Геттерирование

Геттерирование — это технологический процесс удаления, связывания или нейтрализации остаточных газов и примесей в замкнутом объёме (например, в вакуумных приборах, газоразрядных лампах, электронно-лучевых трубках, микросхемах) с помощью специальных веществ — геттеров (от англ. getter — «поглотитель»). Геттерирование применяется для поддержания глубокого вакуума или чистоты газовой среды в герметичных устройствах, предотвращая деградацию их характеристик под действием активных газов (кислорода, водорода, водяного пара, углекислого газа и др.).

История

Первые упоминания о геттерировании относятся к концу XIX века, когда в вакуумных лампах (электрических лампах накаливания) стали использовать фосфор и барий для поглощения остаточного кислорода. В 1900-х годах, с развитием радиоламп, потребность в эффективном удалении газов резко возросла. В 1920-х годах немецкий физик Вальтер Шоттки предложил использовать в качестве геттеров щелочноземельные металлы (барий, кальций, магний), которые при нагреве испарялись и осаждались на стенках колбы, образуя зеркальное покрытие, активно поглощающее газы.

В 1950-х годах, с появлением полупроводниковых приборов (транзисторов, интегральных микросхем), геттерирование стало применяться не только в вакуумных, но и в герметизированных корпусах для защиты от влаги и примесей. В 1970-х годах были разработаны неиспаряемые геттеры (NEG — Non-Evaporable Getter) на основе сплавов титана, циркония и ванадия, которые активируются при нагреве без испарения. В 1990-х годах геттерирование стало ключевым элементом в производстве вакуумных изоляционных панелей и микровакуумных устройств (например, в микроэлектромеханических системах, МЭМС).

Классификация геттеров

Геттеры делятся на два основных типа в зависимости от механизма действия и способа активации.

Испаряемые геттеры

Испаряемые геттеры (Evaporable Getter) — это вещества, которые при нагреве до высокой температуры (обычно 800–1200 °C) испаряются и конденсируются на холодных стенках корпуса, образуя тонкую плёнку. Эта плёнка химически связывает остаточные газы (кислород, азот, водород, углекислый газ) за счёт образования твёрдых оксидов, нитридов, гидридов или карбидов. Типичные представители: барий (Ba), кальций (Ca), магний (Mg), алюминий (Al). Испаряемые геттеры широко применялись в кинескопах и электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) до их вытеснения жидкокристаллическими дисплеями. Основной недостаток — необходимость высокотемпературного нагрева в процессе активации, что может повредить чувствительные элементы.

Неиспаряемые геттеры (NEG)

Неиспаряемые геттеры (Non-Evaporable Getter) — это сплавы или пористые материалы, которые активируются при нагреве до 300–500 °C без испарения. После активации они остаются в твёрдом виде и поглощают газы за счёт адсорбции (физической или химической) на своей поверхности. Типичные составы: сплавы титана (Ti), циркония (Zr), ванадия (V), а также комбинации с алюминием, никелем или кобальтом (например, Zr–V–Fe, Ti–Zr–V). NEG-геттеры используются в современных вакуумных устройствах (микросхемы, МЭМС, вакуумные изоляционные панели) и в системах сверхвысокого вакуума (например, в ускорителях частиц). Преимущества: компактность, возможность многократной регенерации (повторной активации), отсутствие загрязнения объёма испаряемым материалом.

Механизмы действия

Геттерирование основано на нескольких физико-химических процессах:

• Химическое связывание — активный металл (например, барий или титан) вступает в химическую реакцию с газом, образуя нелетучее соединение (оксид, нитрид, гидрид). Например, барий реагирует с кислородом: 2Ba + O₂ → 2BaO.
• Адсорбция — молекулы газа удерживаются на поверхности геттера за счёт вандерваальсовых сил (физическая адсорбция) или химических связей (хемосорбция). Для NEG-геттеров характерна хемосорбция, при которой газ прочно связывается с поверхностью, а затем диффундирует вглубь материала.
• Диффузия — после адсорбции атомы газа могут мигрировать в объём геттера, освобождая поверхность для новых молекул. Это свойство особенно важно для NEG-геттеров, так как позволяет им сохранять активность в течение длительного времени.

Применение

Геттерирование используется в широком спектре технологий, где требуется поддержание чистоты среды внутри герметичного объёма.

Вакуумная электроника

В вакуумных лампах (радиолампах, клистронах, магнетронах) и электронно-лучевых трубках (кинескопах) геттеры (обычно испаряемые бариевые) обеспечивают остаточное давление ниже 10⁻⁶ мм рт. ст. Без геттерирования остаточные газы вызывали бы ионизацию, коррозию катода и ухудшение эмиссии электронов. В современных мощных вакуумных приборах (например, в лампах бегущей волны) применяются NEG-геттеры.

Полупроводниковая промышленность

В герметичных корпусах интегральных микросхем и микропроцессоров геттеры (чаще NEG) поглощают влагу, кислород и другие примеси, которые могут вызвать коррозию контактов, окисление кремния или деградацию диэлектриков. Геттерирование особенно важно для микросхем в металлокерамических корпусах, используемых в аэрокосмической и военной технике.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС)

В МЭМС-устройствах (акселерометрах, гироскопах, микрозеркалах) геттеры поддерживают вакуум внутри герметичных полостей, что необходимо для уменьшения демпфирования движущихся частей и повышения добротности резонаторов. Обычно используются NEG-геттеры на основе титана или циркония, наносимые методом трафаретной печати.

Вакуумная изоляция

В вакуумных изоляционных панелях (VIP), применяемых в строительстве, холодильной технике и термосах, геттеры (чаще на основе цеолитов или активированного угля) поглощают газы, проникающие через оболочку панели, и поддерживают вакуум на уровне 10⁻³–10⁻⁴ мм рт. ст. Это обеспечивает высокую теплозащиту (коэффициент теплопроводности 0,004–0,008 Вт/(м·К)).

Ускорители частиц и термоядерные установки

В системах сверхвысокого вакуума (давление 10⁻¹⁰–10⁻¹² мм рт. ст.) в ускорителях частиц (например, в Большом адронном коллайдере) и термоядерных реакторах (токамаках) используются NEG-геттеры, которые наносятся на внутренние стенки вакуумных камер. Они поглощают водород, гелий и другие газы, выделяющиеся при работе установки, и позволяют поддерживать сверхвысокий вакуум без использования масляных насосов.

Интересные факты

• В старых кинескопах цветных телевизоров (до 2000-х годов) геттер часто представлял собой кольцо из бариевой пасты, которое при активации испарялось и создавало характерное серебристое зеркало на внутренней стороне колбы. Это зеркало было видимым признаком исправности геттера.
• В некоторых космических аппаратах (например, в спутниках связи) геттеры используются для поддержания вакуума в герметичных отсеках с электроникой, что предотвращает электрические пробои в условиях космического вакуума.
• Процесс геттерирования обратим для NEG-геттеров: при нагреве до 400–500 °C в вакууме они могут быть регенерированы (восстановлены) путём десорбции поглощённых газов, что позволяет использовать их многократно.

Критика и ограничения

Основным недостатком геттерирования является ограниченная ёмкость геттера: после насыщения он перестаёт поглощать газы, и вакуум в устройстве начинает ухудшаться. Для испаряемых геттеров это особенно критично, так как их невозможно регенерировать. Кроме того, активация геттеров требует нагрева, что может быть недопустимо для некоторых чувствительных компонентов (например, в МЭМС с полимерными мембранами). В последние годы ведутся разработки «холодных» геттеров, активируемых при комнатной температуре, а также геттеров на основе наноматериалов (например, графена или углеродных нанотрубок), которые обладают повышенной ёмкостью.

Источники

• Технология вакуумных приборов / под ред. Г. А. Тягунова. — М.: Энергия, 1975. — 432 с.
• Геттеры в вакуумной технике: монография / В. И. Каратаев, В. В. Каратаев. — М.: Машиностроение, 1989. — 208 с.
• Non-Evaporable Getter (NEG) Technology: A Review / C. Benvenuti, J. M. Laurent, P. S. L. Anderson // Vacuum. — 1996. — Vol. 47, No. 6–8. — P. 823–828.
• Геттерирование в микроэлектронике: учебное пособие / А. В. Козлов, В. В. Смирнов. — СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. — 96 с.
• Vacuum Insulation Panels: A Review of Getter Technology / J. Fricke, U. Heinemann, H. P. Ebert // Energy and Buildings. — 2008. — Vol. 40, No. 4. — P. 575–583.