טכנולוגיות של קרן האלקטרונים

מערכת להטיית הקרן

מערכת ריתוך קרן אלקטרונים בוואקום

תיאור תהליך PVD

מיקרוסקופ אלקטרוני חודר

טכנולוגיית קרן אלקטרונים מאפשרת ניצול של קרן אלקטרונים ממוקדת עבור יישומים שונים. בטכנולוגיה זו מתבצעת האצה מבוקרת ומניפולציה של אלקטרונים בתוך ואקום על מנת לבצע משימות כגון ריתוך, שינוי פני שטח, עיקור והשקעת חומרים.

טכנולוגיה זו מספקת מאז אמצע המאה ה-20 בסיס למגוון יישומים חדשים בתחומים כמו מוליכים למחצה, מערכות מיקרו-אלקטרומכניות, מערכות ננו-אלקטרומכניות ומיקרוסקופיה.

עיקרון הפעולה

ניתן להכווין אלקטרונים חופשיים בוואקום באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים ליצירת קרן דקה. כאשר הקרן מתנגשת בחומר במצב מוצק, האלקטרונים מומרים לחום או לאנרגיה קינטית. ניתן לשלוט באופן מדויק באמצעים אלקטרוניים בריכוז האנרגיה בנפח קטן של חומר, מה שמייצר מקור חום בעל יתרונות ליישומים שונים.

יישומים

העלייה המהירה של הטמפרטורה במקום הפגיעה יכולה להמיס את החומר הנפגע במהירות. בתנאי עבודה קיצוניים, עליית הטמפרטורה המהירה יכולה אפילו להוביל להתאדות, מה שהופך את קרן האלקטרונים לכלי מצוין ביישומי חימום, כגון ריתוך. טכנולוגיית קרן אלקטרונים משמשת לטיפול בבידוד כבלים, בליטוגרפיה אלקטרונית של תמונות זעירות בגדלים של מתחת למיקרון ועד לננומטרים בודדים, ועוד. במיקרואלקטרוניקה, קרן האלקטרונים משמשת לשיפור הדפסות בצבע, לייצור ושינוי של פולימרים, ועוד יישומים רבים אחרים.

תנורים

קרן האלקטרונים בוואקום מספקת מקור חום שיכול להמיס או לשנות כל חומר שהוא^[1]. מקור חום זה הוא סטרילי לחלוטין, מה שמאפשר ייצור ושיפור של חומרים טהורים. בתנורי ואקום כאלה ניתן לייצר או לזקק מתכות נדירות.

במדינות מתועשות קיימים תנורים גדולים לייצור המוני של פלדות, לתנורים אלה קיבולת הנמדדת בטונות ועוצמת קרן אלקטרונים במגה וואט.

ריתוך

ריתוך בקרן אלקטרונים בקנה מידה תעשייתי החל בסוף שנות ה-50, ומאז תוכננו אינספור מכונות ריתוך בקרן אלקטרונים שנמצאות בשימוש ברחבי העולם. מכונות אלה כוללות תאי ואקום בנפח בין כמה ליטרים עד מאות מטרים מעוקבים, עם אקדחי אלקטרונים בעוצמה של עד 100 קילוואט.

טיפולי שטח

מכונות ריתוך מודרניות המבוססות על קרן אלקטרונים מתוכננות בדרך כלל עם מערכת הטיה מבוקרת-מחשב שיכולה להעביר את הקרן במהירות ובדיוק על פני שטח נבחר. בזכות החימום המהיר רק שכבה דקה של חומר מושפעת. היישומים כוללים טיפולים תרמיים להקשייה והרפייה של מתכות.

כאשר קרן האלקטרונים מבצעת חיתוך שקע רדוד במשטח, הזזה אופקית חוזרת ונשנית של הקרן לאורך השקע במהירות גבוהה יוצרת ערימה קטנה של מתכת מומסת שנפלטה. בעזרת תנועה על פני השטח ניתן לקבל חספוס אשר יסייע להדבקה בין חומרים שונים. כמו כן, ניתן לשנות את החספוס וטיב פני השטח של החלק. לטכנולוגיה זו שייך גם נידוף באמצעות קרן אלקטרונים.

הדפסה תלת־ממדית

הדפסה תלת־ממדית היא תהליך של חיבור חומרים ליצירת אובייקטים לפי מודל תלת־ממדי ממוחשב, בדרך כלל על ידי המסת חומר אבקה שכבה על גבי שכבה. ההתכה בוואקום באמצעות קרן אלקטרונים מבוקרת מחשב מדויקת ביותר. ייצור קרן אלקטרונים ישירה (DM) הוא האמצעי הראשון שקיים באופן מסחרי, בקנה מידה גדול, לתכנות מלא להשגת חלקי צורה נטו.

עיבוד שבבי

עיבוד בקרן אלקטרונים הוא תהליך בו מתרכזים אלקטרונים במהירות גבוהה לקרן צרה עם צפיפות הספק מישורית גבוהה מאוד. לאחר מכן ממוקד חתך הקרן ומופנה לעבר החלק העובד ויוצר חום ומאדה את החומר. ניתן להשתמש בעיבוד קרני אלקטרונים לחיתוך מדויק או לקדוח במגוון רחב של מתכות. גימור השטח המתקבל טוב יותר ממה שניתן לייצר על ידי תהליכי חיתוך תרמיים אחרים. עם זאת, בשל עלויות ציוד גבוהות, השימוש בטכנולוגיה זו מוגבל למוצרים בעלי ערך רב.

ליטוגרפיה

ליטוגרפיה אלקטרונית מיוצרת על ידי קרן אלקטרונים ממוקדת מאוד, היוצרת מיקרו-מבנים בהתנגדות אשר לאחר מכן ניתן להעביר לחומר המצע, לעיתים קרובות על ידי איכול. טכנולוגיה זו פותחה במקור לייצור מעגלים למחשב ומשמשת גם ליצירת ארכיטקטורות ננו-טכנולוגיות. ליטוגרפיות אלקטרוניות משתמשות בקרן אלקטרונים בקוטר שנע בין שני ננומטר למאות ננומטר. ליתוגרפיית האלקטרונים משמשת גם לייצור הולוגרמות ממוחשבות (CGH). ליטוגרפיה אלקטרונית מצאה שימוש נרחב בייצור כלי מיסוך בתהליכים לפוטוליתוגרפיה, ובעיקר לייצור בנפח נמוך של רכיבי מוליכים למחצה, במסגרת פעילויות מחקר ופיתוח.

ייצור תאים סולריים

שקיעת אדים פיזית (PVD) הוא תהליך המתרחש בוואקום ומייצר סרט דק של תאים סולריים על גבי מצע. אידוי קרני אלקטרונים משתמש בפליטת תרמיוניקה כדי ליצור זרם אלקטרונים המואץ על ידי קתודה במתח גבוה וסידור אנודות.

שדות אלקטרוסטטיים ומגנטיים ממקדים ומכוונים את האלקטרונים לפגוע במטרה. האנרגיה הקינטית הופכת לאנרגיה תרמית על פני החומר או בסמוך לו. החימום שנוצר (כ- 3500 מעלות צלזיוס ואף יותר) גורם לחומר להתמוסס ואז להתאדות. האדים מהמקור מתעבים על גבי מצע ויוצרים סרט דק של חומר בעל טוהר גבוה. ניתן להשיג עובי פילם משכבה אטומית אחת ועד מיקרונים.

טכניקה זו משמשת במיקרואלקטרוניקה, אופטיקה, ציפויים מיוחדים על כלי חיתוך, מטלורגיה, ועוד כדי לייצר תאים סולאריים ומוצרים רבים אחרים.

תהליך ריפוי צבעים

ריפוי צבעים בעזרת קרן אלקטרונים הוא שיטה לשימור צבעים ודיו ללא צורך בממס מסורתי. ריפוי בקרן אלקטרונים מייצר גימור הדומה לזה של תהליכי אידוי ממסים מסורתיים, אך משיג את הגימור באמצעות תהליך פילמור.

מיקרוסקופים אלקטרוניים

מיקרוסקופ אלקטרוני משתמש בקרן אלקטרונים מבוקרת כדי לירות אלקטרונים על דגימה ולהפיק תמונה מוגדלת. שני סוגים נפוצים הם המיקרוסקופ האלקטרוני הסורק (SEM) והמיקרוסקופ האלקטרוני החודר (TEM).

לקריאה נוספת

• Schultz, H.: Electron beam welding, Abington Publishing
• Von Dobeneck, D.: Electron Beam Welding – Examples of 30 Years of Job-Shop Experience
• elfik.isibrno.cz/en : Electron beam welding (in Czech and/or English)
• Visser, A.: Werkstoffabtrag durch Elektronen-und Photonenstrahlen; Verlag <Technische Rundschau>, Blaue Reihe, Heft 104
• Klein, J., Ed., Welding: Processes, Quality and Applications, Nova Science Publishers, Inc., N.Y., Chapters 1 and 2, pp. 1–166
• Nemtanu, M. R., Brasoveanu, M., Ed., Practical Aspects and applications of Electron Beam Irradiation, Transworld Research Network, 37/661(2), Fort P.O., Trivandrum-695 023, Kerala, India

הערות שוליים

1. Development of Electron Beam Systems and Technologies, Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology FEP (באנגלית)