Elektronenstrahltechnologie

Seit Mitte des 20. Jahrhunderts bildet die Elektronenstrahltechnologie die Grundlage für eine Vielzahl neuartiger und spezialisierter Anwendungen in der Halbleiterfertigung , in mikroelektromechanischen Systemen , nanoelektromechanischen Systemen und in der Mikroskopie .

Freie Elektronen im Vakuum lassen sich mithilfe elektrischer und magnetischer Felder zu einem feinen Strahl bündeln. Trifft dieser Strahl auf feste Materie, werden die Elektronen in Wärme oder kinetische Energie umgewandelt . Diese Energiekonzentration in einem kleinen Volumen kann durch die Felder präzise gesteuert werden, was zahlreiche Vorteile mit sich bringt.

Zu den Elektronenstrahltechniken gehören die Elektronenstrahl-Mikroanalyse , die Transmissionselektronenmikroskopie , die Auger-Spektroskopie und die Rasterelektronenmikroskopie . ^{[ 1 ]} Der rasche Temperaturanstieg am Auftreffpunkt kann ein Zielmaterial schnell schmelzen. Unter extremen Betriebsbedingungen kann der schnelle Temperaturanstieg zur Verdampfung führen, wodurch der Elektronenstrahl ein hervorragendes Werkzeug für Heizanwendungen wie Schweißen oder Elektronenstrahlverdampfung darstellt . ^{[ 2 ]} Die Elektronenstrahltechnologie wird unter anderem zur Kabelisolierung, zur Elektronenlithografie von Submikrometer- und Nanostrukturen, zur Elektronenstrahlhärtung von Farbdrucken in der Mikroelektronik ^{[ 3 ]} sowie zur Herstellung und Modifizierung von Polymeren, einschließlich Flüssigkristallfilmen, eingesetzt.

Im Vakuum dient der Elektronenstrahl als Wärmequelle, die jedes Material schmelzen oder modifizieren kann. ^{[ 4 ]} Diese Wärmequelle bzw. Phasenumwandlung ist aufgrund des Vakuums und der Schicht aus erstarrtem Metall an den kalten Kupfertiegelwänden absolut steril. Dadurch können in Elektronenstrahl-Vakuumöfen reinste Materialien hergestellt und raffiniert werden. Seltene und hochschmelzende Metalle lassen sich in Vakuumöfen mit kleinem Volumen herstellen oder raffinieren. Für die Massenproduktion von Stählen existieren in Industrieländern große Öfen mit einer Kapazität im Tonnenbereich und einer Elektronenstrahlleistung im Megawattbereich.

Seit Beginn des industriellen Elektronenstrahlschweißens Ende der 1950er-Jahre wurden unzählige Elektronenstrahlschweißanlagen entwickelt und weltweit eingesetzt. Diese Schweißanlagen verfügen über Arbeitsvakuumkammern mit einem Volumen von wenigen Litern bis zu mehreren hundert Kubikmetern und Elektronenkanonen mit einer Leistung von bis zu 100 kW.

Moderne Elektronenstrahlschweißanlagen sind üblicherweise mit einem computergesteuerten Ablenksystem ausgestattet, das den Strahl schnell und präzise über einen ausgewählten Bereich des Werkstücks führt. Dank der schnellen Erhitzung wird nur eine dünne Oberflächenschicht des Materials erhitzt. Anwendungsgebiete sind Härten , Glühen , Anlassen , Texturieren und Polieren (unter Argonatmosphäre). Wird der Elektronenstrahl zum Schneiden einer flachen Rille in die Oberfläche verwendet, erzeugt die wiederholte horizontale Bewegung entlang der Rille mit hoher Geschwindigkeit einen kleinen Haufen aus ausgestoßenem, geschmolzenem Metall. Durch Wiederholung lassen sich spitzenartige Strukturen mit einer Höhe von bis zu einem Millimeter erzeugen. Diese Strukturen können die Verbindung zwischen verschiedenen Materialien verbessern und die Oberflächenrauheit des Metalls verändern.

Die additive Fertigung ist ein Verfahren zum Verbinden von Materialien, um Objekte anhand von 3D-Modelldaten herzustellen . Dies geschieht üblicherweise durch das schichtweise Aufschmelzen von Pulvermaterial. Das Aufschmelzen im Vakuum mittels eines computergesteuerten Rasterelektronenstrahls ist hochpräzise. Die Elektronenstrahl-Direktfertigung (EDF) ist das erste kommerziell verfügbare, großflächige und vollständig programmierbare Verfahren zur Herstellung von Bauteilen in endkonturnaher Form .

Der Ausgangsmetallblock wird durch einen Elektronenstrahl unter starker Rotation geschmolzen. Beim Abkühlen des Metalls und dem Abprallen vom Metallstab entsteht Pulver.

Die Elektronenstrahlbearbeitung ist ein Verfahren, bei dem hochenergetische Elektronen in einem schmalen Strahl mit sehr hoher Leistungsdichte gebündelt werden. Der Strahlquerschnitt wird fokussiert und auf das Werkstück gerichtet, wodurch Hitze erzeugt und das Material verdampft wird. Mit der Elektronenstrahlbearbeitung lassen sich verschiedenste Metalle präzise schneiden oder bohren. Die resultierende Oberflächengüte ist besser und die Schnittfugenbreite geringer als bei anderen thermischen Schneidverfahren. Aufgrund der hohen Anlagenkosten ist der Einsatz dieser Technologie jedoch auf hochwertige Produkte beschränkt.

Die Elektronenlithografie erzeugt mithilfe eines hochpräzisen Elektronenstrahls Mikrostrukturen im Fotolack, die anschließend – meist durch Ätzen – auf das Substratmaterial übertragen werden können. Ursprünglich für die Herstellung integrierter Schaltungen entwickelt, wird sie auch zur Erzeugung nanotechnologischer Architekturen eingesetzt. Elektronenlithografien verwenden Elektronenstrahlen mit Durchmessern von zwei bis zu mehreren hundert Nanometern. Sie dienen außerdem zur Herstellung computergenerierter Hologramme (CGH). Die maskenlose Elektronenlithografie findet breite Anwendung in der Fotomaskenherstellung für die Fotolithografie , der Kleinserienfertigung von Halbleiterbauteilen sowie in Forschung und Entwicklung.

Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) findet im Vakuum statt und erzeugt Dünnschichten von Solarzellen durch Aufbringen dünner Metallschichten auf eine Trägerstruktur. Die Elektronenstrahlverdampfung nutzt die thermionische Emission, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, der durch eine Hochspannungskathoden- und -anodenanordnung beschleunigt wird. ^{[ 2 ]} Elektrostatische und magnetische Felder fokussieren und lenken die Elektronen auf ein Target. Die kinetische Energie wird an oder nahe der Materialoberfläche in thermische Energie umgewandelt. Die entstehende Erhitzung führt zum Schmelzen und anschließenden Verdampfen des Materials. Temperaturen von über 3500 °C können erreicht werden. Der aus der Quelle austretende Dampf kondensiert auf einem Substrat und bildet eine dünne Schicht aus hochreinem Material. Schichtdicken von einer einzelnen Atomlage bis zu mehreren Mikrometern sind möglich. Dieses Verfahren findet Anwendung in der Mikroelektronik , Optik und Materialforschung sowie zur Herstellung von Solarzellen und vielen anderen Produkten.

Die Elektronenstrahlhärtung ist ein Verfahren zur Aushärtung von Farben und Tinten ohne herkömmliche Lösungsmittel. Sie erzeugt eine Oberfläche, die der von traditionellen Lösungsmittelverdampfungsverfahren ähnelt, jedoch durch einen Polymerisationsprozess erreicht wird. Die Elektronenstrahlhärtung wird auch zur Vernetzung von Polymeren eingesetzt, um deren Beständigkeit gegenüber thermischen, mechanischen oder chemischen Belastungen zu erhöhen.

Die Elektronenstrahlbehandlung wird zur Sterilisation von Medizinprodukten und aseptischen Verpackungsmaterialien für Lebensmittel sowie zur Entwesung, also zur Beseitigung lebender Insekten aus Getreide, Tabak und anderen unverarbeiteten Schüttgütern, eingesetzt.

Ein Elektronenmikroskop nutzt einen kontrollierten Elektronenstrahl, um eine Probe zu beleuchten und ein vergrößertes Bild zu erzeugen. Zwei gängige Typen sind das Rasterelektronenmikroskop (REM) und das Transmissionselektronenmikroskop (TEM). ^{[ 5 ]}

Elektronenstrahlen, die auf Metall treffen, erzeugen Röntgenstrahlen. Diese Röntgenstrahlen können diagnostisch genutzt werden, beispielsweise für Aufnahmen von Zähnen oder Gliedmaßen. In diesen Röntgenröhren ist das Metall oft eine rotierende Scheibe, damit es nicht schmilzt; die Scheibe wird im Vakuum mithilfe eines Magnetmotors in Rotation versetzt. Röntgenstrahlen können auch zur Zerstörung von Krebsgewebe eingesetzt werden. Das Therac-25- Gerät ist ein berüchtigtes Beispiel dafür.

Die Elektronenstrahltechnologie geht letztlich auf Arbeiten zurück, die zur Entdeckung des Elektrons führten, als Elektronenstrahlen noch Kathodenstrahlen genannt wurden . ^{[ 6 ]} Entscheidende Fortschritte in der Technologie zur Steuerung von Elektronenstrahlen führten 1952 zur Entwicklung des ersten brauchbaren Rasterelektronenmikroskops durch McMullan im Labor von Charles Oatley an der Universität Cambridge . Eine Reihe von Doktoranden in diesem Labor verbesserte die Technik kontinuierlich. Thomas Eugene Everhart , der hauptsächlich an Halbleiteroberflächen arbeitete, entwickelte die Spannungskontrastmethode und den Everhart-Thornley-Detektor . ^{[ 7 ]}

• Schultz, H.: Elektronenstrahlschweißen, Abington Publishing
• Von Dobeneck, D.: Elektronenstrahlschweißen – Beispiele aus 30 Jahren Werkstatterfahrung
• elfik.isibrno.cz/en : Elektronenstrahlschweißen (auf Tschechisch und/oder Englisch)
• Visser, A.: Werkstoffabtrag durch Elektronen- und Photonenstrahlen; Verlag <Technische Rundschau>, Blaue Reihe, Heft 104
• Klein, J. (Hrsg.), Schweißen: Prozesse, Qualität und Anwendungen, Nova Science Publishers, Inc. , NY, Kapitel 1 und 2, S. 1–166
• Nemtanu, MR, Brasoveanu, M. (Hrsg.), Praktische Aspekte und Anwendungen der Elektronenstrahlbestrahlung, Transworld Research Network, 37/661(2), Fort PO, Trivandrum-695 023, Kerala, Indien