特种加工8电子束离子束加工技术

特种加工8电子束离子束加工技术 121第八章 电子束和离子束加工8.1 电子束加工概述电子束作为高能量密度热源，早已为人们所注意。但直到 1949 年，联邦德国的斯太格瓦尔德才在0.5mm厚的不锈钢薄板上，用电子束钻出直径为0.2mm的孔。1952 年，研制出加速电压为 125kV、功率为2.5kW 的电子束装置，并钻出人造纤维喷丝板。1957 年，法国原子能委员会的斯托尔研制成功世界第一台用于生产的电子束焊接机。原来用氩弧焊接的原子反应堆燃料元件锆包装封口，废品率高达30，而采用电子束焊接后，所制产品全部合格。这一成果显示出电子束加工的潜在前景，引起了世界各国重视。1959 年，联邦德国研制出多种用途的电子束加工机，可以用来钻孔、铣切和焊接。20 世纪60 年代初，电子束打孔、铣切、焊接、镀膜、熔炼、区熔等技术，已成功地应用到原子能、航天、航空、电子和精密机械等部门中，促进了尖端技术的发展。20 世纪60 年代中期，电子束加工技术又在新的领域内得到应用。这一新技术就是电子束曝光。随着微电子学的发展、集成度的提高，要突破常规光刻工艺所能达到的最小线宽——2μm的极限，必须探索新的光刻工艺。受到扫描电镜高分辨率的启发，人们利用扫描电镜在光致抗蚀剂上进行曝光，终于得到了高分辨率的线条。当时，单线条宽度可以达到45nm。1967 年，日本电子公司研制成 JBX-2 型扫描电子束曝光机。此后，法国、美国等也研制出了扫描电子束曝光机。70 年代，人们开始致力于扫描电子束曝光机在电子器件生产线上的实用化研究，以提高微电子器件的生产效率和产品率。目前扫描电子束曝光技术在微电子学工艺中制作掩膜或器件所能达到的最小线宽小于0.1μm。我国对电子束加工技术的研究始于 1960 年。最初是从电子束焊接和打孔着手。60 年代初先后研制出电子束焊接机、电子束打孔机以及人造纤维喷丝板电子束打孔机。60 年代中期，还研制出多种电子束熔炉、区域熔炼炉、镀膜机等设备。70 年代又进行了电子束曝光技术的研究，取得了许多领先的研究成果。8.2 电子束加工工艺、原理、特点一、电子束加工工艺及其原理电子束加工是现代加工技术中的一个分支。 它利用电子束的能量对材料进行加工，是完全不同于机械加工的一种新型加工方法。电子束加工工艺按其对材料的作用原理，可以分为两大类。1. 电子束热效应的利用 122这是将电子束的动能在材料表面转换成热能而对材料实施加工。其中包括:1 电子束微细加工。可以完成打孔、切割和刻槽等工艺。这种设备一般都用计算机来控制，并且常一机多用。2 电子束焊接。3 电子束镀膜。4 电子束熔炼。包括难熔金属的精练，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的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。电子束加工原理如图 8-1 所示。高能量密度的电子束是由电子枪产生。电子枪的阴极发射出电子，并汇聚成电子束，在电子枪的加速电场(通常15175kV)作用下，电子被加速到接近或达到光速的一半，从而得到很高的能量。电子束再经过电磁透镜的聚焦作用，使电子束汇聚成更细的细束。束斑直径为数微米1 毫米，在某些场合下束斑直径可以小到数十分之一微米。电子束的功率密度高达 106109W/cm2。当电子束轰击材料时，其大部分能量转变为热能，使被冲击部分的材料温度达到几千摄氏度以上，由于热量来不及传导扩散，引起材料的局部融化和气化，从而蚀除材料。通过控制电子束能量密度的大小和能量注入时间就可以实现不同的加工目的。如果只使材料局部加热就可以进行电子束热处理;使材料局部熔化就可以进行电子束焊接;使材料熔化或气化便可以进行打孔、切割;若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，就可以械缱邮饪a idquotsogousnap0_23quotgt加工。2. 电子束化学效应的利用这是利用电子束代替常规的紫外线照射抗蚀剂，以实现曝光。其中包括:1 扫描电子束曝光。用电子束按所需的图形，以电子计算机控制进行扫描曝光。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。这是一种大面积曝光法，由光电阴极产生大面积平行束进行 123曝光。其特点是效率高、分辨率差。3 软 X 射线曝光。软 X 射线是由电子束产生，所以是一种间接利用电子束的投影曝光法。电子束曝光是利用电子束对抗蚀剂产生化学作用，一般不希望在材料表面产生热效应。电子束的能量足以使材料曝光而又不会产生熔化或热变形。二、电子束加工特点电子束加工的特点是:1. 电子束能够极其微细地聚焦，最小可以聚焦到 0.1m 。所以加工面积可以很小，是一种精密微细加工方法;2. 由于电子束能量密度很高，因而生产效率很高;3. 在去除材料时，主要靠瞬时蒸发，因此它是一种非接触式加工，被加工工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形，加工材料范围广;4. 可以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，整个加工过程便于实现自动化;5. 电子束加工是在真空中进行的，因而污染少，加工表面不易氧化，特别适用于易氧化的合金材料以及纯度要求极高的半导体材料的加工;6. 电子束可以将90以上的电能转换为热能，电子束的能量集中，能量损失小。在进行厚板焊接时，用电子束焊接所需能量大约只有电弧焊接的2。7. 电子轰击材料时会产生X 射线。不过，在设计电子束加工设备时，都已考虑到对X 射线的防护。除此之外，电子束加工不会产生粉尘，也不排放有害气体和废液，对环境几乎不造成污染。8. 加工过程需要一整套专用设备，价格较贵，生产应用还有一定局限性。8.3 电子束加工装置如图8-2所示，电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。电子枪是产生电子束的电子源，它是电子束加工的核心装置。电子束加工设备中，通常采用热阴极作电子源。在外电场的作用下，被加热到高温的金属或某些化合物会发射电子，即热电子发射。因此电子枪一般包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。如图 7-2 所示，阴极经过电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向正极，在电子飞向正极的过程中，经加 124速阳极加速，并通过电磁透镜把电子束聚焦成很细的束流。发射阴极一般用钨或钽制成，在加热状态下发射大量电子。小功率时作成丝状电极如图8-2a;大功率时作成块状阴极如图8-2b。电子枪阴极在工作过程中受到损耗，因此每1030 小时就得进行定期更换。控制栅极是中间有孔的圆筒形，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，而阴极为很高的负电压。真空系统是为了保证电子束加工时达到1.33(10-210-4)Pa 的真空度。因为只有在这样高的真空度条件下，电子才能高速运动。为了消除加工时的金属蒸汽影响电子发射，使其产生不稳定现象，需要不断地把加工中产生的金属蒸汽抽去。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，先用机械旋转泵把真空室抽至1.40.14Pa的初步真空度，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至1.3310-210-4 Pa的高真空度。控制系统有束流聚焦控制、位置控制、强度控制和工作台位移控制。束流聚焦控制是为了提高电子束的能量密度，基本上决定着加工点的孔径或窄缝的宽度。聚焦方法有两种，一种是利用高压静电场使电子流聚焦成细束;另一种是利用电磁透镜靠磁场聚焦。所谓电磁透镜实际上就是一个电磁线圈，通电后它产生的轴向磁场与电子束中心线相平行，径向磁场方向则与中心线相垂直。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的作用下，又将产生径向运动，所以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。束流位置控制是改变电子束运动方向，常用磁偏转来控制点的位置。如果使偏转电压或电流按一定程序变化，使电子束焦点便会按预定的轨迹运动。束流强度控制是为了使电子束流得到更大的运动速度，常在阴极上加 50150kV的负高压。电子束加工时，为了避免热量扩散至工件上不加工部位，常使电子束间歇脉冲性运动，因此加速电压也常是间歇脉冲性的。工作台的位置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，在大面积精密加工时要对工作台进行伺服控制，并与电子束的偏转相匹配。电源是提供加工能源和动力的装置，电子束加工对电源的稳定性要求较高，因电子束的聚焦、阴极发射强度均与电压的波动有密切关系，为此必须有稳压设备。8.4 电子束加工应用一、 高能量密度电子束加工高能量密度电子束加工包括电子束打孔、切割、焊接、熔炼、热处理、镀膜、蚀刻等多方面。在生产中用得较多的是焊接、打孔和蚀刻。电子在一定电场作用下，可以加速到很高的速度。在150kV 的直流电压作用下， 125电子可以加速到接近光速的一半，即160000km/s。当具有一定动能的电子轰击材料表面时，电子将首先穿透材料表面的薄层。这一薄层称为电子穿透层。当电子穿透这一薄层时，电子的速度没有太大的改变，也就是说电子的动能损失很小，所以电子对薄层不能进行加热。当电子继续前进时，其速度急剧减小，直到速度为0。此时电子把从电场中取得的约90的动能转换为热能，使材料急剧加热。工件材料的加热情况可能是:1)工件表面未熔化;2)工件表面熔化并有少量气化;3)工件表面气化并伴随少量熔化。因此根据上述三种加热情况，可以将高能量密度的电子束加工分为以下几种:1. 束流斑点功率密度为105106W/cm2，工件表面不熔化。主要用于电子束热处理。2. 束流斑点功率密度为106109W/cm2，工件表面熔化，也有少量气化。主要用于焊接和熔炼。3. 束流斑点功率密度为1091012W/cm2，工件表面气化，主要用于电子束打孔、刻槽、切缝、镀膜和雕刻等目前，电子束加工工艺水平如下:1. 高速打孔目前电子束打孔的最小直径为0.001mm;孔深0.0510mm;孔的内壁斜度约为12;孔的深径比可达10左右。例如喷气发动机套上的冷却孔、机翼吸附屏上的孔，不仅孔的密度连续变化，孔数达数百万个，而且孔径有时也是变化的。它最适宜采用电子束高速打孔。高速打孔是在工件运动中进行的，其效率比电火花打孔高100倍以上。如在0.1mm厚的不锈钢板上加工直径0.2mm的孔，速度为3000孔/秒。玻璃纤维喷丝头要打6000个直径0.8mm、深度3mm的孔，用电子束打孔可达20孔/秒。在人造革、塑料上用电子束打大量微孔，可以使其具有如真皮一样的透气性。在生产上已经出现了专用的塑料打孔机，将电子枪发射的片状电子束分成数百条电子束同时打孔，其速度可达50000 孔/秒，孔径12040m 可调。2. 型孔及特殊型面的加工电子束也可以用来加工一些特殊形状的截面，图8-3是电子束加工的喷丝嘴异型孔截面实例。出丝孔的窄缝宽度为0.030.07mm，长度0.8mm，喷丝板厚度0.6mm。为了使人造纤维具有光泽、松软具有弹性、透气性好，喷丝头的异形孔都是特殊形状。电子束可以切割各种复杂型面，切口宽度为36m ，边缘表面粗糙度可控制在0. 5m 左右。电子束不仅可以加工各种直的型孔和成型表面，还可以利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转，控制电子速度和磁场强度，加工出弯孔，若再加以工作 台的移动，可以加工出立体曲面，如图8.4所示。图8-3 电子束加工的喷丝嘴异型孔 126图8-4 电子束加工曲面和弯孔1 — 工件 2 — 工件运动方向 3 — 电子束3. 蚀刻在微电子器件的生产中，为了制造多层固体组件，利用电子束对陶瓷或半导体材料进行微细蚀刻，可以加工出许多微细的沟槽和孔来，如在硅片上刻出宽2.5m 、深0.25m 的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻出40m 宽的线条;此外，还可以在加工过程中对电阻值进行测量和校准，这些都是利用计算机控制来完成的。电子束刻蚀还可以用于制板，在铜制印筒上按色调深浅刻出许多大小与深浅不同的沟槽或凹坑，其直径为70120m ，深度为540m，小坑代表浅色，大坑代表深色。4. 焊接电子束焊接是电子束加工技术中发展最快、应用最广的一种，它已成为工业生产中不可缺少的焊接方法。电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。当高能量密度的电子束轰击焊接表面时，电子的动能转变为热能，使焊件接头处的金属迅速熔化和蒸发。在金属蒸汽的作用下，熔化的金属被排开，电子束继续撞击深处的固态金属，很快在焊件上形成一个熔融金属的熔池，如果焊件按一定速度沿着焊缝与电子束作相对移动，电子束在不断熔化熔池前方的固态金属的同时，其熔池后部的液态金属逐渐冷却、凝固形成焊缝。按照电子束所能焊接的材料及焊件结构特点归纳，其主要作用如下: 除黄铜等锌含量高的材料、低级铸铁和未脱氧处理的普通低碳钢等外，绝大多数金属及其合金都可以电子束焊接; 可以焊接熔点、导热系数相差很大的异种金属; 可单道不开坡口焊接厚件; 用于焊接在真空中使用的器件或内部要求真空的密封器件。5. 热处理电子束热处理也是把电子束作为热源，但适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到加热的目的。电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，从而可以获得超细晶粒组织，使工件获得用常规热处理方法不能达到的硬度，硬化深度可达0.30.8mm。 127电子束热处理在真空中进行，可以防止材料氧化。电子束设备的功率可以做得比激光功率大，所以电子束热处理工艺有很大发展前途。如果用电子束加热金属达到表面熔化，可在熔化区域加入添加元素，使金属表面形成一层很薄的新的合金层，从而获得更好的力学性能。铸铁的熔化处理可以产生非常细的索氏体结构，其特点是抗滑动摩擦。铝、钛、镍的各种合金几乎都可以进行添加元素处理，从而得到很好的耐磨性能。二、 电子束加工曝光集成电路、微电子器件、集成光学器件、表面声波器以及微机械元器件的图形制作技术中，通常将电子束曝光处理作为刻蚀前置工序。先利用低功率密度的电子束照射称为电致抗蚀剂的高分子材料，由入射电子与高分子相碰撞，使高分子链被切断或重新聚合而引起分子量的变化，这称为电子束曝光。如果按规定图形进行电子束曝光，就会在电致抗蚀剂中留下潜像。然后将其放入适当的溶剂中，则由于分子量不同而溶解度不一样，就会使潜像显影出来。图8-5 是电子束曝光的加工过程。电子束曝光主要分为两类:扫描电子束曝光和投影电子束曝光。由于微型电子器件的图形复杂而精细，而且基片面积大，要求电子束精细聚焦，并能自由移动，精确地达到规定的位置上，这就是扫描曝光。由于可见光的波长大于0.4m ，曝光分辨率难以小于1m ，用电子束曝光最佳可达到0.25m 的线条图形分辨率。投影电子束曝光是使电子束先通过原版，这种原版是用别的方法制成的比加工目标大几倍的模板。再以 1/51/10 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。它可以在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。图8-5 电子束曝光加工过程 1288.5 离子束加工一、 离子束加工的原理、分类和特点离子束 加工是加工分辨率很高的一种新兴的微细加工技术，它在亚微米甚至纳米精度的加工中大有发展前途。它能加工的材料很广泛，除加工各种金属及合金外，还可以加工玻璃、陶瓷和晶体材料等。离子束加工是在真空条件下，将离子源产生的离子经过加速电场加速、聚焦后，获得具有一定速度的离子束投射到被加工材料表面，产生撞击、溅射和注入效应，这就是离子束加工的物理基础。可以看出离子束加工的原理和电子束加工有些相似，不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数万倍。所以，一旦离子加速到较高的速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。具有一定动能的离子斜射到工件材料表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀(离子铣)。如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会进入工件表面，这就是离子的注入效应。离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的的不同，可以分为四类:即利用离子撞击和溅射效应的离子刻蚀、离子溅射沉积和离子镀，以及利用注入效应的离子注入。图8-6 是各类离子束加工的示意图。由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以精确控制，所以离子刻蚀可以达到纳米级的加工精度。离子镀膜可以控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度也可以精确控制。可以说，离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代纳米加工技术的基础;离子束加工是在真空中进行，污染小，特别使用于易氧化的材料的加工;离子束加工是靠离子轰击表面材料的原子来实现的，它是一种微观作用，宏观压力很小，所以加工应力、热变形等小，加工质量高;但是离子束加工设备费用贵，成本高。加工效率低，应用范围受到一定限制。Ar1 234a 离子刻蚀Ar1 234b 溅射沉积5Ar1 234c 离子镀5Ar 或其它离子1234d 离子注入图 8-6 各类离子束加工的示意图 1-离子源 2-吸收吸收电子、引出离子 3-离子束 4 工件 5-靶材 129二、 离子束加工装置离子束加工装置与电子束加工装置类似，它也包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。主要的不同部分是离子源系统。离子源用以产生离子束流。产生离子束流的基本原理和方法是使中性原子经高温、强光或放射线照射、高速电子撞击或放电作用而电离成等离子体。采用一个相对等离子体为负电位的电极，将正离子由等离子体引出，而后使其加速射向工件或靶材。材料的溅射率与离子束的入射角有关，对于表面抛光和刻蚀工艺必须严格控制离子束的束散角(指包含95束流的离子束边界所张的半角，通常要求束散角小于12)。由于工件与离子源有一定的距离，离子束发散不但使离子束衰减，还会缩小离子束的均匀区。此外，还要求离子源放电损失小，结构简单，运行稳定可靠。图7.4 所示为离子束加工装置示意图。根据离子束产生的方式和用途的不同，离子源有很多型式，常用的有考夫曼型离子源和双等离子管型离子源。1(考夫曼型离子源 图8-9为考夫曼型离子源示意图，它由灼热的灯丝2发射电子，在阳极9的作用下向下方移动，同时受线圈4磁场的偏转作用，作螺旋运动前进。惰性气体氩在3处注入电离室10，在电子的撞击下被电离成等离子体，阳极9和引出电极吸极8上各有300个直径为0.3mm的小孔，上下位置对齐。在引出电极8的作用下，将离子吸出，形成300条准直的离子束，再向下则均匀分布在直径为5cm的圆面积上。2(双等离子体型离子源 如图 8-10所示的双等离子体型离子源是利用阴极和阳极之间低气压直流电弧放电，将氩、氪或氙等惰性气体在阳极小孔上方的低真空中0.10.0lPa等离子体化。中间电极的电位一般比阳极电位低，它和阳极都用软铁制成，因此在这两个电极之间形成很强的轴向磁场，使电弧放电局限在这中间，在阳极小孔附近产生强聚焦高密度的等离子体。引出电极将正离子导向阳极小孔以下的高真空区1.3310-51.3310-6Pa，再通过静电透镜形成密度很高的离子束去轰击工件表面。 130三、离子束加工的应用离子束加工的应用范围正在日益扩大、不断创新。目前用于改变零件尺寸和表面力学物理性能的离子束加工有:用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工;用于给工件表面添加的离子镀膜加工;用于表面改性的离子注入加工等。1(刻蚀加工离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面原子，传递能量超过了原子间的键合力时，靶原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。为了避免入射离子与工件材料发生化学反应，必须用惰性元素的离子。氩气的原子序数高，而且价格便宜，所以通常用氩离子进行轰击刻蚀。由于离子直径很小约十分之几个纳米，可以认为离子刻蚀的过程是逐个原子剥离的，刻蚀的分辩率可达微米甚至亚微米级，但刻蚀速度很低，剥离速度大约每秒一层到几十层原子，表7-1 列出了一些材料的典型刻蚀率。表7-1 典型材料刻蚀率靶材料 刻蚀率nm/min 靶材料 刻蚀率nm/minAsGa 260 Si 36Ag 200 Fe 32Au 160 Zr 32Pt 120 Nb 30Al 55 Cr 20Ni 54 Ti 10Mo 4.