电子束讲义加工方法
电子束加工技术
所谓电磁透镜，实际上是电磁线圈，通电后它产生 的轴向磁场与电子束中心线平行，径向磁场则与中 心线垂直。根据左手定则，电子束在前进运动中切 割径向磁场时产生圆周运动，而在圆周运动时在轴 向磁场中又将产生径向运动，所以实际上每个电子
三 加工装置
电子束控制系统
的合成运动为一半径愈来愈小的空间螺旋线而聚焦 交于一点。根据电子光学的原理，为了消除像差和 获得更细的焦点，常进行二次聚焦。
电源 电子束加工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。
三 加工装置
加工装置结构示意图
三 加工装置
加工装置实物示意图
四 加工特点
电子束加工的特点是： (1)功率密度高 电子束能够极其微细地聚焦(束径可 达微米级)，且在微小面积上可达到很大的功率密度， 因此在轰击点处的瞬时温度高达数千度高温足以使 任何材料熔化或气化。由此可知，电子束可用来加 工任何材料的微孔或窄缝、半导体电路等，是一种 精密微细加工方法。 (2)工件变形小 电子束的瞬时热能是作用在极微小 面积上，所以加工部位的热影响区很小，在加工过 程中无机械力作用，故加工后不产生受力变形；此 外电子束加工也不存在工具消耗问题。所以它的加 工精度高、表面质量也好。
二 加工原理
电子束热加工
高功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度远 远超过蒸发温度，使材料从电子束的入口处排除出 去，并有效地向深度方向加工，这就是电了束打孔 加工。高功率密度电子束除打孔、切槽外，在集成 电路薄膜元件制作中。利用蒸发可获得高纯度的沉 积薄膜。
二 加工原理
电子束热加工
高功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度远 远超过蒸发温度，使材料从电子束的入口处排除出 去，并有效地向深度方向加工，这就是电了束打孔 加工。高功率密度电子束除打孔、切槽外，在集成 电路薄膜元件制作中。利用蒸发可获得高纯度的沉 积薄膜。
电子束离子束加工讲解
特别是易氧化材料及纯度要求高半导体材料
4. 可控性好，易实现自动化
通过磁场或电场对电子束强度、位置、聚焦等直接控制
5. 需专用设备和真空系统，价格较贵
主要用于精密微细加工，应用有一定局限性
三、电子束加工设备
电子枪
阴极、控制栅极、加速阳极
真空系统
避免电子与气体分子碰撞减速
最小孔径或缝宽１μ m，深孔的深径比大于15
加工速度快，变形小，每秒几千到几万个，
取决于板厚孔径及复杂程度，EDM的50倍，LBM的5倍
专用塑料皮革打孔机将片状电子束分割成数 百条细束，速度达每秒５万孔
２. 加工异型孔及特殊表面（切割）
切割复杂型面 切口宽度可达 ３～６μm， 边缘表面粗糙 度控制在 ±0.5 μm
四、离子束加工的应用
4. 离子束曝光 具有高分辩率和灵敏度，能对线宽小于0.1μm 的精密微细图形曝光，在相同抗蚀剂时，离子 束曝光的灵敏度比电子束曝光高一个数量级以 上，曝光时间大为缩短。 离子束将成为微细图形写图和复印的重要手段， 但目前电子束曝光技术比较成熟。
作业与思考题
问答题: 1.快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？ 具有什么特点？
一、离子束加工原理
与电子束加工类似，在真空条件下，将离子束 经加速和聚焦后冲击到工件表面上实现加工。
不同的是离子质量是电子的数千数万倍，在同 电场中加速慢，而一旦加到高速，具有更大动 能，撞击材料引起原子分子分离溅射或注入。
所利用的是离子束微观的机械撞击作用（弹性 碰撞、微观力效应），而不是热效应。
四、离子束加工的应用
1. 精微加工
加工非球面透镜, 金刚石刀具刃磨 精微打孔，玻璃、 镍铂上打几微米孔， 孔壁光滑 高精度图形刻蚀， 集成电路、微电子元 件、硬掩膜等 抛光致薄压电晶体
现代加工技术第7章 电子束离子束加工
2024/10/7
7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
II 加工型孔或特殊外表
切割复杂型面，切口宽度6~3 μm ，边 缘粗糙度可控制在±0.5μm ；
不仅可以加工直孔也可以加工弯孔和 立体曲面；
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
III 刻蚀
在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，利用电 子束对陶瓷或半导体材料可出许多微细沟槽和孔 ； 制版；
ii 蚀刻加工时，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分别控制；
iii 氩气离子蚀刻效率取决于离子能量和入射角度；
入射能量增大蚀刻效率增加；
入射角度增加蚀刻效率增加，但角度过大使有效束流减 小，40º~60º效率最高；
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7.2.离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
IV 焊接
当高能量密度的电子束轰击焊件外表时，使焊件接头处 的金属熔融，在电子束不断轰击下，形成一个被熔融金 属环绕的毛细管状的蒸气管，如果焊件按一定速度沿接 缝与电子束作相对运动，那么接缝上的蒸气管由于电子 束的离开而重新凝固，形成焊缝 ； 焊接速度快，焊缝窄、强度好，热影响区小，变形小； 可以焊接难熔金属和化学活性高的金属； 可以焊接不同材料；
Pag.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
i 考夫曼型离子源；
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7.2.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
ii 双等离子体型离子源；
电子束离子束加工讲解
在铜制滚筒上按色调深浅刻出深浅不一的凹坑，直径 70～120 μ m ，深度5～40 μ m ，小坑为浅色，大坑 为深色
５. 电子束光刻（曝光）
是获取各种复杂精细图形的主要方法，通常 将曝光处理作为刻蚀的前置工序
用光束电子束照射电子抗蚀剂使分子链被切 断或重聚引起分子量变化留下潜影，在适当 溶剂中显影固化。
控制系统
束流强度、速度、聚焦、位 置以及工作台位移控制等
电源等
电源电压稳定性要求较高
四、电子束加工应用
控制束流能量密
刻蚀 升华
钻、切割
度和注入时间的
不同,可用于切割、 打孔、刻蚀、焊 接、热处理、曝
电子抗蚀剂
塑料打孔 塑料聚合
光等。
1. 高速打孔
可用于加工耐热钢、不锈钢、宝石、陶瓷、 塑料、人造革等材料
主要应用
航空航天工业：发动机转子、高压涡轮机匣、导向叶 片、仪表微型电机轴与齿轮、登月仓框架及制动引擎
其它工业：大型齿轮组件、压力容器、造船工业等高 性能、高精度、细微零件焊接。
４. 刻蚀
用于集成电路 、微电子器件等刻蚀微槽
硅片上刻宽2.5μ m深0.25μ m的细槽集成电路光栅 金属镀层上刻混合电路电阻，自动测量校准电阻值
离子束加工分类
溅射沉积（镀膜工艺） 用能量为0.5～5keV的氩离子轰击靶材，将靶材原 子击出，沉积在靶材附近的工件上，镀上薄膜。
离子刻蚀又称离子铣削 用能量为0.5～5keV的氩离子轰击工件，将工件表 面原子逐个剥离。其实质是一种原子尺度的切削 加工，纳米级的加工工艺。
离子束加工分类
离子注入 用能量5～5 0 0 keV离子束，直接轰击工件材料， 离子钻进工件表面，改变其化学成分及性能。 根据不同目的选用不同注入离子如C、N、B、Cr 离子镀又称离子溅射辅助沉积 用能量为0.5～5keV氩离子同时轰击靶材和工件， 形成镀膜，增强膜材与工件基材的结合力。 也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。
EBL原理与工艺
电子束加工原理及其主要应用1．．电子束加工的原理电子束加工的原理[1] 电子束加工是以高能电子束流作为热源，对工件或材料实施特殊的加工，是一种完全不同于传统机械加工的新工艺。
按照电子束加工所产生的效应，可以将其分为两大类：电子束热效应和电子束化学效应[2]。
1.1电子束热效应电子束热效应是将电子束的动能在材料表面转化成热能，以实现对材料的加工。
电子由电子枪的阴极发出，通过聚束极汇聚成电子束，在电子枪的加速电场作用下，电子的速度被提高到接近或达到光速的一半，具有很高的动能。
电子束再经过聚焦线圈和偏转线圈的作用，汇聚成更细的束流。
束斑的直径为数微米至1mm，在特定应用环境，束斑的直径甚至可以小到几十纳米，其能量非常集中。
电子束的功率密度可高达109W/mm2[3]。
当电子束轰击材料时，电子与金属碰撞失去动能，大部分能量转化成热能，使材料局部区域温度急剧上升并且熔化，甚至气化而被去除，从而实现对材料的加工。
1.2电子束化学效应电子束化学效应是利用电子束代替常规的紫外线照射抗蚀剂以实现曝光，其中包括1）扫描电子束曝光，用电子束按所需的图形，以微机控制进行扫描曝光，其特点是图形变换的灵活性好，分辨率高；2）投影电子束曝光，这是一种大面积曝光法，由光电阴极产生大面积平行束进行曝光，其特点是效率高，但分辨率较差；3）软X射线曝光，软X射线由电子束产生，是一种间接利用电子束的投影曝光法。
其应用领域主要是电子束曝光。
电子束曝光原理是先在待加工材料表面，涂上具有高分辨率和高灵敏度的化学抗腐蚀涂层，然后通过计算机控制电子束成像电镜及偏转系统，聚焦形成高能电子束流，轰击涂有化学抗腐蚀涂层的材料表面，形成抗腐蚀剂图形，最后通过离子注入、金属沉淀等后续工艺将图形转移到材料表面。
2. 电子束加工的主要应用电子束加工的主要应用2.1电子束表面改性利用电子束的加热和熔化技术还可以对材料进行表面改性。
例如电子束表面淬火，电子束表面熔凝，电子束表面合金化，电子束表面熔覆和制造表面非晶态层。
电子束和离子束加工ppt课件
注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制， 但设备费用大、成本高、生产率较低。
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3、特点
加工精度高。离子束加工是目前最精密、最微细的加 工工艺。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）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。
（3）控制系统和电源。
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。
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
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
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电子束刻蚀
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（5）电子束表面改性 特点：
A）快速加热淬火，可得到超微细组织，提高材料的 强韧性； B）处理过程在真空中进行，减少了氧化等影响，可 以获得纯净的表面强化层； C）电子束功率参数可控，可以控制材料表面改性的 位置、深度和性能指标。
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应用：表面淬火、表面熔凝、表面合金化、表面熔覆 和制造表面非晶态层。经表面改性的表层一般具有较 高的硬度、强度以及优良的耐腐蚀和耐磨性能。
电子束表面改性技术分类
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离子束加工
1、加工原理
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。由于离子带 正电荷，其质量数比电 子大数千倍甚至上万倍， 它撞击工件时具有很大 撞击动能，通过微观的 机械撞击作用从而实现 对工件的加工。
先进制造技术6电子束和离子束加工PPT课件
（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。
加工特点 度比正常热处理高，晶粒细小、 处理，可提高高温疲劳强
表面的硬度比正常热处理高。
度约45％
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四、电子束加工的应用
（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 分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化，称为 电子束曝光。如果按规定图形进行电子束曝光，会在电 致抗蚀剂中留下潜像；
3. 电子束的能量密度高，因而加工生产率很高
每秒可在2.5 mm厚钢板上钻50个直径为0.4 mm的孔。
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二、电子束加工的特点
4. 加工过程便于实现自动化
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。
5. 在真空中进行，污染少
加工表面不氧化，适用于易氧化的金属及合金材料，以 及高纯度的半导体材料。
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四、电子束加工的应用
冲材 击料 开表 始面 熔受 化到 ，电 气子 化束
电子束打到材料表面
继 续 受 到 电 子 束 作 用
电子束贯穿材料
电子束打到材料内部 随 材 着料 蒸气 汽化 溢形 出成 ，气 形泡 成， 空破 穴裂 后
吹，的电 出将辅子 ，空助束 完穴材冲 成周料击 打围，到 孔熔产工 过化生件 程材喷下
然后将曝光后的潜像浸入适当的溶剂中，则由于分子量 不同而溶解度不一样，就会使潜像显影出来；
电子束加工方法详解
电子束再经过聚焦线圈和偏转线圈 的作用，汇聚成更细的束流。束斑 的直径为数微米至1mm，在特定应用 环境，束斑的直径甚至可以小到几 十纳米，其能量非常集中。电子束 的功率密度可高10^9W/mm²。当电子 束轰击材料时，电子与金属碰撞失 去动能，大部分能量转化成热能， 使材料局部区域温度急剧上升并且 熔化，甚至气化而被去除，从而实 现对材料的加工。通过电子束的热 效应可以完成电子束熔炼，电子束 焊接，电子束打孔等加工工序。
1.由于使用高电压，会产生较强 X射线， 必须采取相应的安全措施； 2.需要在真空装置中进行加工；
3.设备造价高等。电子束加工广泛用于 焊接；
Thank you
2018/8/7
电子束的化学加工
功率密度相当低的电子束照射 在工件表面上，几乎不会引起 升温，但这样的电子束照射高 分子材料时，就会由于入射电 子与高分子相碰撞而使其分子 链切断或重新聚合，从而使高 分子材料的分子量和化学性质 发生改变，这就是电子束的化 学效应。
电子束光刻技术是利用电子束在涂有电子 抗蚀剂的晶片上直接描画或投影复印图形 的技术。 电子抗蚀剂是一种对电子敏感的高分 子聚合物。经过电子束扫描过的电子抗蚀 剂发生分子链重组，使曝光图形部分的抗 蚀剂发生化学性质改变。 经过显影和定 影，获得高分辨率的抗蚀剂曝光图形。现 代的电子束光刻设备已经能够制作小于 10nm的精细线条结构。
瓦尔特于1948年发明的。
2018/8/7
电子束热加工
电子束热效应是将 电子束的动能在材 料表面转化成热能， 以实现对材料的加 工。
在真空条件下，电子由电 子枪的阴极发出，通过聚 束极汇聚成电子束，在电 子枪的加速电场作用下， 电子的速度被提高到接近 或达到光速的一半，具有 很高的动能。
电子束加工技术
五应用
打 孔
例三： 电子束加工在人造革上的应用。现在人造革已很普 及，但人造革透气性很差，穿着很不舒服。用电子 束在人造革上打孔可以达到相当好的效果。如以天 然革穿着的舒适度为100，微孔聚氨酯革只有55，而 用电子束打孔的PVC革可达85。电子束打孔成本比 天然革成本低，可替代天然革。加工时，用一组钨 杆将电子枪产生的单个电子束分割为200个孔，效率 非常高。因为对孔型无严格要求，人造革在滚筒上 旋转时，电子束无须随之转动。如1.5mm厚革加工 时，脉冲频率为25Hz，打孔速率为5 000／s，滚筒 转速为6r／min。
四 加工特点
(3) 电子束的强度、位置、聚焦进行直接控制 位置 控制的准确度可达0．1微米左右，强度和束斑的大 小控制误差也易达到1％以下。通过磁场或电场几乎 可以无惯性，无功率的控制电子束，便于采用计算 机控制，实现加工过程自动化。 (4) 真空环境下加工点不受杂质污染 加工点处能保 持原来材料的纯度。适合于加工易氧化的金属及合 金材料，特别是要求纯度极高的半导体材料。 (5)电子束加工需要一套价格昂贵的．专用设备， 加工成本高。
电子束控制系统
束流聚焦控制是为了提高电子束的能量密度，使电 子束聚焦成很小的束斑，它基本上决定着加工点的 孔径或缝宽。聚焦方法有两种，一种是利用高压静 电场使电子流聚焦成细束;另一种是利用“电磁透镜” 靠磁场聚焦。后者更为安全可靠。 所谓电磁透镜，实际上是电磁线圈，通电后它产生 的轴向磁场与电子束中心线平行，径向磁场则与中 心线垂直。根据左手定则，电子束在前进运动中切 割径向磁场时产生圆周运动，而在圆周运动时在轴 向磁场中又将产生径向运动，所以实际上每个电子
电子束加工
简 介
吴爱民等以H13和D2模具钢为基材，通过脉冲电子 束直接淬火和电子束表面合金化等方法进行表面改 性处理试验。
电子束加工
电子束加工学院：专业：班级：学号：姓名：接洽方法：电子束加工技巧应用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的一切方法统称为电子束加工。
包含电子束焊接、打孔、别处处理、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻、铣切、切割以及电子束曝光等。
个中电子束焊接、打孔、物理气相沉积以及电子束别处处理等在工业上的应用最为广泛，也最具竞争力。
电子束加工作为特种加工方法的一种，在工业上的应用已有30多年的汗青，现已完全被工业部分所接收。
近年来，该技巧赓续成长，在大年夜批量临盆、大年夜型零件制造以及复杂零件的加工方面都显示出其专门的优胜性。
一、电子束加工道理及特点：电子束加工是应用高速电子的冲击动能来加工工件的。
在真空前提下，将具有专门高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大年夜部分改变为热能，是材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。
操纵电子束能量密度的大年夜小和能量注入时刻，就能够达到不合的加工目标。
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；进步电子束能量密度，是材料熔化和汽化，就能够进行打孔、切割等加工；应用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变更的道理，即可进行电子束光刻加工。
特点：1）电子束能够或许极其微细的聚焦（可达1～0.1um），故可进行微细加工。
2）加工材料的范畴广。
因为电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的感化极小，不易产生变形和应力，故能加工各类力学机能的导体、半导体和非导体材料。
3）加工在真空中进行，污染少，加工别处不易被氧化。
4）电子束加工须要整套的专用设备和真空体系，价格较贵，故在临盆中受到必定程度的限制。
电子束、离子束、激光束是别处工程范畴内的三大年夜载体，号称三束改性，都具有高能量密度特点。
电子束加工是以激发电子作为载体，离子束则以离子。
离子束加工是一种元素注入过程，具有辐照毁伤、喷丸感化、别处紧缩、形成别处非晶态，形成弥散化合物质点等效应，而电子束与激光束的重要感化在高能量，没有辐照、别处紧缩等特点。