将腔室压力降低到 5 × 10⁻⁴ Pa 以下的主要目的是有效消除残留气体，特别是氧气和水蒸气，以供沉积。这种高真空环境对于防止这些气体在溅射过程中与镍钛 (NiTi) 合金发生反应是绝对必要的。
核心要点 NiTi 合金对氧气高度敏感。建立高真空可防止氧化污染，否则氧化污染会消耗钛元素，改变关键的 Ni/Ti 原子比，并损害薄膜的机械稳定性。
污染控制的机制
去除反应性残留物
沉积腔室内的气氛自然含有残留气体。对于 NiTi 沉积而言，其中最有害的是氧气和水蒸气。
高真空泵系统对于抽出这些特定气体至关重要。达到低于 5 × 10⁻⁴ Pa 的压力可确保背景环境足够“清洁”，以便开始沉积过程。
NiTi 的反应性
镍钛不是惰性材料。它具有很高的化学敏感性，并且容易与氧气反应。
如果真空度不足，溅射过程会将合金引入一个不可避免地发生氧化反应的环境。
对化学计量比和性能的影响
杂质的形成
当存在残留氧气时，它会与沉积的材料结合。这会导致在生长薄膜中立即形成氧化物杂质。
这些杂质会干扰合金的晶体结构，降低其整体纯度。
钛的消耗
真空度差最关键的化学后果是钛的消耗。氧气对钛有很强的亲和力，会强烈地与其结合形成氧化物。
这种反应有效地“窃取”了本应构成金属合金结构的钛原子。
改变 Ni/Ti 比
NiTi 的功能特性在很大程度上取决于镍和钛之间精确的原子平衡。
由于钛被氧化消耗，可用于与镍结合的金属钛量减少。这会改变 Ni/Ti 比，使成分偏离目标化学计量比。
真空不足的风险
机械稳定性丧失
NiTi 薄膜的机械性能直接与其化学成分相关。
如果由于氧化导致 Ni/Ti 比发生变化，薄膜将失去稳定性。所得材料将无法表现出高性能应用所需的稳定机械行为。
纯度受损
在 5 × 10⁻⁴ Pa 以上的阈值下运行会产生“脏”的沉积环境。
所得薄膜的纯度会很低，导致其物理特性不可预测，可能不适合精密使用。
确保沉积成功
为了获得高质量的 NiTi 薄膜，您必须根据具体要求优先考虑真空完整性：
- 如果您的主要关注点是化学纯度：您必须将压力降至足够低以消除水蒸气和氧气，从而防止氧化物杂质的混入。
- 如果您的主要关注点是机械性能：您必须维持高真空以防止钛的损耗，确保 Ni/Ti 比保持稳定和精确。
严格的真空控制是保护合金化学特性和功能可靠性的基本保障。
汇总表：
| 因素 | 要求 | 真空度差的影响 |
|---|---|---|
| 目标压力 | < 5 × 10⁻⁴ Pa | 钛元素的氧化 |
| 残留气体 | 氧气和水蒸气 | 氧化物杂质的形成 |
| 合金平衡 | 精确的 Ni/Ti 比 | 化学计量比偏移和不稳定性 |
| 薄膜质量 | 高化学纯度 | 机械性能下降 |
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参考文献
- André V. Fontes, Ana Sofia Ramos. Exploring the Influence of the Deposition Parameters on the Properties of NiTi Shape Memory Alloy Films with High Nickel Content. DOI: 10.3390/coatings14010138
本文还参考了以下技术资料 Kintek Furnace 知识库 .
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