Под вакуумом понимается среда, представляющая собой газ (рабочий или остаточный) при давлении, меньшем, чем атмосферное

Общие свойства вакуума.

Понятие вакуума и плазмы.

В современной электронике широко используются технологические и рабочие процессы, протекающие в условиях создания вакуума. При этом многие промышленные установки, применяющиеся в технологии изготовления ИС, работают при наличии вакуума. Поэтому все вопросы, связанные с использованием вакуумных процессов в электронике, можно разделить на следующие группы:

1. Изготовление и использование приборных структур, работающих в условиях создания вакуума (электронные лампы, кинескопы и т.д.).

2. Производство и использование технологических установок, в которых рабочие процессы происходят в вакууме.

Давление можно измерять в различных единицах. В системе СИ это Паскаль. При этом связь с другими единицами измерения выглядит следующим образом:

1Па = 7,5.10^-3 мм.рт.ст. = 9,87.10^-6 атм.,

1 атм = 1,01.10⁵ Па = 760 мм.рт.ст.,

1 мм.рт.ст. = 133 Па.

Физические процессы, протекающие в вакууме, зависят от его характеристик, которые определяются числом Кнудсена К. Оно равно отношению числа столкновений частиц со стенками сосуда Z_c к числу столкновений частиц друг с другом Z_м, т.е. К= Zc/Zм. Так как Z_м= v_ср/l, а Z_c= v_ср/d, то К =l/d, т.е. равно отношению средней длины свободного пробега l частиц газа (молекул или атомов) и размера d, характерного для каждого конкретного прибора или процесса (расстояние между стенками камеры, между электродами и т.д.).

В свою очередь длина свободного пробега зависит от давления согласно выражения:

l=l₀ p₀/p,

где p₀ – нормальное атмосферное давление, l₀= кТ²/(√2pd_m²(T+C)), d_m – средний диаметр частицы, С – постоянная Сезерленда, равная температуре, при которой длина свободного пробега уменьшается в 2 раза по сравнению с Т→∞.

Для воздуха С=112 К, и можно получить выражение:

l=0,0067/p

В зависимости от числа Кнудсена различают вакуум низкий (l<<d, К<<1), средний (l~d, K~1) и высокий (К>>1,l>>d). Для стандартных вакуумных установок и приборов (d~10 см) низкому вакууму соответствует давление >10² Па, среднему – 10² – 10^-1 Па, высокому – 10^-1 – 10^-6 Па.

В низком вакууме свойства газа определяются частыми столкновениями между частицами, сопровождающимися обменом энергией. Явления переноса (теплопроводность, диффузия) в низком вакууме характеризуются плавным изменением или постоянством градиента переносимой величины. При этом переносимое количество вещества не зависит от давления. При прохождении тока в низком вакууме определяющую роль играет ионизация.

В высоком вакууме свойства газа определяются столкновениями частиц со стенками установки. При этом частицы движутся прямолинейно, не сталкиваясь между собой, и количество переносимого вещества пропорционально давлению. Протекание электрического тока осуществляется только за счет эмиссии электронов. Ионизация атомов или молекул возможна в случае, когда длина пробега заряженных частиц становится значительно больше расстояния между электродами (например, при движении частиц по сложным траекториям в магнитном поле).

Свойства газа в среднем вакууме являются промежуточными.

Существует также понятие сверхвысокого вакуума (p<<10^-6 Па), которое связано не с величиной соотношения l/d, а со временем t, необходимым для образования мономолекулярного слоя газа на поверхности твердого тела, помещенного в вакуум и первоначально свободного от адсорбированного газа. Величина t обратно пропорциональна давлению газа и может превышать несколько десятков секунд. (Пример сверхвысокого вакуума – атмосфера Земли на расстоянии 200 км).

Вакуум является рабочей средой во многих электронных приборах и устройствах, а также является технологической средой при напылении пленок, очистке поверхности полупроводников, выращивании кристаллов, проведении плазменных процессов.

В вакууме происходит ряд процессов, обычно причисляемых к так называемой вакуумной электронике.

Вакуумная электроника исследует процессы взаимодействия потоков свободных частиц с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется.

Первым вакуумным прибором был электровакуумный диод (1905 г., Флеминг). В 30-х годах для работы на частоте, превышающей 500 МГц, был разработан принцип динамического управления электронным потоком и созданы приборы нового класса (клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны), работа которых основана на взаимодействии электронов с СВЧ магнитным и электрическим полем. При этом сформировалось особое направление вакуумной электроники – СВЧ электроника.

Начиная с 60-х годов 20 столетия, бурное развитие полупроводниковой электроники ограничило использование обычных приборов вакуумной электроники. Однако области, связанные с созданием мощного электромагнитного поля, до сих пор базируются на вакуумных приборах (радиовещание и телевидение, ускорительная техника, локация, плазменные процессы). В основе их использования лежат базисные физические процессы, связанные с

- отсутствием столкновений заряженных частиц со связанными атомами и атомами остаточных газов,

- взаимодействием электронов с э/м полями, что снижает тепловые потери энергии электронов в пространстве взаимодействия, повышая к.п.д. прибора (до 90%, магнетроны, клистроны).

- рассеиванием остаточной энергии электронов, не отданной э/м полю, на большой площади электродов, что позволяет создавать приборы с мощностью более 100 МВт.

В зависимости от принципа действия, назначения и технического устройства, приборы вакуумной электроники делятся на:

- электронные лампы,

- электровакуумные СВЧ приборы,

- электронно-лучевые приборы,

- рентгеновские трубки,

-фотоэлектронные приборы,

-приборы создания и ускорения пучков частиц высокой энергии.

Важными условиями функционирования приборов и устройств являются процессы:

- получения и поддержания высокого вакуума либо заданного состава остаточного газа,

- обеспечение высокой электрической прочности вакуумных зазоров,

– изготовление источников заряженных частиц (электронов, ионов).

Источником электронов, являющихся общим элементом всех приборов и устройств вакуумной и плазменной электроники, является катод. Именно свойства катода определяют уровень характеристик вакуумных приборов (надежность и долговечность).

Вакуум создается в результате работы вакуумных насосов, обеспечивающих разную степень разряжения. При этом вакуумные системы должны обеспечивать возможность достижения заданного уровня предельного давления в рабочей зоне и необходимую скорость откачки всей системы и отдельных ее частей.

В вакуумных приборах и устройствах происходит создание первичного потока заряженных частиц и последующая его транспортировка, включая ускорение частиц. Технологические установки, позволяющие многократно увеличить энергию электронов или ионов, называются ускорителями. В ускорительных установках можно выделить три основные области, в которых создаются различные условия вакуума: область источника частиц, область (тракт) транспортировки потока и приемная камера.

В дальнейшем мы в основном будем знакомиться с принципами создания электронного пучка, ускорения и управления его характеристиками, взаимодействия ускоренных частиц с твердыми телами, а также изучим принципы ускорения и виды технологических установок.

Дата добавления: 2014-01-04