2.2. Взаимодействие электронных пучков с твердым телом

Современные электронно-оптические системы позволяют получать интенсивные электронные пучки, распространяющиеся с большой скоростью в направлении мишени (обрабатываемая деталь, экран кинескопа и т.д.). Энергия пучка электронов, его сфокусированность, направление на мишень и другие параметры потока заряженных частиц сравнительно легко поддаются дистанционному управлению. На своем пути к поверхности мишени электроны претерпевают столкновения с частицами газовой среды, изменяя свою энергию и направление движения. Чтобы поверхности мишени достигала значительная часть электронного пучка, в установке следует поддерживать давление газов на уровне не менее чем Па. Создание соответствующего вакуума в установке осуществляется с помощью одно- или двухступенчатой системы вакуумных насосов, мощность откачки которых должна быть достаточной для ведения технологического процесса (при облучении электронами обрабатываемого объекта возможно интенсивное выделение газов и паров).

Рис. 2.1. Схема установки для электроннолучевой обработки: 1 – катод; 2 – система центрирования; 3 – вакуумная камера; 4 – обрабатываемая заготовка; 5 – магнитная линза для фокусировки; 6 – магнитная линза; 7 – электронный пучок; 8 – анод

7

Процессы, происходящие при взаимодействии пучка энергичных электронов с поверхностью, отличаются большим разнообразием. Более подробно рассмотрим те из них, которые существенны для протекания технологического процесса или они лежат в основе современной диагностики и анализа происходящих процессов. С энергетической точки зрения акты взаимодействия электронов можно разделить на два основных класса – упругие и неупругие взаимодействия. Неупругие взаимодействия сопровождаются переходом кинетической энергии электронов в другие виды энергии. При упругих взаимодействиях частицы обмениваются энергией и импульсом, однако в этом случае соблюдаются законы сохранения энергии и импульса частиц, участвующих в процессе. Из этих законов следует, что потеря энергии частицей при взаимодействии с другой частицей тем меньше, чем сильнее они отличаются по массам. Поэтому при столкновении электрона с атомом, отличающихся по массам более чем на три порядка, потери энергии электрона меньше тысячной доли его первоначальной энергии. Для технологических целей энергия электронов обычно не превышает 100–200 кэВ. В этом диапазоне энергий при упругом столкновении электрона с атомом может происходить смещение атома из его положения равновесия и по атомной цепочке распространяется упругая волна, энергия которой квантуется. Квант ее энергии называется фононом. Таким образом, при взаимодействии электрона с атомом происходит рассеяние электрона почти без потери энергии (квазиупруго), а в твердом теле возбуждается один или несколько фононов. Если переданной энергии недостаточно для возбуждения фонона, то энергия электрона сохраняется, он только изменяет направление своего движения. При углах отклонения, близких к , электроны могут возвратиться в вакуум. Эти электроны называются упруго отраженными.

Многие процессы взаимодействия электронов с твердым телом сопровождаются не только изменением направления движения частиц, но и уменьшением их энергии. При взаимодействии движущихся электронов с полем вещества происходит их торможение, сопровождающееся по законам электродинамики возникновением электромагнитного излучения. Это излучение имеет непрерывный спектр и называется тормозным излучением. Оно широко используется в источниках рентгеновских лучей.

При энергиях электронов, используемых для технологических целей, потери энергии с тормозным (а также и с некоторыми другими видами излучений) сравнительно невелики. Основные энергетические потери связаны с возбуждением электронной системы вещества. Электрон-электронные взаимодействия в твердом теле подразделяются на коллективные и одночастичные. При взаимодействии первичного электрона с совокупностью валентных электронов твердого тела (коллективное взаимодействие), которые в этом случае можно рассматривать как электронную плазму, возникают квантованные колебания электронной плотности. Квант энергии плазменных колебаний, обладающий определенным значением энергии и импульса, называется плазмоном. Через время порядка с плазмоны распадаются, выделившаяся при этом энергия ( эВ) либо уносится электромагнитным излучением, либо передается твердому телу.

При одночастичном взаимодействии энергия первичного электрона расходуется на возбуждение и ионизацию атомов твердого тела, электроны которого могут при этом получить энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера и выхода в вакуум. Это явление называется вторичной электронной эмиссией. Вторичная электронная эмиссия используется для анализа состояния поверхности твердого тела, а также широко применяется в различных электровакуумных приборах (фотоумножителях, усилителях яркости изображения и т.д.).

Вакансии, образовавшиеся на одном из внутренних уровней энергии атома при уходе электронов из-за ионизации, заполняются электронами, находящимися на вышележащих энергетических уровнях. Возможен процесс, когда выделяющаяся при этом дискретная порция энергии безызлучательно расходуется на перевод одного из связанных электронов в вакуум (оже-эффект). По энергии оже-электрона, покинувшего твердое тело без энергетических потерь, можно судить о природе атома, в котором произошел переход. Измерение энергий и интенсивности потоков оже-электронов лежит в основе электронной оже-спектроскопии.

В результате электрон-электронных взаимодействий происходит также неупругое отражение части первичных электронов. При этом часть энергии электронного пучка уносится из вещества, существенно уменьшая КПД технологического процесса (коэффициент неупругого отражения составляет десятки процентов).

Вследствие появления возбужденных электронов в зоне проводимости и «дырок» в валентной зоне при электронном облучении мишени происходит увеличение проводимости вещества (радиационная или наведенная проводимость). При рекомбинации возбужденных электронов с носителями заряда противоположного знака выделяемая энергия преобразуется различными способами, в том числе возможно рекомбинационное излучение, называемое также люминесценцией. Широкое применение это явление получило при создании люминесцентных экранов электронно-лучевых приборов.

При электронных переходах или ионизации резко изменяются силы взаимодействия между соседними атомами, при этом происходит изменение расположения атомов. Это может привести к электронно-стимулированной десорбции примесей и посторонних включений обрабатываемой детали; химическим реакциям, обусловленным электронной бомбардировкой; а также образованию дефектов в кристаллической решетке.

Энергия электронного пучка при его взаимодействии с мишенью, за исключением той части, которая уносится отраженными электронами, эмитированными с поверхности электронами, фотонами и атомами, поглощается веществом мишени и переходит в теплоту. Этот процесс играет очень важную роль в технологии и используется для электронно-лучевого нагрева вещества. При нагреве происходит целый ряд термических процессов: плавление, испарение, рекристаллизация, отжиг и т.д.

При облучении вещества электронным пучком наиболее сильное взаимодействие с материалом мишени наблюдается при сравнительно небольших энергиях электронов. Поэтому максимальное выделение энергии пучка наблюдается не на поверхности, где энергия электронов еще велика, а в объеме тела мишени, на некоторой глубине. Достоинством электронно-лучевого воздействия на вещество является возможность достичь очень высокой концентрации тепловой энергии. Это позволяет эффективно проводить целый ряд технологических процессов, протекающих при высокой температуре.