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电子工业和计算机工业中的真空技术应用
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时间 : 2020-03-10 15:09 浏览量 : 6

  近半个世纪的历史表明,电子设备的发展对人类社会起到了巨大的推动作用。每一种新电子设备的出现都对促进科学技术和生产的发展起到了积极的作用。电子管的诞生是真空科学技术全面发展的结果。微电子器件的发展是基于超纯材料和高精度微加工技术的改进,其中许多都与真空技术有关。微电子设备是现代高速计算机和个人计算机的基础。在当今一些发达国家,微电子和计算机产业已经超过能源、材料、交通和钢铁产业,在国民经济产值中占据首位。在电子工业和计算机工业的发展中,真空科学技术做出了重要贡献。

  在未来,将有四个新的电器:一个多功能信息系统与多媒体彩电,电脑和声音组合。具有真空冷冻和真空保存功能的冰箱;具有真空脱水功能的洗衣机和监控室内空气新鲜度的空调。这些家用电器有的直接使用真空技术,有的间接使用真空技术获得的加工结果。因为无论是计算机还是各种自动电器,它们的基础都是微电子设备。其中最重要的是规模集成电路。如今,微电子器件几乎成了家喻户晓的词,因为它在当今人类社会的生产和生活中的作用无法与任何其他工业产品相提并论。微电子器件的发展将推动人类社会更快的进步。微电子器件的发展趋势是大规模集成电路,集成度越来越高,即芯片上功能元件的尺寸越来越小。摩尔定律描述了这个定律,同样大小的芯片上的元件数量每18个月翻一番。过去20年一直如此,电子专家预测未来15年仍将如此。

  

信息薄膜设备中的真空技术应用


  1.莫尔定律讨论硅片上的元件密度,这是描述大规模集成电路信息处理能力的一个参数。根据国际商用机器公司1994年发表的一份特别报告,奇妙芯片:组件的尺寸越小,芯片的功能就越大。信息存储密度为106位/cm2,可保存下30页论文;108位/cm2,可存储10本300页的书籍;1010位/cm2,1000本书;1012位/cm2,存储100,000本书,在3.5英寸的磁盘上可以存储500万本书。这几乎是我国省级图书馆的全部藏书。从这个估计可以看出,随着存储密度的增加,芯片的功能非常惊人。这只是对数量变化的计算。应该考虑从数量变化到质量变化的功能飞跃。

  2.1012bit/cm2称为超高密度信息存储,主要是数字0和1的存储。安是纳米电子学的基础。每个信息存储点的大小小于10纳米,并且包含有限数量的原子。作为功能点,与传统元件相比,其特征在于更小的体积(109个原子)、更纯的材料(杂质缺陷10-8)、更低的信号功率(10-12焦耳)和更快的信号写入和读取响应速度(纳秒)。因此,超高密度信息存储的研究需要新理论、新材料和新组装加工技术的发展。

  最早用于广播、通信和雷达的电子设备是真空电子管,它主要控制从阴极发射到真空中的自由电子,用于信号振荡、调制、发射、检测、放大、存储和处理。电子管设备的制造需要真空卫生和真空纯度。微电子器件的产生是基于高纯度锗和硅材料。在材料和器件的加工过程中,需要半导体纯度和比高纯度更好的高度有序的晶体结构。然而,下一代微电子器件的纳米电子器件要求所用的材料和组装工艺要比半导体纯,杂质和缺陷少,晶体结构更完善。因此,在研究纳米电子器件时,更高的真空。

  近年来北京大学和中国科学院真空物理实验室北京一直致力于有机复合膜的超高密度信息存储器件。其制备的关键技术是高质量的纳米厚度功能薄膜。今天的薄膜形成过程可以保持真空清洁的环境,因此可以获得高质量的薄膜。物理气相沉积(PVD)主要包括蒸发、溅射、离子镀、分子束外延和离子簇镀。通过对几种真空法制备有机功能薄膜技术的分析,认为离子束(ICB)沉积技术最适合制备有机功能薄膜。它通过绝热膨胀过程蒸发材料,电离过程形成带电原子团,并在衬底上加速沉积。原子在衬底表面具有很大的迁移率,这有利于薄膜的成核和晶粒生长,形成高质量的薄膜。通过控制绝热过程、电离电压、加速电压和衬底温度,可以制备晶体、多晶或非晶薄膜。

  离子束和高真空沉积技术已经发展出用于超高密度信息存储的有机和金属有机纳米薄膜。主要有两种类型:一种是银/有机(如银-中央处理器)复合膜。扫描隧道显微镜(STM)的电压脉冲写入信号点的直径为10纳米,可以稳定地写入和读取0和1信号。用半导体激光薄膜读写装置(波长780纳米)研究了银中央处理器薄膜的光存储特性。结果表明,写入信号的光脉冲为10.4毫瓦,宽度为10μs。7.0毫瓦,1毫秒宽的光脉冲可以擦除信号;1.1mW可以稳定读取信号。

  另一种是有机施主/有机受主(如m-nbmn/dab)纳米薄膜,其电脉冲信号写入直径为1.3纳米,相应的数据记录密度为1013比特/cm2。记录的信号是稳定的。对写入信号点的扫描隧道光谱(STS)分析表明,在写入信号之前,薄膜是绝缘体,在写入信号之后,薄膜是导体。这种薄膜也可以利用光信号进行稳定的读写。外国专家同行高度评价了这个结果,认为它接近纳米功能元素的极限。

  有机复合信息存储薄膜的研究结果表明,真空技术在未来纳米电子器件的研究中仍将发挥极其重要的作用。目前,超高真空的采集和测量技术已经成熟,但真空技术的应用仍然是一个非常有吸引力的课题,需要开展大量的工作才能得到更广泛的应用,尤其是在纳米电子器件这一未来信息社会发展的关键技术中。在即将到来的21世纪,真空技术将随着纳米电子学进入在信息社会的各个领域发挥越来越重要的作用。


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