Sb000537

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

C. В. АНТОНОВ А. Е. СИНЁВ А. К. ШАНУРЕНКО

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВАКУУМНЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ

Электронное учебное пособие

2-е издание, переработанное

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2014

УДК 621.385.001.63(075) ББК 3 851я7

А 72

Антонов С. В., Синёв А. Е., Шануренко А. К.

А72 Проектирование вакуумных и плазменных приборов и устройств: эл. учеб. пособие, 2-е изд. перераб. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 48 с.

ISBN 978-5-7629-1706-3

Изложены теоретические сведения, основы расчета и проектирования систем формирования вакуумных и плазменных электронных приборов и устройств.

Предназначено для студентов направления 210100 «Электроника и наноэлектроника» и специальности 210105 «Электронные приборы и устройства» при изучении лекционного курса, в ходе выполнения индивидуальных домашних заданий и контрольных работ, а также курсового проектирования по дисциплинам «Вакуумная и плазменная электроника», «Инженерные методы расчета электронных приборов», а также дипломного проектирования в ходе целевой подготовки на предприятиях электронного приборостроения.

УДК 621.385.001.63(075) ББК 3 851я7

Рецензенты: кафедра физической электроники СПбГПУ; д-р техн. наук С. А. Силаев (ФГУП НИИЭФА им. Д. В. Ефремова).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве электронного учебного пособия

2

Введение

В настоящее время в науке и технике широко используется большое количество разнообразных по конструкции и назначению приборов и устройств,

объединяемых лишь по одному признаку − наличию потока заряженных частиц (ПЗЧ): электронных ламп; вакуумных приборов СВЧ; электронно-лучевых приборов; вакуумных фотоэлементов; установок просвечивающей и растровой микроскопии, электронной литографии, электронно-лучевой резки и сварки; ускорителей; плазменных источников заряженных частиц; технологических установок ионно-плазменного и ионно-химического удаления, нанесения или модификации поверхностных слоев материалов и мн. др.

Как правило, при проектировании таких приборов и устройств разработка системы формирования (СФ) представляет одну из наиболее сложных и важных задач. Трудности обусловлены многообразием физических факторов, влияющих на формирование ПЗЧ, и сложностью математических моделей, описывающих эти процессы. Потребности науки и техники обусловливают ежегодное появление вакуумных и плазменных электронных приборов и устройств (ВППУ) новых типов и модификаций, причем проблема сокращения времени проектирования ВППУ стоит очень остро. Решение указанных проблем невозможно без широкого внедрения методов автоматизированного проектирования СФ на ЭВМ.

Задача данного пособия − показать основные направления использова-

ния ПЗЧ (электронов и ионов), общие принципы построения систем формирования потоков заряженных частиц ВППУ, познакомить с инженерными методами и программами расчета СФ на ЭВМ.

1.СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ВАКУУМНЫХ И ПЛАЗМЕННЫХ ПРИБОРОВ

ИУСТРОЙСТВ

Рассмотрим несколько характерных примеров конструкций СФ для некоторых типов ВППУ. Отметим при этом, что в вакуумных приборах и устройствах, использующих сфокусированные потоки (пучки, лучи) заряженных частиц, системы формирования часто называются электроннооптическими системами (ЭОС).

3

1.1.Системы формирования электронных потоков

вэлектронных лампах

Для электронных ламп системами формирования электронного потока служат системы электродов (СЭ): катод − (сетки) − анод. Характер движения электронного потока определяется конкретной геометрией электродов и режимом работы. Наиболее часто, особенно в мощных электронных приборах с электростатическим управлением (МЭПЭСУ), используется цилиндрическая форма электродов. В ряде случаев, например, в лампах ячейковой конструкции применяется плоская форма электродов. В лампах с цилиндрическими электродами чаще всего используют подогревные оксидные катоды (ОК) или прямонакальные вольфрамовые торированные карбидированные катоды (ВТКК) решетчатой конструкции, стержневые, спиральные или решетчатые сетки, гладкие или камерные аноды. Для плоской формы электродов наиболее характерны ленточные ВТКК и ОК и паркетные мелкоструктурные сетки.

При расчете системы электродов электронной лампы с сеточным управлением большое значение имеют соотношения между шагом первой сетки a1 , диаметром ее сеточных проводников dc1 и расстоянием «катод– сетка» zc1. При a1 zc1 и zc1 >> dc1 выполняются условия «сводимости» лампы,

т. е. достаточно равномерной экранировки электрического поля вблизи катода от полей, создаваемых другими электродами. Это позволяет рассчитывать геометрические размеры СЭ аналитически на основе простых соотношений, определяемых законом «степени трех вторых». При использовании аналитических методов расчета СФ электронных ламп с сеточным управлением предполагается наличие сеточных проводников цилиндрической формы. Иные формы сеточных проводников, например плоские, могут быть при необходимости сведены к цилиндрической [1].

Для несводимых конструкций электронных ламп необходимо учитывать при расчете неравномерность экранировки электрического поля вблизи катода от поля управляющей сетки, что не позволяет аналитически рассчитать геометрию СЭ. В этом случае в качестве первого приближения используют систему электродов аналога (предыдущего варианта прибора в случае модернизации или наиболее близкого к нему по основным параметрам из существующих приборов), а затем уточняют СЭ с помощью численных методов анализа.

4

П-образный держатель сетки первой; А и В – ширина и глубина ячейки соот-

ветственно; wp и vp – ширина и толщина рабочей части стержневого катода; wcp – средняя ширина ячейки; 2a и 2b – глубина и ширина анодных камер [2].

1.2. Системы формирования сфокусированных электронных потоков

Наиболее распространенными представителями семейства ВППУ, использующих сфокусированные электронные потоки, являются осциллографические трубки, приемные и передающие телевизионные трубки, электрон- но-лучевые технологические установки, ряд приборов СВЧ.

Электронно-оптическая система осциллографической трубки представлена на рис. 1.3 [3]. В состав ЭОС входит электронный прожектор, включающий подогревный катод 1, модулятор 2, ускоряющий электрод 3, первый 4 и второй 5 аноды, а также системы отклонения 6 и послеускорения 7. Конструкция ЭОС обусловлена требованиями, предъявляемыми к осциллографическим трубкам, важнейшими из которых являются разрешающая способность, скорость записи, чувствительность.

Рис. 1.3

Чем меньше ток луча и выше ускоряющее напряжение, тем больше разрешающая способность и скорость записи, но чувствительность к отклонению уменьшается. Для уменьшения влияния аберраций фокусирующей линзы вблизи выходной стороны ускоряющего электрода 3 устанавливается вырезывающая диафрагма, а для уменьшения искажений при отклонении второй анод 5 имеет выходную диафрагму, ограничивающую радиус пучка. Использование диафрагмы приводит к потере до 80 % тока пучка, поэтому

6

необходимо, чтобы электронная пушка обеспечивала формирование электронного пучка с большим запасом тока.

В осциллографических трубках обычно применяется малоинерционная электростатическая система отклонения, состоящая из двух пар отклоняющих пластин 6. На одну пару подается пилообразное напряжение, под действием которого электронный луч перемещается по экрану с постоянной скоростью вдоль горизонтальной оси слева направо, быстро возвращаясь в исходную точку. На другую пару пластин подается исследуемый сигнал. При исследовании быстропротекающих процессов скорость перемещения луча по экрану может оказаться слишком большой и энергии электронов будет недостаточно для возбуждения заметного свечения люминофора. Увеличение яркости свечения экрана возможно при увеличении ускоряющего напряжения, но ведет к снижению чувствительности. Поэтому конструкция отклоняющей системы должна обеспечивать максимальную чувствительность, что достигается выбором геометрии пластин, создающих эффективное отклоняющее электростатическое поле, не приводящее к существенным искажениям формы пучка.

Увеличение скорости записи трубки без заметного снижения чувствительности к отклонению достигается с помощью системы послеускорения 7. Простейшая система послеускорения состоит из одного кольцевого электрода, расположенного перед экраном с потенциалом, в 1,5…2 раза превышающим потенциал второго анода. Однако образующаяся бипотенциальная линза

(второй анод − послеускоряющий электрод) несколько снижает чувствительность. Как правило, область послеускорения разбивают на несколько промежутков с постепенно возрастающим потенциалом. Вместо одной линзы образуется ряд сравнительно слабых линз, в меньшей степени влияющих на чувствительность. Более эффективна спиральная система послеускорения. Один конец спирали соединяется со вторым анодом прожектора, второй конец имеет выход вблизи экрана, к которому подводится напряжение, в несколько раз превышающее потенциал второго анода. В этом случае достигается линейное увеличение потенциала вдоль оси ЭОС и фокусирующих полей не возникает, следовательно чувствительность к отклонению не меняется.

ЭОС цветного кинескопа включает три электронных прожектора с дельтавидным или планарным расположением. В первом случае прожектора расположены вокруг оси ЭОС на угловом расстоянии 120° друг от друга и слегка наклонены к оси кинескопа. С помощью электромагнитной системы

7

сведения и развертки электронные лучи направляют на цветоделительную маску − металлическую пластину, расположенную вблизи люминесцентного экрана и имеющую от 300 до 500 тыс. круглых отверстий. За каждым отвер-

стием в маске на экране кинескопа расположена люминофорная триада − три люминофорные точки красного, синего и зеленого цветов. Проходя через отверстия в маске, луч прожектора попадает на соответствующую люминофорную точку. Телевизионный сигнал поступает на модуляторы прожектора, изменение тока прожектора приводит к изменению яркости свечения точек люминофорной триады и в конечном итоге − к изменению цвета изображения.

Определенные преимущества имеют кинескопы с планарным расположением прожекторов (рис. 1.4). Прожектора лежат в одной плоскости, ось одного из них направлена вдоль оси кинескопа, два других наклонены симметрично относительно оси кинескопа. Каждый электронный прожектор состоит из катода 1, модулятора 2, ускоряющего электрода 3, фокусирующего электрода 4 и анода 5.

Принципиально новым этапом в развитии планарных систем является метод коррекции электронных лучей (метод самосведения) при отклонении катушками с магнитным полем определенной конфигурации 6.

1 2 3 4 5 6

7

8

Рис. 1.4

В планарных кинескопах используется щелевая цветоделительная матрица 7. Ее прозрачность на 20…30 % выше, чем в кинескопах с дельтавидным расположением прожекторов. Экран 8 имеет линейчатую структуру, образованную регулярно повторяющимися вертикальными полосками люминофоров трех цветов свечения.

Среди передающих телевизионных трубок в настоящее время наиболее широкое распространение получили трубки для цветного телевидения − гле-

тиконы (рис. 1.5).

8

Рис. 1.5

Электронный пучок формируется триодным прожектором, состоящим из катода 1, модулятора 2 и первого анода 3. Второй анод 4 создает эквипотенциальную область, в которой с помощью магнитного поля, создаваемого катушкой 5, пучок фокусируется на мишени. Развертка пучка по мишени реализуется системой отклонения 6. Для ортогонализации пучка в области мишени используется сетка 7. Основные требования, предъявляемые к ЭОС пе-

редающей трубки, − максимальная разрешающая способность (размер пучка на мишени 20…30 мкм при токе 1 мкА) и отсутствие аберраций.

Более высокую чувствительность по сравнению с глетиконом имеет супервидикон (рис. 1.6). Он состоит из трех секций: переноса изображения I, накопления заряда II и считывания III. ЭОС секции считывания аналогична ЭОС глетикона.

III II I 4 3 2 1

Рис. 1.6

9

Особенность требований, предъявляемых к ЭОС секции переноса изображения, заключается в том, что в отличие от предыдущих ЭОС поперечные размеры электронного пучка сопоставимы с размерами электродов ЭОС, т. е. секция должна обеспечивать перенос широкого электронного пучка без аберраций.

Кроме рассмотренного традиционного направления использования электронных пучков в настоящее время большое развитие получила электроннолучевая технология. На рис. 1.7 представлена схема ЭОС установки для элек- тронно-лучевой литографии.

Триодный электронный прожектор, состоящий из катода 1, управляющего электрода 2 и анода 3, ускоряет электроны, эмитированные с острия катода, и в области между управляющим электродом и анодом формирует кроссовер (минимальное поперечное сечение потока), важнейшими характеристиками которого являются диаметр сечения пучка, распределение плотности тока по сечению и угол расхождения пучка. С помощью магнитных фокусирующих линз 4 и 5 создается изображение кроссовера. Для уменьшения аберраций, среди которых определяющую роль играет сферическая, апертура пучка ограничивается установкой вырезывающей диафрагмы 6. Изображение кроссовера создается в центре двойной системы отклонения 7, расположенной между фокусирующими линзами 5 и 8. Третья фокусирующая линза (коллиматор) используется для того, чтобы электронный луч падал на поверхность маски 9 под прямым углом. За маской конфигурация электронного потока соответствует геометрическому рисунку маски. Полученное электронное изображение с помощью проекционных линз 10 и 11 переносится в уменьшенном масштабе на поверхность пластины с резистом 12. Ход лучей для рассмотренного режима работы установки показан на рис. 1.7 сплошными линиями.

В электронно-лучевой литографии, как и в обычной, необходимо многократное проецирование изображения масок на пластину для получения нужной топологии микросхемы. В этом случае очень важным становится вопрос совмещения изображений на пластине. Поэтому при совмещении изображений предусмотрена работа установки в режиме растрового микроскопа. Компоновка ЭОС позволяет просто переходить от одного режима работы к другому с помощью переключения фокусирующей линзы 5. Остальные фокусирующие и проекционные линзы остаются в прежнем состоянии. За счет изменения режима работы линзы 5 электронный пучок фокусируется на

10