5.3电子束加工

5.3　电子束加工

图5.9　电子束加工原理

电子束加工简称EBM(Electron Beam Machining)，就是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后产生的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位，使其产生热效应或辐射化学和物理效应，以达到预定工艺目的的加工技术。电子束加工主要用于打孔、切割、焊接及大规模集成电路的光刻加工等，在精密微细加工，尤其是在微电子学领域中应用广泛。

1—工件；2—电子束；3—偏转线圈；4—电磁透镜

5.3.1　电子束加工的原理及特点

(1)电子束加工原理

如图5.9所示为电子束加工原理示意图。根据电子束产生的效应，可分为电子束热加工和电子束非热加工两种。

通过控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔和切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。

1)电子束热加工原理

图5.10　电子束热加工原理图

1—发射阴极；2—控制栅极；3—加速阳极；4—聚焦系统；5—电子束斑点；6—工件；7—工作台

电子束热加工原理示意图如图5.10所示。通过加热发射阴极材料产生电子，在热发射效应下，电子飞离材料表面。在强电场(30～200 kV)作用下，电子经过加速和聚焦，沿电场相反方向运动，形成高速电子束流。

电子束通过一级或多级会聚后，形成高能束流，当它冲击工件表面时，电子的动能瞬间大部分转变为热能。由于光斑直径极小(其直径可达微米级或亚微米级)，电子束具有极高的功率密度，可使材料的被冲击部位温度在几分之一微秒内升高到几千度，其局部材料快速汽化、蒸发，从而实现加工的目的。

2)电子束非热加工原理

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(电子抗蚀剂，由高分子材料构成)相互作用，产生的辐射化学或物理效应。当用电子束流照射这类高分子材料时，由于入射电子和高分子相互碰撞，使电子胶的分子链被切断或重新聚合而引起分子量的变化以实现电子束曝光。将这种方法与其他处理工艺联合使用，就能在材料表面进行刻蚀细微槽和其他几何形状。

其工作原理如图5.11所示。该类工艺方法广泛应用于集成电路、微电子器件、集成光学器件、表面声波器件的制作，也适用于某些精密机械零件的制造。通常是在材料上涂覆一层电子胶(称为掩膜) ，用电子束曝光后，经过显影处理，形成满足一定要求的掩膜图形，而后进行不同后置工艺处理，达到加工要求，其槽线尺寸可达微米级。

图5.11　电子束非热加工原理图

(2)电子束加工特点

电子束加工具有以下特点:

①束径微小。电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1 μm，是超小型元件或分子器件等微细加工的有效加工方法。此外，最小直径的电子束长度可达该电子束当时断面直径的几十倍以上，故能适用于深孔加工。用于切割加工时，切缝非常小，可节省材料。

②功率密度高。其能量高度集中，功率密度可达10⁹W/cm²量级。能加工高熔点和难加工材料，如钨、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、陶瓷及半导体材料等。

③可加工材料的范围广。电子束加工为非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生宏观应力变形，而且由于电子束可进行骤热骤冷(脉冲状加工)，因此对非加工部分的热影响极小，提高了加工精度，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。

④加工效率高。电子束的能量密度高，因而加工生产率很高。如在0.1 mm厚的不锈钢板上穿微小孔可达3 000个/min，切割1 mm厚的钢板速度可达240 mm/min。

⑤控制性能好。可通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，其控制性能十分优越，而且控制时其变化速度之快也是其他方法无法比拟的。特别是在电子束曝光中，从加工位置找准到加工图形的扫描，都可实现自动化。

⑥电子束加工温度容易控制。通过控制电子束的电压和电流值可改变其功率密度，进而控制加工温度，因此，通过电路控制可实现电子束瞬时通断，进行骤热骤冷操作。

⑦污染小。由于电子束加工是在真空中进行的，因而污染少，加工表面不会氧化。特别适用于加工易氧化的金属及合金材料以及纯度要求极高的半导体材料等。

电子束加工使用的高电压会产生较强X射线，必须采取相应的安全措施。此外，加工必须在真空中进行，需要一整套专用设备和真空系统，设备造价高，生产应用有一定局限性。

5.3.2　电子束加工装置

电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统及电源等部分组成。其基本结构如图5.12所示。

图5.12　电子束加工装置结构示意图

1—工作台系统；2—偏转线圈；3—电磁透镜；4—光阑；

5—加速阳极；6—发射电子的阴极；7—控制栅极；8—光学观察系统；9—带窗真空室门；10—工件

(1)电子枪

电子枪是获得电子束的装置，主要包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等，如图5.13所示。阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向阳极，在飞向阳极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜聚焦而在工件表面形成很小的电子束束斑，完成加工任务。

发射阴极一般用钨或钽制成。小功率时，用钨或钽做成丝状阴极，如图5.13(a)所示。大功率时，用钽做成块状阴极，如图5.13(b)所示。控制栅极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。加速阳极通常接地，而阴极接很高的负电压。通过上述装置，完成电子的发射、加速、聚焦，形成可满足工业应用的电子束流。

图5.13　电子枪

1—发射电子的阴极；2—控制栅极；3—加速阳极；4—工件

(2)真空系统

真空系统是为了保证在电子束加工时维持高真空度1.33×10^－4～1.33×10^－2Pa。因为只有在高真空中，电子才能高速运动。此外，加工时产生的金属蒸气也会影响电子发射，造成不稳定现象，因此，也需要不断地把加工中生产的金属蒸气抽出去。

真空系统一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成。首先用机械旋转泵把真空室抽至0.14～1.4 Pa，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.000 14～0.014 Pa的高真空度。

(3)控制系统和电源

电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制及工作台位移控制等。

束流聚焦控制是为了提高电子束的能量密度，使电子束聚焦成很小的束斑，基本上决定了加工点的孔径或缝宽。聚焦方法主要有利用高压静电场使电子流聚焦成细束和利用电磁透镜的磁场聚焦两种。电磁透镜实际上为一电磁线圈，通电后它产生的轴向磁场与电子束中心线相平行，端面的径向磁场则与中心线相垂直。根据左手定则，电子束在前进运动中切割径向磁场时将产生圆周运动，而在圆周运动时在轴向磁场中又将产生径向运动，故实际上每个电子的合成运动为一半径越来越小的空间螺旋线而聚焦于一点。为了消除像差和获得更细的焦点，常进行二次聚焦。

束流位置控制是为了改变电子束的方向，常用电磁偏转来控制电子束焦点的位置。如果使偏转电压或电流按一定程序变化，电子束焦点便按预定的轨迹运动。

工作台位移控制是为了在加工过程中控制工作台的位置。因为电子束的偏转距离只能在数毫米之内，过大将增加像差和影响线性，因此在大面积加工时需要控制工作台移动，并与电子束的偏转相配合。

由于电子束聚焦以及阴极的发射强度与电压波动有密切关系，电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，因此常采用稳压设备。

5.3.3　电子束加工工艺及应用

根据功率密度和能量注入时间的不同，电子束加工可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理及光刻加工等。电子束在微细加工领域中的应用分类归纳如图5.14所示。

(1)电子束打孔

利用电子束可在不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上加工小孔，电子束打孔的最小直径已可达矱0.001 mm左右，而且还能进行深小孔加工，如孔径在0.5～0.9 mm时，其最大孔深已超过10 mm，即孔的深径比大于15∶1。

图5.14　电子束加工分类归纳

与其他微孔加工方法相比，电子束的打孔效率极高，通常每秒可加工几十至几万个孔。电子束打孔的速度主要取决于板厚和孔径。当孔的形状复杂时还取决于电子束扫描速度(或偏转速度)以及工件的移动速度。利用电子束打孔速度快的特点，可实现在薄板零件上快速加工高密度孔，这是电子束微细加工的一个非常重要的特点。电子束打孔已在航空航天、电子、化纤以及制革等工业生产中得到实际应用。

电子束在加工异形孔方面具有独特的优越性。为了使人造纤维具有光泽、松软有弹性、透气性好，喷丝头的孔形一般都是特殊形状的。如图5.15(a)所示为电子束加工的喷丝头异形孔截面；如图5.15(b)所示为工件不移动，通过控制电子束在磁场中偏转，加工出的入口为一个而出口有两个的弯孔。

图5.15　电子束加工的异形孔

(2)电子束切割

利用电子束切割可以加工各种材料。通过控制电子速度和磁场强度，同时改变电子束和工件的相对位置，就可进行复杂曲面的切割和开槽，如图5.16所示。图5.16(a)是对长方形工件施加磁场之后，若一面用电子束轰击，一面依箭头方向移动工件所加工出的曲面。在上述基础上，如果改变磁场极性再进行加工，就可加工出如图5.16 (b)所示的工件。同理，可加工出如图5.16( c)所示的弯缝。

图5.16　电子束切割加工出的曲面

(3)电子束焊接

电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。电子束微细焊接是电子束加工技术中发展最快、应用最广的一种，在焊接不同的金属和高熔点金属方面显示了很大的优越性，已成为工业生产中的重要特种工艺之一。

当高能量密度的电子束连续轰击焊件表面时，焊件接头处的金属迅速熔融，形成一个被熔融金属环绕着的毛细管状的熔池。如果焊件按一定速度沿着焊件接缝与电子束做相对移动，则接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固，形成致密的完整焊缝。

由于电子束焊接对焊件的热影响小、变形小，可在工件精加工后进行焊接，而且能够实现异种金属焊接，在实际应用中可将复杂的工件分成几个零件，这些零件可单独使用最合适的材料，采用合适的方法来加工制造，最后利用电子束将其焊接成一个完整的零部件，从而获得理想的技术性能和显著的经济效益。电子束焊接在航空航天工业等取得了广泛的应用。例如，航空发动机某些构件(高压涡轮机匣、高压承力轴承等)可通过异种材料组合，使发动机在高速运转时，利用材料线膨胀系数不同，完成主动间隙配合，从而达到提高发动机性能、增加发动机推重比、节省材料、延长使用寿命等。电子束焊接还常用于传感器以及电器元器件的连接和封装，尤其一些耐压、耐腐蚀的小型器件在特殊环境工作时，电子束焊接具有更大的优越性。

(4)电子束曝光

电子束曝光技术是20世纪60年代初发展起来的利用电子束对微细图形进行直接描画或投影复印的图形加工技术，是最成熟的亚微米级曝光技术，广泛地用于微电子、光电子和微机械领域新器件的研制和应用物理实验研究，以及三维微结构的制作、全息图形的制作、诱导材料沉积和无机材料改性等领域。

电子束曝光主要分为扫描电子束曝光和投影电子束曝光两类。

扫描电子束曝光又称电子束线曝光。电子束扫描是将聚焦到小于1 μm的电子束斑在0.5～5 mm的范围内按程序扫描，可曝光出任意图形。早期的扫描电子曝光采用圆形束斑，为提高生产率又研制出方形束斑，其曝光面积是圆形束的25倍，后来发展的可变成型束斑，其曝光速度比方形束又提高两倍以上。扫描电子束曝光除了可直接描画亚微米图形之外，还可为光学曝光、电子束投影曝光制作掩膜，这是其得以迅速发展的原因之一。

投影电子束曝光又称电子束面曝光。首先制成比加工目标的图形大几倍的模板，再以1/10～1/5的比例缩小投影到电致抗蚀剂上进行大规模集成电路图形的曝光。利用该方法可在几毫米见方的硅片上安排十万个以上晶体管或类似的元件。投影电子束曝光技术既有扫描电子束曝光技术所具有的高分辨率的特点，又有一般投影曝光技术所具有的生产效率高、成本低的优点，是人们目前积极从事研究、开发的一种微细图形光刻技术。

人们对电子束曝光技术的研究主要集中在以下3个方面:

①追求高分辨率以制作特征尺寸更小的器件，主要用于电子束直接光刻方面。

②提高电子束曝光系统的生产率，以满足器件和电路大规模生产的需要。

③研究纳米级规模生产用的下一代电子束曝光技术(NGL) ，以满足0.1 μm以下器件生产的需要。