Предлагаемая диссертационная работа относится к области физической электроники, в частности, к исследованиям процессов формирования и взаимодействия электронных пучков с материалами в технологических процессах обработки электронным пучком. Электронно-лучевые технологии достаточно широко используются в точном приборостроении, микроэлектронике, машиностроении, медицине, экологии и т. д.
Расширение спектра электронно-лучевых технологий, разработка новых видов оборудования для их реализации, существенное улучшение параметров внедренных в промышленность типов обрудования неразрывно связаны с успехами физической электроники, вакуумной техники, физики вакуума и поверхности, электронной оптики. Значительную роль играет повышение уровня автоматизации управления технологическими процессами на основании исследований вторичных электронно-ионизационных процессов, сопровождающих воздействие электронного пучка на объект обработки.
Процессы и установки электронно-лучевой технологии служат объектом многочисленных исследований. Однако, тщательный анализ основных наиболее значительных работ в виде монографий и обзоров [1 — 5] показывает, что практически отсутствуют исследования, направленные на установление количественных взаимосвязей между электронно-оптическими параметрами первичного электронного пучка и процессами и явлениями на поверхности обрабатываемого изделия, доведенные до уровня создания автоматизированных промышленных установок прецизионной электронно-лучевой обработки поверхности твердых тел.
К сожалению, в последние годы в России работы в области создания электронно-лучевого оборудования для прецизионной обработки приостановлены в связи с финансовыми трудностями, а предприятия, выпускающие разработанное ранее электронно-лучевое оборудование (как технологическое, так и аналитическое) оказались вне границ России.
В этих условиях исследования процессов формирования электронных пучков и их взаимодействия с веществом, связанные с повышением эксплуатационных характеристик существующих и разработкой новых типов установок для электронно-лучевой обработки, являются особенно актуальными.
Актуальность настоящей диссертационной работы подтверждается ее соответствием Федеральной программе «Критические технологии» и Президентской программе «Национальная технологическая база». т.
Спектр применения в промышленности электронно-лучевых и ионно-лучевых технологий чрезвычайно широк. Особо следует отметить следующие виды технологий: прецизионная электроннои ионно-лучевая термическая размерная обработка материалов и изделий, в том числе прецизионная гравировка, сверление отверстий в твердых материалах с большой скоростью и пр.;
• высококачественная электронно-лучевая сварка и микросварка;
• электронно-лучевая технология испарения с осаждением (однослойные и многослойные покрытия, в том числе энергосберегающие);
• ионно-лучевая технология (в том числе имплантация, травление, очистка, распыление с осаждением многослойных покрытий, включая просветляющую оптику, и ряд других);
• ионно-плазменная технология (очистка, травление в полупроводниковом производстве, в точном оптическом приборостроении, в машиностроении) — высокоэнергетические электроннои ионно-лучевые системы (новые технологии обработки высокоэнергетическими пучками в медицине, например, при лечении онкологических заболеваний, а также при решении ряда экологических проблем, например, обеззараживание питьевой воды и грунта в случае чрезвычайных ситуаций);
• электронно-и ионно-лучевое аналитическое приборостроение: просвечивающая и растровая электронная микроскопия, микроанализ и т. п.
Этот весьма не полный перечень использования электроннои ионно-лучевых технологий показывает необходимость проведения исследований с целью создания научной базы разработки, проектирования и внедрения в промышленность нового ряда современного автоматизированного электронно-оптического оборудования.
Разработка современного надежного оборудования рассматриваемого класса невозможна без компьютерного моделирования процессов формирования электронных пучков с заданными энергетическими и геометрическими параметрами. До последнего времени параметры электронных пучков исследовались в основном экспериментальными методами в уже изготовленных установках. В настоящей работе предлагаются новые универсальные физико-математические модели и разработанные на их базе алгоритмы и программы для компьютерного моделирования и исследования характеристик электронных пучков во всех электронно-оптических элементах ЭЛУ, включая термоэмиссионную систему (электронную пушку), область формирования электронного зонда магнитной линзой, систему отклонения электронного ка, и, наконец, область взаимодействия электронного пучка с обрабатываемым изделием. Высокая степень адекватности компьютерного моделирования реальным физическим процессам обеспечивается использованием эффективных методов и алгоритмов современной вычислительной электронной оптики, в том числе, интегральных методов расчета физических полей и аберрационных методов расчета электронных траекторий. Разработанный под руководством и при участии автора пакет прикладных программ для компьютерного моделирования ЭЛУ включает в себя программные модули, предназначенные для расчета электрических и магнитных полей с учетом разномасштабности электродов термоэмиссионной системы, пространственного заряда пучка и влияния характеристик материала магнитопровода, а также расчета как отдельных траекторий, так и функций распределения плотности тока при прохождении пучком всей электронно-оптической системы ЭЛУ от эмиттера до обрабатываемого изделия. Результаты расчета параметров электронных пучков хорошо коррелируют с экспериментальными данными, представленными в литературе. Использование разработанного пакета программ при проектировании специализированных ЭЛУ весьма перспективно с точки зрения повышения качества и снижения сроков и стоимости разработок.
Другое направление работ, важное для создания нового поколения автоматизированного электронно-лучевого оборудования, заключается в исследовании взаимодействия электронных пучков с диэлектриками и металлами (как в твердой, так и в жидкой фазе) с целью научнообоснованного определения параметров электронного пучка и оптимальных режимов управления технологическими процессами.
Цель работы:
Основная цель диссертационной работы заключается в создании научно-технических основ разработки нового поколения автоматизированного электронно-лучевого технологического оборудования различного назначения на базе высокоточного компьютерного моделирования процессов формирования электронных пучков с заданными параметрами, в проведении широкого спектра теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия электронного пучка с обрабатываемым материалом (металлами и диэлектриками) для разработки и внедрения новых электронно-лучевых технологий, а также в создании новых типов конкурентноспособного электронно-лучевого технологического оборудования. ф,.
В ходе работы решались следующие задачи: разработка физико-математических моделей формирования электронного пучка в электронно-лучевых установках технологического назначения, а также технических требований на разработку соответствующего программного обеспечения,.
• разработка физической модели и проведение экспериментальных исследований взаимодействия импульсного электронного пучка с диэлектриком,.
• разработка аппаратных средств и программного обеспечения для компьютерного управления прецизионной ЭЛУ для гравирования и размерной обработки по сложным контурам. разработка и внедрение в производство ряда новых электронно-лучевых установок, в том числе, компьютернографического комплекса для прецизионной обработки изделий из металлов и диэлектриков плоской и цилиндрической формы по сложным контурам, мобильного комплекса для решения экологических проблем в чрезвычайных ситуациях, двухлучевой электронно-лучевой установки для поверхностной зонной рекристаллизации кремни ев ых пластин.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:
1. Построены новые специализированные физико-математические модели, описывающие комплекс процессов формирования и транспортировки электронного пучка в ЭЛТУ с учетом разброса термоэлектронов по скоростям, температуры термокатода, эффектов ограничения тока пространственным зарядом вблизи поверхности эмиттера, а также аберрационных эффектов, связанных с прохождением электронного пучка через систему электростатической или магнитной фокусировки и систему магнитного отклонения.
Указанные результаты послужили основой для разработки пакета прикладных программ, предназначенного для компьютерного моделирования и оптимизации электронно-оптических характеристик ЭЛТУ (пакет прикладных программ в настоящее время внедрен в ГП НИИЭИО). Важное достоинство моделей и вычислительных алгоритмов, реализованных в пакете прикладных программ, заключается в том, что они не используют никаких дополнительных предположений о фазовых характеристиках электронного пучка при переходе от одного элемента электронно-оптической системы к другому (например, от электронной пушки к магнитной фокусирующей системе), а позволяют осуществить сквозной расчет всего многообразия электронных траекторий через все электронно-оптические элементы колонны.
2.Разработана новая физическая модель взаимодейстЖя электронного пучка с диэлектрическими материалами с учетом накопления, движения и стекания в вакуум пространственного заряда, вносимого электронным пучком.
Впервые обнаружен и исследован эффект стекания из стекол заряда, внесенного электронным пучком, обусловленным «убеганием» электронов в сильных краевых электрических полях вплоть до энергии, достаточной для их эмиссии в вакуум. Этот эффект позволяет создавать высококачественные электронно-гравированные изображения на поверхности диэлектриков (стекол).
3. Разработаны новые аппаратные средства и программное обеспечение для компьютерного управления электронно-лучевой установкой, предназначенной для прецизионной обработки поверхностей твердых тел по сложным контурам. В основу данной разработки положена оптимизация амплитудно-частотных характеристик усилителей и переходных характеристик шаговых двигателей, что позволило создать специализированный контроллер, обеспечивающий связь ПЭВМ с управляющими органами ЭЛТУ.
4. Создана и сдана в опытную эксплуатацию уникальная электроннолучевая установка для нанесения сложных художественных изображений на изделия из металлов и диэлектриков.
Практическая значимость диссертации заключается в следующем:
1. На основе проведенных исследований создана научно-методическая база и программное обеспечение для проектирования электронно-лучевого технологического оборудования нового поколения с автоматизированным компьютерным управлением, а также предложена методика разработки технологических карт для обработки материалов с различными физическими свойствами.
2. Разработан и внедрен в опытное производство компьютернографический комплекс для прецизионной обработки изделий из металлов и диэлектриков плоской и цилиндрической формы по сложным контурам.
3. Разработан мобильный комплекс для решения экологических проблем в чрезвычайных ситуациях.
4. Разработана и сдана в опытную эксплуатацию двухлучевая электронно-лучевая установка для поверхностной зонной рекристаллизации кремниевых пластин, весьма актуальная для решения ряда задач микроэлектроники.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Физико-математические модели формирования электронных пучков в электронно-лучевых технологических установках, учитывающие в комплексе разброс термоэлектронов по скоростям, температуру термокатода, эффекты ограничения тока пространственным зарядом, а также аберрационные эффекты, связанные с прохождением электронного пучка через систему электростатической или магнитной фокусировки и систему магнитного отклонения. Указанные модели являются надежной вычислительной базой для создания системы автоматизированного проектирования прецизионных электронно-лучевых технологических установок.
2. Физическая модель накопления, движения и стекания в вакуум заряда, вносимого в диэлектрики при их обработке электронным лучом. Согласно этой модели получение высококачественных электронно-гравированных изображений на поверхности диэлектриков (стекол) оказывается возможным благодаря впервые обнаруженному и исследованному эффекту стекания из стекол внесенного заряда, обусловленному «убеганием» электронов в сильных краевых электрических полях вплоть до энергии, достаточной для их эмиссии в вакуум.
3. Устройства, алгоритмы и программы для управления электроннолучевой установкой прецизионной обработки по сложным контурам.
4. Электронно-лучевое оборудование для прецизионной обработки плоских и цилиндрических изделий из металлов и диэлектриков, в том числе, компьютернографический комплекс для прецизионной обработки изделий из металлов и диэлектриков плоской и. цилиндрической формы по сложным контурам, мобильный комплекс для решения экологических проблем в чрезвычайных ситуациях, двухлучевая электронно-лучевая установка для поверхностной зонной рекристаллизации кремниевых пластин.
Совокупность результатов и выводов, полученных в диссертации, может быть квалифицирована как решение крупной актуальной научно-технической проблемы, связанной с созданием научно-технических основ разработки нового поколения конкурентноспособного автоматизированного электронно-лучевого технологического оборудования различного назначения на базе высокоточного компьютерного моделирования процессов формирования электронных пучков с заданными параметрами и проведения широкого спектра теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия электронного пучка с обрабатываемым материалом (металлами и диэлектриками).
Апробация работы и публикации.
Результаты диссертационной работы докладывались на Международных конференциях по оптике заряженных частиц в Сан Диего (США, 1996, 1997 г. г.), на пятой Международной конференции по электронно-лучевым технологиям в Варне (Болгария, 1997 год), на Всероссийском семинаре «Проблемы теоретической и прикладной электронной оптики» (Москва, 1996, 1997 г. г.) и опубликованы в 26 печатных работах.
Образцы оборудования, разработанного в рамках диссертационной работы, экспонировались на следующих международных выставках и салонах:
Всемирный салон изобретений «Брюссель — Эврика» (1994г.- золотая медаль, 1995 г. — две золотые медали, 1996 г. — специальный приз и медаль «Альберта Швейцера»).
25-ый международном салоне инноваций в Женеве (1997г.- золотая медаль).
Глава 2. Компьютерное моделирование электронных пучков в ЭЛТУ.
Компьютерное моделирование, как один из наиболее важных элементов проектирования и оптимизации конструкций ЭЛТУ, включает в себя расчет характеристик электронного пучка на всех этапах его формирования: в электронной пушке, в фокусирующей системе, в системе отклонения или развертки. Рассматриваемая проблема содержит в себе целый набор взаимосвязанных серьезных задач математической физики, электронной оптики, вычислительной математики и программирования.
В данной главе представлены результаты разработки программного обеспечения для компьютерного моделирования ЭЛТУ с магнитной или комбинированной фокусировкой и магнитным отклонением.
Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:
1.Волчков В. И., Филачев A.M., Шабаров В. В. Устройство для электронно-лучевой обработки. // Свидетельство на полезную модель 95 115 201/20 (26 921) 12.09.95.
2.Филачев A.M., Балашов В. Н., Смирнов Ю. С., Шабаров В. В., РозенфельдЛ.Б. Радиационно-технологический комплекс//Свидетельство N 3060 на полезную модель по заявке N 95 117 180, 16.10.1996.
3.Филачев A.M. Балашов В. Н., Смирнов Ю. С., Шабаров В. В., Розенфельд Л. Б., Семенычев В. М. Радиационно-технологический комплекс // Свидетельство N 3059 на полезную модель по заявке N 95 117 178, 16.10.1996.
4.Гайдукова И. С., Филачев A.M. Анализ состояния и определение перспективных направлений разработки электронно-лучевых устройств для обработки твердотельных материалов. // Оборонный комплекснаучно-техническому прогрессу России, 1996, N 1 с.с.3−12.
5.M.A.Monastyrsky, V.A.Tarasov, A.M.Filachev New theoretical approach to the self-coordinated problem in charged-particle optics // Proc. of the International Conference on charged Particle Optics (CPO -2)San Diego, 1996, SPIE, volume 2858, p.p. 136−144.
6.M.A.Monastyrsky, S.A.Andreev, I.S.Gaydukova, V.A. Tarasov, A.M.Filachev Modern numerical technique and software for photo/thermo-emission electron-optical devices and technological units computer-aided design" // Proc. of the International Conference on charged Particle Optics (CPO -3)San Diego, 1997, SPIE, volume 3155, p.p.241−247.
7.Филачев A.M., Фукс Б. И. Проблемы электронно-лучевой обработки диэлектриков // Прикладная физика, 1996, вып. 3, с.с. 39−46.
8.Гайдукова И. С. .Филачев А. М. Компьютерное моделирование и разработка термоэмиссионной системы установки электронно-лучевого гравирования. //Прикладная физика, 1996, вып. 3, с.с. 46−55.
9.Monastyrski, S. Andreev, I. Gaydukova, V. Tarasov, A. Filachev Modern numerical techniques and software for emission electron-optical devices and technolodge units computeraided design.// Fifth Iternational Conference on Electron Beam Technologies, Varna, Bulgaria, 1997, p.42.
1 Q.A.Filachev. I. Gaydukova, V. Shabarov Electron beam technolodgy and equipment for planar image deposition. // Fifth International Conference on Electron Beam Technologies, Varna, Bulgaria, 1997, p.323.
11.A.Filachev, B. Fouks, D. Greenfield. Problems of electron-beam processing of insulator // Fifth International Conference on Electron Beam Technologies. Varna, Bulgaria, 1997, p.388.
12.Клюйков А. Г., Ковалев В.JI., Сухотинский В. Ю., Филачев A.M., Юрьев А. А. Система управления модуляцией электронного пучка электронно-лучевой установки для нанесения высокохудожественных образов на обрабатываемые изделия.// Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России, 1996, вып. З, с. 27.
13.Волчков В. И., Еремин А. П., Константинов В. В. Филачев A.M. Применение методов электронной оптики в разработке технологических ионно-плазменных устройств.// Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России, 1996, вып. З, с. 30.
14.Филачев А. М., Ляликов А. В. Система автоматического управления установкой электронно-лучевого гравирования // Оборонный комплекснаучно-техническому прогрессу России, 1996, вып. З, с. 32.
15.ГайдуковаИ.С., Титов А. А., Филачев A.M. Критерии оптимальности систем формирования электронных пучков ЭЛУ технологического назначения. II Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России, 1996, вып. З, с. 36.
16. А.М. Filachev, B.I.Fouks, D.E.Greenfield Nature of distortion of surface patern produced by precise electron beam processing of insulator. // Proceedings SPIE, 1997, volume 3155.p.p. 78−88.
17.Розенфельд Л. Б., Филачев А. М. Некоторые вопросы проектирования систем модуляции пучка в технологическом электронно-лучевом оборудовании для размерной обработки. // Прикладная физика, 1997, вып.2, с. 60−71.
18.Васичев Б. Н., Чернова-Столярова Е.Е., Филачев А. М. Особенности сверхзвукового движения в воде и атмосфере пучков заряженных частиц и твердых тел. // Прикладная физика, 1997, вып.2, с. 32.
19.Васичев Б. Н., Балашов В. Н., Рыбаков Ю. Л., Филачев A.M. Особенности малодозовой томографии с программируемым многоракурсным электронно-лучевым рентгеновским источником .// Прикладная физика, 1997, вып.2, с. 17.
20.Барбарич И. Н., Титов А. А., Филачев А. М. Разработка численно-аналитического метода решения задачи самосогласованного поля в аксиально-симметричных электронных пушках. // Радиоэлектроника, 1996, № 2, с. 42.
21.Барбарич И. Н., Титов А. А., Филачев A.M. Численное моделирование процесса формирования электронного пучка в пушке для сварки //Известия ТЭТУ, 1997, вып. 503, с. 31.
22.Научно-технический отчет. Разработка программного обеспечения базовых методов расчета полей осесимметричных линз с нелинейными характеристиками материалов и методов расчета электронно-оптических характеристик фокусирующих-, — отклоняющих, и эмиссионных систем для электронного и ионного технологического оборудования.// шифр «Обеспечение» N ГР У17 642Д985 .
23.Научно-технический отчет. Электронно-лучевой испаритель.// N ГР У17 641, 1987.
24.Научно-технический отчет. Исследование и разработка электроннолучевой установки для обработки деталей и узлов изделий микрофотоэлектроники, II N ГР У49 872, 1991.
25.Научно-технический отчет. Отработка и совершенствование систем автоматизированной электронно-лучевой установки для размерной обработки с проведением поисковых работ и экспериментальных проработок новых технологических процессов с определением основных типов деталей обработки наЭЛУ. /М ГР У 17 634, 1987.
26.Научно-технический отчет. Исследование и разработка электронно-оптических и ионно-оптических систем для создания технологических приборов и установок. // N ГРУ17 721, 1988.
