11.3.1. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПОТОКОВ

11.3.1. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПОТОКОВ

Под электронно-ионной технологией в широком смысле понимают комплекс методов обработки материалов и объектов потоками электронов, ионов, плазмы и нейтральных атомов. Данные процессы широко используются в металлургии, машиностроении, производстве изделий электронной техники, приборостроении, плазмохимии, медицине, а так же в научных исследованиях. Электронно-ионные технологии, в которых электронные и ионные пучки используются в качестве носителей энергии, обладают рядом преимуществ перед традиционными способами обработки: широким диапазоном регулирования концентрации энергии в пучках заряженных частиц вплоть до значений, недоступных для ранее известных источников, локальностью и селективностью воздействия, проведением процессов в вакууме, доступностью безынерционного управления и автоматизации.

История электронно-лучевой технологии непосредственно связана с развитием физики электронных пучков, электронной оптики и вакуумной техники. Среди основных этапов на пути технологического применения электронных пучков следует отметить первые опыты по плавке тантала М. Пирани (М. Pirani, Германия, 1905 г.), работы М. фон Арденне (M.V. Ardenne, Германия) по сверлению и испарению металлов в 30-е годы, развитые в дальнейшем К. Штайгервальдом (К. Steigerwald, Германия, 1950 г.) в области прецизионной обработки поверхностей, а также работы Дж. Стора [(J.A. Stohr), США, 1958 г.] в области технического применения электронно-лучевой сварки. Особо следует выделить пионерские работы по формированию и выпуску в атмосферу концентрированных электронных пучков, проведенные в 30–40-х годах С.Т. Синицыным в ВЭИ (СССР).

К началу 60-х годов в ряде стран (СССР, Германия, США, Франция, Англия, Япония) в основном сформировалось данное направление, включающее методы и установки электроннолучевой технологии для испарения материалов и нанесения покрытий, плавки и литья металлов, сварки, термообработки.

Становление электронно-лучевой технологии в России, начиная с 60-х годов, связано с активной деятельностью профессора МЭИ М.Я. Смелянского, работами ВНИИЭТО по разработке комплексов электронно-лучевого технологического оборудования для переплава металлов, ВЭИ по созданию электронных пушек в комплекте с системами питания. В эти же годы ученые ИЭС им. Е.О. Патона начали интенсивно разрабатывать технологию нанесения высокотемпературных покрытий на лопатки турбин авиационных двигателей.

Примерно в это же время начала интенсивно разрабатываться электронно-лучевая аппаратура для сварки (ИЭС им. Е.О. Патона); НПО «Орион» и НИИ «Исток» начали разрабатывать электронно-лучевые установки технологических процессов в микроэлектронике.

Довольно быстро определились основные направления разработки электронно-лучевой технологической аппаратуры, которые сохранились и в настоящее время. К ним следует отнести прежде всего:

переплав металлов, особенно тугоплавких (W, Та, Mo, Nb) и высокореактивных, с целью рафинирования и придания им более высоких качеств;

литье тугоплавких металлов, которое нельзя было осуществлять до появления электроннолучевой технологии;

сварка;

размерная обработка, перфорация отверстий.

Все эти процессы основаны на использовании термического воздействия электронных пучков на объект обработки. Наряду с термическим воздействием начали разрабатываться также основы радиационно-химического воздействия (электронная литография, применяемая при изготовлении элементов микроэлектроники, а также отверждение тонкопленочных диэлектрических покрытий).

Каждый из перечисленных технологических процессов предъявляет свои специфические требования к создаваемой электронно-лучевой аппаратуре, поэтому разработка ее проводилась на совершенно различных конструктивных принципах и подходах к созданию методов формирования электронных потоков и способов управления ими.

Электронные пушки для переплава и литья металлов должны обладать огромной мощностью — от 50 до 1000 кВт в непрерывном режиме, что обусловлено большими объемами переплавленного материала и высокой производительностью процесса. Однако плотность мощности на расплаве не должна превышать 10³—10⁵ Вт/см² во избежание испарения металла. Пушки работают в условиях интенсивного газовыделения, и давление в плавильной камере колеблется в пределах 10^—1—10^—3 Па. Поэтому наибольшей сложностью в создании подобных пушек является учет ионных и плазменных процессов и обеспечение стабильной работы. За рубежом наибольших успехов в разработке таких пушек достигли институт фон-Арденне и фирма «Leibold-Hereus» в Германии; в России работы этого направления выполняет ВЭИ.

В основном в электронных пушках для плавки используются термокатоды. Однако существуют оригинальные разработки с использованием высоковольтного тлеющего разряда (ВЭИ) или разряда Пеннинга (Ю. Е. Крейндель, Институт сильноточной электроники, г. Екатеринбург) в качестве источника электронов. Пушки с этими катодами обладают рядом положительных свойств, делающих их применение предпочтительным для некоторых технологических процессов.

Применение электронных пушек для нанесения высококачественных и коррозионно-стойких покрытий на детали авиационных двигателей и компрессоров потребовало создания относительно маломощных (1–20 кВт) пушек, скомпонованных в испарители, позволяющие вести одновременно напыление нескольких компонент (фирма «Leibold Hereus», Германия; Институт электросварки им. Е.О. Патона, СССР).

Электронно-лучевая сварка получила более широкое распространение в технике по сравнению с процессом переплава металлов. Для этого процесса требуется высокая удельная мощность (10⁵–10⁷ Вт/см²) при относительно небольшой общей мощности (от единиц до десятков киловатт), необходимо высокое качество формирования луча. Проблемы стабильности здесь менее важны. Особое внимание уделяется точности управления электронным лучом по местоположению, сигналам датчиков обратной связи, автоматизации процесса. В СССР практически каждая отрасль промышленности разрабатывала установки, соответствующие своим потребностям: для авиационной промышленности — НИАТ, космической — ЦНИИТМ, радиоэлектронной — НПО «Исток» и т.п. Следует особо отметить, большой вклад в разработку электронно-лучевой сварки, сделанный ИЭС им. Е.О. Патона. Наряду с установками, разработанными и освоенными в производстве для широкой номенклатуры изделий машиностроения, в ИЭС им. Е.О. Патона созданы такие оригинальные системы, как установка для сварки толстостенных деталей с глубиной шва 100 мм и более при уровне напряжения 100 кВ и мощности 100 кВт, устройство для сварки в открытом космосе, сварочные установки с выводом электронного пучка в атмосферу.

Особый раздел электронно-лучевой технологии представляют установки для микроэлектроники. Электронный луч, обладающий в принципе большей разрешающей способностью по сравнению со световой оптикой, широко используется в электронной литографии, а также для гравирования при производстве микросхем. Здесь при высоком уровне напряжения (30–150 кВ) используются очень слабые токи и основное внимание уделяется безаберрационным линзам и источникам питания с высоким уровнем (0,01%) стабилизации напряжения. Следует отметить определяющую роль в разработке подобной аппаратуры А.Н. Кабанова (НПО «Орион», Москва). Особое направление в электронно-лучевой технологии представляет собой использование электронных пучков, выведенных в атмосферу. Вывод пучков осуществляется или через фольговые окна большого сечения, или через газодинамические окна малого диаметра, обеспечивающие выход пучка из вакуума непосредственно в атмосферу. Электронные пучки в атмосфере используются в радиационно-химической технологии: для полимеризации лаков и изоляционных пленок, вулканизации резины, стерилизации медицинского инструмента, очистки вод и др. Следует отметить, что внедрение подобной аппаратуры происходит медленно из-за ее высокой стоимости и необходимости обеспечивать биологическую защиту обслуживающего персонала. По уровню напряжения условно можно разбить эту аппаратуру на две группы: электронные пушки (уровень напряжения 150–300 кВ) и промышленные ускорители (300–3000 кВ).

Ускорители разрабатываются в основном в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера (г. Новосибирск). Они имеют достаточно широкий диапазон возможных применений, однако высокий уровень используемого напряжения делает их дорогими и громоздкими. Установки с пушками, разрабатываемые в ВЭИ, значительно дешевле и более мобильны, но толщина обрабатываемых объектов здесь существенно ограничена. Следует заметить, что разработка установок с выпуском пучков большого сечения в атмосферу стимулировала в 70–80-х годах создание мощных электроионизационных лазеров, в которых электронные пучки использовались для стабилизации электрического разряда. В последние годы интенсивно изучается возможность использования выведенных в атмосферу пучков для связывания оксидов азота и серы путем образования солей с целью очистки газообразных выбросов предприятий от токсичных веществ.

Вскоре после начала разработки и освоения электронных пучков для технологии в 70-х годах начали изучаться возможности применения ионных пучков. Интерес к применению ионных пучков в технологии вызван прежде всего возможностью внедрения ионов в кристаллическую решетку обрабатываемого материала с целью придания ему новых качеств.

Источники ионов находят широкое применение в самых различных областях науки и техники. Их принципы действия основываются на различных методах получения ионов. Ионные источники можно разделить на две основные группы:

1) собственно ионные, в которых ионный пучок формируется и ускоряется в электрическом поле вне плазмы после соответствующего разделения зарядов на ее границе;

2) плазменные ускорители, которые создают поток ионов без предварительного разделения зарядов.

Начало развития эффективных ионных источников относится к 30-м годам. Совершенствование этих приборов стимулировали исследования в области ядерной техники, эксперименты по магнитному разделению изотопов, исследования в области термоядерного синтеза методом внешней инжекции мощных высокоэнергетичных ионных пучков, а также работы по использованию ионных и плазменных потоков для получения реактивной тяги. В СССР основополагающие результаты в данных областях были получены в основном в Институте атомной энергии (ИАЭ) им. И.В. Курчатова.

В промышленности ионные пучки широко используются для ионного распыления материалов, осаждения пленок, ионного травления микроструктур, ионного легирования материалов, ионной литографии. Информативными и чувствительными являются методы ионного анализа материалов, развиваемые в последнее время. Среди них вторичная ионная масс-спектрометрия, эффективно используемая на предприятиях электронной техники. С 70-х годов ионная имплантация широко применяется в производстве полупроводниковых приборов в США, Японии, СССР и других развитых странах. Среди отечественных разработчиков физико-технических процессов и установок ионной технологии следует отметить ИАЭ им. И.В. Курчатова, Московский авиационный институт, Томский политехнический институт и др.

В разработке электронно- и ионно-лучевой технологической аппаратуры существенным является создание комплекса, включающего в себя источник электронного или ионного луча, системы питания и управления. Иногда этот комплекс называют энергоблоком. Управление положением пучка в пространстве и обеспечение сложного частотно-импульсного режима определяет качественные возможности технологического процесса.

В некоторых системах, например электронных пушках для испарения, необходимо отклонение пучков на 90 и даже 180°. Необходимость в перемещениях пучка привела к использованию сложных систем позиционирования. В некоторых технологических установках, например для изготовления элементов микроэлектроники, эти требования чрезвычайно высоки. В большинстве случаев используются микропроцессорные системы управления. Особой сложностью характеризуется устройство, обеспечивающее информацию о положении электронного луча, для чего используются вторично-электронная эмиссия и рентгеновское излучение, возникающее при контакте луча с объектом обработки и прохождением его через газовую среду.

Установки ионного азотирования основаны на интенсивной очистке поверхности металла потоком ионов с целью образования на поверхности тонкого слоя вещества с повышенной твердостью, стойкостью к износу и иным воздействиям. Для создания мощного потока ионов с высокой энергией обрабатываемые изделия помещаются в атмосферу смеси газов (азот, водород), в которой зажигается сильноточный тлеющий разряд, причем катодом служат изделия. При напряжении в сотни вольт и при мощности в сотни киловатт поток ионов воздействует на обрабатываемые детали в течение нескольких часов, после чего срок службы деталей повышается в несколько раз. Одной из серьезнейших проблем при создании мощных установок ионного азотирования стала опасность перехода тлеющего разряда в дуговой вследствие локальных неоднородностей (загрязнений) на поверхности материала. Условия протекания тока разряда в месте загрязнения становятся предпочтительными, и ток начинает концентрироваться на малой площади изделия. При большой концентрации мощности возможно повреждение изделия, если защита, отключающая питание, будет недостаточно быстродействующей. Разработка источников для электротехнологии успешно выполнялась сотрудниками кафедры промышленной электроники МЭИ под руководством О. Г. Булатова.

Мощные установки ионного азотирования, выпускаемые объединением «Уралэлектротяжмаш», положили начало ряду новых электротехнологических установок, использующих принцип дозированной передачи энергии. Важное место среди них занимают установки типа «Булат», в которых методом ионной бомбардировки на электроинструмент наносятся упрочняющие покрытия.

Электротехнологические установки сосредоточивают в себе новейшие достижения в области физики, технологии, металлургии, вакуумной техники, автоматического регулирования и силовой электроники. Многие оригинальные технические решения являются заслугой кафедры промышленной электроники МЭИ, где создана школа, готовящая современных специалистов.

Таким образом, современные электронно-лучевые технологические комплексы являются сложными устройствами, основанными на использовании таких достижений промышленной электроники, как источники электронных пучков, системы управления несколькими объектами одновременно с использованием специфических датчиков систем обратной связи и источников питания высокого напряжения с уровнем мощности от 1 до 1000 кВт, оснащенных электронными стабилизирующими и коммутирующими устройствами.

Главными достоинствами таких комплексов являются широкие функциональные возможности и высокая производительность. Безусловно, это направление будет в дальнейшем интенсивно развиваться.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.