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CN107481913B - 一种电子束加工系统 - Google Patents

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CN107481913B
CN107481913B CN201610405200.4A CN201610405200A CN107481913B CN 107481913 B CN107481913 B CN 107481913B CN 201610405200 A CN201610405200 A CN 201610405200A CN 107481913 B CN107481913 B CN 107481913B
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Tsinghua University
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Abstract

本发明涉及一种电子束加工系统，其包括：一真空装置；一设置于所述真空装置内的电子枪，所述电子枪用于发射电子束；一设置于所述真空装置内的载物装置，所述载物装置用于承载待加工件；以及一控制电脑，所述控制电脑用于控制整个电子束加工系统的工作；其中，进一步包括一设置于所述真空装置内的衍射装置；所述衍射装置包括一二维纳米材料；所述电子枪发射的电子束先透过该二维纳米材料后形成一透射电子束和多个衍射电子束，所述透射电子束和多个衍射电子束照射在该待加工件表面形成一透射斑点和多个衍射斑点。本发明提供的电子束加工系统通过电子束衍射装置将一个电子束衍射成多个电子束，既成本低廉又提高了工作效率。

Description

一种电子束加工系统
技术领域
本发明属于微纳米技术领域，尤其涉及一种电子束加工系统以及采用该系统的电子束加工方法。
背景技术
电子束加工是利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使材料熔化、气化的特种加工方法，简称为EBM。利用电子束的热效应可以对材料进行表面热处理、焊接、刻蚀、钻孔、熔炼，或直接使材料升华。
电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度(105～109瓦/厘米2)的电子束。当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使待加工件的材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。电子束加工系统由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室，以及观察装置等部分组成。
然而，现有的电子束加工系统一个电子枪只能产生一束电子束，因此，工作效率较低。而采用多个电子枪产生多个电子束，则成本较高。
发明内容
本发明提供一种即成本低廉又工作效率较高的电子束加工系统。
一种电子束加工系统，其包括：一真空装置；一设置于所述真空装置内的电子枪，所述电子枪用于发射电子束；一设置于所述真空装置内的载物装置，所述载物装置用于承载待加工件；以及一控制电脑，所述控制电脑用于控制整个电子束加工系统的工作；其中，进一步包括一设置于所述真空装置内的衍射装置；所述衍射装置包括一二维纳米材料；所述电子枪发射的电子束先透过该二维纳米材料后形成一透射电子束和多个衍射电子束，所述透射电子束和多个衍射电子束照射在该待加工件表面形成一透射斑点和多个衍射斑点。
如上述电子束加工系统，其中，所述二维纳米材料为单层或多层石墨烯或二硫化钼。
如上述电子束加工系统，其中，所述衍射装置还包括一支撑网格，所述二维纳米材料与该支撑网格层叠设置。
如上述电子束加工系统，其中，所述支撑网格为铜网或碳纳米管膜。
如上述电子束加工系统，其中，所述衍射装置还包括一具有通孔的金属片，所述二维纳米材料与该支撑网格设置于所述金属片表面且悬空设置于所述通孔上。
如上述电子束加工系统，其中，所述衍射装置还包括一移动装置，从而可以调节和控制所述二维纳米材料与该待加工件表面的距离。
如上述电子束加工系统，其中，进一步包括至少一导电体，用于遮挡所述透射斑点或衍射斑点中的一个或多个。
如上述电子束加工系统，其中，所述至少一导电体与外界电路电连接。
如上述电子束加工系统，其中，所述衍射装置作为电子枪的加速电极使用，从而使该电子枪不需要专门的加速电极。
如上述电子束加工系统，其中，进一步包括多个设置于所述衍射装置与所述载物装置之间的聚焦电极，且该多个聚焦电极分别对应一衍射电子束设置。
本发明提供的电子束加工系统通过电子束衍射装置将一个电子束衍射成多个电子束，既成本低廉又提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的电子束加工系统的结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的电子束加工系统的电子束的衍射斑点和透射斑点的结构示意图。
图3为本发明第一实施例提供的电子束加工系统的衍射装置的结构示意图。
图4为本发明第一实施例提供的电子束加工系统的二维纳米材料的电子衍射和透射原理示意图。
图5为本发明第一实施例采用电子束覆盖整个单层单晶石墨烯片的衍射斑点和透射斑点的图像。
图6为本发明第一实施例采用电子束覆盖整个三个单层单晶石墨烯片的衍射斑点和透射斑点的图像。
图7为本发明第一实施例采用电子束覆盖整个大面积连续的多晶石墨烯膜的衍射斑点和透射斑点的图像。
图8为本发明第一实施例采用电子束覆盖整个二硫化钼薄片的衍射斑点和透射斑点的图像。
图9为采用本发明第一实施例提供的电子束加工系统的光刻方法的流程图。
图10为本发明第二实施例提供的电子束加工系统的结构示意图。
主要元件符号说明
电子束加工系统 10
真空装置 11
电子发射体 12
控制栅极 13
加速电极 14
聚焦电极 15
载物装置 16
控制电脑 17
衍射装置 18
导电体 19
待加工件 20
入射电子束 22
衍射电子束 24
透射电子束 26
衍射斑点 27
晶面 28
透射斑点 29
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合上述附图和不同实施例说明本发明提供的电子束加工系统以及采用该系统的电子束加工方法。本发明提供的电子束加工系统可以为电子束光刻系统、电子束焊接系统、电子束打孔系统、电子束熔炼系统或电子束热处理系统等。
参见图1-2，本发第一明实施例提供的电子束加工系统10为一电子束光刻系统，其包括：一真空装置11、一电子发射体12、一控制栅极13、一加速电极14、一聚焦电极15、一载物装置16、一控制电脑17以及一衍射装置18。
所述电子发射体12、控制栅极13、加速电极14、聚焦电极15、载物装置16以及衍射装置18均设置于所述真空装置11的真空腔体内。所述电子发射体12在控制栅极13作用下发射电子束。所述电子束经过所述加速电极14加速以及聚焦电极15会聚之后形成入射电子束22照射在所述衍射装置18上。所述入射电子束22透过所述衍射装置18后形成一个透射电子束26和多个衍射电子束24。所述透射电子束26和多个衍射电子束24照射在所述载物装置16上的待加工件20表面，形成一个透射斑点29和多个衍射斑点27。参见图2，所述多个衍射斑点27形成一衍射环。所述控制电脑17用于控制整个电子束加工系统10的工作。
所述真空装置11包括真空腔体以及与该真空腔体连接的抽真空装置。所述真空腔体和抽真空装置的结构形状不限，可以根据需要设计。本实施例中，所述抽真空装置包括一离子泵、一第一分子泵、一第二分子泵、一机械泵以及一控制装置。所述离子泵和第二分子泵分别直接与所述真空腔体连接。所述第一分子泵通过一预抽室与所述真空腔体连接。所述机械泵则分别与所述第一分子泵和第二分子泵连接。所述控制装置用于控制整个抽真空装置的工作。通过所述抽真空装置，可以使所述真空腔体的真空度达到10-3-10-8Pa。
所述电子发射体12和所述载物装置16间隔设置且分别设置于所述真空装置11的真空腔体内相对的两端。所述控制栅极13、加速电极14、聚焦电极15、以及衍射装置18依次间隔设置于所述电子发射体12和所述载物装置16之间。可以理解，所述控制栅极13、加速电极14、聚焦电极15以及衍射装置18的顺序不限，只要可以实现本发明目的即可。所述电子发射体12可以为热阴极也可以为场发射冷阴极。
所述电子发射体12、控制栅极13、加速电极14以及聚焦电极15构成一电子枪。所述电子枪提供的入射电子束22能量可以为0.2keV-200keV，电子束流为0.01微安-10毫安，且电子束斑直径为1微米-6毫米。可以理解，对于电子束光刻系统，该入射电子束22能量较低且束斑直径较小，通常为1纳米-100微米。而对于电子束焊接系统、电子束打孔系统、电子束熔炼系统或电子束热处理系统，该入射电子束22能量较高且束斑直径较大。所述电子枪的种类不限，可以为层流枪等。层流枪可以实现更均匀束斑和更大的电流密度。进一步，所述电子束加工系统10还可以包括一移动台(图未示)。通过该移动台可以移动所述电子枪，从而实现电子束对该待加工件20的扫描。可以理解，所述电子束加工系统10也可以设置一偏转电极(图未示)，通过该偏转电极移动入射电子束22，从而实现电子束对该待加工件20的扫描。可以理解，由于所述衍射装置18施加电位后也可以作为电子枪的加速电极使用，该电子枪可以不需要专门的加速电极。也就是说，所述加速电极14为可选结构。优选地，所述二维纳米材料184可以与外界电路电连接，从而使得所述二维纳米材料184吸收的电子也可以通过外界电路导走。
所述载物装置16用于固定所述待加工件20。所述载物装置16的结构不限。可以根据需要设置。本实施例，所述载物装置16为一载物台。
进一步参见图3，所述衍射装置18包括一支架180、一支撑网格182以及一二维纳米材料184。所述样品支架180用于支撑和固定所述支撑网格182和所述二维纳米材料184。所述样品支架180的结构和尺寸不限，可以根据需要设计。例如，所述样品支架180可以为一中间具有通孔181的金属片。所述通孔181直径小于所述尺寸支撑网格182的尺寸。所述支撑网格182设置于所述支架180表面且悬空设置于所述通孔181上。所述支撑网格182的结构和尺寸不限，可以根据需要设计。所述支撑网格182可以为铜网或碳纳米管膜等。可以理解，由于碳纳米管拉膜是一种超薄的稀疏多孔的结构，对于样品的影响比较小，此外还因为碳管拉膜最主要的衍射斑点是管壁间的衍射，位于低角度，不会对所研究材料的衍射斑点产生影响。所述二维纳米材料184与该支撑网格182层叠设置，且将该通孔181至少部分覆盖。优选，所述二维纳米材料184将该通孔181全部覆盖。所述二维纳米材料184可以为单层至多层石墨烯及二硫化钼(MoS2)等。本实施例中，所述样品支架180为一中间具有圆形通孔181的铜圆盘。所述支撑网格182为交叉设置的碳纳米管拉膜。
所述衍射装置18还包括一移动装置(图未示)，从而可以使所述二维纳米材料184在各个方向可移动。例如，通过移动装置可以调节和控制所述二维纳米材料184与该待加工件20表面的距离D。
所述控制电脑17包括计算模块以及距离控制模块。所述计算模块用于通过所述二维纳米材料184的点阵周期d和需要形成的衍射环的半径R计算所述二维纳米材料184与该待加工件20表面的距离D，详见后面描述。所述距离控制模块用于调节所述二维纳米材料184与该待加工件20之间的距离D。
进一步，所述电子束加工系统10还可以包括至少一导电体19，用于遮挡所述透射斑点29或衍射斑点27中的一个或多个。所述导电体19结构形状不限，只要能够实现遮挡相应的透射斑点29或衍射斑点27功能，而且不影响其他透射斑点29或衍射斑点27即可。本实施例中，所述导电体19包括一导电杆以及一导电圆盘。所述导电杆一端可旋转固定于所述真空装置11的真空腔体内的侧壁上，另一端与该导电圆盘连接。使用时，将所述导电圆盘旋转至所述衍射装置18和该待加工件20之间，从而将相应的透射斑点29或衍射斑点27挡住。优选地，所述导电体19与外界电路电连接，从而使得所述导电体19吸收的电子可以通过外界电路导走。本实施例中，所述导电体19与所述二维纳米材料184电连接后一起与外界电路电连接。
与传统的电子衍射不同，二维纳米材料184，尤其是只有一层原子组成的二维纳米材料184的衍射原理上会不同于三维材料。以下介绍所述二维纳米材料184进行衍射的原理与传统电镜对三维材料行衍射的原理之区别。
参见图4，对于图4(a)所示的二维材料而言，所满足的衍射的条件为dsinθ＝λ，这里的d为二维材料的点阵周期，θ是衍射电子束24与透射电子束26之间的夹角。而对于如图4(b)所示的传统三维材料而言，所满足的衍射条件为2d’sinθ’＝λ，这里的d’是三维材料的晶面间距，θ’是入射电子束22与三维材料晶面28的夹角。在传统三维材料的衍射中，透射电子束26和衍射电子束24之间的夹角则为2θ’。需要注意的是在通常的选区电子衍射中，θ都非常小，满足θ≌sinθ≌tanθ。对于二维材料而言为dsinθ≌dθ＝λ，其中θ为衍射电子束24和透射电子束26的夹角。对于三维材料而言，2d’sinθ’≌2d’θ’＝d’2θ’＝λ，其中θ’是入射电子束22与晶面28的夹角，而2θ’则为透射电子束26和衍射电子束24之间的夹角。
由于所述二维纳米材料184的点阵周期d和入射电子束22的波长λ为确定的，而需要形成的衍射环的半径R可以根据加工需要确定。因此，所述控制电脑17的计算模块通过dsinθ≌dθ＝λ可以计算所述二维纳米材料184与该待加工件20表面的距离D。具体地，在同一晶向上，衍射电子束24在该待加工件20表面形成一衍射环，透射电子束26在该待加工件20表面形成一透射斑点29。所述衍射环距离透射斑点的距离等于所述衍射环的半径R。所述二维纳米材料184与该待加工件20表面的距离为D。另外，当入射电子束22的能量确定时，其波长λ也为确定值。这样，根据dsinθ≌dθ＝λ和sinθ＝R/(D2+R2)1/2可R/以计算所述样品20的相应晶向的点阵周期d。
可以理解，所述入射电子束22透射所述二维纳米材料184之后形成的衍射电子束24数量以及该多个衍射电子束24在待加工件20的表面形成的衍射环的图案与所述二维纳米材料184的材料结构和层数有关。例如，图5为所述二维纳米材料184为单层单晶石墨烯片时，入射电子束22覆盖整个单层单晶石墨烯片后形成的衍射图像。图6为所述二维纳米材料184为三个单层单晶石墨烯片时，入射电子束22覆盖整个三个单层单晶石墨烯片的衍射图像。图7为所述二维纳米材料184为连续的多晶石墨烯膜时，入射电子束22覆盖整个连续的多晶石墨烯膜的衍射图像。图8为所述二维纳米材料184为二硫化钼薄片时，入射电子束22覆盖整个只有一个晶向的二硫化钼薄片的衍射图像。
参见图9，以下介绍采用本发明提供的电子束加工系统10进行光刻的方法。该方法包括：
步骤S10：提供一入射电子束22；
步骤S20：使该入射电子束22透过一二维纳米材料184后形成一透射电子束26和多个衍射电子束24；
步骤S30：将该透射电子束26挡住；以及
步骤S40：使该多个衍射电子束24照射在待加工件20的表面形成多个衍射斑点27。
所述步骤S10中，所述入射电子束22可以为平行电子束也可以为汇聚后的电子束。所述入射电子束22由电子枪提供。
所述步骤S20中，所述入射电子束22可以垂直入射于该二维纳米材料184。所述二维纳米材料184可以为单层石墨烯或二硫化钼，也可以为多层石墨烯或二硫化钼。
所述步骤S20中，通过选择所述二维纳米材料184的材料和层数，控制所述多个衍射电子束24在待加工件20的表面形成的衍射环的图案。具体可以参见图5-8。
所述步骤S30中，进一步还可以包括：将至少一个衍射电子束24挡住。所述将该透射电子束26或衍射电子束24挡住的方法为：采用一导电体19将该透射电子束26或衍射电子束24挡住。优选地，将该导电体19与所述二维纳米材料184电连接。可以理解，由于透射电子束26与衍射电子束24的能量不同，而所有衍射电子束24的能量相同，所以挡住透射电子束26，仅采用多个衍射电子束24进行曝光。
所述步骤S40中，进一步还可以包括：采用该多个衍射电子束24扫描该待加工件20的表面。所述采用该多个衍射电子束24扫描该待加工件20的表面的方法为使该待加工件20与多个衍射电子束24产生相对移动。
所述步骤S40中，进一步还可以包括：通过改变所述二维纳米材料184与所述待加工件20的表面的距离，控制所述多个衍射电子束24在待加工件20的表面形成的衍射斑点27的大小和间距。
可以理解，本发明的光刻方法中，由于采用多个衍射电子束24同时照射待加工件20的表面，提高了光刻效率。
参见图10，本发第二明实施例提供的电子束加工系统10A可以为一电子束焊接系统、电子束加热系统或电子束打孔系统。所述电子束加工系统10A包括：一真空装置11、一电子发射体12、一控制栅极13、一加速电极14、多个聚焦电极15、一载物装置16、一控制电脑17以及一衍射装置18。
本发第二明实施例提供的电子束加工系统10A与本发第一明实施例提供的电子束加工系统10的结构基本相同，其区别在于，所述电子束加工系统10A包括多个设置于所述衍射装置18与所述载物装置16之间的聚焦电极15，且该多个聚焦电极15分别对应一衍射电子束24设置。可以理解，由于本实施例的电子束加工系统10A为一电子束焊接系统、电子束加热系统或电子束打孔系统，其均需要作用在待加工件20表面的电子束具有较高的能量和温度。因此，本实施例在入射电子束22汇聚成较高能量和温度之前，先经过所述衍射装置18进行分束，形成多个衍射电子束24，然后再通过所述聚焦电极15分别对该衍射电子束24进行汇聚，以防止较高能量和温度的入射电子束22会破坏所述衍射装置18的二维纳米材料184。可以理解，所述聚焦电极15可以移动，以便与对应的衍射电子束24对准。
采用本发第二明实施例提供的电子束加工系统10A可以同时对多个位置进行焊接或打孔。例如，采用六边形的衍射环可以一次打六个成六边形排布的孔，大大提高工作效率。
上述各实施例是对本发明内容作进一步说明，不应理解为本发明的范围仅限于上述实施例，凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明保护的范围。另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种电子束加工系统，其包括：
一真空装置；
一设置于所述真空装置内的电子枪，所述电子枪用于发射电子束；
一设置于所述真空装置内的载物装置，所述载物装置用于承载待加工件；以及
一控制电脑，所述控制电脑用于控制整个电子束加工系统的工作；
其特征在于，进一步包括一设置于所述真空装置内的衍射装置；所述衍射装置包括一二维纳米材料；所述电子枪发射的电子束先透过该二维纳米材料后形成一透射电子束和多个衍射电子束，所述透射电子束和多个衍射电子束照射在该待加工件表面形成一透射斑点和多个衍射斑点；所述控制电脑控制整个电子束加工系统的工作包括：根据公式和sinθ＝R/(D2+R2)1/2进行计算，其中，D表示所述二维纳米材料与该待加工件表面的距离，R表示所述多个衍射电子束在待加工件的表面形成的衍射环的半径，d表示所述二维纳米材料的点阵周期，θ表示所述衍射电子束和所述透射电子束的夹角，λ表示所述电子枪发射的电子束的波长。
2.如权利要求1所述的电子束加工系统，其特征在于，所述二维纳米材料为单层或多层石墨烯或二硫化钼。
3.如权利要求1所述的电子束加工系统，其特征在于，所述衍射装置还包括一支撑网格，所述二维纳米材料与该支撑网格层叠设置。
4.如权利要求3所述的电子束加工系统，其特征在于，所述支撑网格为铜网或碳纳米管膜。
5.如权利要求3所述的电子束加工系统，其特征在于，所述衍射装置还包括一具有通孔的金属片，所述二维纳米材料与该支撑网格设置于所述金属片表面且悬空设置于所述通孔上。
6.如权利要求1所述的电子束加工系统，其特征在于，所述衍射装置还包括一移动装置，从而用于调节和控制所述二维纳米材料与该待加工件表面的距离。
7.如权利要求1所述的电子束加工系统，其特征在于，进一步包括至少一导电体，用于遮挡所述透射斑点或衍射斑点中的一个或多个。
8.如权利要求7所述的电子束加工系统，其特征在于，所述至少一导电体与外界电路电连接。
9.如权利要求1所述的电子束加工系统，其特征在于，所述衍射装置作为电子枪的加速电极使用，从而使该电子枪不需要专门的加速电极。
10.如权利要求1所述的电子束加工系统，其特征在于，进一步包括设置于所述衍射装置与所述载物装置之间的多个聚焦电极，且该多个聚焦电极分别对应一衍射电子束设置。
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