电子束加工技术(电子束技术原理及应用)

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自20世纪中期以来，电子束技术为半导体制造、微机电系统、纳米微机电系统和显微镜等领域的各种新颖和专业应用提供了基础。

一、电子束产生机制

真空中的自由电子可以在电场和磁场的作用下形成精细的电子束流。当电子束流与固态物质碰撞时，电子转化为热能或动能。这种能量在小体积物质中的集中可以被电子精确控制，这带来了许多优点。

二、应用

电子束流对固体材料冲击部位温度的迅速升高可以使目标材料迅速熔化。在极端的工作条件下，温度的快速升高甚至会导致蒸发，使电子束成为加热应用(如焊接、熔炼)的绝佳工具。电子束技术用于电缆隔离处理、亚微米和纳米尺寸图像的电子光刻、微电子彩色印刷的电子束固化以及包括液晶薄膜在内的聚合物的制造和改性等许多其他应用。

1、熔炼

在真空中，电子束提供了一种热源，可以熔化或改变任何材料。[2]这种热源或相变是绝对无菌的，因为在冷的铜坩埚壁周围存在真空和凝固金属。这确保了最纯净的材料可以在电子束真空炉中生产和精炼。稀有和难熔金属可以在小容量真空炉中生产或精炼。为了大规模生产钢铁，在工业化国家存在着以公吨为单位的容量和以兆瓦为单位的电子束功率的大型熔炉。

2、焊接

自20世纪50年代末电子束焊接开始具有工业规模以来，无数电子束焊机已被设计并在世界范围内使用。这些焊机的工作真空室从几升到数百立方米不等，带有携带功率高达100千瓦的电子枪。

3、表面处理

现代电子束焊机通常设计有一个计算机控制的偏转系统，该系统可以在工件的选定区域快速准确地穿越电子束。由于加热迅速，只有材料的薄表层被加热。应用包括硬化，退火，回火，织构和抛光(氩气存在)。如果用电子束在表面切割一个浅槽，沿着槽以高速重复地水平移动电子束，就会产生一小堆喷射出来的熔化金属。通过重复，可以制造出高达一毫米的尖峰结构。这些结构可以帮助不同材料之间的结合，并改变金属的表面粗糙度。

4、增材制造

增材制造是将材料连接到3D模型数据中制造物体的过程，通常是通过一层一层地熔化粉末材料。用计算机控制的扫描电子束在真空中熔化是非常精确的。电子束直接制造(DM)是第一个商业上可用的、大规模的、完全可编程的实现近净形状零件的方法。

5、金属粉末生产

源坯金属在猛烈旋转的过程中被电子束熔化。当金属飞离金属棒冷却时，产生粉末。

6、机械加工

电子束加工是将高速电子集中成具有很高平面功率密度的窄光束的加工过程。然后，光束截面聚焦并指向工件，产生热量并使材料汽化。电子束加工可用于各种金属的精确切割或镗孔。由此产生的表面光洁度更好，切口宽度比其他热切割工艺所能产生的更窄。然而，由于设备成本高，该技术的使用仅限于高价值产品。

7、光刻技术

电子光刻机是由非常精细聚焦的电子束产生的，电子束在抗蚀剂中产生微观结构，这些结构随后可以通过蚀刻转移到衬底材料上。它最初是为制造集成电路而开发的，也用于创建纳米技术架构。电子光刻机使用的电子束直径从两纳米到数百纳米不等。电子光刻机也用于制作计算机生成全息图(CGH)。无掩模电子光刻技术在光刻的掩模制造、半导体元件的小批量生产以及研究和开发活动中得到了广泛的应用。

8、物理气相沉积太阳能电池生产

物理气相沉积是在真空中进行的，通过在衬底结构上沉积薄层金属来生产太阳能电池薄膜。电子束蒸发利用热学发射来产生电子流，通过高压阴极和阳极的排列来加速电子流。静电和磁场聚焦并引导电子击中目标。动能在材料表面或表面附近转化为热能。由此产生的加热使材料熔化，然后蒸发。温度可以达到3500摄氏度以上。来自源的蒸汽凝结在基板上，形成高纯度材料的薄膜。薄膜厚度从单个原子层到许多微米都可以实现。这项技术用于微电子、光学和材料研究，并生产太阳能电池和许多其他产品。

9、固化和灭菌

电子束固化是一种不需要传统溶剂固化涂料和油墨的方法。电子束固化产生的光洁度与传统的溶剂蒸发过程相似，但通过聚合过程实现光洁度。电子束加工也用于交联聚合物，使其更耐热、机械或化学应力。

电子束加工已用于医疗产品的灭菌和食品的无菌包装材料，以及对谷物、烟草和其他未经加工的散装作物进行虫害消毒和消灭活虫。

10、电子显微镜

电子显微镜使用一束受控的电子束来照射样品并产生放大的图像。两种常见的类型是扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。

11、医学放射治疗

电子束撞击金属产生X射线。X光片可能是诊断性的，例如牙齿或肢体图像。通常在这些X射线管中，金属是一个旋转的圆盘，所以它不会融化;圆盘通过磁性马达在真空中旋转。X射线也可以用来杀死癌变组织。