6.2. Электронно-лучевая обработка

Электронно-лучевой называют обработку, при которой для технологических целей используют остросфокусированный пучок электронов, движущихся с большой скоростью.

Метод электроннолучевой обработки (ЭЛО) основан на использовании тепла, выделяющегося при резком торможении потока электронов на поверхности обрабатываемой заготовки. При электроннолучевой обработке деталь помещают в гер­метическую камеру, в которой благодаря непрерывной работе ва­куумных насосов обеспечивается высокая степень разрежения (до 10^-7 Па). Поскольку электроны не изменяют химических свойств твердого тела, то обработка ими в вакууме является существенным достоинством этого метода, так как при обработке не проис­ходит химического загрязнения материала заготовки.

Существенным для использования в технике электронного луча для обработки материалов является простота получения большого количества свободных электронов. Если нагреть в вакууме металли­ческую, например танталовую или вольфрамовую, проволоку, то с ее поверхности излучаются электроны (термоэлектрон­ная эмиссия), число и скорость которых зависят от температуры нагрева.

Кинетическая энергия этих электронов, беспорядочно дви­жущихся в пространстве, окружающем эмиттер, сравнительно не­велика. Ее можно существенно повысить путем ускорения движе­ния электронов в определенном направлении воздействием элек­трического поля, создаваемого высокой разностью потенциалов между эмиттером, являющимся в данном случае катодом и анодом.

Для этого используют специальное устройство - электронную пушку, которое вместе с электронно-оптической системой создает остросфокусированный пучок электронов, излучаемых катодом, ускоряемый в ва­кууме электрическим полем с разностью потенциалов до 150 кВ. Скорость электронов при этом может достигать 100 тысяч км/с и более.

Съем металла с поверхности за счет испарения и взрывного вскипа­ния - физическая основа размерной ЭЛО. Пары материала, покидая зону обработки, производят давление - от­дачу, углубляя зону расплава. В связи с этим при ЭЛО возможно получить глубокое ("кинжальное") проплавление или сварку соединений, а при размерной ЭЛО - глубокие отверстия.

Электронный луч, необходимый для реализации технологического процесса, создается в специальном приборе – электроннолучевой пушке (рис. 6.12).

Рис 6.12. Схема электроннолучевой пушки:

1 – катод; 2 – прикатодный электрод; 3 – ускоряющий электрод; 4 – магнитная линза; 5 – отклоняющая система; 6 – изделие; 7 – высоковольтный источник

Пушка имеет катод 1, который нагревается до высоких температур проходящим током или путем бомбардировки электронами вспомогательного катода. Раскаленный катод испускает (эмитирует) свободные электроны. Катод изготовляют из тугоплавких металлов или специальной керамики.

Катод размещен внутри прикатодного электрода 2, изготовленного из нержавеющей стали. На некотором удалении от катода находится ускоряющий электрод (анод) 3 с отверстием. Между катодом и анодом создается электрическое поле высокой напряженности, в результате чего электроны, вылетевшие с катода, ускоряются. Прикатодный и ускоряющий электроды имеют форму, обеспечивающую такое строение электрического поля между ними, которое фиксирует электроны в пучок диаметром, равным диаметру отверстия в аноде. Положительный потенциал ускоряющего электрода может достигать нескольких десятков тысяч вольт, поэтому электроны, эмитированные катодом, на пути к аноду приобретают значительную скорость и энергию. После ускоряющего электрода электроны двигаются равномерно.

Питание пушки электрической энергией осуществляется от высоковольтного источника 7 постоянного тока. Электроны имеют одинаковый заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга, в результате чего диаметр электронного луча увеличивается, а плотность энергии в луче уменьшается.

Для увеличения плотности энергии в луче после выхода электронов из первого анода электроны фокусируются магнитным полем в специальной магнитной линзе 4, представляющей собой катушку, питаемую электрическим током. Фокусировка электронов в пучок минимального размера происходит на некотором удалении от магнитной линзы, в области которой осуществляется электроннолучевая обработка. Сфокусированные электроны ударяются с большой скоростью о малую ограниченную площадку на изделии 6 и их кинетическая энергия превращается в теплоту, нагревая металл до очень высокой температуры.

Для перемещения луча по поверхности обрабатываемого объекта на пути электронов помещают магнитную отклоняющую систему 5, с помощью которой может отклонить луч по любой траектории и с любой частотой. Эти системы используют для точного установления луча по стыку (при сварке), интенсивного перемещения металла (при сварке и металлическом плавлении), отклонении луча на значительное расстояние (при напылении).

Размерная обработка производится с помощью остросфокусированных потоков электронов. Она основана на интенсивном испарении материалов из зоны воздействия пучка с минимальным образованием жидкой фазы. Этот вид обработки используется для формирования планарных изображений, подгонки электрических номиналов элементов тонкопленочных схем, обработки изделий из таких материалов, как кремний, германий, керамика, ферриты, керметы и т. д. Мощность установок для этих целей в непрерывном режиме обычно не превышает 1 кВт, а в импульсном - 15 кВт.

При больших плотностях мощности и ускоряющих напряже­ниях порядка 100 - 175 кВ в зоне обработки возникают очень высокие температуры и все известные материалы при таких условиях плавятся и затем испаряются.

Можно также получать покрытия из труднолетучих и тугоплавких материалов: А1₂О₃, SiO₂, стекла и карбидов тугоплавких металлов.

Для формирования потока электронов и транспортировки его к объекту необходим вакуум. Внутри электронных пушек - на уровне 10^-3…0^-4 Па, а в технологических камерах 10^-2 - 10^-3 Па.

Так как электронный луч очень чувствителен к электриче­ским и магнитным полям, то в электронных установках долж­на быть предусмотрена стабилизация ускоряющего и фокусирующих напряжений, сил токов питания фокусирующих и отклоня­ющих магнитных систем. Схема электроннолучевой технологической установки показана на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Типовая схема электроннолучевой технологической установки:

1- управляющая ЭВМ; 2 - управляющее устройство перемещения объекта; 3 - контрольное устройство; 4 - блок отклонения луча; 5 - блок фокусировки; 6 - высоковольтный выпрямитель; 7 - блок питания модулятора; 8 - блок питания катода; 9 - катод электронной пушки; 10 - модулятор; 11 - система откачки пушки; 12 - изолятор; 13 - анод; 14 - фокусирующая магнитная катушка; 15 - катушка отклонения луча; 16 - система визуального контроля зоны обработки; 17 - объект;

18 - вакуумный шлюз; 19 - механизм крепления и перемещения объекта;

20 - система откачки рабочей камеры; 21- рабочая камера

В зависимости от конструкции электронной пушки, поток электронов может быть сформирован в виде луча круглого сечения, ленты, клина, кольца, иметь различную энергию в выбранном диапазоне, быть стационарным или импульсным.

Эмиттером электронов в пушках с небольшими силами тока пучка служат металлические (вольфрамовые и танталовые) термокатоды прямого действия, конструктивно выполняемые в виде V-образных проволочек, стержней, спиралей, таблеток.

Повысить концентрацию электронов можно, если сжать плазму стенками сужающегося полого электрода или воздействовать на нее магнитным полем, концентрируя зону разряда в малом объеме. Такое двойное контрагирование плазмы происходит в дуоплазматронах. В них разряд зажигают между термокатодом или холодным полым катодом и анодом, в котором имеется эмиссионное отверстие диаметром 0,3 - 2 мм.

Конструктивно такая электронная пушка оформляется в камере 1 (рис. 6.14), откачиваемой отдельно от рабочей камеры установки. В камере через высоковольтный изолятор 4 закреплены катодный узел со сменной вольфрамовой спиралью 2, водоохлаждаемый промежуточный электрод 5 и основной анод 3. Промежуточный электрод и корпус анода изготовлены из стали и служат магнитопроводами.

Магнитное поле создается катушкой 6. В зазоре по оси между анодом и промежуточным электродом обеспечивается резко неоднородное магнитное поле для сжатия плазмы. Рабочий газ (аргон) подается в полость промежуточного электрода через регулируемый натекатель с расходом порядка 10 см³/ч, при этом в разрядной камере давление составляет 5 -10 Па. Максимальное давление ограничено возможностью пробоя, а минимальное - погасанием дуги.

При включении напряжения между термокатодом и промежуточным электродом внутри последнего зажигается несамостоятельный разряд. Он инициирует образование дугового разряда между основным анодом и катодом после включения анодного напряжения. Плазма дуги сжата в канале промежуточного электрода и затем в разрыве магнитной цепи на выходе из него.

Со стороны плазмы анод окружен слоем пространственного заряда. Этот заряд формирует границу плазмы, и она не выходит значительно за пределы эмиссионного отверстия. Магнитное поле с индукцией порядка 0,2 Тесла сконцентрировано в малом зазоре между цилиндрическим промежуточным электродом и анодом. Поле дополнительно сжимает плазменный разряд, увеличивая концентрацию заряженных частиц до 610^-14 см^-3. В зависимости от силы тока разряда, вытягивающего напряжения и расстояния между анодом и ускоряющим электродом, форма границы плаз­мы в области эмиссионного отверстия может быть плоской, выпуклой или вогнутой. Последняя форма способствует начальной фокусировке электронного потока.

Степень ионизации рабочего газа в этой области близка к 100%. Для извлечения электронов с границы плазмы и начального формирования потока используется конический вытягива­ющий электрод 7. Обычно он заземлен, а все детали дуоплазматрона находятся под высоким отрицательным потенциалом.

Рис. 6.14. Конструкция дуоплазматронной плазменной электронной пушки.

1. камера; 2 - спираль; 3 - основной анод; 4 - изолятор; 5 - промежуточный анод;

6 - катушка; 7 - вытягивающий электрод; 8 - вакуумный патрубок.

Поток электронов выходит в камеру через вакуумный патрубок 8, где он фокусируется магнитной линзой и отклоняется полем катушек.

Типовой режим работы рассмотренного источника: сила тока разряда дуги 0,1—12 А при напряжении горения дуги 50—150 В; сила тока пучка до 1,5 А при вытягивающем напряжении до 30 кВ. Даже при относительно малых токах разряда (2—1,5 А) и расходах газа плотность тока с границы плазмы составляет 25—100 А/см², а общий ток - единицы ампер. Используя анодные и вытягивающие системы с большим количеством отверстий, из плазменных эмиттеров можно извлекать токи силой до тысяч ампер.

К установкам ЭЛО материалов в вакууме относятся устройства для зонного переплава (очистки), выращивания монокристаллов, легирования полупроводников, сварки, нагрева с целью модифицирования структуры, испарения и для размерной обработки.

В промышленности эксплуатируются плавильные установки с различными узлами для создания мощного электронного пучка кольцевыми катодами, радиальными электронными излучателями и аксиальными пушками. В них подлежащий плавке металл вводится в вакуумную камеру с давлением порядка 10^-2—10^-3 Па, расплавляется электронным по­током и каплями стекает в водоохлаждаемый кристаллизатор, где кристаллизуемый слиток постепенно вытягивается из камеры.

Наибольшее распространение для выполнения термических процессов получили установки с аксиальными пушками. Возможность отдельной откачки их объемов до высокого вакуума, удаленность эмиттера электронов от зоны обработки и применение систем сканиро­вания лучом позволяют выполнять операции при высоких ускоряющих напряжениях и больших удельных мощностях. Такая установка изображена на рисунке 6. 15.

Рис. 6.15. Схема электроннолучевой установки для вакуумного переплава металлов: 1- привод перемещения слитка; 2- корпус; 3- подвижный шток;

4- переплавленный слиток; 5- кристаллизатор; 6- резервный металл для переплавки; 7,9- насосы; 8- электронная пушка; 10- электронный луч;

11- переплавляемый металл; 12- вакуумная камера.

Электроннолучевая сваркаосуществляется путем образования локализованного расплава на стыке двух материалов или деталей с последующим его затвердеванием и образованием неразъемного соединения. Это единственный вид сварки, позволяющий осуществить практически все виды сварных швов, при этом в изделиях меньше проявляются термические напряжения и коробление. Глубина швов может значительно превосходить их ширину, составляющую в ряде случаев единицы микрометров. Однако проведение высококачественной электроннолучевой сварки требует точной подгонки кромок деталей свариваемого изделия.

Для сварочных процессов используют пушки небольшой мощности, обычно 1—3 кВт, хотя имеются и установки мощностью 250 и 1000 кВт для сварки легированных сталей толщиной 150…200 мм, обеспечивающие высокие скорости процесса и соотношение глубины шва к его ширине 25:1. Зона термического влияния шва при этом в 40 раз меньше, чем при многопроходной дуговой сварке под слоем флюса.

Нанесение покрытий методом ЭЛО осуществляется путем испарения материалов. Различают их по способу испарения: с использованием водоохлаждаемого тигля, автотигельные, бестигельные с испарением металла с поверхности свободно висящей капли (капельный анод). Возможно испарение одновременно из нескольких тиглей, расплавы в которых находятся при разных температурах.

Устройство распыления должно обеспечивать равномерное распределение плотности конденсирующихся паров с целью получения пленок равных толщин на значительных площадях. При этом концентрация загрязнений в конденсате должна быть минимальной.

Простота управления электронным пучком во времени и пространстве позволяет точно дозировать количество энергии, подводимой к расплаву. Следовательно, прямой нагрев поверх­ности испаряемого материала таким пучком открывает широкие возможности регулирования скорости испарения и распределе­ния плотности парового потока в пространстве перед мишенью.

Электроннолучевой испаритель (рис. 6.16) состоит из трех основных частей: электронной пушки, отклоняющей системы и водоохлаждаемого тигля.

Электронная пушка предназначеная для формирования потока электронов и состоит из вольфрамового термокатода 6 и фокусирующей системы 7. Электроны, эмиттируемые катодом, проходят фокусирующую систему, ускоря­ются за счет разности потенциалов между катодом и анодом (до 10 кВ) и формируются в электронный луч 8.

Рис. 6.16. Электроннолучевой испаритель:

1 - полюсный наконечник; 2 – электромагнит; 3 - водоохлаждаемый тигель;

3. - испаряемый материал; 5 - поток наносимого материала; 6- термокатод;

7 - фокусирующая система; 8 - электронный луч; 9- покрытие; 10- подложка

Отклоняющая система предназначена для создания магнитного поля, перпендикулярного направлению скорости движения электронов, выходящих из фокусирующей системы пушки, и состоит из полюсных наконечников 1 и электромагнита 2. Между полюсными наконечниками расположены водоохлаждаемый тигель 3 и электронная пушка. Отклоняя электронный луч магнитным полем, его направ­ляют в центральную часть водоохлаждаемого тигля 3. В месте падения луча создается локальная зона испарения вещества из жидкой фазы. Нагретый электронной бомбардировкой материал 4 испаряется, и поток паров 5 осаждается в виде тон­кой пленки 9 на подложке 10. Изменяя ток в катушке электро­магнита 2, можно сканировать лучом вдоль тигля, что предо­твращает образование "кратера" в испаряемом материале.