真空技术及真空技术在电子材料与器件方面的应用

真空技术及在电子材料与器件方面的应

用

真空的含义及特点

在真空科学中，真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况。这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气在状态相比较，主要有如下几个基本特点：

（ 1 ）真空状态下的气体压力低于一个大气压，因此，处于地球表面上的各种真空容器中，必将受到大气压力的作用，其压强差的大小由容器内外的压差值而定。由于作用在地球表面上的一个大气压约为 10135N/m2，因此当容器内压力很小时，则容器所承受的大气压力可达到一个大气压。不同压强下单位面积上的作

用力，如表 1 所示。

（ 2 ）真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度。因此，分子之间、分子与其他质点（如电子、离子等）之间以及分子与各种表面（如器壁）之间相互碰撞次数相对减少，使气

体的分子自由程增大。

(3) 真空状态下由于分子密度的减小，因此做为组成大气组分的氧、氢等气体含

量 ( 也包括水分的含量 ) 也将相对减少。

真空的这些特点、已被人们在丰富的生产与科学实验中加以利用

不同真空状态下的真空工艺技术

随着气态空间中气体分子密度的减小，气体的物理性质发生了明显的变化，人们就是基于气体性质的这一变化，在不同的真空状态下、应用各种不同的真空工艺、达到为生产及科学研究服务的目的。目前，可以说，从每平方厘米表面上有上百个电子元件的超大规模集成电路的制造，到几公里长的大型加速器的运转，从民用装饰品的生产到受控核聚变、人造卫星、航天飞机的问世，都与真空工艺技术密切相关。不同真空状态下所引发出来的各种真空工艺技术的

应用概况如下所示。

不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况

真空状态

气体性质

应用原理

应用概况

粗真空

105 ~103（Pa）

760~10（Torr）

气体状态与常压相比较只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间特性的

变化．分子相互间碰撞频繁

利用真空与大气的压力差产生的力及感差力均匀的原理实现真空的力学应用

1. 真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒；

2. 真空吸盘起重、真空医疗器械；

3. 真空成型，复制浮雕；

4. 真空过滤；

5. 真空浸渍。

低真空

103 ~10-1（Pa）

10~10-3（Torr）

气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子密度较小

利用气体分子密度降低可实现无氧化加热利用气压降低时气体的热传导及对流

逐渐消失的原理实现真空隔热和绝缘

利用压强降低液体沸点也降低的原理实现真空冷冻真空干燥

1. 黑色金属的真空熔炼，脱气、浇铸和热处理

2. 真空热轧、真空表面渗铬；

3. 真空绝缘和真空隔热；

4. 真空蒸馏药物、油类及高分子化合物；

5. 真空冷冻、真空干燥；

6. 真空包装、真空充气包装；

7. 高速空气动力学实验中的低压风洞

高真空

10-1 ~10-6（Pa）

10-3~10-8 （ Torr ）

分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞频繁

气体分子密度小

利用气体分子密度小任何物质与残余气体分子的化学作用徽弱的特点进行真空

冶金、真空镀膜及真空器件生产

1. 稀有金属、超纯金属和合金、半导体材料的真空熔炼和精制；常用结构材料

的真空还原冶金；

2. 纯金属的真空蒸馏精练；放射性同位素蒸发；

3. 难熔金疆的真空烧结；

4. 半导体材料的真空提纯和晶体制备；

5. 高温金相显微镜及高温材料实验设备的制造；

6. 真空镀膜，离子注入．膜一刻蚀等表面改性；

7. 电真空工业的电光管、离子管、电子源管、电子束管、电子衍射仪，电子显微镜、 x 光显微镜，各种粒了加速器、能谱仪、核辐射谱仪，中子管、气体激

光器的制造；

8. 电子束除气、电子束焊接，区域熔炼，电子束加

超高真空

10-1 ~10-6（Pa）

10-1~10-8（Torr）

气体分子密度摄低与器壁磋撞的次敌极少致使表面形成单分子层的时间增长气态空间中只有固体本身的原子几乎没有其他原子或分子的存在。

利用气体分子密度极低与表面碰撞极少，表面形成单一分子层时间很长的原理实

现表面物理与表面化学的研究

1. 可控热核聚变的研究；

2. 时间基准氢分子镜的制作；

3 ．表面物理表面化学的研究；

4. 宇宙空间环境的模拟；

5. 大型同步质子加速器的运转；

6. 电磁悬浮式高精度陀螺仪的制作。

真空在电真空器件中的应用

由于各种电真空器件的工作原理是基于电场、磁场来控制电子在空间的运动借以达到放大、振荡、显示图象等目的。因此避免电子与气体分子间的碰撞，保证电子在空间的运动规律，防止发射热电子的阴极氧化中毒，把电子器件内抽成不同电真空器件所要求的不同真空度、保证电子器件的正常工作，是绝对必要的。目前电真空工业中所生产的电真空器件主要有各种电子管 ( 整流管、发射管、收信管、速调管、行波管、磁控管、光电管等 ) ；各种离子管 ( 泵弧整流管、引燃管、计数管、闸流管、噪音管、雷达电线开关等 ) ；各种电子束管 ( 示波管、摄象管、显象管、 x 光管、变象管等 ) ；各种电光源管 ( 照明灯，光谱灯、仪器用灯等 ) 以及中子管、电子衍射仪、电子显微镜、 x 光显微镜，各种粒子加速器、质谱仪、核辐射谱仪、气体激光器以及利用真空中电子束进行除气、熔炼、区域提纯、难熔金属和介质的熔化和钻孔，开槽切割、放射性同位素的蒸发，难熔金属的焊接等许多方面。这些电子器件及工艺，在近代科学和近代大工业生产中所起的作用是不言而喻的。这里不再赘述。

真空科学与航天技术密切相关的主要环节来至于空间的环境模拟，因为运载火箭、人造卫星、载人飞船、空间站、宇宙探测器以及航天飞机等各种空间飞行器，在空间飞行的过程中、都是在宇宙的自然真空中进行的。因此他们除了直接的受到空间真空环境的影响外，还要受到太阳辐射、各种带电粒子及温度的影响。这些因素将造成材料性能的改变或损伤；仪器灵敏度的失灵，从而会破坏这些飞行器的工作，甚至会造成宇航员的伤亡。为此，在地面上建立模拟空间环境的宇宙空间模拟实验装置，是非常必要的。因为只有在各种飞行器上天之前通过地面的模拟实验。掌握航天器在空间工作的条件和特性，消除飞行中的各种隐患，才能确保飞行器及宇航员的安全。为了满足这些要求，目前在地面上建立起的各种模

拟装置较多。

真空在加速器及受控核聚变中的应用