电子束加工的特点及其应用

电子束加工的特点及其应用

摘要：电子束加工简称EBM，是以高能电子束流作为热源，对工件或材料实施特殊的加工，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。随着科学技术的发展，电子束加工技术必将有一片广阔的应用前景。

关键词：电子束原理;应用;发展前景

引言

电子束加工（EBM）是近几年得到较快发展的新兴特种加工技术。电子束加工主要用于打孔、割缝、焊接和大规模集成电路德光刻化学技工等，在精密微细加工方面，尤其是在微电子领域中得到了广泛地应用，在近几年兴起的亚微米加工和纳米加工中，电子束加工技术也发挥着重要作用。

1．电子束加工的原理和分类

1.1加工原理

电子束加工.原理是在真空条件下,利用聚焦后能量密度极高的电子束,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。

电子束加工机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室，以及观察装置等部分组成。先进的电子束加工机采用计算机数控装置，对加工条件和加工操作进行控制，以实现高精度的自动化加工。.

1.2 电子束加工分类

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。

1.2.1电子束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。

1.2.2电子束化学加工电子束化学加工是利用功率密度比较低的电子束和

电子胶.相互作用产生的辐射化学效应对材料进行加工。

该加工方法的应用的领域主要

1）扫描电子束曝光，其特点是图形变换的灵活性好，分辨率高；

2）投影电子束曝光，其特点是效率高，但分辨率较差；

3）软X射线曝光，软X射线由电子束产生，是一种间接利用电子束的投影曝光法。.

2. 电子束加工的主要应用

2.1 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。电子束焊接的焊缝位置精确可控、焊接质量高、速度快，在核、航空、火箭、电子、汽车等工业中可用作精密焊接。在重工业中，电子束焊机的功率已达100千瓦，可平焊厚度为200毫米的不锈钢板。对大工件焊接时须采用大体积真空室，或在焊接处形成可移动的局部真空。

2.2 电子束蚀刻和电子束钻孔

用聚焦方法得到很细的、功率密度为 106～108W/cm²的电子束周期地轰击材

料表面的固定点，适当控制电子束轰击时间和休止时间的比例，可使被轰击处的材料迅速蒸发而避免周围材料的熔化，这样就可以实现电子束刻蚀、钻孔或切割。.电子束可在厚度为0.1～6毫米的任何材料的薄片上钻直径为1至几百微米的孔，能获得很大的深度－孔径比。

2.3 电子束曝光

电子束曝光是先利用低功率密度的电子束照射作为电致抗蚀剂的高分子材料，入射电子与高分子相撞，使分子的链被切断或重新聚合而引起的分子量的变化，这个步骤称为电子束曝光。

2.4 电子束热处理

电子束热处理也是把电子束作为热源，适当控制电子束的功率密度，使金属表面受热但不熔化，从而达到热处理目的。

3. 电子束加工的特点

1. 属于精密微细加工电子束能够极其细微的聚焦，因此加工面积可以很小，是一种精密的加工方法；

2. 加工材料范围广电子束能量密度很高，工件不受外界机械力作用，不产生宏观应力和变形，因此加工材料范围非常广，可以加工脆性、韧性的导体、非半导体和半导体等材料；

3. 加工精度高，表表面质量好；

4. 加工生产率很高电子束能量密度很高，因而加工生产率很高；

5. 控制性能好电子束能够通过磁场或电场对其强度、位置、聚焦程度进行直接控制，且自动化程度高；

6. 电子束加工温度容易控制；

7. 杂质污染少电子束加工是在真空中进行，因而外界对工作的污染少，加工表面在高温时也不易氧化；

8. 设备昂贵电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，设备价格较贵，加工成本高。

4. 电子束加工的现状及发展前景

近年独联体制造了一台真空室为2000m的特大型中压电子束焊机，此焊机

配有 5～6个电子枪，每十枪功率60kW，加速电压为60kV，用于焊接“暴风雪号航天飞机及其他航空飞机部件。

另外，西欧制造了一台直径为10m。长1lm的800m的真空室的电子束焊机，功率为 50kW．焊接铝、钛及钢的熔深分别达到200mm，150mm和130mm。西欧还采用偏转电子束设备焊接铜制射频器的内径，得到光滑无凸起的油环焊缝。10kW 的电子束通过一个磁棱镜和二中磁透镜偏转90°，完成内径焊接

为了适应更广泛工业的要求，还出现了局部真空和非正空的电子束焊接设备，主要用于大型不太厚零件或小型薄件大批量生产。

5. 结束语

电子束加工技术在过去几十年发展迅速，他是高能束流加工技术的重要组成部分，国内外将高能束流誉为“二十一世纪的技工技术”，电子束加工技术是一项系统工程，它的发展需把机理研究、工艺、设备研究有机结合起来，发挥整体功能，才能适应技术竞争。

参考文献

[1] 刘晋春，白基成，郭永丰．特种加工[M] ．北京：机械工程出版社，2008．3．

[2] 金庆同．特种加工．[M] ．北京：航空工业出版社，1988．

[3] 张国智，王中营.精密与特种加工技术[M].华中科技大学出版社，2012.