电子束加工技术及其应用.doc

电子束加工技术及其应用 2008034121 电子束加工是在真空条件下,利用聚焦后能量密度极高(106～109W/cm2)的电子束,以极高的速 度冲击到工件表面极小的面积上,在很短的时间(几分之一微秒)内,其能量的大部分转变为热能,使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温,从而引起材料的局部熔化和气化,被真空系统抽走的加工技术。其加工原理如图1所示。 图1　电子束加工原理 1948年,德国物理学家K.H.Steigerwald发明了第一台电子束加工设备(主要用于焊接)。1949年,德国首次利用电子束在厚度为0.5mm的不锈钢板上加工出直径小于0.2mm的小孔。从而开辟了电子束在材料加工领域的新天地。1957年法国原子能委员会萨克莱核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束焊接机,其优良的焊接质量引起了人们广泛重视。20世纪60年代初期,人们已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜和熔炼等工艺技术应用到各工业部门中,促进了尖端技术的发展。微电子学的发展对集成电路元件的集成度要求不断提高,因而对光刻工艺提出了更高的要求,扫描电子束曝光机研制成功并在20世纪70年代进入市场,使得制造掩膜或器件所能达到的最小线宽已小于0.5μm。 近年来,国外对电子束焊接及其他电子束加工技术的研究主要在于以下几个方面:1)完善超高能密度电热源装置;2)掌握电子束品质及与材料的交换行为特性,改进加工工艺技术;3)通过计算机CNC控制提高设备柔性以扩大应用领域。我国自20世纪60年代初期开始研究电子束加工工艺,经过多年的实践,在该领域也取得了一定成果。虽然电子束加工目前已在仪器仪表、微电子、航空航天和化纤工业中得到应用,电子束打孔、切槽、焊接、电子束曝光和电子束热处理等也都陆续进入生产,但从电子束加工技术现状及新的发展趋势可以看出 ,我国在该领域的研究与世界先进水平差距很大。 按照电子束加工所产生的效应,可以将其分为两大类:电子束热加工和电子束非热加工。 电子束热加工是将电子束的动能在材料表面转化成热能,以实现对材料的加工,其中包括:1)电子束精微加工。可完成打孔、切缝和刻槽等工艺, 这种设备一般都采用微机控制,并且常为一机多用; 2)电子束焊接。与其他电子束加工设备不同之处在于,除高真空电子束焊机之外,还有低真空、非真空和局部真空等类型;3)电子束镀膜。可蒸镀金属膜和介质膜;4 )电子束熔炼。包括难熔金属的精炼,合金材料的制造以及超纯单晶体的拉制等;5)电子束热处理。包括金属材料的局部热处理以及对离子注入后半导体材料的退火等。上述各种电子束加工总称为高能量密度电子束加工。 电子束非热加工是基于电子束的非热效应,利用功率密度比较低的电子束和电子胶(又称电子抗蚀剂,由高分子材料组成)相互作用产生的辐射化学或物理效应对材料进行加工。其应用领域主要是电子束曝光。电子束曝光是先在待加工材料表面涂上具有高分辨率和高灵敏度的化学抗腐蚀涂层,然后通过计算机控制电子束成像电镜及偏转系统,聚焦形成高能电子束流,轰击涂有化学抗腐蚀涂层的材料表面,形成抗腐蚀剂图形,最后通过离子注入、金属沉淀等后续工艺将图形转移到材料表面。 根据电子束流的产生原理,电子束加工具有如下特点: 电子束发射器发射的电子束流束斑极小,且可控,可以用于精密加工; 对于各种不同的被处理材料,其效率可高达75%～98%,而所需的功率则较低; 能量的发生和供应源可精确地灵活移动,并具有高的加工生产率; 可方便地控制能量束,实现加工自动化; 设备的使用具有高度灵活性,并可使用同一台设备进行电子束焊接、表面改善处理和其他电子束加工; 电子束加工是在真空状态下进行,对环境几乎没有污染; 电子束加工对设备和系统的真空度要求较高,使得电子束加工价格昂贵,一定程度上限制了其在生产中的应用。 由于电子束流具有以上特点,目前,已被广泛地应用于高硬度、易氧化或韧性材料的微细小孔的打孔,复杂形状的铣切,金属材料的焊接、熔化和分割,表面淬硬、光刻和抛光,以及电子行业中的微型集成电路和超大规模集成电路等的精密微细加工中。随着研究的不断深入,电子束加工已成为高科技发展不可缺少的特种加工手段之一。 电子束表面改性是利用电子束的高能、高热特点对材料表面进行改性处理。由于电子束加工技术在使用过程中可以较灵活地调节加热面积、加热区域以及材料表面的能量密度，电子束的能量利用率可以高达95%，并且电子束在材料表面的作用范围仅为0.01～0.2mm，因此，利用电子束对材料表层进行加热，可以达到所需温度或使材料熔化，从而实现对材料表面的改性，以满足材料表面的摩擦磨损、耐腐蚀和高温使用性能等要求。主要的改性手段有:电子束表面合金化、电子束表面淬火、电子束表面熔敷、电子束表面熔凝以及制造表面非晶态层。经过改性后的材料表面组织结构得到改善,强