特种加工第六章
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• 离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，制得新的合金从而改善金属表面的 耐腐蚀性能、耐磨性能、硬度、抗疲劳性能、润滑性能等。
的沟槽或凹坑。
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（四）焊接 • 高能量密度的电子束 毛细管状的熔池，沿着焊缝与电子束做相对运动 • 能量密度高，焊接速度快，焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。不用焊条，真
空中进行，焊缝化学成分纯净，强度高于母材。
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• 可焊接钽、铌、钼等难熔金属，也可焊接钛、锆、铀等活泼金属， 可焊接普通碳 钢、不锈钢、合金钢、铜、铝，可焊接很薄和很厚的工件
除原子，离子束流密度及离子能量可以精确控制，所以离子刻蚀可以达到纳米级 的加工精度。离子镀膜可以控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度也可极 精确的控制。因此，离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方 法，是当代纳米加工技术的基础。
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（2）由于离子束加工是在高真空中进行，所以污染少，特别适用用对易氧化的金属、 合金材料和高纯度半导体材料的加工。
•
可实现异种金属的焊接 如铜和不锈钢的焊接 钢和硬质合金的焊接 铬、镍
和钼的焊接等。
• 热影响小、变形小，工件精加工后焊接，可将复杂的零件分成几个零件进行加工， 单独使用最合适的材料，然后用电子束焊接到一起。
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（五）热处理
•
加热和冷却速度很快，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒到千分之一秒，可
射角在40~60度时刻蚀效率最高。
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加工陀螺仪空气轴承和动压马 达上的沟槽，分辨率高，精度、 重复一致性好。 加工非球面 透镜能达到其他方法不能达到 的精度。
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航天、航空中动压马达止推板 和陀螺马达轴上的精密槽线
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• 刻蚀高精度的图形，如集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器件和光集成 器件等微电子学器件亚微米图形
• 电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常用稳压设备，这是因为电子 束聚焦以及阴极的发射强度与电压波动有密切关系。
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三、电子束加工的应用 （一）高速打孔 （二）加工型孔及特殊表面 （三）刻蚀 （四）焊接 （五）热处理 （六）光刻
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（一）高速打孔 • 最小直径可达0.003mm左右。发动机套上的冷却孔 机翼吸附屏上的孔 孔的密度
得到奥氏体超细晶粒组织 高硬度
•
跟激光相比，热转换效率高，防止材料氧化，功率比激光功率大。
• 金属达到表面熔化，可在熔化区添加元素，使金属表面改性，形成新的合金层，获 得更好的物理力学性能。
铸铁熔化处理 莱氏体组织 抗滑动磨损
铝、钛、镍 添加元素 耐磨性能
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（六）光刻
•
用低功率密度的电子束照射电致抗蚀剂，由于入射电子与高分子相碰撞，使
• 绕射性好，使基板的所有暴露的表面均能被镀覆。 • 离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，各种
合金、化合物、某些合成材料、半导体材料、高熔点材料均可镀覆。
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• 离子镀技术已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等 氮化钛18Ｋ金镀膜 耐磨性 耐腐蚀性 价格1/60 用于首饰、景泰蓝、金笔套、 餐具等。
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离子束刻蚀还用来致薄材料，用于致薄石英晶体振荡器和压电传感器。致薄 探测器探头，可以提高其灵敏度。
用于致薄样品，进行表面分析，例如可以致薄月球岩石样品，从10微米致薄 到10纳米。
能在１纳米厚的Au-Pa膜上刻出８纳米宽的线条。
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（二）镀膜加工 离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀时工件不仅接受靶材溅射来
注入效应。
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（二）离子束加工分类 • 离子刻蚀 • 离子溅射沉积 • 离子镀 • 离子注入
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（三）离子束加工的特点 • （1）由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击材料是逐层去
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5）由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不会氧化，特别适用于 加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。
6）电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。
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二、电子束加工装置 （一）电子枪 （二）真空系统 （三）控制系统和电源
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（二）电子束加工的特点 1）由于电子束能够极其微细的聚焦，甚至能聚焦到0.1um，所以加工面积可以很小，
是一种精密细微的加工方法。 2）电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料
主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和 变形。加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。
• 离子镀代替镀硬铬，可减少公害。 • 航空工业中可采用离子镀铝代替飞机部件镀镉。 • 用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具的耐用
度。 可用于处理齿轮滚刀、铣刀
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离子镀的种类有很多，常用的离子镀是以蒸发镀膜为基础的，即在真空中 使被蒸发物质气化，在气体离子或被蒸发物质离子冲击作用的同时，把蒸发物蒸 镀在基体上。空心阴极放电离子镀效率高、膜层质量好。
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（三）离子注入加工 • 离子注入是向工件表面直接注入离子，它不受热力学限制，可以注入任何离子，并
且注入量可以精确控制。 • 用硼、磷等注入半导体，用以改变导电形式和制造P-N结。由于离子注入的数量、
P-N结的含量、注入的区域都可以精确控制，可以满足热扩散法难以达到的要求。
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也可以加工弯孔和曲面
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• （三）刻蚀 • 在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料
刻出许多微细沟槽和孔。还可在加工过程中对电阻值进行测量校准。 • 电子束刻蚀还可用于制版，在铜制印刷滚筒上按色调深浅刻出许多大小与深浅不一
第6页/共75页第7页/共75页第 Nhomakorabea页/共75页
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（一）电子枪 发射阴极（钨、钽）、控制栅极、加速阳极 电磁透镜
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（二）真空系统 电子高速运动 金属蒸汽
• 机械旋转泵 油扩散泵或涡轮分子泵
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（三）控制系统和电源 束流聚焦控制 为了提高电子束的能量密度，使电子束聚焦成很小的束斑，
第51页/共75页
• 刻蚀加工时，对离子入射能量、束流大小、离子入射到工件上的角度以及工作室 气压等都能分别调节控制。用氩离子轰击被加工表面时，其效率取决于离子能量 和入射角度。
• 离子能量从100eV到1000eV增加时，刻蚀率增加，而后增加速率逐渐减慢。 • 离子刻蚀率随入射角增加而增加，但入射角增大会使表面有效束流减小，一般入
• 加工玻璃、陶瓷、宝石 温差 变形、破裂 用电阻炉或电子束进行预热。
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（二）加工型孔及特殊表面 • 加工喷丝头异型孔
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• 切割种复杂型面 切口宽度３～６μｍ，边缘表面粗糙度0.5 μｍ • 离心过滤机、造纸化工过滤设备钢板上的小锥孔 防止堵塞 反冲清洗 • 燃烧室混气板及某些透平叶片上不同方向的斜孔 • 燃气轮机上的叶片、混气板和蜂房消音器上的孔
和直径可以变化，孔数达数百万个。在0.1mm厚的不锈钢上加工直径为0.2mm的 孔，每秒钟可达3000个。
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• 在人造革、塑料上打大量微孔，将电子枪发射的片状电子束分成数百条小电子束 同时打孔，每秒可打50000个，孔径120～40um可调。
• 电子束还能加工小深孔，如在叶片上打深度为5mm、直径0.4mm的孔，深径比 大于10。
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3）电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢 板上加工50个直径为0.4mm的孔。
4）可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，所以整个加 工过程便于实现自动化。特别是在电子束曝光中，从加工位置找准到加工图形的扫 描，都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异型孔，实 现曲面弧形切割等。
（3）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的。它是一种微观作用，宏观 压力很小，所以加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各种材料和低 刚度零件的加工。
（4）离子束加工设备费用高、成本高，加工效率低，因此应用范围受到一定限制。
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二、离子束加工装置 • 离子束加工装置与电子束加工装置类似，它也包括离子源、真空系统、控制系统和
的原子，还同时受到离子的轰击，这使离子镀具有许多独特的优点。
第58页/共75页
• 离子镀膜附着力强、膜层不易脱落。 清洗掉表面的沾污和氧化物 提高工件表面附着力 形成混合过渡层 减少膜材与基材热膨胀系数不同而产生的热应力，增强两者的结合力，使膜 层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。
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它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。 利用高压静电场 电磁透镜 电磁线圈 轴向磁场 端面径向磁场
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• 束流位置控制 电子束方向 电磁偏转 偏转电压或电流 程序控制 电子束焦点运动轨迹
• 束流强度控制
第15页/共75页
• 工作台位移控制 电子束偏转距离只能在数毫米之内，过大将增加像差和影响 线性
（一）考夫曼型离子源 （二）双等离子体型离子源
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三、离子束加工的应用 （一）刻蚀加工 （二）镀膜加工 （三）离子注入加工
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（一）刻蚀加工 • 离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。 • 原子间键合力 惰性元素 • 氩气 原子序数高 价格便宜 • 逐个原子剥离 微米或亚微米级 • 蚀除速度很低 每秒一层到几十层原子
（一）电子束加工的原理
•
电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速
度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间内，其能量的大部分转变为热能，使
被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气
化，被真空系统抽走。
• 根据电子束能量密度的大小和能量注入时间，可实现：热处理 焊接 打孔、切割 电子束光刻加工
一、离子束加工原理、分类和特点 （一）离子束加工的原理和物理基础 （二）离子束加工分类 （三）离子束加工的特点
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（一）离子束加工的原理和物理基础 • 离子带正电荷，质量比电子大成千上万倍，离子束比电子束具有更大的撞击动能，
它是靠微观的机械撞击能量、而不是靠动能转化为热能来加工的。 • 离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和
电源等部分。主要的不同部分是离子源系统。 • 离子源用以产生离子束流。产生离子束流的基本原理和方法是使原子电离。具体办
法是把要电离的气态原子注入电离室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电 子轰击，使气态原子电离为等离子体。用一个相对于等离子体为负电位的电极，就 可以从等离子体中引出正离子束流。
第46页/共75页
• 由波导、耦合器和调制器等小型光学元件组合制成的光路称为集成光路。 离子束刻蚀已用于制作集成光路中的光栅和波导。
第55页/共75页
• 轰击被机械磨光的玻璃，形成极光滑的表面，改变其折射率分布，使之具有偏光作 用。
• 轰击玻璃纤维，变为具有不同折射率的光导材料。 • 使太阳能电池表面具有非反射纹理表面。
分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化，称为电子束曝光，留下潜像，
然后显影、蒸镀、离子刻蚀，去掉抗蚀剂，留下图形。 可用于加工集成电路 精
密印刷版等。
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第二节 离子束加工 一、离子束加工原理、分类和特点 二、离子束加工装置 三、离子束加工的应用
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• 离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，制得新的合金从而改善金属表面的 耐腐蚀性能、耐磨性能、硬度、抗疲劳性能、润滑性能等。
的沟槽或凹坑。
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（四）焊接 • 高能量密度的电子束 毛细管状的熔池，沿着焊缝与电子束做相对运动 • 能量密度高，焊接速度快，焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。不用焊条，真
空中进行，焊缝化学成分纯净，强度高于母材。
第29页/共75页
• 可焊接钽、铌、钼等难熔金属，也可焊接钛、锆、铀等活泼金属， 可焊接普通碳 钢、不锈钢、合金钢、铜、铝，可焊接很薄和很厚的工件
除原子，离子束流密度及离子能量可以精确控制，所以离子刻蚀可以达到纳米级 的加工精度。离子镀膜可以控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度也可极 精确的控制。因此，离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方 法，是当代纳米加工技术的基础。
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（2）由于离子束加工是在高真空中进行，所以污染少，特别适用用对易氧化的金属、 合金材料和高纯度半导体材料的加工。
•
可实现异种金属的焊接 如铜和不锈钢的焊接 钢和硬质合金的焊接 铬、镍
和钼的焊接等。
• 热影响小、变形小，工件精加工后焊接，可将复杂的零件分成几个零件进行加工， 单独使用最合适的材料，然后用电子束焊接到一起。
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（五）热处理
•
加热和冷却速度很快，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒到千分之一秒，可
射角在40~60度时刻蚀效率最高。
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加工陀螺仪空气轴承和动压马 达上的沟槽，分辨率高，精度、 重复一致性好。 加工非球面 透镜能达到其他方法不能达到 的精度。
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航天、航空中动压马达止推板 和陀螺马达轴上的精密槽线
第54页/共75页
• 刻蚀高精度的图形，如集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器件和光集成 器件等微电子学器件亚微米图形
• 电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常用稳压设备，这是因为电子 束聚焦以及阴极的发射强度与电压波动有密切关系。
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三、电子束加工的应用 （一）高速打孔 （二）加工型孔及特殊表面 （三）刻蚀 （四）焊接 （五）热处理 （六）光刻
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（一）高速打孔 • 最小直径可达0.003mm左右。发动机套上的冷却孔 机翼吸附屏上的孔 孔的密度
得到奥氏体超细晶粒组织 高硬度
•
跟激光相比，热转换效率高，防止材料氧化，功率比激光功率大。
• 金属达到表面熔化，可在熔化区添加元素，使金属表面改性，形成新的合金层，获 得更好的物理力学性能。
铸铁熔化处理 莱氏体组织 抗滑动磨损
铝、钛、镍 添加元素 耐磨性能
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（六）光刻
•
用低功率密度的电子束照射电致抗蚀剂，由于入射电子与高分子相碰撞，使
• 绕射性好，使基板的所有暴露的表面均能被镀覆。 • 离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，各种
合金、化合物、某些合成材料、半导体材料、高熔点材料均可镀覆。
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• 离子镀技术已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等 氮化钛18Ｋ金镀膜 耐磨性 耐腐蚀性 价格1/60 用于首饰、景泰蓝、金笔套、 餐具等。
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离子束刻蚀还用来致薄材料，用于致薄石英晶体振荡器和压电传感器。致薄 探测器探头，可以提高其灵敏度。
用于致薄样品，进行表面分析，例如可以致薄月球岩石样品，从10微米致薄 到10纳米。
能在１纳米厚的Au-Pa膜上刻出８纳米宽的线条。
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（二）镀膜加工 离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀时工件不仅接受靶材溅射来
注入效应。
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（二）离子束加工分类 • 离子刻蚀 • 离子溅射沉积 • 离子镀 • 离子注入
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（三）离子束加工的特点 • （1）由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击材料是逐层去
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5）由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不会氧化，特别适用于 加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。
6）电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。
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二、电子束加工装置 （一）电子枪 （二）真空系统 （三）控制系统和电源
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（二）电子束加工的特点 1）由于电子束能够极其微细的聚焦，甚至能聚焦到0.1um，所以加工面积可以很小，
是一种精密细微的加工方法。 2）电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料
主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和 变形。加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。
• 离子镀代替镀硬铬，可减少公害。 • 航空工业中可采用离子镀铝代替飞机部件镀镉。 • 用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具的耐用
度。 可用于处理齿轮滚刀、铣刀
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离子镀的种类有很多，常用的离子镀是以蒸发镀膜为基础的，即在真空中 使被蒸发物质气化，在气体离子或被蒸发物质离子冲击作用的同时，把蒸发物蒸 镀在基体上。空心阴极放电离子镀效率高、膜层质量好。
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第63页/共75页
（三）离子注入加工 • 离子注入是向工件表面直接注入离子，它不受热力学限制，可以注入任何离子，并
且注入量可以精确控制。 • 用硼、磷等注入半导体，用以改变导电形式和制造P-N结。由于离子注入的数量、
P-N结的含量、注入的区域都可以精确控制，可以满足热扩散法难以达到的要求。
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也可以加工弯孔和曲面
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• （三）刻蚀 • 在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料
刻出许多微细沟槽和孔。还可在加工过程中对电阻值进行测量校准。 • 电子束刻蚀还可用于制版，在铜制印刷滚筒上按色调深浅刻出许多大小与深浅不一
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（一）电子枪 发射阴极（钨、钽）、控制栅极、加速阳极 电磁透镜
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（二）真空系统 电子高速运动 金属蒸汽
• 机械旋转泵 油扩散泵或涡轮分子泵
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（三）控制系统和电源 束流聚焦控制 为了提高电子束的能量密度，使电子束聚焦成很小的束斑，
第51页/共75页
• 刻蚀加工时，对离子入射能量、束流大小、离子入射到工件上的角度以及工作室 气压等都能分别调节控制。用氩离子轰击被加工表面时，其效率取决于离子能量 和入射角度。
• 离子能量从100eV到1000eV增加时，刻蚀率增加，而后增加速率逐渐减慢。 • 离子刻蚀率随入射角增加而增加，但入射角增大会使表面有效束流减小，一般入
• 加工玻璃、陶瓷、宝石 温差 变形、破裂 用电阻炉或电子束进行预热。
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（二）加工型孔及特殊表面 • 加工喷丝头异型孔
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• 切割种复杂型面 切口宽度３～６μｍ，边缘表面粗糙度0.5 μｍ • 离心过滤机、造纸化工过滤设备钢板上的小锥孔 防止堵塞 反冲清洗 • 燃烧室混气板及某些透平叶片上不同方向的斜孔 • 燃气轮机上的叶片、混气板和蜂房消音器上的孔
和直径可以变化，孔数达数百万个。在0.1mm厚的不锈钢上加工直径为0.2mm的 孔，每秒钟可达3000个。
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• 在人造革、塑料上打大量微孔，将电子枪发射的片状电子束分成数百条小电子束 同时打孔，每秒可打50000个，孔径120～40um可调。
• 电子束还能加工小深孔，如在叶片上打深度为5mm、直径0.4mm的孔，深径比 大于10。
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3）电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢 板上加工50个直径为0.4mm的孔。
4）可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，所以整个加 工过程便于实现自动化。特别是在电子束曝光中，从加工位置找准到加工图形的扫 描，都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异型孔，实 现曲面弧形切割等。
（3）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的。它是一种微观作用，宏观 压力很小，所以加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各种材料和低 刚度零件的加工。
（4）离子束加工设备费用高、成本高，加工效率低，因此应用范围受到一定限制。
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二、离子束加工装置 • 离子束加工装置与电子束加工装置类似，它也包括离子源、真空系统、控制系统和
的原子，还同时受到离子的轰击，这使离子镀具有许多独特的优点。
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• 离子镀膜附着力强、膜层不易脱落。 清洗掉表面的沾污和氧化物 提高工件表面附着力 形成混合过渡层 减少膜材与基材热膨胀系数不同而产生的热应力，增强两者的结合力，使膜 层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。
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它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。 利用高压静电场 电磁透镜 电磁线圈 轴向磁场 端面径向磁场
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• 束流位置控制 电子束方向 电磁偏转 偏转电压或电流 程序控制 电子束焦点运动轨迹
• 束流强度控制
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• 工作台位移控制 电子束偏转距离只能在数毫米之内，过大将增加像差和影响 线性
（一）考夫曼型离子源 （二）双等离子体型离子源
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三、离子束加工的应用 （一）刻蚀加工 （二）镀膜加工 （三）离子注入加工
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（一）刻蚀加工 • 离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。 • 原子间键合力 惰性元素 • 氩气 原子序数高 价格便宜 • 逐个原子剥离 微米或亚微米级 • 蚀除速度很低 每秒一层到几十层原子
（一）电子束加工的原理
•
电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速
度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间内，其能量的大部分转变为热能，使
被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气
化，被真空系统抽走。
• 根据电子束能量密度的大小和能量注入时间，可实现：热处理 焊接 打孔、切割 电子束光刻加工
一、离子束加工原理、分类和特点 （一）离子束加工的原理和物理基础 （二）离子束加工分类 （三）离子束加工的特点
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（一）离子束加工的原理和物理基础 • 离子带正电荷，质量比电子大成千上万倍，离子束比电子束具有更大的撞击动能，
它是靠微观的机械撞击能量、而不是靠动能转化为热能来加工的。 • 离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和
电源等部分。主要的不同部分是离子源系统。 • 离子源用以产生离子束流。产生离子束流的基本原理和方法是使原子电离。具体办
法是把要电离的气态原子注入电离室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电 子轰击，使气态原子电离为等离子体。用一个相对于等离子体为负电位的电极，就 可以从等离子体中引出正离子束流。
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• 由波导、耦合器和调制器等小型光学元件组合制成的光路称为集成光路。 离子束刻蚀已用于制作集成光路中的光栅和波导。
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• 轰击被机械磨光的玻璃，形成极光滑的表面，改变其折射率分布，使之具有偏光作 用。
• 轰击玻璃纤维，变为具有不同折射率的光导材料。 • 使太阳能电池表面具有非反射纹理表面。
分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化，称为电子束曝光，留下潜像，
然后显影、蒸镀、离子刻蚀，去掉抗蚀剂，留下图形。 可用于加工集成电路 精
密印刷版等。
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第二节 离子束加工 一、离子束加工原理、分类和特点 二、离子束加工装置 三、离子束加工的应用
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