第6章 电子束与离子束加工
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第六章 电子束与离子束加工
（一）电子枪 （二）真空系统 （三）控制系统和电源
电子束加工设备 电子枪
控制系统
真空系统
电子束加工装置
真空系统
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）电子束光刻
（一）高速打孔
利用极高能量密度的电子束冲击材料，使材 料汽化，而实现钻孔的目的。 电子束打孔具有下列的特点： 1.可加工细微的孔，目前最小加工直径可达 0.003mm左右。 2.加工深孔，孔的深径比大于10：1，其深度 亦可达10公分以上。
离子注入零件
3.孔径误差很小，正负5％以内。 4.适合硬度高的材料打孔。 5.可打斜度的孔，倾斜角可达15˚。 7.加工各种直的型孔和成型表面，加工弯孔和立 体曲面。 7.加工速度快。
（二）加工型孔及特殊表面
电子束可以用来切割各种复杂型面，如下图 所示，电子束加工的喷丝头异形孔截面的一 些实例。 电子束还可以加工弯孔和曲面。利用电子束 在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部 偏转。控制电子速度和磁场强度，即可控制 曲率半径，加工出弯曲的孔。
上面、側面が改善されたサンプル
放電面
放電面＋照射面
面粗さ：0.8μmRa
面粗さ：0.09μmRa
（六）电子束光刻
电子束光刻是先利用低功率密度的电子束照射 称为电致抗蚀剂的高分子材料，由入射电子与 高分子相碰撞，使分子的链接被切断或重新聚 合而引起的分子量的变化，这一步骤称为电致 曝光。 电子束曝光可以用电子束扫描，即将聚焦到小 于1μm的电子束斑在大约0.5-5mm的范围内按 程序扫描，可曝光出任意图形。
特种加工技术课件：电子束和离子束加工
电子束和离子束加工
6.1 电子束加工 1. 加工原理 电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工
件的，如图6-1所示。在真空条件下，将具有很高速度 和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝 大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发 而去除。
电子枪系统
聚焦系统
抽真 空系
统
电源 及控 制系
电子束加工的应用： （1）高速打孔 （2）加工型面及特殊表面 （3）刻蚀 （4）焊接 （5）热处理 （6）电子束光刻
电子束加工应用于加工微细小孔、异型孔
0.03～ 0.07 mm
图6-2 电子束加工的喷丝头异形孔
电子束加工弯曲的型面：
其原理为：电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲， 工件同时移动，即可加工曲面Ⅰ；随后改变磁场极性， 即可加工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即可得到弯 槽Ⅲ；当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工， 即可得到一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ。拉制电子束速 度和磁场强度，即可控制曲率半径。
3 3Hale Waihona Puke 12(a)
(b)
1—工 件 ； 2—工 件 运 动 方 向 ； 3—电 子 束
(c)
(d)
图6-3 电子束加工曲面、穿孔
6.2 离子束加工 1．加工原理 离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理
与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，将离 子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的 加工部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其 质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢， 但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。 离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。
4) 离子注入 离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离 子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后， 就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性 能。
6.1 电子束加工 1. 加工原理 电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工
件的，如图6-1所示。在真空条件下，将具有很高速度 和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝 大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发 而去除。
电子枪系统
聚焦系统
抽真 空系
统
电源 及控 制系
电子束加工的应用： （1）高速打孔 （2）加工型面及特殊表面 （3）刻蚀 （4）焊接 （5）热处理 （6）电子束光刻
电子束加工应用于加工微细小孔、异型孔
0.03～ 0.07 mm
图6-2 电子束加工的喷丝头异形孔
电子束加工弯曲的型面：
其原理为：电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲， 工件同时移动，即可加工曲面Ⅰ；随后改变磁场极性， 即可加工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即可得到弯 槽Ⅲ；当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工， 即可得到一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ。拉制电子束速 度和磁场强度，即可控制曲率半径。
3 3Hale Waihona Puke 12(a)
(b)
1—工 件 ； 2—工 件 运 动 方 向 ； 3—电 子 束
(c)
(d)
图6-3 电子束加工曲面、穿孔
6.2 离子束加工 1．加工原理 离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理
与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，将离 子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的 加工部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其 质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢， 但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。 离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。
4) 离子注入 离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离 子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后， 就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性 能。
电子束和离子束加工
第六章电子束和离子束加工电子束加工(Electron Beam Machining简称EBM)和离子束加工(Ion Beam Machining简称IBM)是近年来得到较大发展的新兴特种加工。
它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。
电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工。
离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工。
近期发展起来的亚微米加工和毫微米(纳米)加工技术，主要是用电子束加工和离子束加工。
第一节电子束加工一、电子束加工的原理和特点(一)电子束加工的原理如图6-1所示，电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106~109W／cm2)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(几分之一微秒)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。
控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。
如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。
(二)电子束加工的特点1)由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0．1µm。
所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。
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。
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厚的钢板上钻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。
特种加工技术---第六章：电子束和离子束加工
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2 离子束加工在高真空环境下进行，所以污染少，特别适用于对易 氧化的金属、合金材料和高纯度半导体进行加工。
3 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观 作用，宏观压力很小，所以加工应力、热变形极小，加工质量高， 适合于加工各种材料和低刚度薄壁零件。
4 与电子束加工类似，离子束加工设备费用贵、成本高，应用范围 受到一定的限制。
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三 电子束加工装置 一般说来，一套典型的电子束加工装置主要包括以下几个 主要组成部分
➢ 电子枪 ➢ 真空系统 ➢ 控制系统 ➢ 电源
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1 电子枪 作用：发射电子束 组成：发射阴极，控制栅极、加速阳极
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2 真空系统 真空系统的主要作用是保证电子束加工时维持1.33×10-21.33×10-4Pa的真空度，因为只有在真空中，电子才能高 速运动。此外，加工时产生的金属蒸汽会影响电子的发射 和运动，因此也需要不断地把加工中产生的金属蒸汽不断 抽走。
第六章 电子束和离子束加工
电子束加工-----Electron Beam Machining
离子束加工-----Ion Beam Machining
电子束加工主要用于打孔、焊接、切割、刻蚀、热处理和光刻 加工等方面。 离子束加工主要用于离子刻蚀、离子镀膜加工以及离子注入 加工等方面。
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第一节 电子束加工
3 控制系统和电源
电子束加工设备控制系统主要包括：束流聚焦控制、束流位置 控制和束流强度控制。
束流的位置控制是为了改变电子束的方向，常用电磁偏转来控制
电子束焦点的位置。
电子束加工设备对电源电压的稳压性要求较高，因为电压波动
会影响电子束聚焦的稳定性。 h
电子束和离子束加工
电子束和离子束加工1 电子束加工•一. 电子束加工原理和特点•（一）加工原理•电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图6-1所示。
在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。
•控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。
如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。
•（二）电子束加工特点•(1)可进行微细加工。
•(2)非接触式加工。
•(3)电子束的能量密度高，加工效率高。
•（4）整个加工过程便于实现自动化。
•(5)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。
•（6）电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵。
•二. 电子束加工装置电子束加工装置的基本结构如图所示，它主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。
（一）电子枪电子枪是获得电子束的装置。
阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的阳极，在飞向阳极的过程中，经过加速电极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。
•（二）．真空系统•只有在高真空中，电子才能高速运动，此外，加工时的金属蒸汽会影响电子发射，产生不稳定现象。
因此，需要不B9f地把加工中生产的金属蒸汽抽出去。
抽真空时，先用机械旋转泵把真空室抽至1.4一0.14Pa，然后由油扩散泵或祸轮分子泵抽至0.014—0.00014Pa的高真空度。
•（三）．控制系统和电源•电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制等。
•工作台位移控制是为了在加工过程中控制工作台的位置。
•三.电子束加工的应用•（一）高速打孔•电子束打孔已在生产中实际应用，目前最小直径可达0.003mm左右。
第六章电子束和离子束加工
工 离子束是在真空状态下，将离子源产生的 离子束经加速、聚焦，打到工件表面实现加工 的。 离子束是靠微观机械撞击能量来加工的。 可以实现纳米甚至分子、原子级加工，是目前 特种加工中最精密、最微细的加工方法。
四、超声加工 （一）超声加工原理 超声加工是利用工具端面作16-25kHz的超 声频振动，通过工作液中的悬浮磨料对工件 表面冲击抛磨来实现加工的。 超声加工系统主要由以下几个部分组成： 超声波发生器 换能器 变幅杆 工具头 磨料悬浮液
第六章 电子束和离子束加工
第一节 电子束加工 一、电子束加工的原理和特点 （一）电子束加工的原理 电子束加工是在真空状态下，利用高速电 子的冲击动能转化成局部热能而对材料进行加 工的。
（二）电子束加工的工艺特点 1、加工材料范围广，可加工金属、半导体和非导 体材料。 2、可进行微细加工，用于微孔、半导体集成电路 的加工 3、非接触加工，无宏观力作用。 4、可以运用磁场、电场对其强度、位置、聚焦进 行控制。 5、可以分割成多条细束，实现多束同时加工。 6、在真空下加工，工件不会氧化。 7、设备投入较大。 （三）电子束加工技术在难加工材料加工中的应用
（二）超声加工的工艺特点 1、加工材料范围广，特别适合于硬脆材料加工。 2、加工精度高，表面质量好。粗糙度可达 Ra0.1µm，加工精度可达0.1 mm。 3、加工设备简单，不需复杂运动即可加工出异型 孔、花纹等。 4、超声加工效率不高。 5、适合于与其他加工方法进行复合加工，如超声 电火花加工、超声电解加工、超声研磨加工等。 （三）超声加工技术在难加工材料加工中的应用
四、超声加工 （一）超声加工原理 超声加工是利用工具端面作16-25kHz的超 声频振动，通过工作液中的悬浮磨料对工件 表面冲击抛磨来实现加工的。 超声加工系统主要由以下几个部分组成： 超声波发生器 换能器 变幅杆 工具头 磨料悬浮液
第六章 电子束和离子束加工
第一节 电子束加工 一、电子束加工的原理和特点 （一）电子束加工的原理 电子束加工是在真空状态下，利用高速电 子的冲击动能转化成局部热能而对材料进行加 工的。
（二）电子束加工的工艺特点 1、加工材料范围广，可加工金属、半导体和非导 体材料。 2、可进行微细加工，用于微孔、半导体集成电路 的加工 3、非接触加工，无宏观力作用。 4、可以运用磁场、电场对其强度、位置、聚焦进 行控制。 5、可以分割成多条细束，实现多束同时加工。 6、在真空下加工，工件不会氧化。 7、设备投入较大。 （三）电子束加工技术在难加工材料加工中的应用
（二）超声加工的工艺特点 1、加工材料范围广，特别适合于硬脆材料加工。 2、加工精度高，表面质量好。粗糙度可达 Ra0.1µm，加工精度可达0.1 mm。 3、加工设备简单，不需复杂运动即可加工出异型 孔、花纹等。 4、超声加工效率不高。 5、适合于与其他加工方法进行复合加工，如超声 电火花加工、超声电解加工、超声研磨加工等。 （三）超声加工技术在难加工材料加工中的应用
电子束与离子束加工
电子束
工件 电源 及控 制系 统
图6-20 电子束加工原理
控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就 可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可
进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子
束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化， 就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电
子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进
贵，故在生产中受到一定程度的限制。
二、电子束加工装置 • 电子枪：发射高速电子流，进行初步聚焦，并使电子加速。 它由电子发射阴极、控制栅极和加速阳极组成。 • 真空系统：真空泵和抽气装置，因为在真空下电子才能高速 运动， 发射阴极不会在高温下被氧化， 同时也防止被加工表
面和金属蒸汽氧化。开式真空系统。
电子束加工常应用于加工微细小孔、异型孔 ( 如图 7-21
所示 ) 及特殊曲面。图 7-22 所示为电子束加工弯曲的型面。
其原理为：电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲，工件 同时移动，即可加工曲面Ⅰ；随后改变磁场极性，即可加
工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽Ⅲ；当
工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即可得到 一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ。拉制电子束速度和磁场强 度，即可控制曲率半径。
阴极射线管(CRT)
–组成 –包括电子枪、聚焦原理
–电子枪发射电子束 –经过聚焦系统、加速电极、偏转系统
–轰击到荧光屏的不同部位
–被其内表面的荧光物质吸收 –发光产生可见的图形 –结构
电子枪
电灯丝的组成 – 阴极 • 由灯丝加热发出电子束 – 控制栅 • 加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的 电子束的强弱 • 通过调节负电压高低来控制电子数量 • 即控制荧光屏上相应点的亮度
第六章电子束与离子束加工
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严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年10月 上午4时 59分20 .10.220 4:59Oc tober 22, 2020
第六章 电子束与离子束加工
三、电子束加工应用
7、电子束曝光 • 是一种利用电子束辐射效应的加工方法 • 电子束光刻应用主要包括四个方面:
–电子束扫描曝光；电子束直写；电子束图形发生器制作 中间掩模版；电子束缩小投影曝光
• 电子束光刻技术的发展历程如下:1968年，日本电 子公司研制成功第一台扫描电子束光刻机；1975 年，美国贝尔公司开发出光栅扫描式电子光刻机； 1978年日本电子公司研制出可变矩形束电子束光 刻机；1979年，美国IBM公司首次进行了电子束缩 小投影曝光实验；1995年，日本NTT公司采用电子 束曝光技术首先研制出1GDRAM
4、离子注入
• 用高能量粒子直接击入工件表面，令工 件表面改性
第六章-电子束和离子束加工-特种加工课件
（电磁偏转）、束流强度控制、工作台位移控 制（适合大面积加工）。
电源
电子束加工对电源电压稳定性要求较高，需要 稳压设备。
§6.1.2 电子束加工装臵
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
电磁透镜的聚焦作用
电子束在前进过程中切割电磁 线圈产生的径向磁场而产生圆 周运动； 电子束在圆周运动时切割电磁 线圈产生的轴向磁场而产生径 向（向心）运动； 电子的合成运动为半径越来越 小的空间螺旋线
然后用其它离子轰击镀层，使镀层元素反冲到
基体中去 ）。
2 溅射沉积（镀膜）
0.5~5KeV
§6.2.1 离子束加工的原理、分类和特点
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
3 离子镀
镀膜前，离子束对基体表 面轰击清洗掉污垢和氧化物， 提高其附着力。 镀膜刚开始，溅射出来的 基体原子与空气中的靶材原 子、离子相撞击而返回工件 表面，形成混合过渡膜层， 增强了基材与膜材的结合力。
§6.1.3 电子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
加工型孔和特殊表面
异型孔
人造纤维喷丝头异型孔
窄缝宽度0.03~0.07mm，轮廓0.8mm
曲面、弯孔
§6.1.3 电子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
抗蚀功能膜（致密，均匀，附着良好的抗蚀膜） 耐热功能膜
装饰功能膜
§6.2.3 离子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
电源
电子束加工对电源电压稳定性要求较高，需要 稳压设备。
§6.1.2 电子束加工装臵
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
电磁透镜的聚焦作用
电子束在前进过程中切割电磁 线圈产生的径向磁场而产生圆 周运动； 电子束在圆周运动时切割电磁 线圈产生的轴向磁场而产生径 向（向心）运动； 电子的合成运动为半径越来越 小的空间螺旋线
然后用其它离子轰击镀层，使镀层元素反冲到
基体中去 ）。
2 溅射沉积（镀膜）
0.5~5KeV
§6.2.1 离子束加工的原理、分类和特点
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
3 离子镀
镀膜前，离子束对基体表 面轰击清洗掉污垢和氧化物， 提高其附着力。 镀膜刚开始，溅射出来的 基体原子与空气中的靶材原 子、离子相撞击而返回工件 表面，形成混合过渡膜层， 增强了基材与膜材的结合力。
§6.1.3 电子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
加工型孔和特殊表面
异型孔
人造纤维喷丝头异型孔
窄缝宽度0.03~0.07mm，轮廓0.8mm
曲面、弯孔
§6.1.3 电子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
抗蚀功能膜（致密，均匀，附着良好的抗蚀膜） 耐热功能膜
装饰功能膜
§6.2.3 离子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
电子束与离子束加工
阴极射线管(CRT)
–组成 –包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏
–工作原理 –电子枪发射电子束 –经过聚焦系统、加速电极、偏转系统 –轰击到荧光屏的不同部位 –被其内表面的荧光物质吸收 –发光产生可见的图形
–结构
电子枪
电灯丝的组成 – 阴极 • 由灯丝加热发出电子束 – 控制栅 • 加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的 电子束的强弱 • 通过调节负电压高低来控制电子数量 • 即控制荧光屏上相应点的亮度
4. 离子束曝光 ◎用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵 敏度和分辨率。
离子束溅射
在真空条件下，将氩（Ar）、氪（Kr）、氖（Xe）等惰 性气体，通过离子源电离形成带有 10 keV 数量级动能的惰 性气体离子，并形成离子束，在电场中加速，经集束、 聚焦 后，射到被加工表面上。对加工表面进行轰击，这种方法称之 为“溅射”。
◎离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。
2. 离子束溅射镀膜加工
◎用加速的离子从靶材上 打出原子或分子，并将这
真空 离子束源
工件
些原子或分子附着到工件
上，形成“镀膜”。又被
称为“干式镀”（图）
◎溅射镀膜可镀金属，也 可镀非金属。
◎由于溅射出来的原子和 分子有相当大的动能，故 镀膜附着力极强（与蒸镀、 电镀相比）。
二、离子束加工装置
离子束加工装置由离子源系统、真空系统、控制系统和电 源组成， 如下页图所示。 离子源又称离子枪，其工作原理是 将气态原子注入离子室，经高频放电、电弧放电、等离子体放 电或电子轰击等方法被电离成等离子体，并在电场作用下使离 子从离子源出口孔引出而成为离子束。
如图所示为双等离子体离子束加工的基本原理图， 首先利用 阴极与阳极之间的低气压直流电弧放电， 将氩、氪、氖等惰性 气体在阳极小孔以上的低真空（1.3 Pa）中离子化。
第六章、电子束和离子束加工
图6-2 电子束加工装置示意图
1-工作台系统；2-偏转线圈；3-电磁透镜；4-光阑； 5-加速阳极；6-发射电子的阴极；7-控制栅极； 8-光学观察系统；9-带窗真空室门；10-工件 7
第六章 电子束和离子束加工
（2）真空系统
保证电子加工时所需要
的真空度。一般电子束加工
的 的 真 空 度 维 持 在 1.33×102~ 1.33×10-4 Pa。
18
第六章 电子束和离子束加工
图6-7 电子束曝光加工过程
A-电子束曝光；B-显影；C-蒸镀；D—离子刻蚀；E、F-去掉抗蚀剂，留下图形 1-电子束；2-电致抗蚀剂；3-基板；4-金属蒸汽；5-离子束；6-金属
19
第六章 电子束和离子束加工
电子束刻蚀
20
第六章 电子束和离子束加工
（5）电子束表面改性 特点：
图6-9 考夫曼型离子源
1—真空抽气口 2—灯丝 3—惰性气体注入口 4—电磁线圈 5—离子束流 6—工件 7—阴极 8—引出电极 9—阳极 10—电离室24
第六章 电子束和离子束加工
2、与电子束加工的比较
相同点：加工原理基本相同。 不同点：离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数
万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就 比电子束具有更大的撞击动能。
10
第六章 电子束和离子束加工
5、电子束加工的应用
1-淬火硬化；2-熔炼； 3-焊接； 4-打孔； 5-钻、切削；6-刻蚀； 7-升华；8-塑料聚合； 9-电子抗蚀剂； 10-塑料打孔
11
第六章 电子束和离子束加工
（1）电子束打孔 能加工各种孔，包括异形孔 、斜孔、锥孔和弯孔。 生产效率高。机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却 孔，此类孔数量巨大（高达数百万），且孔径微小，密 度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔。 加工材料范围广。可加工不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、 玻璃、塑料和人造革等各种材料上的小孔、深孔。 加工质量好，无毛刺和再铸层等缺陷。 加工孔的最小直径可达0.003mm，最大深径比可达10。
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第七章 其他特种加工技术
0.03～0.07 mm
图7-21 电子束加工的喷丝头异形孔
第七章 其他特种加工技术
3 3
1
1—工工； 2—工工工工工工； 3—电电电 2
(a)
(b)
(c)
(d)
图6-22 电子束加工曲面、穿孔
第七章 其他特种加工技术 6.2 离子束加工 1．加工原理 离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理 与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，将离子 源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工 部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其质量比 电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦 加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。离子束 加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。
第七章 其他特种加工技术 2．特点与应用 电子束加工的特点如下： (1) 电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1 µm)，故可进 行微细加工。 (2) 加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，可使任 何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形 和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材 料。 (3) 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 (4) 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较 贵，故在生产中受到一定程度的限制。
第七章 其他特种加工技术 (3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实 现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小， 适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。 在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻 蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄材料等)、镀 膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材 料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。
第七章 其他特种加工技术 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、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。 1) 离子刻蚀 离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子 铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。 2) 离子溅射沉积 离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的 工件上，使工件表面镀上一层薄膜。 3) 离子镀(又称离子溅射辅助沉积) 离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与 工件基材之间离子注入 离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离 子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后， 就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。 2．特点及应用 离子束加工有如下特点： (1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加 工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级 精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。 (2) 离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于 对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。
第七章 其他特种加工技术
第6章 电子束与离子束加工技术 章
6.1 电子束加工 1. 加工原理 电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工 件的，如图7-20所示。在真空条件下，将具有很高速 度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能 绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸 发而去除。
第七章 其他特种加工技术
第七章 其他特种加工技术 由于上述特点，电子束加工常应用于加工微细小孔、 异型孔(如图7-21所示)及特殊曲面。图7-22所示为电子束 加工弯曲的型面。其原理为：电子束在磁场中受力，在工 件内部弯曲，工件同时移动，即可加工曲面Ⅰ；随后改变 磁场极性，即可加工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即 可得到弯槽Ⅲ；当工件固定不动，先后改变磁场极性，二 次加工，即可得到一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ。拉制电 子束速度和磁场强度，即可控制曲率半径。
电电电电电
聚聚电电
抽抽 空电 电
电电电
工工 电电 及及 制电 电
图6-20 电子束加工原理
第七章 其他特种加工技术 控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就 可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可 进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子 束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化， 就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电 子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进 行电子束光刻加工。