用,第3章(3),離子滲,等離子滲氮的化學(xué)反應(yīng),載能電子產(chǎn)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FeNFe2N+NFe2NFe3N+NFe3NFe4N+NFe4NFe+N,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(shè)備設(shè)備價格貴，加工成本高,離子束注入系統(tǒng)的兩種主要類型,離子引出系統(tǒng)示意圖,帶質(zhì)量分析的離子注入機(jī),離子束與離子源離子注入的比較,離子在固體中

9、形成的位移峰,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,蒸發(fā)鍍膜（蒸鍍）,濺射沉積,金屬原子Ar離子電子,Ar離子轟擊負(fù)電位的金屬表面,影響濺射率S的主要因素入射離子種類：大質(zhì)量、稀有氣體S高入射離子能量：閾值、注入入射離子角度：4050o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(nèi)不變，溫度過高，急劇增大,氬離子對不同元素的濺射產(chǎn)額,磁控濺射,磁控濺射靶,平衡和非平衡磁控濺射的比較,非平衡技術(shù)提高轟擊工件的離子電流,柱狀晶,致密等軸晶,離子鍍,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(shù)在蒸發(fā)或濺

10、射沉積基礎(chǔ)上而不是獨立的沉積方式,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(jìn)行。電弧電壓為1550V，電流可達(dá)到數(shù)百。,金屬表面產(chǎn)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(chǎn)生一定量不同大小的液滴。,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,用屏蔽法減少顆粒,百葉窗式遮板,工件前簡單擋板,在輸出通道中進(jìn)行重力和磁過濾,S型和彎曲型過濾器,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。,離子束增強(qiáng)沉積（IBED）,離子轟擊過程對IBED膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響,離子轟擊能量對界面寬度的影響,優(yōu)點：(1)沉積與離子轟擊相對獨立，便于控制鍍層成分及組織；(2)沉積溫度低，可避免溫度對材料及尺寸的影響。(3)膜基間為連續(xù)