真空击穿特征思考范文

《电子器件杂志》2014年第三期

1真空击穿机理

大气压下的电击穿很多是因为气体放电击穿引起的，但是当真空度较高时，空间里面的气体分子已经很少，气体分子的平均自由程λ很大，以至于λd(d为间隙的距离)，电子在电极间的碰撞很少，不能用汤生理论来解释电击穿，并且巴邢定律也不再适用，此时的击穿就需要寻求新的理论解释。和气体放电击穿一样，要使得高真空中击穿能够发生，同样需要两个条件:首先，需要在电极间或电极表面有初始的电子或离子来源;其次，需要有一些使带电粒子数量倍增的机制，可以使电流增长，形成导电通道。目前，对于真空击穿主要有以下3种解释:场致发射击穿、微放电击穿、微粒击穿［3］。

1．1场致发射击穿经过机械磨光和洗净的电极表面，微观上仍然存在着许多微米级的毛刺和突起，这些微小的毛刺突起能使其周围局部电场增强，有时会达到几百倍，当电场强度到达一定值后，导带中的电子就会获得足够的能量，克服表面势垒发射到真空中，形成电子流。如果有杂质或氧化物存在于电极表面，会使逸出功降低，场致发射更容易产生。在场致发射起始机制方面有两种不同的看法;一种认为尖端发射的电子流虽然不大，但因其面积小，电流密度却很大，会使局部发热，引起阴极产生蒸发、熔化，释放出金属蒸汽，金属原子又与发射电子碰撞造成游离，出现击穿［4］;另一种认为场致发射电子以足够高的能量轰击阳极，使阳极材料蒸发、融化，形成金属蒸汽，进而引起击穿［5］。

1．2微放电击穿微放电是指持续时间为几个ms、电量为μC级的放电小脉冲，其值全然取决于电极表面的吸附及污染状况。可以用粒子交换［6］解释微放电击穿:当某一带电粒子从阴极出发打到阳极上，并撞击阳极上吸附的气体分子而产生了A个正离子和C个光子。当正离子和光子抵达阴极时，又导致阴极释放出二次电子，并假定一个正离子产生B个电子，而一个光子产生D个电子，当AB+CD＞1并不断循环时，就出现了电流不断增长的过程，当电流增大到一定的程度，就会引起电击穿的产生。在粒子交换过程中还存在着如下几种引发击穿的可能因素:(1)离子轰击诱使金属发射中心的形成;(2)离子轰击诱导微粒释放;(3)杂质层的表面再排列及电荷积聚［7］。

1．3微粒击穿

电极表面存在一些弱束缚的微粒，这些微粒可能是疏松地粘附于电极表面或飞入极间的外来材料，也可能是含有弱键的电极材料本身。在静电场的作用下，这些微粒感应带电，并携带电荷离开电极表面，加速撞击对面的电极，将动能转为热能，引起局部加热、汽化，释放出大量金属蒸汽，形成更多的带电粒子，最终引起间隙击穿［8］。

2电极表面形态对真空击穿的影响

在真空击穿的起始阶段，电荷载体一般来源于电极表面，而在电极表面最有可能成为电荷来源是阴极表面所产生的场致电子发射。一方面经过机械磨光的电极表面一般还会存在一些微小的凸起;另一方面电子器件在长期的使用过程中也会使电极表面受到侵蚀，例如真空灭弧室中大电流开断会使电极表面变得凸凹不平，形成微小的凸起。这些微小凸起会引起周围的电场发生畸变，导致局部电场增强，当电场强度达到一定值后就有可能引起场致发射。因此电极的表面形态对真空击穿有非常大的影响，许多研究工作是围绕这个方面进行的。ANSYS是融合了结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件。利用ANSYS求解静电场问题是十分有效的，其基本步骤包括:(1)建立有限元模型;(2)网格划分;(3)施加载荷与边界条件;(4)计算结果以及后处理。本文中的仿真分析基于ANSYS软件进行。

电极表面有许多缺陷，它们的尺寸、形貌难以控制，本文利用有限元法对平板电极3种典型的表面形态做静电场仿真，分析不同的电极表面形态对电场分布的影响。仿真计算区域和电极表面凹凸缺陷示意如图1所示。仿真是在一个长为8cm，宽为5cm的矩形真空区域内进行的，一对长度为2cm，厚度为1mm的平行极板位于区域中间，如图1(a)所示。平行电极的上极板为光滑的平板电极，下极板分别为含有不同缺陷的电极，如图1(b)所示，其中设定凸起的高度为1mm，凹槽的深度为0．5mm。当极板之间加上5000V的电压时，得到的电场强度分布如图2所示，图2(a)～2(c)分别是下极板为光滑表面，凸缺陷表面，凹槽缺陷表面时的电场强度分布图。当电极表面光滑时，极板之间的电场分布较为均匀，只是在极板的边缘处，会出现较高的局部电场，这是由于边缘效应的缘故;当电极表面有凸起时，大部分区域的场强分布和光滑电极差不多，但是在凸起的周围，电场线分布较集中，电场较大，而且分布不均匀，易引起场致发射诱导初始电子的产生;而当电极表面有凹槽时，虽然在凹槽上方的电场强度会减小，但是在凹槽和电极平面相接的地方必然会出现凸起，在凸起的周围同样会出现局部的强电场。综上所述，电极表面有凹凸缺陷时，极板之间的电场分布没有光滑平板电极那样均匀，并且易形成局部强电场引发场致发射，导致初始电子的产生。当电极表面有微凸起时，局部场强会提高β倍，即E=βV/d，β称之为电极表面局部场强提高系数，表示微凸起处实际电场强度与理想光滑表面电场强度之比［9］。早在上个世纪六七十年代就有人通过实验得到β随凸起尖端曲率半径r及凸起高度h的变化关系，凸起如图3所示，对于圆锥形凸起，β=0．5h/r+5;对于圆柱形凸起，β=h/r+2［10］。为进一步从仿真的角度量化微凸起对电场强度的影响，对不同的微凸起产生的静电场进行模拟计算。对于圆锥形凸起，可以用尖端角度α的大小来衡量不同的情况，在仿真计算中需要用半径为5×10－4mm小球代替尖端顶点，这样有利于提高计算结果的稳定性;为了求出极板间的最大电场强度，需要对尖端附近的空间区域进行网格细化，本文采用边长为1×10－4mm的三角形对尖端小球的边缘区域进行网格划分，得到最大的电场强度Emax和β随α的变化线如图4所示。对于圆柱形的凸起，可以用高度h及顶端半球的曲率半径r来衡量不同的情况，采用同样的网格划分方法得到最大电场强度Emax和β随h及r的变化曲线如图5所示。

图4圆锥形凸起Emax和β随α变化曲线通过仿真的结果我们可以看出在微凸起处都会产生一个很强的局部电场，这比光滑平板之间的电场强度要大很多。对于锥形微凸起，凸起尖端的角度α越小，产生的局部电场就越强。从最大电场强度随尖端角度变化的曲线可以看出，在一定范围内，局部的最大电场强度随尖端角度的变化几乎成线性递减的关系，通过线性拟合可以得到β与α满足关系式:β=－0．42α+63．69。在凸起的底端宽度为0．06mm，高度为1mm时，在其顶端附近产生的局部场强可以达到3．1×105V/cm，比原来平板电极间的场强大了60多倍。对于圆柱形微凸起，局部电场提高系数β随凸起的高度h线性增长，这与前人实验中得到的结论一致，而随曲率半径r的变化关系，与前人实验结论略有不同，通过拟合发现，局部电场提高系数β随凸起顶端曲率半径r成指数递减关系，而实验结果显示与曲率半径r成倒数关系，这主要是由于实验数据限制，而指数曲线和倒数关系曲线在一定范围内吻合较好。在圆柱形凸起的顶端附近，电场强度也有十几倍的增长。在实际的器件中，由于电极表面不可避免有微凸起存在，并且凸起的尖端角度更小，曲率半径更小，可能会使局部电场扩大上百倍，所以对于1cm的间隙，当电压加到105V左右时就有可能发生场致发射引起电击穿。

3老炼

为了防止真空击穿的发生，最常用的一种后处理工艺就是老炼。老炼根据放电性质不同可分为电流老炼和电压老炼。前者属于弧光放电，电流较大但电压较低，主要是利用真空电弧的热作用，除去电极表面的气体、氧化物和其他杂质;后者则突出电场作用，电流较小，其目的是清除电极表面微小的突起，其机理有:高电场可以造成机械变形;场致发射电子束轰击阳极;被电离的残余气体离子将阴极的微突起溅散;可能还有因静电场力的作用而使带电微粒从一个电极上脱出并被加速，从而越过间隙撞击另一个电极。实际上是在间隙内重复地进行着允许程度的击穿，经过10～100次或更多的击穿后，击穿电压即可以平滑地上升至一个稳定值［11］。从相关的资料中可以发现，N次脉冲老炼之后，电极表面凸起最明显的变化就是凸起的高度降低，尖端的曲率半径增大［12］，因此我们可以用凸起的高度和尖端的曲率变化来模拟老炼作用。利用ANSYS进行仿真，仿真中设定凸起轮廓线上的单元网格边长为2×10－3mm，图6给出了4种不同程度的老炼仿真结果，凸起附近的最大电场强度随尖端曲率半径变化曲线如图7所示，可以似用函数Emax=7．71exp(－r/0．20)+1．18来描述曲线。从仿真结果可以看出，经过多次老炼后，尖端处的电场强度明显减小了，凸起处的峰值电场强度从原来的8．895×104V/cm，可以降低到1．914×104V/cm，下降了70%以上。通过一定程度的老炼之后，凸起附近的电场强度可以得到明显降低，有利于提高真空间隙的击穿电压，因此在电子器件使用之前，一般都需要对电极进行老炼处理。

4总结

真空击穿关系到许多电子设备的使用，影响真空击穿的因素很多，本文主要基于有限元方法数值求解量化分析了电极的表面形态对真空击穿的影响。当电极表面有凹凸缺陷时易导致击穿的发生，其中凸缺陷将导致电场强度几十倍增加，在电极的表面有凸起时，会使凸起的周围局部电场得到显著的增强，容易引发场致发射导致初始电子的产生，从而显著降低了真空器件的性能。老炼是消除电极表面形态对真空击穿影响的一种有效方式，通过一定程度的老炼处理，电极之间的击穿电压会得到显著的提高。对于空击穿的产生机制及其他的影响因素还需要做进一步的研究，如真空闪络现象等等，以便我们可以更有效地提高真空器件的耐压性能，为新兴技术如EUV光刻技术的发展保驾护航。

作者：俞永波杨兰兰屠彦肖梅张晓兵单位：东南大学电子科学与工程学院