[科普中国]-电子束切割

电子束切割是指利用电子束的能量将被切割材料熔化，熔化物蒸发或靠重力流出而产生切口。电子束切割的最大优点是清洁，晶体表面不易沾污，切割精度很高，材料损耗较小，但设备复杂，操作较困难。1

切割原理电子束切割时，具有较高能量的细聚焦电子流打击工件的待切割处时，这部分工件的温度将急剧上升，以至于工件未经熔化就直接变成了气体（升华），于是工件表面就出现了一道沟槽，沟槽逐渐加深而完成工件的切割。

电子束切割必须在高真空条件下进行，因为只有在高真空条件下才能获得高能量的细聚焦电子流，而在空气中发射电子的灯丝很容易被氧化而烧毁。在低真空条件下，电子流会在轰击工件之前与其他气体分子碰撞使气体电离而失去能量。2

特点①功率密度高：电子束径可达微米级，因此轰击点瞬时温度高达数千摄氏度，足以使材料熔化或汽化。电子束一般可用来切割任何材料和半导体电路等，是一种微细切割方法。

②工件变形小：电子束作为热能切割方法，瞬时作用面积又很微小，因此切割部位的热影响区很小(约几个微米)，在切割过程中也无机械力作用，工件很少产生应力和变形，也不存在刀具的损耗问题，尤其是加工精度高、表面质量好。对各种材料（包括脆性材料、导体、半导体及非导体材料）均可实现切割。

③热源的开关时间特别短：电子束热源的开关速度在几分之一微秒的作用时间内能以精确量来变换能量。因此在射线发生器内采用韦氏电极，而这种电极几乎可以无功率地和无惯性地来控制射线的强度。采用具有可以调整重复频率、脉冲宽度的脉冲电压可使热源在工件上的作用时间有很大范围的变化。

④真空环境下切割点不受杂质污染：全部切割过程是在真空中进行，切割点能防止空气氧化产生的杂质，保持高纯度。适于切割易氧化金属及合金材料，特别是纯度要求极高的半导体材料。

⑤电子束强度、位置和聚焦可以精确控制：位置控制准确度可达0.1Pm左右，强度和束斑大小控制误差可达1%以下。通过磁场和电场可使电子束以任意速度在工件上运行，便于计算机控制，实现切割过程的自动化。

⑥成本高：电子束切割需要专用设备，切割成本较高。

如今电子束主要用来切割晶体，晶体表面不易玷污，切割的晶向准确度较高，切割时材料损耗较小，引起的晶体表面损伤也很小。因此，它是一种较好的晶体定向切割机器。2

装置电子束切割装置包括电子枪、真空室及抽真空系统、电子束控制系统和工作台系统。

电子枪是用来发射高束电子流，完成电子的预聚焦和强度控制的装置。切割时，加热的发射阴极发射出电子束，电子束在阳极光阑较阴极为正的高压下加速，当速度达2/3光速时通过阳极，加到控制栅极上的较阴极为负的偏压，可以控制电子束的强弱，还可对电子束进行初步聚焦。阴极一般采用纯钨或纯钽制成，在工作时损耗大，需要每10~30h更换一次。

抽真空系统一般由机械旋转泵和油扩散泵两级组成。机械泵先把真空抽至1.3~0.13Pa。然后扩散泵依靠加热泵中的油所产生的蒸气高速喷出，将真空室中残余气体从泵进口吸人，然后从排气口排出。

电子束控制系统包括束流强度控制、束流聚焦控制和束流位置控制。其中东流强度控制是通过在阴极上的负高压（50~150kV）来实现的；束流聚焦控制是通过“电磁透镜”的磁场作用实现的；束流位置控制是通过磁偏转控制电子束聚焦位置来实现的，即通过一定程序改变偏转电压或电流，使电子束按某种预设规律运动。2

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学