К.В. Фролов - Технологии, оборудование и системы (1062200), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Так как диапазоны мощности н концентрации энергии в пучке велики, то практически возможно получение всех видов термического воздействия на материалы; нагрев до заданных температур, планление, испарение с очень высокими скоростями и др. Электронно-лучевы технолопгя используется в основном для плавления и зонной очитки, оварки, испарительного осаждения пленок и прецизионной размерной обработки. История электронно-лучевой техники начинается с фундаментальных открытий в области физики эмиссии электронов и электронной оптики.
Первые попытки элвкгронно-лучевой плавки бъпи предприняты в 1905 г., когда на первой электронно-лучевой установке удалось расплавить такой тугоплавкий металл, как тантал. С середины 20-х годов начинается бурное развитие электронной оптики. Вместе с прогрессом юпгуумной техники зто дало возмозкность формировать электронные пучки, а в 1934 г. — Использовать пучки, сфокусированные электронными линзами, для получения отверстий малого диаметра, испарении метал- лов и прецизионной обработки поверхностей.
В середине 50-х годов была доказана перспективность электронно-лучевой сварки. С 1957 г. и по настоящее время в разных странах ведутся интенсивные разработки электроннолучевого оборудования и внедряются в производство новые технологии, например, электронно-лучевая литография, электронная Ожеспекгроскопня, растровал электронная микроокопия и т.п. 2.1.2. ОСНОВНЪЗЕ ЯВЛЕНИЯ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В диапазоне ускоряющих напряжений 10 - 150 кВ скоросп, электронов составляет 0,2 - 0,6 скорости света. Электрон, ускоренный разностью потенциалов 17, приобретает схоРость че и кинетическую энеРгию (Дж) 2 4 ше 2( 5че 5че Г= — ч ~1+ — + — +...
= е(7, е~ 4 4сс Есо где и †мас электрона, кг; е - его заряд, Кл; со — скорость света,м/с. В зоне встречи пучка с объектом кинетическая энерпи электронов, взаимодействуя с атомами вещества, превращается в тепловую энергию или в лучистую энерппо электромагнитного излучения с длиной волны от инфракрасного излучения и радиоволн до коротковолнового излучения в виде жесткого реипеновского излучения. Одновременно с этим имеют место безрадиационные переходы и излучение Оже (Х < 1 ЗВ), тепловых (Е < 1 эВ) и вторичных (Е < 50 ЗВ) электронов.
Эффективность возбуждения тогр или иного Участка спектра электромагнитного излучения, так же, как и вторичных элекгронов и отраженна первичных электронов, зависит от скорости первичных электронов, атомного номера элементов, лз которых состоит обьекг облучения, состояния поверхности, углов папеиия первичного пучка и вылета вторичных и отраженных электронов, злектропроводности и др.
Возникающая в зоне действия пучка теплота, а также возбуждение пм атомов н молекул лежат в основе многих электроннолучевых технологий. Отражение и рассеяние электронов и другие вторичные про цесоы, теплоотвод посредством теплопроводности и излучения явлюотся в общем случае потерями энергии, необходимой для технологического воздействия на изделие и используютоя в качестве технического зрения или источника информации для контроля за технологическими процессами.
Электронная струюура на поверхности, как лраю|ло, опшчается от структуры в толще материала. Некоторые из электронов с внешних оболочек, образующих все связи в кри- основныв явлвниа в зонв двиствид эдвктронного пучкА 59 стелле, нв поверхности остаются несвязанными. Для овободных связей образуются как заполненные, так и пустые энергетические уровни электронных поверхностных состояний, отличающихоя от энергетических уровней в толще материала. Эти поверхностные состояния играют важную роль в эффектах, связанных с искривлением зон и изменением работы выхода. Различия в свойствах твердых тел на поверхности и в толще важны с точки зрения их влияния на процессы, происходящие при бомбардировке поверхностей пучками электронов.
После пересечения границы раздела вакуум — твердое тело первичные элешроны ускоряются в поле сил поверхностного потенциального барьера и продолжают движение в веществе с возросшей кинетической энергией. Для большинства материалов эта добавка к кинетической энергии (внутренний потенциал твердого тела) составляет 10 - 20 эВ, и ее в большинстве случаев не принимают во внимание за исюпочением случаев, когда энерпш электронов пучка меньше или равна 1 кэВ. На своем пути в твердом теле электроны испытывают многочигленньге взаимодействия с атомами, которые можно разделить на две основные группы - упругие и неупругие взаимодействия. Упругим взаимодействием называют такое, при котором участвующие в нем частицы обмениваются кинетической энергией, а их внутренняя энергия не изменяется.
Часть первичных электронов при взаимодействии с поверхноспю отклоняется на большие углы от первоначального движения в результате одного илн нескольких последовательных актов упругого рассеяния на приповерхностных атомах, и некоторая доли из них, вновь пересекая гранзшу раздела вакуум твердое тело, возвращается в вакуум. Зти электроны называют упругоотраженлыми. Улругоотраженные электроны отличаютоя от других тем, что их энерпш практически не отличается от энергии первичных электронов, а лишь изменена траектория их движения. Зто Физическое явление упругого рассеяния элехтронов на атомах использовано в элекгронных микроскопах (просвечивающий и отражшельный), электронографах, оборудовании для электронной спектроскопии.
Зтн виды оборудования исполъзуются дяя иоследования и анализа структуры и состава различных объектов. Некоторые электроны первичного лучка н те отраженные, которые еще не успели выйти из материала в вакуум, претерпевают только упругие взаимодействия с атомами. Чаоп из них вступает в неупругие взаимодействия. Неулруглм взаимодействием назывыот такое, при котором изменяется не только направление движения электрона, но и его энерпш, а, следовательно, и скорость, т.е. имеет место торможение электрона.
Торможение электронов при столкновении с атомами вещества может быть обусловлено различными причинами. Одна нз них состоит в том, что взаимодействие движущегося электрона с полем атома вещества осуществляется по законам электродинамики и сопровоидаеюя появлением квантов электромагнитного излучения. Энерпш элекгрона в соответствии с законом сохранения энергии уменьшается на значение, равное значению энергии, необходимой дяя генерации кванта электромагнитного излучения. Поэтому эиерпгя кванта электромагнитного излучения может принимать любые значения вплоть до максимального значения энергии тормозшцегося эяекгрона. Так как движение первичного электрона в твердом теле не явгыется периодическим, то энергетический спектр такого тормозного излучения имеет непрерьвиый харюггер.
Это излучение нашло практическое применение для определения пространственного положения свариваемых деталей, положения меток совмещения при электронной литограФии, при реппенолигографии, в интроскопии и т.д. Прн возбуждении потока рентгеновского излучения большой интенсивности принимают меры по защите персонам от вредного воздействия этого излучения на организм человека. Во всех металлах вследствие сильного торможения на электронах проводимости средняя глубина, на которую возбужденные электроны могут выйтн в вакуум, состаюшет всего несколько атомных слоев. Зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии первичных электронов имеет максимум при такой энергии, при которой средшш глубина их проникновеюш в образец почти равна глубине выхода вторичных электронов.
Регистрация вторичных электронов широко используется для диагностики состояния поверхности, например, для дншиостики ее чистоты или неровности, распределения неоднородности вторично-эмиссионных свойств, распрелеления включений с разными атомными номерами и др. Для этого используют как растровые элекгронные микроскопы, так и эмиссионные электронныв микроскопьь специально созданные дяя работы с объектами большой плошади.
Другим методом контроля за состоянием поверхности, в частности за неоднор одно си,ю кр нетепло графических н- ащювлен, позволяющим оценить степень совершенства кристаллической структуры, яюшется метод, использующий анизотропию вторичной эмиссии монокристаллов, обусловленной лиф ракцио иным каналированием электронов вдоль определенных кристзллограФических направлений по линиям Кикучи.
60 Глава Х1, ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА Релакаацня возбужденного атома может быть безизлучательным либо излучшэльным процессом, вероятность каждого из этих процесаов зависит от атомного номера элемента и от того, на каком уровне была образована вакансия. Причиной появления Оже-электронов является то, что при переходе электрона атома на вакансию, образованную в результате ионизапии одного из нижелюкащих энергетических уровней, вьслеляющвяся дискретная порция энергии может быль передана безизлучательным способом еще одному электрону твердого тела.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
