真空技術(shù)及真空技術(shù)在電子材料與器件方面的應用

1、真空技術(shù)及真空技術(shù)在電子材料與器件方面的應用真空技術(shù)及在電子材料與器件方面的應用真空的含義及特點在真空科學中，真空的含義是指在給定的空間內(nèi)低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)。人們通常把這種稀薄的氣體狀態(tài)稱為真空狀況。這種特定的真空狀態(tài)與人類賴以生存的大氣在狀態(tài)相比較，主要有如下幾個基本特點：（1 ）真空狀態(tài)下的氣體壓力低于一個大氣壓，因此，處于地球表面上的各種 真空容器中，必將受到大氣壓力的作用，其壓強差的大小由容器內(nèi)外的壓差值 而定。由于作用在地球表面上的一個大氣壓約為10135N/m2,因此當容器內(nèi)壓力很小時，則容器所承受的大氣壓力可達到一個大氣壓。不同壓強下單位面積上的作用力，如表1所示。（2

2、）真空狀態(tài)下由于氣體稀薄，單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)，即氣體的分子密度小于大氣壓力的氣體分子密度。因此，分子之間、分子與其他質(zhì)點（如電子、離子等）之間以及分子與各種表面（如器壁）之間相互碰撞次數(shù)相對減少，使氣體的分子自由程增大。（3）真空狀態(tài)下由于分子密度的減小，因此做為組成大氣組分的氧、氫等氣體 含量（也包括水分的含量）也將相對減少。真空的這些特點、已被人們在豐富的生產(chǎn)與科學實驗中加以利用不同真空狀態(tài)下的真空工藝技術(shù)隨著氣態(tài)空間中氣體分子密度的減小，氣體的物理性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化，人 們就是基 于氣體性質(zhì)的這一變化，在不同的 真空狀態(tài)下、應用各種不同的真 空工藝、達到為生產(chǎn)及科學研究服務的目的。

3、目前，可以說，從每平方厘米表面上有上百個電子元件的超大規(guī)模集成電路的制造，到幾公里長的大型加速器的運轉(zhuǎn)，從民用裝飾品的生產(chǎn)到受控核聚變、 人造衛(wèi) 星、航天飛機的問世， 都與真空工藝技術(shù)密切相關(guān)。不同真空狀態(tài)下所引發(fā)出來的各種真空工藝技術(shù)的應用概況如下所示。不同真空狀態(tài)下各種真空工藝技術(shù)的應用概況真空狀態(tài)氣體性質(zhì)應用原理應用概況粗真空105 103 (Pa)76010 (Torr)氣體狀態(tài)與常壓相比較只有分子數(shù)目由多變少的變化，而無氣體分子空間特性的變化分子相互間碰撞頻繁利用真空與大氣的壓力差產(chǎn)生的力及感差力均勻的原理實現(xiàn)真空的力學應用1. 真空吸引和輸運固體、液體、膠體和微粒；2. 真空吸盤起

4、重、真空醫(yī)療器械；3. 真空成型，復制浮雕；4. 真空過濾；5. 真空浸漬。低真空103 10-1 ( Pa)1010-3( Torr)氣體分子間，分子與器壁間的相互碰撞不相上下，氣體分子密度較小利用氣體分子密度降低可實現(xiàn)無氧化加熱利用氣壓降低時氣體的熱傳導及對流逐漸消失的原理實現(xiàn)真空隔熱和絕緣利用壓強降低液體沸點也降低的原理實現(xiàn)真空冷凍真空干燥1. 黑色金屬的真空熔煉，脫氣、澆鑄和熱處理2. 真空熱軋、真空表面滲鉻；3. 真空絕緣和真空隔熱；4. 真空蒸餾藥物、油類及高分子化合物；5. 真空冷凍、真空干燥；6. 真空包裝、真空充氣包裝；7. 高速空氣動力學實驗中的低壓風洞高真空10-1 10

5、-6 (Pa)10-310-8( Torr )分子間相互碰撞極少、分子與器壁間碰撞頻繁氣體分子密度小利用氣體分子密度小任何物質(zhì)與殘余氣體分子的化學作用徽弱的特點進行真空冶金、真空鍍膜及真空器件生產(chǎn)1. 稀有金屬、超純金屬和合金、半導體材料的真空熔煉和精制；常用結(jié)構(gòu)材料 的真空還原冶金；2. 純金屬的真空蒸餾精練；放射性同位素蒸發(fā)；3難熔金疆的真空燒結(jié)；4. 半導體材料的真空提純和晶體制備；5. 高溫金相顯微鏡及高溫材料實驗設(shè)備的制造；6. 真空鍍膜，離子注入膜一刻蝕等表面改性；7. 電真空工業(yè)的電光管、離子管、電子源管、電子束管、電子衍射儀，電子顯 微鏡、x光顯微鏡，各種粒了加速器、能譜儀、核

6、輻射譜儀，中子管、氣體激 光器的制造；8. 電子束除氣、電子束焊接，區(qū)域熔煉，電子束加超高真空10-1 10-6 (Pa)10-110-8 (Torr)氣體分子密度攝低與器壁磋撞的次敵極少致使表面形成單分子層的時間增長氣態(tài)空間中只有固體本身的原子幾乎沒有其他原子或分子的存在利用氣體分子密度極低與表面碰撞極少，表面形成單一分子層時間很長的原理 實現(xiàn)表面物理與表面化學的研究1.可控熱核聚變的研究；2.時間基準氫分子鏡的制作；3 表面物理表面化學的研究；4. 宇宙空間環(huán)境的模擬；5. 大型同步質(zhì)子加速器的運轉(zhuǎn)；6. 電磁懸浮式高精度陀螺儀的制作。真空在電真空器件中的應用由于各種電真空器件的工作原理是

7、基于電場、磁場來控制電子在空間的運動借 以達到放大、振蕩、顯示圖象等目的。因此避免電子與氣體分子間的碰撞，保 證電子在空間的運動規(guī)律，防止發(fā)射熱電子的陰極氧化中毒，把電子器件內(nèi)抽 成不同電真空器件所要求的不同真空度、保證電子器件的正常工作，是絕對必 要的。目前電真空工業(yè)中所生產(chǎn)的電真空器件主要有各種電子管（整流管、發(fā)射管、收信管、速調(diào)管、行波管、磁控管、光電管等）；各種離子管（泵弧整流管、引燃管、計數(shù)管、閘流管、噪音管、雷達電線開關(guān)等）；各種電子束管（示波管、攝象管、顯象管、x光管、變象管等）；各種電光源管（照 明燈，光譜燈、儀器用燈等）以及中子管、電子衍射儀、電子顯微鏡、x光顯微鏡，各種粒子

8、加速器、質(zhì)譜儀、核輻射譜儀、氣體激光器以及利用真空中 電子束進行除氣、熔煉、區(qū)域提純、難熔金屬和介質(zhì)的熔化和鉆孔，開槽切割、 放射性同位素的蒸發(fā)，難熔金屬的焊接等許多方面。這些電子器件及工藝，在 近代科學和近代大工業(yè)生產(chǎn)中所起的作用是不言而喻的。這里不再贅述。真空科學與航天技術(shù)密切相關(guān)的主要環(huán)節(jié)來至于空間的環(huán)境模擬，因為運載火 箭、人造衛(wèi)星、載人飛船、空間站、宇宙探測器以及航天飛機等各種空間飛行 器，在空間飛行的過程中、都是在宇宙的自然真空中進行的。因此他們除了直 接的受到空間真空環(huán)境的影響外，還要受到太陽輻射、各種帶電粒子及溫度的 影響。這些因素將造成材料性能的改變或損傷；儀器靈敏度的失靈，

9、從而會破 壞這些飛行器的工作，甚至會造成宇航員的傷亡。為此，在地面上建立模擬空 間環(huán)境的宇宙空間模擬實驗裝置，是非常必要的。因為只有在各種飛行器上天 之前通過地面的模擬實驗。掌握航天器在空間工作的條件和特性，消除飛行中 的各種隱患，才能確保飛行器及宇航員的安全。為了滿足這些要求，目前在地 面上建立起的各種模擬裝置較多。真空在加速器及受控核聚變中的應用加速器是對粒子加速使被加速的粒子獲得高能源的裝置，在加速器中能夠產(chǎn)生 各種能量的電子、質(zhì)子、氘、a粒子及其它重離子。利用這些粒子與物質(zhì)的相互 作用，還可以產(chǎn)生各種帶電和不帶電的次級粒子，如7粒子、中子、多種介子、超子、反粒子等。加速器產(chǎn) 生的粒子和

10、射線已經(jīng)用于核物理的研究以及醫(yī)療、 工業(yè)、農(nóng)業(yè)食品等部門。為確保粒子與殘余氣體分子不發(fā)生碰撞散射現(xiàn)象、真空度必須達到保證粒子直 線運動的要求，否則不但會引起束流損失或粒子達不到高的能量，而且也易發(fā)生真空絕緣不夠?qū)е录?速器擊穿，使加速器不能處于正常工作狀態(tài)。表 9是各種加速器的分類及它們所要求的真空度。隨著地球上石油儲量的逐漸減少及大量能源消耗中所引起的環(huán)境污染。新能源 的開發(fā)已經(jīng)提到日程，其中受控核聚變所產(chǎn)生的巨大能源的利用，就是最理想 的一種。目前，在這種新能源的開發(fā)上主要有兩種，一種是利用重原子核裂變?yōu)閮蓚€輕 原子核。在其裂變反應過程中所釋放出來的巨大的能量來發(fā)電、建立原子能發(fā) 電站；另

11、一種是利用兩個輕原子（如氘、氚）聚合成一個重原子核能釋放出來 的巨大能量，這就是核聚變反應。利用這種反應所產(chǎn)生的能量，必須對反應過 程加以控制，因此稱為受控核聚變。由于這種聚變的原料氘和氚的來源可從取 之不盡的海水中提取，因此它的發(fā)展前途是不言而喻的。核聚變反應要求的溫度很高：1 約為2億度，這樣高的溫度、只有像太陽那樣 的恒星內(nèi)部才能達到。在聚變反應中，如果氘氚中含有雜質(zhì)、這種超高溫是很 難達到的。因此將核聚變裝置中抽到十分清潔的超高真空是必不可缺少的條件。通常要求的真空度在10-710-9Pa范圍內(nèi)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展、特別是近年來計算機和微電子學、生物工程、材料科學、 表面科學、航天和航海工程等高技術(shù)科學的發(fā)展，對真空科學要求越來越高。 真空科學做為這些高技術(shù)發(fā)展不可缺少的技術(shù)必將起到更加重要的作用。例如， 在目前微電子學及其納米級電子材料和元器件的發(fā)展中。對真空系統(tǒng)不僅要求 采用高真空、超高真空和真空氣氛清潔無油，而且要求耐腐蝕、耐粉塵。為了適應這些要求，在真空獲得設(shè)備中制造各種于式泵、耐腐蝕泵，進一步發(fā)展磁 懸浮式分子泵和能夠避免強磁場及等離子體對渦輸分子泵金屬轉(zhuǎn)子產(chǎn)生渦流發(fā) 熱的用陶瓷做成轉(zhuǎn)子的新型分子泵，是很必要的。在