真空擊穿特征思考范文
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《電子器件雜志》2014年第三期
1真空擊穿機(jī)理
大氣壓下的電擊穿很多是因?yàn)闅怏w放電擊穿引起的，但是當(dāng)真空度較高時(shí)，空間里面的氣體分子已經(jīng)很少，氣體分子的平均自由程λ很大，以至于λd(d為間隙的距離)，電子在電極間的碰撞很少，不能用湯生理論來解釋電擊穿，并且巴邢定律也不再適用，此時(shí)的擊穿就需要尋求新的理論解釋。和氣體放電擊穿一樣，要使得高真空中擊穿能夠發(fā)生，同樣需要兩個(gè)條件:首先，需要在電極間或電極表面有初始的電子或離子來源;其次，需要有一些使帶電粒子數(shù)量倍增的機(jī)制，可以使電流增長，形成導(dǎo)電通道。目前，對(duì)于真空擊穿主要有以下3種解釋:場致發(fā)射擊穿、微放電擊穿、微粒擊穿［3］。
1．1場致發(fā)射擊穿經(jīng)過機(jī)械磨光和洗凈的電極表面，微觀上仍然存在著許多微米級(jí)的毛刺和突起，這些微小的毛刺突起能使其周圍局部電場增強(qiáng)，有時(shí)會(huì)達(dá)到幾百倍，當(dāng)電場強(qiáng)度到達(dá)一定值后，導(dǎo)帶中的電子就會(huì)獲得足夠的能量，克服表面勢(shì)壘發(fā)射到真空中，形成電子流。如果有雜質(zhì)或氧化物存在于電極表面，會(huì)使逸出功降低，場致發(fā)射更容易產(chǎn)生。在場致發(fā)射起始機(jī)制方面有兩種不同的看法;一種認(rèn)為尖端發(fā)射的電子流雖然不大，但因其面積小，電流密度卻很大，會(huì)使局部發(fā)熱，引起陰極產(chǎn)生蒸發(fā)、熔化，釋放出金屬蒸汽，金屬原子又與發(fā)射電子碰撞造成游離，出現(xiàn)擊穿［4］;另一種認(rèn)為場致發(fā)射電子以足夠高的能量轟擊陽極，使陽極材料蒸發(fā)、融化，形成金屬蒸汽，進(jìn)而引起擊穿［5］。
1．2微放電擊穿微放電是指持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)ms、電量為μC級(jí)的放電小脈沖，其值全然取決于電極表面的吸附及污染狀況?？梢杂昧Ｗ咏粨Q［6］解釋微放電擊穿:當(dāng)某一帶電粒子從陰極出發(fā)打到陽極上，并撞擊陽極上吸附的氣體分子而產(chǎn)生了A個(gè)正離子和C個(gè)光子。當(dāng)正離子和光子抵達(dá)陰極時(shí)，又導(dǎo)致陰極釋放出二次電子，并假定一個(gè)正離子產(chǎn)生B個(gè)電子，而一個(gè)光子產(chǎn)生D個(gè)電子，當(dāng)AB+CD＞1并不斷循環(huán)時(shí)，就出現(xiàn)了電流不斷增長的過程，當(dāng)電流增大到一定的程度，就會(huì)引起電擊穿的產(chǎn)生。在粒子交換過程中還存在著如下幾種引發(fā)擊穿的可能因素:(1)離子轟擊誘使金屬發(fā)射中心的形成;(2)離子轟擊誘導(dǎo)微粒釋放;(3)雜質(zhì)層的表面再排列及電荷積聚［7］。
1．3微粒擊穿
電極表面存在一些弱束縛的微粒，這些微?？赡苁鞘杷傻卣掣接陔姌O表面或飛入極間的外來材料，也可能是含有弱鍵的電極材料本身。在靜電場的作用下，這些微粒感應(yīng)帶電，并攜帶電荷離開電極表面，加速撞擊對(duì)面的電極，將動(dòng)能轉(zhuǎn)為熱能，引起局部加熱、汽化，釋放出大量金屬蒸汽，形成更多的帶電粒子，最終引起間隙擊穿［8］。
2電極表面形態(tài)對(duì)真空擊穿的影響
在真空擊穿的起始階段，電荷載體一般來源于電極表面，而在電極表面最有可能成為電荷來源是陰極表面所產(chǎn)生的場致電子發(fā)射。一方面經(jīng)過機(jī)械磨光的電極表面一般還會(huì)存在一些微小的凸起;另一方面電子器件在長期的使用過程中也會(huì)使電極表面受到侵蝕，例如真空滅弧室中大電流開斷會(huì)使電極表面變得凸凹不平，形成微小的凸起。這些微小凸起會(huì)引起周圍的電場發(fā)生畸變，導(dǎo)致局部電場增強(qiáng)，當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定值后就有可能引起場致發(fā)射。因此電極的表面形態(tài)對(duì)真空擊穿有非常大的影響，許多研究工作是圍繞這個(gè)方面進(jìn)行的。ANSYS是融合了結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件。利用ANSYS求解靜電場問題是十分有效的，其基本步驟包括:(1)建立有限元模型;(2)網(wǎng)格劃分;(3)施加載荷與邊界條件;(4)計(jì)算結(jié)果以及后處理。本文中的仿真分析基于ANSYS軟件進(jìn)行。
電極表面有許多缺陷，它們的尺寸、形貌難以控制，本文利用有限元法對(duì)平板電極3種典型的表面形態(tài)做靜電場仿真，分析不同的電極表面形態(tài)對(duì)電場分布的影響。仿真計(jì)算區(qū)域和電極表面凹凸缺陷示意如圖1所示。仿真是在一個(gè)長為8cm，寬為5cm的矩形真空區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，一對(duì)長度為2cm，厚度為1mm的平行極板位于區(qū)域中間，如圖1(a)所示。平行電極的上極板為光滑的平板電極，下極板分別為含有不同缺陷的電極，如圖1(b)所示，其中設(shè)定凸起的高度為1mm，凹槽的深度為0．5mm。當(dāng)極板之間加上5000V的電壓時(shí)，得到的電場強(qiáng)度分布如圖2所示，圖2(a)～2(c)分別是下極板為光滑表面，凸缺陷表面，凹槽缺陷表面時(shí)的電場強(qiáng)度分布圖。當(dāng)電極表面光滑時(shí)，極板之間的電場分布較為均勻，只是在極板的邊緣處，會(huì)出現(xiàn)較高的局部電場，這是由于邊緣效應(yīng)的緣故;當(dāng)電極表面有凸起時(shí)，大部分區(qū)域的場強(qiáng)分布和光滑電極差不多，但是在凸起的周圍，電場線分布較集中，電場較大，而且分布不均勻，易引起場致發(fā)射誘導(dǎo)初始電子的產(chǎn)生;而當(dāng)電極表面有凹槽時(shí)，雖然在凹槽上方的電場強(qiáng)度會(huì)減小，但是在凹槽和電極平面相接的地方必然會(huì)出現(xiàn)凸起，在凸起的周圍同樣會(huì)出現(xiàn)局部的強(qiáng)電場。綜上所述，電極表面有凹凸缺陷時(shí)，極板之間的電場分布沒有光滑平板電極那樣均勻，并且易形成局部強(qiáng)電場引發(fā)場致發(fā)射，導(dǎo)致初始電子的產(chǎn)生。當(dāng)電極表面有微凸起時(shí)，局部場強(qiáng)會(huì)提高β倍，即E=βV/d，β稱之為電極表面局部場強(qiáng)提高系數(shù)，表示微凸起處實(shí)際電場強(qiáng)度與理想光滑表面電場強(qiáng)度之比［9］。早在上個(gè)世紀(jì)六七十年代就有人通過實(shí)驗(yàn)得到β隨凸起尖端曲率半徑r及凸起高度h的變化關(guān)系，凸起如圖3所示，對(duì)于圓錐形凸起，β=0．5h/r+5;對(duì)于圓柱形凸起，β=h/r+2［10］。為進(jìn)一步從仿真的角度量化微凸起對(duì)電場強(qiáng)度的影響，對(duì)不同的微凸起產(chǎn)生的靜電場進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)于圓錐形凸起，可以用尖端角度α的大小來衡量不同的情況，在仿真計(jì)算中需要用半徑為5×10－4mm小球代替尖端頂點(diǎn)，這樣有利于提高計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性;為了求出極板間的最大電場強(qiáng)度，需要對(duì)尖端附近的空間區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，本文采用邊長為1×10－4mm的三角形對(duì)尖端小球的邊緣區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到最大的電場強(qiáng)度Emax和β隨α的變化線如圖4所示。對(duì)于圓柱形的凸起，可以用高度h及頂端半球的曲率半徑r來衡量不同的情況，采用同樣的網(wǎng)格劃分方法得到最大電場強(qiáng)度Emax和β隨h及r的變化曲線如圖5所示。
圖4圓錐形凸起Emax和β隨α變化曲線通過仿真的結(jié)果我們可以看出在微凸起處都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的局部電場，這比光滑平板之間的電場強(qiáng)度要大很多。對(duì)于錐形微凸起，凸起尖端的角度α越小，產(chǎn)生的局部電場就越強(qiáng)。從最大電場強(qiáng)度隨尖端角度變化的曲線可以看出，在一定范圍內(nèi)，局部的最大電場強(qiáng)度隨尖端角度的變化幾乎成線性遞減的關(guān)系，通過線性擬合可以得到β與α滿足關(guān)系式:β=－0．42α+63．69。在凸起的底端寬度為0．06mm，高度為1mm時(shí)，在其頂端附近產(chǎn)生的局部場強(qiáng)可以達(dá)到3．1×105V/cm，比原來平板電極間的場強(qiáng)大了60多倍。對(duì)于圓柱形微凸起，局部電場提高系數(shù)β隨凸起的高度h線性增長，這與前人實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論一致，而隨曲率半徑r的變化關(guān)系，與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)論略有不同，通過擬合發(fā)現(xiàn)，局部電場提高系數(shù)β隨凸起頂端曲率半徑r成指數(shù)遞減關(guān)系，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與曲率半徑r成倒數(shù)關(guān)系，這主要是由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)限制，而指數(shù)曲線和倒數(shù)關(guān)系曲線在一定范圍內(nèi)吻合較好。在圓柱形凸起的頂端附近，電場強(qiáng)度也有十幾倍的增長。在實(shí)際的器件中，由于電極表面不可避免有微凸起存在，并且凸起的尖端角度更小，曲率半徑更小，可能會(huì)使局部電場擴(kuò)大上百倍，所以對(duì)于1cm的間隙，當(dāng)電壓加到105V左右時(shí)就有可能發(fā)生場致發(fā)射引起電擊穿。
3老煉
為了防止真空擊穿的發(fā)生，最常用的一種后處理工藝就是老煉。老煉根據(jù)放電性質(zhì)不同可分為電流老煉和電壓老煉。前者屬于弧光放電，電流較大但電壓較低，主要是利用真空電弧的熱作用，除去電極表面的氣體、氧化物和其他雜質(zhì);后者則突出電場作用，電流較小，其目的是清除電極表面微小的突起，其機(jī)理有:高電場可以造成機(jī)械變形;場致發(fā)射電子束轟擊陽極;被電離的殘余氣體離子將陰極的微突起濺散;可能還有因靜電場力的作用而使帶電微粒從一個(gè)電極上脫出并被加速，從而越過間隙撞擊另一個(gè)電極。實(shí)際上是在間隙內(nèi)重復(fù)地進(jìn)行著允許程度的擊穿，經(jīng)過10～100次或更多的擊穿后，擊穿電壓即可以平滑地上升至一個(gè)穩(wěn)定值［11］。從相關(guān)的資料中可以發(fā)現(xiàn)，N次脈沖老煉之后，電極表面凸起最明顯的變化就是凸起的高度降低，尖端的曲率半徑增大［12］，因此我們可以用凸起的高度和尖端的曲率變化來模擬老煉作用。利用ANSYS進(jìn)行仿真，仿真中設(shè)定凸起輪廓線上的單元網(wǎng)格邊長為2×10－3mm，圖6給出了4種不同程度的老煉仿真結(jié)果，凸起附近的最大電場強(qiáng)度隨尖端曲率半徑變化曲線如圖7所示，可以似用函數(shù)Emax=7．71exp(－r/0．20)+1．18來描述曲線。從仿真結(jié)果可以看出，經(jīng)過多次老煉后，尖端處的電場強(qiáng)度明顯減小了，凸起處的峰值電場強(qiáng)度從原來的8．895×104V/cm，可以降低到1．914×104V/cm，下降了70%以上。通過一定程度的老煉之后，凸起附近的電場強(qiáng)度可以得到明顯降低，有利于提高真空間隙的擊穿電壓，因此在電子器件使用之前，一般都需要對(duì)電極進(jìn)行老煉處理。
4總結(jié)
真空擊穿關(guān)系到許多電子設(shè)備的使用，影響真空擊穿的因素很多，本文主要基于有限元方法數(shù)值求解量化分析了電極的表面形態(tài)對(duì)真空擊穿的影響。當(dāng)電極表面有凹凸缺陷時(shí)易導(dǎo)致?lián)舸┑陌l(fā)生，其中凸缺陷將導(dǎo)致電場強(qiáng)度幾十倍增加，在電極的表面有凸起時(shí)，會(huì)使凸起的周圍局部電場得到顯著的增強(qiáng)，容易引發(fā)場致發(fā)射導(dǎo)致初始電子的產(chǎn)生，從而顯著降低了真空器件的性能。老煉是消除電極表面形態(tài)對(duì)真空擊穿影響的一種有效方式，通過一定程度的老煉處理，電極之間的擊穿電壓會(huì)得到顯著的提高。對(duì)于空擊穿的產(chǎn)生機(jī)制及其他的影響因素還需要做進(jìn)一步的研究，如真空閃絡(luò)現(xiàn)象等等，以便我們可以更有效地提高真空器件的耐壓性能，為新興技術(shù)如EUV光刻技術(shù)的發(fā)展保駕護(hù)航。
作者：俞永波楊蘭蘭屠彥肖梅張曉兵單位：東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院
