TWI609405B - 一種電子束加工系統 - Google Patents

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Description

一種電子束加工系統
本發明涉及微奈米技術領域，尤其涉及一種電子束加工系統以及採用該系統的電子束加工方法。
電子束加工是利用高功率密度的電子束衝擊工件時所產生的熱能使材料熔化、氣化的特種加工方法，簡稱為EBM。利用電子束的熱效應可以對材料進行表面熱處理、焊接、刻蝕、鑽孔、熔煉，或直接使材料昇華。
電子束加工的基本原理是：在真空中從灼熱的燈絲陰極發射出的電子，在高電壓(30~200千伏)作用下被加速到很高的速度，通過電磁透鏡會聚成一束高功率密度(105~109瓦/厘米2)的電子束。當衝擊到工件時，電子束的動能立即轉變成為熱能，產生出極高的溫度，足以使待加工件的材料暫態熔化、氣化，從而可進行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由於電子束和氣體分子碰撞時會產生能量損失和散射，故，加工一般在真空中進行。電子束加工系統由產生電子束的電子槍、控制電子束的聚束線圈、使電子束掃描的偏轉線圈、電源系統和放置工件的真空室，以及觀察裝置等部分組成。
然而，先前的電子束加工系統一個電子槍只能產生一束電子束，故，工作效率較低。而採用複數個電子槍產生複數個電子束，則成本較高。
本發明提供一種即成本低廉又工作效率較高的電子束加工系統。
一種電子束加工系統，其包括：一真空裝置；一設置於所述真空裝置內的電子槍，所述電子槍用於發射電子束；一設置於所述真空裝置內的載物裝置，所述載物裝置用於承載待加工件；以及一控制電腦，所述控制電腦用於控制整 個電子束加工系統的工作；其中，進一步包括一設置於所述真空裝置內的繞射裝置；所述繞射裝置包括一二維奈米材料；所述電子槍發射的電子束先透過該二維奈米材料後形成一透射電子束和複數個繞射電子束，所述透射電子束和複數個繞射電子束照射在該待加工件表面形成一透射斑點和複數個繞射斑點。
如上述電子束加工系統，其中，所述二維奈米材料為單層或複數層石墨烯或二硫化鉬。
如上述電子束加工系統，其中，所述繞射裝置還包括一支撐網格，所述二維奈米材料與該支撐網格層疊設置。
如上述電子束加工系統，其中，所述支撐網格為銅網或奈米碳管膜。
如上述電子束加工系統，其中，所述繞射裝置還包括一具有通孔的金屬片，所述二維奈米材料與該支撐網格設置於所述金屬片表面且懸空設置於所述通孔上。
如上述電子束加工系統，其中，所述繞射裝置還包括一移動裝置，從而可以調節和控制所述二維奈米材料與該待加工件表面的距離。
如上述電子束加工系統，其中，進一步包括至少一導電體，用於遮擋所述透射斑點或繞射斑點中的一個或複數個。
如上述電子束加工系統，其中，所述至少一導電體與外界電路電連接。
如上述電子束加工系統，其中，所述繞射裝置作為電子槍的加速電極使用，從而使該電子槍不需要專門的加速電極。
如上述電子束加工系統，其中，進一步包括複數個設置於所述繞射裝置與所述載物裝置之間的聚焦電極，且該複數個聚焦電極分別對應一繞射電子束設置。
本發明提供的電子束加工系統通過電子束繞射裝置將一個電子束繞射成複數個電子束，既成本低廉又提高了工作效率。
10‧‧‧電子束加工系統
11‧‧‧真空裝置
12‧‧‧電子發射體
13‧‧‧控制柵極
14‧‧‧加速電極
15‧‧‧聚焦電極
16‧‧‧載物裝置
17‧‧‧控制電腦
18‧‧‧繞射裝置
19‧‧‧導電體
20‧‧‧待加工件
22‧‧‧入射電子束
24‧‧‧繞射電子束
26‧‧‧透射電子束
27‧‧‧繞射斑點
28‧‧‧晶面
29‧‧‧透射斑點
圖1為本發明第一實施例提供的電子束加工系統的結構示意圖。
圖2為本發明第一實施例提供的電子束加工系統的電子束的繞射斑點和透射斑點的結構示意圖。
圖3為本發明第一實施例提供的電子束加工系統的繞射裝置的結構示意圖。
圖4為本發明第一實施例提供的電子束加工系統的二維奈米材料的電子繞射和透射原理示意圖。
圖5為本發明第一實施例採用電子束覆蓋整個單層單晶石墨烯片的繞射斑點和透射斑點的圖像。
圖6為本發明第一實施例採用電子束覆蓋整個三個單層單晶石墨烯片的繞射斑點和透射斑點的圖像。
圖7為本發明第一實施例採用電子束覆蓋整個大面積連續的多晶石墨烯膜的繞射斑點和透射斑點的圖像。
圖8為本發明第一實施例採用電子束覆蓋整個二硫化鉬薄片的繞射斑點和透射斑點的圖像。
圖9為採用本發明第一實施例提供的電子束加工系統的光刻方法的流程圖。
圖10為本發明第二實施例提供的電子束加工系統的結構示意圖。
以下將結合上述附圖和不同實施例說明本發明提供的電子束加工系統以及採用該系統的電子束加工方法。本發明提供的電子束加工系統可以為電子束光刻系統、電子束焊接系統、電子束打孔系統、電子束熔煉系統或電子束熱處理系統等。
參見圖1-2，本發第一明實施例提供的電子束加工系統10為一電子束光刻系統，其包括：一真空裝置11、一電子發射體12、一控制柵極13、一加速電極14、一聚焦電極15、一載物裝置16、一控制電腦17以及一繞射裝置18。
所述電子發射體12、控制柵極13、加速電極14、聚焦電極15、載物裝置16以及繞射裝置18均設置於所述真空裝置11的真空腔體內。所述電 子發射體12在控制柵極13作用下發射電子束。所述電子束經過所述加速電極14加速以及聚焦電極15會聚之後形成入射電子束22照射在所述繞射裝置18上。所述入射電子束22透過所述繞射裝置18後形成一個透射電子束26和複數個繞射電子束24。所述透射電子束26和複數個繞射電子束24照射在所述載物裝置16上的待加工件20表面，形成一個透射斑點29和複數個繞射斑點27。參見圖2，所述複數個繞射斑點27形成一繞射環。所述控制電腦17用於控制整個電子束加工系統10的工作。
所述真空裝置11包括真空腔體以及與該真空腔體連接的抽真空裝置。所述真空腔體和抽真空裝置的結構形狀不限，可以根據需要設計。本實施例中，所述抽真空裝置包括一離子泵、一第一分子泵、一第二分子泵、一機械泵以及一控制裝置。所述離子泵和第二分子泵分別直接與所述真空腔體連接。所述第一分子泵通過一預抽室與所述真空腔體連接。所述機械泵則分別與所述第一分子泵和第二分子泵連接。所述控制裝置用於控制整個抽真空裝置的工作。通過所述抽真空裝置，可以使所述真空腔體的真空度達到10-3-10-8Pa。
所述電子發射體12和所述載物裝置16間隔設置且分別設置於所述真空裝置11的真空腔體內相對的兩端。所述控制柵極13、加速電極14、聚焦電極15、以及繞射裝置18依次間隔設置於所述電子發射體12和所述載物裝置16之間。可以理解，所述控制柵極13、加速電極14、聚焦電極15以及繞射裝置18的順序不限，只要可以實現本發明目的即可。所述電子發射體12可以為熱陰極也可以為場發射冷陰極。
所述電子發射體12、控制柵極13、加速電極14以及聚焦電極15構成一電子槍。所述電子槍提供的入射電子束22能量可以為0.2keV-200keV，電子束流為0.01微安-10毫安培，且電子束斑直徑為1微米-6毫米。可以理解，對於電子束光刻系統，該入射電子束22能量較低且束斑直徑較小，通常為1奈米-100微米。而對於電子束焊接系統、電子束打孔系統、電子束熔煉系統或電子束熱處理系統，該入射電子束22能量較高且束斑直徑較大。所述電子槍的種類不限，可以為層流槍等。層流槍可以實現更均勻束斑和更大的電流密度。進一步，所述電子束加工系統10還可以包括一移動台(圖未示)。通過該移動台可以移動所述電子槍，從而實現電子束對該待加工件20的掃描。可以理解，所述電子束加工系統10也可以設置一偏轉電極(圖未示)，通過該偏轉電極移動 入射電子束22，從而實現電子束對該待加工件20的掃描。可以理解，由於所述繞射裝置18施加電位後也可以作為電子槍的加速電極使用，該電子槍可以不需要專門的加速電極。也就是說，所述加速電極14為可選結構。優選地，所述二維奈米材料184可以與外界電路電連接，從而使得所述二維奈米材料184吸收的電子也可以通過外界電路導走。
所述載物裝置16用於固定所述待加工件20。所述載物裝置16的結構不限。可以根據需要設置。本實施例，所述載物裝置16為一載物台。
進一步參見圖3，所述繞射裝置18包括一支架180、一支撐網格182以及一二維奈米材料184。所述樣品支架180用於支撐和固定所述支撐網格182和所述二維奈米材料184。所述樣品支架180的結構和尺寸不限，可以根據需要設計。例如，所述樣品支架180可以為一中間具有通孔181的金屬片。所述通孔181直徑小於所述尺寸支撐網格182的尺寸。所述支撐網格182設置於所述支架180表面且懸空設置於所述通孔181上。所述支撐網格182的結構和尺寸不限，可以根據需要設計。所述支撐網格182可以為銅網或奈米碳管膜等。可以理解，由於奈米碳管拉膜是一種超薄的稀疏多孔的結構，對於樣品的影響比較小，此外還因為碳管拉膜最主要的繞射斑點是管壁間的繞射，位於低角度，不會對所研究材料的繞射斑點產生影響。所述二維奈米材料184與該支撐網格182層疊設置，且將該通孔181至少部分覆蓋。優選，所述二維奈米材料184將該通孔181全部覆蓋。所述二維奈米材料184可以為單層至複數層石墨烯及二硫化鉬(MoS2)等。本實施例中，所述樣品支架180為一中間具有圓形通孔181的銅圓盤。所述支撐網格182為交叉設置的奈米碳管拉膜。
所述繞射裝置18還包括一移動裝置(圖未示)，從而可以使所述二維奈米材料184在各個方向可移動。例如，通過移動裝置可以調節和控制所述二維奈米材料184與該待加工件20表面的距離D。
所述控制電腦17包括計算模組以及距離控制模組。所述計算模組用於通過所述二維奈米材料184的點陣週期d和需要形成的繞射環的半徑R計算所述二維奈米材料184與該待加工件20表面的距離D，詳見後面描述。所述距離控制模組用於調節所述二維奈米材料184與該待加工件20之間的距離D。
進一步，所述電子束加工系統10還可以包括至少一導電體19，用於遮擋所述透射斑點29或繞射斑點27中的一個或複數個。所述導電體19結構 形狀不限，只要能夠實現遮擋相應的透射斑點29或繞射斑點27功能，而且不影響其他透射斑點29或繞射斑點27即可。本實施例中，所述導電體19包括一導電桿以及一導電圓盤。所述導電桿一端可旋轉固定於所述真空裝置11的真空腔體內的側壁上，另一端與該導電圓盤連接。使用時，將所述導電圓盤旋轉至所述繞射裝置18和該待加工件20之間，從而將相應的透射斑點29或繞射斑點27擋住。優選地，所述導電體19與外界電路電連接，從而使得所述導電體19吸收的電子可以通過外界電路導走。本實施例中，所述導電體19與所述二維奈米材料184電連接後一起與外界電路電連接。
與傳統的電子繞射不同，二維奈米材料184，尤其是只有一層原子組成的二維奈米材料184的繞射原理上會不同於三維材料。以下介紹所述二維奈米材料184進行繞射的原理與傳統電鏡對三維材料行繞射的原理之區別。
參見圖4，對於圖4(a)所示的二維材料而言，所滿足的繞射的條件為dsinθ=λ，這裡的d為二維材料的點陣週期，θ是繞射電子束24與透射電子束26之間的夾角。而對於如圖4(b)所示的傳統三維材料而言，所滿足的繞射條件為2d’sinθ’=λ，這裡的d’是三維材料的晶面間距，θ’是入射電子束22與三維材料晶面28的夾角。在傳統三維材料的繞射中，透射電子束26和繞射電子束24之間的夾角則為2θ’。需要注意的是在通常的選區電子繞射中，θ都非常小，滿足。對於二維材料而言為，其中θ為繞射電子束24和透射電子束26的夾角。對於三維材料而言，，其中θ’是入射電子束22與晶面28的夾角，而2θ’則為透射電子束26和繞射電子束24之間的夾角。
由於所述二維奈米材料184的點陣週期d和入射電子束22的波長λ為確定的，而需要形成的繞射環的半徑R可以根據加工需要確定。故，所述控制電腦17的計算模組通過可以計算所述二維奈米材料184與該待加工件20表面的距離D。具體地，在同一晶向上，繞射電子束24在該待加工件20表面形成一繞射環，透射電子束26在該待加工件20表面形成一透射斑點29。所述繞射環距離透射斑點的距離等於所述繞射環的半徑R。所述二維奈米材料184與該待加工件20表面的距離為D。另外，當入射電子束22的能量確定時，其波長λ也為確定值。這樣，根據和sinθ=R/(D2+R2)1/2可R/以計算所述樣品20的相應晶向的點陣週期d。
可以理解，所述入射電子束22透射所述二維奈米材料184之後形成的繞射電子束24數量以及該複數個繞射電子束24在待加工件20的表面形成的繞射環的圖案與所述二維奈米材料184的材料結構和層數有關。例如，圖5為所述二維奈米材料184為單層單晶石墨烯片時，入射電子束22覆蓋整個單層單晶石墨烯片後形成的繞射圖像。圖6為所述二維奈米材料184為三個單層單晶石墨烯片時，入射電子束22覆蓋整個三個單層單晶石墨烯片的繞射圖像。圖7為所述二維奈米材料184為連續的多晶石墨烯膜時，入射電子束22覆蓋整個連續的多晶石墨烯膜的繞射圖像。圖8為所述二維奈米材料184為二硫化鉬薄片時，入射電子束22覆蓋整個只有一個晶向的二硫化鉬薄片的繞射圖像。
參見圖9，以下介紹採用本發明提供的電子束加工系統10進行光刻的方法。該方法包括：步驟S10：提供一入射電子束22；步驟S20：使該入射電子束22透過一二維奈米材料184後形成一透射電子束26和複數個繞射電子束24；步驟S30：將該透射電子束26擋住；以及步驟S40：使該複數個繞射電子束24照射在待加工件20的表面形成複數個繞射斑點27。
所述步驟S10中，所述入射電子束22可以為平行電子束也可以為彙聚後的電子束。所述入射電子束22由電子槍提供。
所述步驟S20中，所述入射電子束22可以垂直入射於該二維奈米材料184。所述二維奈米材料184可以為單層石墨烯或二硫化鉬，也可以為複數層石墨烯或二硫化鉬。
所述步驟S20中，通過選擇所述二維奈米材料184的材料和層數，控制所述複數個繞射電子束24在待加工件20的表面形成的繞射環的圖案。具體可以參見圖5-8。
所述步驟S30中，進一步還可以包括：將至少一個繞射電子束24擋住。所述將該透射電子束26或繞射電子束24擋住的方法為：採用一導電體19將該透射電子束26或繞射電子束24擋住。優選地，將該導電體19與所述二維奈米材料184電連接。可以理解，由於透射電子束26與繞射電子束24的能量 不同，而所有繞射電子束24的能量相同，故，擋住透射電子束26，僅採用複數個繞射電子束24進行曝光。
所述步驟S40中，進一步還可以包括：採用該複數個繞射電子束24掃描該待加工件20的表面。所述採用該複數個繞射電子束24掃描該待加工件20的表面的方法為使該待加工件20與複數個繞射電子束24產生相對移動。
所述步驟S40中，進一步還可以包括：通過改變所述二維奈米材料184與所述待加工件20的表面的距離，控制所述複數個繞射電子束24在待加工件20的表面形成的繞射斑點27的大小和間距。
可以理解，本發明的光刻方法中，由於採用複數個繞射電子束24同時照射待加工件20的表面，提高了光刻效率。
參見圖10，本發明第二實施例提供的電子束加工系統10A可以為一電子束焊接系統、電子束加熱系統或電子束打孔系統。所述電子束加工系統10A包括：一真空裝置11、一電子發射體12、一控制柵極13、一加速電極14、複數個聚焦電極15、一載物裝置16、一控制電腦17以及一繞射裝置18。
本發明第二實施例提供的電子束加工系統10A與本發第一明實施例提供的電子束加工系統10的結構基本相同，其區別在於，所述電子束加工系統10A包括複數個設置於所述繞射裝置18與所述載物裝置16之間的聚焦電極15，且該複數個聚焦電極15分別對應一繞射電子束24設置。可以理解，由於本實施例的電子束加工系統10A為一電子束焊接系統、電子束加熱系統或電子束打孔系統，其均需要作用在待加工件20表面的電子束具有較高的能量和溫度。故，本實施例在入射電子束22彙聚成較高能量和溫度之前，先經過所述繞射裝置18進行分束，形成複數個繞射電子束24，然後再通過所述聚焦電極15分別對該繞射電子束24進行彙聚，以防止較高能量和溫度的入射電子束22會破壞所述繞射裝置18的二維奈米材料184。可以理解，所述聚焦電極15可以移動，以便與對應的繞射電子束24對準。
採用本發明第二實施例提供的電子束加工系統10A可以同時對複數個位置進行焊接或打孔。例如，採用六邊形的繞射環可以一次打六個成六邊形排布的孔，大大提高工作效率。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專 利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

Claims (10)

  1. 一種電子束加工系統，其包括：一真空裝置；一設置於所述真空裝置內的電子槍，所述電子槍用於發射電子束；一設置於所述真空裝置內的載物裝置，所述載物裝置用於承載待加工件；以及一控制電腦，所述控制電腦用於控制整個電子束加工系統的工作；其改良在於，進一步包括一設置於所述真空裝置內的繞射裝置；所述繞射裝置包括一二維奈米材料，且所述二維奈米材料部分懸空設置；所述電子槍發射的電子束先透過該二維奈米材料後形成一透射電子束和複數個繞射電子束，所述透射電子束和複數個繞射電子束照射在該待加工件表面形成一透射斑點和複數個繞射斑點。
  2. 如請求項1所述的電子束加工系統，其中，所述二維奈米材料為單層或複數層石墨烯或二硫化鉬。
  3. 如請求項1所述的電子束加工系統，其中，所述繞射裝置還包括一支撐網格，所述二維奈米材料與該支撐網格層疊設置。
  4. 如請求項3所述的電子束加工系統，其中，所述支撐網格為銅網或奈米碳管膜。
  5. 如請求項3所述的電子束加工系統，其中，所述繞射裝置還包括一具有通孔的金屬片，所述二維奈米材料與該支撐網格設置於所述金屬片表面且懸空設置於所述通孔上。
  6. 如請求項1所述的電子束加工系統，其中，所述繞射裝置還包括一移動裝置，從而用於調節和控制所述二維奈米材料與該待加工件表面的距離。
  7. 如請求項1所述的電子束加工系統，其中，進一步包括至少一導電體，用於遮擋所述透射斑點或繞射斑點中的一個或複數個。
  8. 如請求項7所述的電子束加工系統，其中，所述至少一導電體與外界電路電連接。
  9. 如請求項1所述的電子束加工系統，其中，所述繞射裝置作為電子 槍的加速電極使用，從而使該電子槍不需要專門的加速電極。
  10. 如請求項1所述的電子束加工系統，其中，進一步包括複數個設置於所述繞射裝置與所述載物裝置之間的聚焦電極，且該複數個聚焦電極分別對應一繞射電子束設置。
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