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真空擊穿機理

大氣壓下的電擊穿很多是因為氣體放電擊穿引起的，但是當真空度較高時，空間里面的氣體分子已經很少，氣體分子的平均自由程λ很大，以至于λd(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生，同樣需要兩個條件: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量倍增的機制，可以使電流增長，形成導電通道。目前，對于真空擊穿主要有以下3種解釋:場致發射擊穿、微放電擊穿、微粒擊穿［3］。

1．1場致發射擊穿經過機械磨光和洗凈的電極表面，微觀上仍然存在著許多微米級的毛刺和突起，這些微小的毛刺突起能使其周圍局部電場增強，有時會達到幾百倍，當電場強度到達一定值后，導帶中的電子就會獲得足夠的能量，克服表面勢壘發射到真空中，形成電子流。如果有雜質或氧化物存在于電極表面，會使逸出功降低，場致發射更容易產生。在場致發射起始機制方面有兩種不同的看法;一種認為尖端發射的電子流雖然不大，但因其面積小，電流密度卻很大，會使局部發熱，引起陰極產生蒸發、熔化，釋放出金屬蒸汽，金屬原子又與發射電子碰撞造成游離，出現擊穿［4］;另一種認為場致發射電子以足夠高的能量轟擊陽極，使陽極材料蒸發、融化，形成金屬蒸汽，進而引起擊穿［5］。

1．2微放電擊穿微放電是指持續時間為幾個ms、電量為μC級的放電小脈沖，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:當某一帶電粒子從陰極出發打到陽極上，并撞擊陽極上吸附的氣體分子而產生了A個正離子和C個光子。當正離子和光子抵達陰極時，又導致陰極釋放出二次電子，并假定一個正離子產生B個電子，而一個光子產生D個電子，當AB+CD＞1并不斷循環時，就出現了電流不斷增長的過程，當電流增大到一定的程度，就會引起電擊穿的產生。在粒子交換過程中還存在著如下幾種引發擊穿的可能因素:(1)離子轟擊誘使金屬發射中心的形成;(2)離子轟擊誘導微粒釋放;(3)雜質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，這些微粒感應帶電，并攜帶電荷離開電極表面，加速撞擊對面的電極，將動能轉為熱能，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電極表面形態對真空擊穿的影響

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生的場致電子發射。一方面經過機械磨光的電極表面一般還會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使電極表面受到侵蝕，例如真空滅弧室中大電流開斷會使電極表面變得凸凹不平，形成微小的凸起。這些微小凸起會引起周圍的電場發生畸變，導致局部電場增強，當電場強度達到一定值后就有可能引起場致發射。因此電極的表面形態對真空擊穿有非常大的影響，許多研究工作是圍繞這個方面進行的。ANSYS是融合了結構、熱、流體、電磁和聲學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)網格劃分;(3)施加載荷與邊界條件;(4)計算結果以及后處理。本文中的仿真分析基于ANSYS軟件進行。

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平板電極3種典型的表面形態做靜電場仿真，分析不同的電極表面形態對電場分布的影響。仿真計算區域和電極表面凹凸缺陷示意如圖1所示。仿真是在一個長為8cm，寬為5cm的矩形真空區域內進行的，一對長度為2cm，厚度為1mm的平行極板位于區域中間，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，其中設定凸起的高度為1mm，凹槽的深度為0．5mm。當極板之間加上5000V的電壓時，得到的電場強度分布如圖2所示，圖2(a)～2(c)分別是下極板為光滑表面，凸缺陷表面，凹槽缺陷表面時的電場強度分布圖。當電極表面光滑時，極板之間的電場分布較為均勻，只是在極板的邊緣處，會出現較高的局部電場，這是由于邊緣效應的緣故;當電極表面有凸起時，大部分區域的場強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，易引起場致發射誘導初始電子的產生;而當電極表面有凹槽時，雖然在凹槽上方的電場強度會減小，但是在凹槽和電極平面相接的地方必然會出現凸起，在凸起的周圍同樣會出現局部的強電場。綜上所述，電極表面有凹凸缺陷時，極板之間的電場分布沒有光滑平板電極那樣均勻，并且易形成局部強電場引發場致發射，導致初始電子的產生。當電極表面有微凸起時，局部場強會提高β倍，即E=βV/d，β稱之為電極表面局部場強提高系數，表示微凸起處實際電場強度與理想光滑表面電場強度之比［9］。早在上個世紀六七十年代就有人通過實驗得到β隨凸起尖端曲率半徑r及凸起高度h的變化關系，凸起如圖3所示，對于圓錐形凸起，β=0．5h/r+5;對于圓柱形凸起，β=h/r+2［10］。為進一步從仿真的角度量化微凸起對電場強度的影響，對不同的微凸起產生的靜電場進行模擬計算。對于圓錐形凸起，可以用尖端角度α的大小來衡量不同的情況，在仿真計算中需要用半徑為5×10－4mm小球代替尖端頂點，這樣有利于提高計算結果的穩定性;為了求出極板間的最大電場強度，需要對尖端附近的空間區域進行網格細化，本文采用邊長為1×10－4mm的三角形對尖端小球的邊緣區域進行網格劃分，得到最大的電場強度Emax和β隨α的變化線如圖4所示。對于圓柱形的凸起，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，采用同樣的網格劃分方法得到最大電場強度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果我們可以看出在微凸起處都會產生一個很強的局部電場，這比光滑平板之間的電場強度要大很多。對于錐形微凸起，凸起尖端的角度α越小，產生的局部電場就越強。從最大電場強度隨尖端角度變化的曲線可以看出，在一定范圍內，局部的最大電場強度隨尖端角度的變化幾乎成線性遞減的關系，通過線性擬合可以得到β與α滿足關系式:β=－0．42α+63．69。在凸起的底端寬度為0．06mm，高度為1mm時，在其頂端附近產生的局部場強可以達到3．1×105V/cm，比原來平板電極間的場強大了60多倍。對于圓柱形微凸起，局部電場提高系數β隨凸起的高度h線性增長，這與前人實驗中得到的結論一致，而隨曲率半徑r的變化關系，與前人實驗結論略有不同，通過擬合發現，局部電場提高系數β隨凸起頂端曲率半徑r成指數遞減關系，而實驗結果顯示與曲率半徑r成倒數關系，這主要是由于實驗數據限制，而指數曲線和倒數關系曲線在一定范圍內吻合較好。在圓柱形凸起的頂端附近，電場強度也有十幾倍的增長。在實際的器件中，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，可能會使局部電場擴大上百倍，所以對于1cm的間隙，當電壓加到105V左右時就有可能發生場致發射引起電擊穿。

3老煉

為了防止真空擊穿的發生，最常用的一種后處理工藝就是老煉。老煉根據放電性質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;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，其機理有:高電場可以造成機械變形;場致發射電子束轟擊陽極;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電極上脫出并被加速，從而越過間隙撞擊另一個電極。實際上是在間隙內重復地進行著允許程度的擊穿，經過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穩定值［11］。從相關的資料中可以發現，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進行仿真，仿真中設定凸起輪廓線上的單元網格邊長為2×10－3mm，圖6給出了4種不同程度的老煉仿真結果，凸起附近的最大電場強度隨尖端曲率半徑變化曲線如圖7所示，可以似用函數Emax=7．71exp(－r/0．20)+1．18來描述曲線。從仿真結果可以看出，經過多次老煉后，尖端處的電場強度明顯減小了，凸起處的峰值電場強度從原來的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，一般都需要對電極進行老煉處理。

4總結

真空擊穿關系到許多電子設備的使用，影響真空擊穿的因素很多，本文主要基于有限元方法數值求解量化分析了電極的表面形態對真空擊穿的影響。當電極表面有凹凸缺陷時易導致擊穿的發生，其中凸缺陷將導致電場強度幾十倍增加，在電極的表面有凸起時，會使凸起的周圍局部電場得到顯著的增強，容易引發場致發射導致初始電子的產生，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對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得到顯著的提高。對于空擊穿的產生機制及其他的影響因素還需要做進一步的研究，如真空閃絡現象等等，以便我們可以更有效地提高真空器件的耐壓性能，為新興技術如EUV光刻技術的發展保駕護航。

作者：俞永波楊蘭蘭屠彥肖梅張曉兵單位：東南大學電子科學與工程學院