第三章 真空技術(shù)基礎(chǔ)與等離子體

1、第第3章章 真空技術(shù)基礎(chǔ)與等離子體真空技術(shù)基礎(chǔ)與等離子體第第3章章(1) 真空技術(shù)基礎(chǔ)真空技術(shù)基礎(chǔ)Elements of vacuum technology真空的定義真空真空：密閉容器內(nèi)低于一個(gè)大氣壓的空間（1.01105Pa）絕對(duì)真空永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到絕對(duì)真空永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到氣體狀態(tài)方程： P = n k T體積分子數(shù)：n=7.21022P / T20C時(shí)，若 P=1.33 10-4 Pa則n=3.2 1010 個(gè)/cm3真空的表示：真空度氣體的壓強(qiáng) (Pa)蒸發(fā)鍍：Ti(約約103 K)Tg(約約103 K)整體溫度低整體溫度低Te Ti Tg104 K整體溫度高整體溫度高等離子體密度等離子體密度約

2、約1012cm-31014/cm-3放電氣體壓力放電氣體壓力Dr D 的尺度看等離子體才是電中性的等離子體的時(shí)間條件等離子體的時(shí)間條件epn3109 . 8等離子體的時(shí)間條件為：t tp t p1t tp時(shí)的等離子體才是電中性的ppt1等離子體判據(jù)等離子體判據(jù)nTND331038. 1等離子體判據(jù)：L D t p 1ND 1什么是等離子體什么是等離子體等離子體表面工程等離子體表面工程氣體分子電離，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(yáng)，日光燈，電弧第第3章章(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(xiāo)+工件表面被濺射的鐵和污染

3、物 被濺射的鐵原子與氮原子形成氮化鐵Fe+N=FeN FeN 在工件表面的沉積和分解FeNFe2N+NFe2NFe3N+N Fe3NFe4N+NFe4NFe+N離子注入l 非平衡過(guò)程，高固溶度l 低熱過(guò)程l 無(wú)變形，不改變精度l 無(wú)界面l 能量和劑量可控性好l 高真空，無(wú)污染l 對(duì)材料無(wú)限制 直射性 處理深度淺 注入元素離子化需專(zhuān)門(mén)設(shè)備 設(shè)備價(jià)格貴，加工成本高離子束注入系統(tǒng)的兩種主要類(lèi)型離子束注入系統(tǒng)的兩種主要類(lèi)型離子引出系統(tǒng)示意圖離子引出系統(tǒng)示意圖帶質(zhì)量分析的離子注入機(jī)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束與離子源離子注入的比較離子在固體中形成的位移峰離子在固體中形成的位移

4、峰 注入劑量低時(shí)，濃度分布滿(mǎn)足高斯分布 注入劑量高時(shí)，峰值向表面移動(dòng) 能量損失-2 2exp 2pppRRXRNnchendxdEdxdEdxdEdxdE蒸發(fā)鍍膜（蒸鍍）濺射沉積金屬原子金屬原子ArAr離子離子電子電子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(lèi)：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(lèi)：周期變化，d層充滿(mǎn)，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(guò)高，急劇增大氬離子對(duì)不同元素的濺射產(chǎn)額磁控濺射等離子體等離子體磁道磁道靶靶冷卻水冷卻水磁體磁體磁控濺射靶磁控濺射靶平衡和非

5、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 Mag 4 Ti Mag 1 Mag 2 Ti Mag 3 Ti target N polar S polar 1 fold 3 fold Teer 1996 CFUBMSIP 0 50 100 150 200 250 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 偏偏壓壓 (V) 離離子子電電流流 (A) Teer 1995 CFUBMSIP 不不平平衡衡磁磁控控濺濺射射 傳傳統(tǒng)統(tǒng)磁磁控控濺濺射射 100 7mA/cm2 0 240 680 100 5 112Loa Friction force 1st derivative 劃痕臨界載荷劃痕臨界

6、載荷 60N 0 2468100 0 5 10 15 20 Load Friction force 劃痕臨界載荷劃痕臨界載荷 90N 1st derivative 柱狀晶柱狀晶致密等軸晶致密等軸晶 離子鍍離子鍍：鍍膜的同時(shí)用載能離子轟擊基體和鍍層表面的技術(shù)在蒸發(fā)或?yàn)R射沉積基礎(chǔ)上而不是獨(dú)立的沉積方式陰極電弧等離子體沉積陰極電弧等離子體沉積 靶材料在真空電弧作用下蒸發(fā)。靶材料在真空電弧作用下蒸發(fā)。 電弧點(diǎn)僅數(shù)微米，時(shí)間僅幾納秒，溫度極電弧點(diǎn)僅數(shù)微米，時(shí)間僅幾納秒，溫度極高，材料幾乎百分之百離化。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離子垂直向外發(fā)射，微顆粒以一定角度射出。

7、出。 一些離子被陰極吸引，打回到陰極，使電一些離子被陰極吸引，打回到陰極，使電弧持續(xù)進(jìn)行?；〕掷m(xù)進(jìn)行。 電弧電壓為電弧電壓為1550V，電流可達(dá)到數(shù)百。，電流可達(dá)到數(shù)百。金屬表面產(chǎn)生電弧時(shí)，金屬在電弧的高溫金屬表面產(chǎn)生電弧時(shí)，金屬在電弧的高溫中氣化，噴出金屬蒸汽。此蒸汽中金屬分中氣化，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(shí)還子在等離子體中離化成金屬離子。同時(shí)還產(chǎn)生一定量不同大小的液滴。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液滴形態(tài)及不同的粒子角分布離子垂直向外發(fā)射，離子垂直向外發(fā)射，微顆粒以一定角度射出微顆粒以一定角度射出用屏蔽法減少顆粒用屏蔽法減少顆粒

8、百葉窗式遮板 工件前簡(jiǎn)單擋板 在輸出通道中進(jìn)行在輸出通道中進(jìn)行重力和磁過(guò)濾重力和磁過(guò)濾S型和彎曲型過(guò)濾器 弧鍍的局限性弧鍍的局限性 金屬顆粒的減少和離化率、容積矛盾。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。率，不同部位濺射材料量不同。 濺射清洗和薄膜沉積過(guò)程難以控制。濺射清洗和薄膜沉積過(guò)程難以控制。離子束增強(qiáng)沉積（IBED）GGGGG注入表面濺射反沖反應(yīng)氣相沉積VVG+電荷交換與中和離子接真空機(jī)組水冷工作臺(tái)試樣中高能轟擊離子源真空室水冷濺射靶濺射離子源低能輔助離子源磁控濺射靶離子轟擊過(guò)程對(duì)IBED膜基結(jié)合強(qiáng)度的影響 界面展寬 5 10 10 20 30 轟擊能量(kV) 離子轟擊能量對(duì)界面寬度的影響優(yōu)點(diǎn)：l(1) 沉積與離子轟擊相對(duì)獨(dú)立，便于控制鍍層成分及組織；l(2) 沉積溫度低，可避免溫度對(duì)材料及尺寸的影響。 l(3) 膜基間為連續(xù)界面，對(duì)所有基材均有較好的結(jié)合強(qiáng)度。l(4) 可與高真空相容，污染少，有利于提高鍍層質(zhì)量；不足：n(1)離子束直射性；n(2)離子源尺寸限制，生產(chǎn)效率很低；n(3)