41离子束加工PPT课件
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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。
第七章 电子束和离子束加工.ppt
电子束加工的另一种是利用电子束流的非热效应。功率 密度较小的电子束流和电子胶相互作用，电能转化为化学 能，产生辐射化学或物理效应，使电子胶的分子链被切断 或重新组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。采用 这种方法，可以实现材料表面微槽或其他几何形状的刻蚀
加工。
大型集成电路制造
由制造运动平台的 极高准确度保证 • 特征线宽: 100 nm • 对准精度：15 nm • 定位精度：2 nm • 刻蚀深度：0.5μm
成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。
电子束可焊接的材料范围很广，除了适合于普通的碳钢、合金钢、不锈钢外， 更有利于焊接高熔点金属（如钽、钼、钨、钛等及其合金）和活泼金属（如锆、 钛、铌等），还可焊接异种金属材料、半导体材料以及陶瓷和石英材料等，例如 铜和不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接等。
由于电子束焊接对焊件的热影响小、变形小，可以在工件精加工后进行焊接。 又由于它能够实现不同种类金属的焊接，有可能将复杂的工件分成几个零件。这 些零件可以单独地使用最合适的材料，采用合适的方法来加工制造，最后利用电 子束焊接成一个完整的零部件，从而可以获得理想的使用性能和显著的经济效益。
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。具有一定动能的离子 斜射到工件材料（靶材）表面时，可以将表面的原子撞击 出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。如果将工件直 接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀。如 果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面 而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。 如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻 进工件表面，这就是离子的注入效应。
在人造革、塑料上用电子束打大量微孔，可 使其具有如真皮革那样的透气性，而且电子束打 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 条并行细束，使其在一个脉冲内同时加工出200个 孔，效率非常高。现在生产上已出现了专用塑料 打孔机，其速度可达每秒50000个孔，孔径120～ 4Om可调。
离子束加工
（4）离子注入
离子束直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使 离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学
成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。
离子注入既不是从加工表面去除基体材料，也不 是在表面以外添加镀层，这种方法仅仅是改变基 体表面层的成分和组织结构，从而造成表面性能
变化，满足材料的使用要求。这一过程是以高速
溅射镀膜工艺
一.合金膜的镀制
在各种镀膜技术中，溅射最适于镀制合金膜。溅射镀制合金膜，有
三种可供选择的技术方案；多靶溅射、镶嵌靶溅射和合金靶溅射。
1.多靶溅射 多靶溅射是采用几个纯金属靶同时对基片进行溅射。调整各个靶的 功率，就能改变膜材成分。这种方法特别适于调整合金成分，可以 得到成分连续变化的膜材。 2.镶嵌靶溅射 镶嵌靶溅射是将各种纯金属靶材，按一定比例镶嵌在靶面上同时进
五.离子束应用范围
离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。 （1）离子刻蚀
当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表 面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子或分子间键合力时， 材料表面的原子或分子被逐个溅射出来，以达到加工目的。这种加工 本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。
微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。
环境污染少。离子束加工在真空中进行，特别适宜于对易 氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。 加工质量高。离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来 实现的，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。
与电子束相比 （1）相同点：在真空条件中进行；粒子 束加工 （2）不同点：带正电荷的离子，质量比 电子大数千、数万倍，如氩离子的质 量是电子的7.2万倍;是靠微观的机械撞 击能量来加工的，离子束比电子束具 有更大的撞击动能。
离子束光刻简介PPT课件
光刻技术的重要性
集成电路不同的技术时代是以其所加工的器件特征尺寸 为标志的.特征尺寸是指集成电路技术所能够加工的器件 的最小尺寸.由于器件特征尺寸的不断缩小、 硅片尺寸 的持续增加和电路设计技术的不断优化， 才使得集成电 路芯片的集成度和性能得到不断提高， 同性能集成电路 产品的价格持续下降， 才保证了半导体工业和集成电路 技术发展按指数增长率飞速发展.不断追求集成电路产的 性能/价格比和市场竞争力的提高， 是微电子技术和产 业不断发展的原动力.器件特征尺寸的缩小主要依赖于光 刻技术的改进和发展
• 离子源制备，掩膜板畸变，衬底工艺损的合作项 目，用于解决设备和掩模等方面的问题， 进行可行性验证，目前已取得不少进展。
• 效率低，很难在生产中作为曝光工具得到 应用，目前主要用作VLSI中的掩模修补工 具和特殊器件的修整。
• 离子投影光刻（Ion projection limography （ IPL平行的离子束穿过掩膜，将缩小的掩 膜图形投射到基底上。 ）
精选
聚焦离子束原理
FIB系统采用液态金属离子源，加 热同时伴随着一定的拔出电压， 获得金属离子束，通过质量选 择器来选择离子，通过电子透 镜精细聚焦的金属离子，在偏 转线圈的作用下，形成扫描光 栅。离子束可通过溅射对样品 进行表面成像。聚焦式离子束 技术是利用静电透镜将离子束
• 主要用于制作修复掩膜版和对晶片直接光 刻(direct writing)
精选
离子投影光刻系统精的选原理。
• 北京汇德信科技有限 公司研发
• ionLiNE作为专用的离 子束光刻、制备和加 工设备，为在表面科 学、薄膜工程和应用 物理研究等低剂量应 用设计
精选
精选
离子光刻目前存在的问题及应用
聚焦成非常小尺寸 （与电子 束直写光刻技术类似。不 需要掩膜板，应用高能粒 子束直写。）
集成电路不同的技术时代是以其所加工的器件特征尺寸 为标志的.特征尺寸是指集成电路技术所能够加工的器件 的最小尺寸.由于器件特征尺寸的不断缩小、 硅片尺寸 的持续增加和电路设计技术的不断优化， 才使得集成电 路芯片的集成度和性能得到不断提高， 同性能集成电路 产品的价格持续下降， 才保证了半导体工业和集成电路 技术发展按指数增长率飞速发展.不断追求集成电路产的 性能/价格比和市场竞争力的提高， 是微电子技术和产 业不断发展的原动力.器件特征尺寸的缩小主要依赖于光 刻技术的改进和发展
• 离子源制备，掩膜板畸变，衬底工艺损的合作项 目，用于解决设备和掩模等方面的问题， 进行可行性验证，目前已取得不少进展。
• 效率低，很难在生产中作为曝光工具得到 应用，目前主要用作VLSI中的掩模修补工 具和特殊器件的修整。
• 离子投影光刻（Ion projection limography （ IPL平行的离子束穿过掩膜，将缩小的掩 膜图形投射到基底上。 ）
精选
聚焦离子束原理
FIB系统采用液态金属离子源，加 热同时伴随着一定的拔出电压， 获得金属离子束，通过质量选 择器来选择离子，通过电子透 镜精细聚焦的金属离子，在偏 转线圈的作用下，形成扫描光 栅。离子束可通过溅射对样品 进行表面成像。聚焦式离子束 技术是利用静电透镜将离子束
• 主要用于制作修复掩膜版和对晶片直接光 刻(direct writing)
精选
离子投影光刻系统精的选原理。
• 北京汇德信科技有限 公司研发
• ionLiNE作为专用的离 子束光刻、制备和加 工设备，为在表面科 学、薄膜工程和应用 物理研究等低剂量应 用设计
精选
精选
离子光刻目前存在的问题及应用
聚焦成非常小尺寸 （与电子 束直写光刻技术类似。不 需要掩膜板，应用高能粒 子束直写。）
特种加工技术课件：离子束加工 -
如：精密滾珠軸承採用離子鍍後，使用壽命延長了 數千小時；刀具鍍以幾微米厚的TiN、TiC塗層即所謂的 塗層刀具，一般可使壽命提高3-10倍；在鈦合金葉片上 沉積一層貴金屬（Pt、Au、Rh等）塗層，可使疲勞強度 增加30%，抗氧化性、耐高溫和耐腐蝕能力也大大提高； 將飛機和航天器上與鈦合金接觸的鋼連接件用離子鍍 鋁抗蝕層代替原來的鎘電鍍層，防止了鈦合金零件產 生的鎘脆現象
9.1.2 特點
①加工精度高：因離子束流密度和能量可得到精確控制，離子 束加工是目前非傳統加工工藝方法中最精密、最微細的加工方 法。離子刻蝕可達納米級或原子級精度，離子鍍膜可控制在亞 微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。 ②潔淨加工： 在較高真空度下進行加工，工作環境污染少。特 別適合加工易氧化的金屬、合金和高純度的半導體材料。 ③工件無變形：離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實 現的，是一種微觀作用，所以加工應力和變形極小，適宜於對 各種薄弱材料和低剛度零件進行加工。 ④成本高：需要一整套專用設備和真空系統，設備昂貴、加工 成本較高，效率低下。
離子束加工(IBM) 9.1 離子束加工原理及特點
9.1.1 加工原理 離子束加工（Ion beam machining，IBM）是一種精
密、細微的非傳統加工方法，它的加工原理與電子束加 工原理基本類似，離子束加工是在真空條件下，先由電 子槍產生電子束，再引入已抽成真空且充滿惰性氣體之 電離室中，使低壓惰性氣體離子化,成為等離子體。由 負極引出陽離子又經加速、集束等步驟，獲得具有一定 速度的離子投射到工件材料表面，產生濺射效應和注入 效應，從而實現離子束加工。所不同的是離子帶正電荷， 其品質比電子大上千倍，故在電場中加速較慢，但一旦 加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能，因此， 離子束撞擊工件將引起變形、分離、嵌入、破壞等機械 作用，而不像電子束是通過熱效應進行加工。
9.1.2 特點
①加工精度高：因離子束流密度和能量可得到精確控制，離子 束加工是目前非傳統加工工藝方法中最精密、最微細的加工方 法。離子刻蝕可達納米級或原子級精度，離子鍍膜可控制在亞 微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。 ②潔淨加工： 在較高真空度下進行加工，工作環境污染少。特 別適合加工易氧化的金屬、合金和高純度的半導體材料。 ③工件無變形：離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實 現的，是一種微觀作用，所以加工應力和變形極小，適宜於對 各種薄弱材料和低剛度零件進行加工。 ④成本高：需要一整套專用設備和真空系統，設備昂貴、加工 成本較高，效率低下。
離子束加工(IBM) 9.1 離子束加工原理及特點
9.1.1 加工原理 離子束加工（Ion beam machining，IBM）是一種精
密、細微的非傳統加工方法，它的加工原理與電子束加 工原理基本類似，離子束加工是在真空條件下，先由電 子槍產生電子束，再引入已抽成真空且充滿惰性氣體之 電離室中，使低壓惰性氣體離子化,成為等離子體。由 負極引出陽離子又經加速、集束等步驟，獲得具有一定 速度的離子投射到工件材料表面，產生濺射效應和注入 效應，從而實現離子束加工。所不同的是離子帶正電荷， 其品質比電子大上千倍，故在電場中加速較慢，但一旦 加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能，因此， 離子束撞擊工件將引起變形、分離、嵌入、破壞等機械 作用，而不像電子束是通過熱效應進行加工。
先进制造技术6电子束和离子束加工PPT课件
真空系统是为了保证在电子束加工时维持1.33 × 10-2 ~ 1.33 × 10-4 Pa的真空度。因为只有在高真空中， 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，也需要不断地把加工 中产生的金属蒸汽抽出去。
（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％
16
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。
3
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。
9
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；
（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％
16
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。
3
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；
电子束和离子束加工PPT课件
化 5、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
6
四、电子束加工的应用
7
1、电子束打孔 能加工各种孔，包括异形孔、斜孔、锥孔
和弯孔。
8
2、电子束切割 可对各种材料进行切割，切口宽度仅有
3~6µm 利用电子束再配合工件的相对运动，可加
工所需要的曲面
1
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
只使材料局部加热就可进行电子束热处理 使材料局部熔化可以进行电子束焊接 提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，
就可以进行打孔、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，可进行电子束光刻加 工
2
二、加工装置 电子束加工装置主要由以下几部分组成 1、电子枪——获得电子束的装置 电子发射阴极——用钨或钽制成，在加热
第一节 电子束加工
一、电子束加工的基本原理 在真空条件下，利用电子枪中
产生的电子经加速、聚焦后能量 密度为106~109w/cm3的极细束流 高速冲击到工件表面上极小的部 位，并在几分之一微秒时间内， 其能量大部分转换成热能，使工 件被冲击部位的材料达到几千摄 氏度，致使材料局部熔化或蒸发， 来去除材料
状态下发射电子 控制栅极——既控制电子束的强弱，又有
初步的聚焦作用 加速阳极——通常接地，由于阴极为很高
的负压，所以能驱使电子加速
3
4
2、真空系统 保证电子加工时所需要的真空度。
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
1）束流聚焦控制：提高电子束的能量密度，它决定 加工点的孔径或缝宽
9
格较贵，故在生产中受到一定程度的限制
6
四、电子束加工的应用
7
1、电子束打孔 能加工各种孔，包括异形孔、斜孔、锥孔
和弯孔。
8
2、电子束切割 可对各种材料进行切割，切口宽度仅有
3~6µm 利用电子束再配合工件的相对运动，可加
工所需要的曲面
1
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
只使材料局部加热就可进行电子束热处理 使材料局部熔化可以进行电子束焊接 提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，
就可以进行打孔、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，可进行电子束光刻加 工
2
二、加工装置 电子束加工装置主要由以下几部分组成 1、电子枪——获得电子束的装置 电子发射阴极——用钨或钽制成，在加热
第一节 电子束加工
一、电子束加工的基本原理 在真空条件下，利用电子枪中
产生的电子经加速、聚焦后能量 密度为106~109w/cm3的极细束流 高速冲击到工件表面上极小的部 位，并在几分之一微秒时间内， 其能量大部分转换成热能，使工 件被冲击部位的材料达到几千摄 氏度，致使材料局部熔化或蒸发， 来去除材料
状态下发射电子 控制栅极——既控制电子束的强弱，又有
初步的聚焦作用 加速阳极——通常接地，由于阴极为很高
的负压，所以能驱使电子加速
3
4
2、真空系统 保证电子加工时所需要的真空度。
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
1）束流聚焦控制：提高电子束的能量密度，它决定 加工点的孔径或缝宽
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离子束加工
在离子束溅射技术的应用中，多离子源（达到4 个）可应用到像高温超导薄膜这样的多成分薄膜 的制备，同时也能用来制备比较复杂薄膜。
离子束溅射镀膜应用
利用离子束溅射可以制作高容量的硅负极薄膜，表现出了良好的电化学循环性能，经过了10 0 次循环以后, 薄 膜电极的稳定可逆容量保持在其第二次循环容量94 % 左右。硅薄膜电极经过长期的电化学循环后, 仍然不可避免地 出现了活性颗粒的粉化现象, 并且电极表面出现微裂纹, 然而与普通的硅粉末电极不同的是, 硅薄膜并未出现与铜集 流体的脱离, 仍然保持了良好的电接触性能, 这是硅薄膜电极较粉末电极具有更高的循环稳定性的主要原因之一。
• 特殊的场合, 与固体原子直接进行交换电荷。这时离子和反射电 子等的速度相似。
离子束溅射
目前比较成熟的光学薄膜制备技术可以归纳为三类[l一8]:物理气相沉(Physicalvorneposition,PvD) 方法，化学气相沉积(ehemicalVaPorDePosition,CVD)方法和溶液成膜法。对于光学薄膜的制备而 言,物理气相沉积方法应用最为广泛。
离子束加工被认为是最有前途的超精密加工和微细加工技术。是一种原子级的加工方法， 具有极高的分辨率，广泛应用于航空航天制造等领域。
离子束加工的研究背景
随着空间光学，短波光学和光刻技术的不断发展，光学 系统对光学元件的最终面形提出了很高的要求。由于离子束 加工技术具有去除率高、非接触式加工模式、工件无承重、 无边缘效应、对材料无深度损伤等优点，使得这项技术被引 入到光学表面加工领域中来，有效的弥补了传统加工工艺的 不足，并与传统加工工艺相互配合，取得了理想的加工结果， 得到了很高的光学表面面形质量。离子束加工已经成为国际 上光学面形加工技术的一个必不可少的重要技术
电子束和离子束加工ppt课件
该方法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入 不同离子（如磷、氮、碳等）。
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。
27
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
17
电子束刻蚀
18
（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。
19
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
20
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。
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。
27
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
17
电子束刻蚀
18
（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。
19
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
20
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。
(优选)离子束加工
离子注入：离子加速到几十万电子伏或更高时，离
子可穿人被加工材料内部，达到改变材料化学成分目 的。
三、离子束加工装置
离子束加工装置： 离子源 真空系统 控制系统 电源
数码离子束缸体硬化处理机
采用高能束热处理的原理，它产生的104-5W/cm2以上的高能束 定向作用在金属的表面，使之注入在数码离子束缸体硬化 处理机，主要侧重于缸体、缸套的网络硬化处理。
热到局部气化点； 另一类称为“非热型”，利用电子束来产
生化学反应，即由电子轰击所产生的有机 膜层的聚合作用。
一、加工原理与特点
在真空条件下，利 用高压静电场(或 电磁凸镜)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 极小的面积上，在 极短的时间(几分 之一微秒)内其大 部分能量转换为热 能，使被冲击部分 的工件材料达到几 千度以上的高温。
（优选）第五节离子束加工
二、离子束加工的应用
离子溅射：离子加速到几十～几千电子伏。离子溅
射沉积和离子镀膜原理相同，即用离子轰击靶材，将 靶材上的原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工 件表面镀上一层薄膜。
离子刻蚀：又称离子铣削。离子加速到一万～几万
电子伏，且离子入射方向与被加工表面成25～30时， 离子可将工件表面的原子或分子逐个撞击出去，实现 离子铣削、离子蚀刻或离子抛光等。
体
减震器等精密零件。
复合加工
一、复合加工方法 复合切削加工：振动切削复合加工 化学机械复合加工 磁场辅助研抛加工
复合加工
机械化学抛光（CMP）
磁性浮动抛光（MFP）
磁性磨料精整加工 （MAF）
激光辅助车削（LAT）
回顾
一、离子束 二、超声加工 三、电子束加工 四、复合加工
子可穿人被加工材料内部，达到改变材料化学成分目 的。
三、离子束加工装置
离子束加工装置： 离子源 真空系统 控制系统 电源
数码离子束缸体硬化处理机
采用高能束热处理的原理，它产生的104-5W/cm2以上的高能束 定向作用在金属的表面，使之注入在数码离子束缸体硬化 处理机，主要侧重于缸体、缸套的网络硬化处理。
热到局部气化点； 另一类称为“非热型”，利用电子束来产
生化学反应，即由电子轰击所产生的有机 膜层的聚合作用。
一、加工原理与特点
在真空条件下，利 用高压静电场(或 电磁凸镜)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 极小的面积上，在 极短的时间(几分 之一微秒)内其大 部分能量转换为热 能，使被冲击部分 的工件材料达到几 千度以上的高温。
（优选）第五节离子束加工
二、离子束加工的应用
离子溅射：离子加速到几十～几千电子伏。离子溅
射沉积和离子镀膜原理相同，即用离子轰击靶材，将 靶材上的原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工 件表面镀上一层薄膜。
离子刻蚀：又称离子铣削。离子加速到一万～几万
电子伏，且离子入射方向与被加工表面成25～30时， 离子可将工件表面的原子或分子逐个撞击出去，实现 离子铣削、离子蚀刻或离子抛光等。
体
减震器等精密零件。
复合加工
一、复合加工方法 复合切削加工：振动切削复合加工 化学机械复合加工 磁场辅助研抛加工
复合加工
机械化学抛光（CMP）
磁性浮动抛光（MFP）
磁性磨料精整加工 （MAF）
激光辅助车削（LAT）
回顾
一、离子束 二、超声加工 三、电子束加工 四、复合加工
离子束加工PPT课件
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。
第17页/共25页
3）离子镀膜
• 离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还 有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可 达10～20MPa），
• 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得 广泛应用。
第18页/共25页
4）离子注入
• 用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大， 可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改 变工件表面层的机械物理性能。
• 包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。 • 离子源产生离子束流。形式多样，常有考夫曼型离子源和双等离子管型离
子源。
第22页/共25页
• 三、离子束加工的应用 • （一）刻蚀加工 • 离子刻蚀是从工件上去除材料，
是一个撞击溅射的过程。当离子 束轰击工件时，入射离子的动量 传递到工件表面的原子，当传递 能量超过了原子间的键合力时， 原子就从工件表面撞击溅射出来， 达到刻蚀目的。
第6页/共25页
• 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。例
如喷气发动机套上的冷却孔，机翼上的孔，不仅孔的密度可以连续变化，孔数达数
第17页/共25页
3）离子镀膜
• 离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还 有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可 达10～20MPa），
• 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得 广泛应用。
第18页/共25页
4）离子注入
• 用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大， 可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改 变工件表面层的机械物理性能。
• 包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。 • 离子源产生离子束流。形式多样，常有考夫曼型离子源和双等离子管型离
子源。
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• 三、离子束加工的应用 • （一）刻蚀加工 • 离子刻蚀是从工件上去除材料，
是一个撞击溅射的过程。当离子 束轰击工件时，入射离子的动量 传递到工件表面的原子，当传递 能量超过了原子间的键合力时， 原子就从工件表面撞击溅射出来， 达到刻蚀目的。
第6页/共25页
• 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。例
如喷气发动机套上的冷却孔，机翼上的孔，不仅孔的密度可以连续变化，孔数达数
离子注入最详细的课件演示文稿
和 PH3等。
质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量分析
器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很 纯。
加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离 子注入深度的一个重要参量。
中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。 聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。 偏转扫描系统：使离子束沿 x、y 方向扫描。 工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。
qo
q m
Vf2 2d 2 B2Va
对于荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或偏转 磁场 B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。
1
Vf dB(2qoVa )2 ,
或 B
Vf
1
d (2qoVa )2
通常是调节 Vf 而不是调节B。
第二十四页，共130页。
下面计算当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为qs = q/ms 的其它离子被偏转的程度。该种离子在 y 方向受到的加速度为
引
若改变 E2 的极性 ，则可排斥离
子而拉出电子，使这种源改变成电
子束源。
第十八页，共130页。
共晶合金 LMIS
通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽
压高而无法制成单体 LMIS 。
根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大 低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处 于液态时的蒸汽压。
光阑2
1
Fm
qvB
qB
2qVa m
2
为向心力，使离子作圆周运动，其
1
1
半径为
r
mv qB
质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在质量分析
器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质离子，且离子束很 纯。
加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量是决定离 子注入深度的一个重要参量。
中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。 聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。 偏转扫描系统：使离子束沿 x、y 方向扫描。 工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。
qo
q m
Vf2 2d 2 B2Va
对于荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或偏转 磁场 B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过光阑。
1
Vf dB(2qoVa )2 ,
或 B
Vf
1
d (2qoVa )2
通常是调节 Vf 而不是调节B。
第二十四页，共130页。
下面计算当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为qs = q/ms 的其它离子被偏转的程度。该种离子在 y 方向受到的加速度为
引
若改变 E2 的极性 ，则可排斥离
子而拉出电子，使这种源改变成电
子束源。
第十八页，共130页。
共晶合金 LMIS
通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸汽
压高而无法制成单体 LMIS 。
根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大 低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处 于液态时的蒸汽压。
光阑2
1
Fm
qvB
qB
2qVa m
2
为向心力，使离子作圆周运动，其
1
1
半径为
r
mv qB
离子束加工
考夫曼型离子源 双等离子体型离子源 离子束的应用： 离子束的应用： 1.刻蚀加工 刻蚀加工 离子刻蚀是从工件上去除材料， 离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过 程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面 当离子束轰击工件， 的原子，传递能量超过了原子间的键合力时， 的原子，传递能量超过了原子间的键合力时，原子就从工 件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。 件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。 离子刻蚀能够刻蚀高精度的图形如：集成电路、 离子刻蚀能够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。 表面波器件、磁泡器件、光电器件和光集成器件等。
离子注入加工 离子注入是向工件表面直接注入离子， 离子注入是向工件表面直接注入离子，它不仅受热力学 限制，可以注入任何离子，且注入量可以精确控制， 限制，可以注入任何离子，且注入量可以精确控制，注入 的离子是固溶在工件材料中，含量可达10%~40%，注 的离子是固溶在工件材料中，含量可达 ， 入深度可达1um甚至更深。 甚至更深。 入深度可达 甚至更深 离子注入在半导体方面的应用，在国内外都很普遍， 离子注入在半导体方面的应用，在国内外都很普遍， 它是用硼、磷等杂注入半导体，制造p-n结，目前 结 成为制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段。 成为制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段。
3.离子束加工的特点 离子束加工的特点 1）离子束是所有特种加工方法中最精密、最微细的加 ）离子束是所有特种加工方法中最精密、 最精密 工方法，离子刻蚀可以达到纳米级的加工精度， 工方法，离子刻蚀可以达到纳米级的加工精度，是当代 纳米加工技术的击出。 纳米加工技术的击出。 2）离子束加工是在高真空中进行，污染少，特别适用于 ）离子束加工是在高真空中进行，污染少， 在高真空中进行 对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。 对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。 3）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的， ）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，加工应力、 它是一种微观作用，宏观压力很小，加工应力、热变形 等极小，加工质量高， 等极小，加工质量高，适用于对各种材料和低刚度零件 的加工。 的加工。
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• 新闻
• 中国具备研发磁流变和离子束抛光装备能力——世界唯一
•
1纳米有多长ห้องสมุดไป่ตู้相当于一根头发丝直径的1/80000。亚纳米有多长
？小于1纳米！1月中旬，国防科大精密工程创新团队自主研制的磁流
变和离子束两种超精抛光装备，创造了光学零件加工的亚纳米精度，
并通过国家权威部门验收。据专家介绍，这一成果使我国成为继美国
11
五.离子束应用范围
离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。 （1）离子刻蚀
当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表 面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子或分子间键合力时， 材料表面的原子或分子被逐个溅射出来，以达到加工目的。这种加工本 质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。
三.离子束加工特点
➢ 加工精度高。离子束加工是目前最精密、最微细的加工工 艺。离子束轰击工件的材料时，其束流密度和能量可以精 确控制。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。
➢ 环境污染少。离子束加工在真空中进行，特别适宜于对易 氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。
术商用化。 经过近30年的发展，各技术发达国家已普遍使用这项技术于科学家研究和军事
目的。其中，美国起步早，水平高，研究深入，普及广泛。其次是日本、英国、 中国等。然而，从技术应用的深度和广度来看，这项技术仍然是一项年轻的技术， 未来发展的规模和对高科技的影响尚难估计。不过可以肯定，用这个带有能量的 离子作为超微型技术炮弹，将会轰开许多科技奥秘的大门，闪烁出耀眼的科技光 彩。
2
一.概述
发展史
纵观离子束技术发展史，最早可追溯到本世纪初。1906年哥达德（Goddard） 提出，在宇宙空间可借助电力方法推进空间载体运行。自此，很多空间电推进力装 置的设想相继而生。开拓这个领域的先驱们不约而同地发现，电场加速离子方法在 实现空间飞行使命将具有极大的潜力和可行性，因为离子的高冲量无疑是最理想的 推进手段。从此，解开了人类探索空间的新纪元。
、德国之后第3个掌握高精度光学零件制造加工技术的国家，并成为
世界上唯一同时具有磁流变和离子束抛光装备研发能力的国家。
• 纳米精度被誉为超精密加工技术“皇冠上的明珠”。20世纪90年代， 我国大多采用“手工+机械抛光”的传统加工技术，无法进行大口径、 高精度、复杂面形的光学零件加工。国防科大精密工程创新团队在李 圣怡教授率领下，经过20多年顽强拼搏，突破重重技术瓶颈，自主研 制出磁流变、离子束两种超精抛光装备，创造出我国光学零件加工领 域的亚纳米精度。
1960年美国航空航天局拟定了一项空间飞行计划，决定研制控制卫星姿态的电 推进器系统（EBTS），由卡夫曼（Kaufman）教授主持设计宽束低束流密度的电子 轰击电推进器，经过近十年完成了代号为SERT—Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型的飞行实验，取得了 突破性的进展。从此，这种离子发动机称之为Kaufman离子源。不久，贝尔（Bell） 实验室的专家们把这种大口径均匀离子发射技术转移到地面应用，开拓了离子束刻 蚀（IBE）工艺技术，显示出超微细结构的加工能力。从原理上看，在空间与地面 应用并无本质的区别，前者需要的是发射大面积重离子（Hg）均匀束，目的是给卫 星系统提供足够大的比推；后者则采用惰性气体（Ar）作为工质，使均匀的离子束 入射到材料表面，产生预期的刻蚀效果。由于空间和地面工作环境极不相同，因此， 离子发射装置的设计要求各有偏重。在地面上更关心的是满足刻蚀工艺的需要和技
• 近3年来，该团队先后与中国科学院、中国航天科技集团等单位合 作，推动我国空间光学、高端装备制造发展，自主研制出两大类7个 型号的磁流变和离子束抛光机床，取得了显著经济效益和社会效益。 该团队先后获得科技部重大科技专项颁发的“突出贡献奖”和“突出成果 奖”。
二.离子束加工原理
离子束加工是在真空条件下，先由电子 枪产生电子束，再引入已抽成真空且充 满惰性气体之电离室中，使低压惰性气 体离子化。由负极引出阳离子又经加速、 集束等步骤，最后射入工件表面。
• 一.概述 • 二.离子束加工原理 • 三.离子束加工特点 • 四.离子束离子源 • 五.离子束应用范围 • 六.等离子体加工 • 七.等离子体加工特点 • 八.等离子体加工应用 • 九.现状与发展趋势
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
➢ 加工质量高。离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来 实现的，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。
与电子束相比
（1）相同点：在真空条件中进行；粒子 束加工
（2）不同点：带正电荷的离子，质量比 电子大数千、数万倍，如氩离子的质 量是电子的7.2万倍;是靠微观的机械撞 击能量来加工的，离子束比电子束具 有更大的撞击动能。
四.离子束加工装置
加工装置：离子源、真空系统、控制系统、电源 根据离子源产生的方式和用途的不同，离子源有很多形式，常用的有： （1）考夫曼型离子源
（2）双等离子体型离子源
真空系统 在离子束设备中，真空系统的好坏直接影响该设备离子源寿命的长短、 束流品质和离子束工作效果的优劣。真空系统的主要作用如下： 1.提供产生束流环境。束斑尺寸范围从几十纳米到几百纳米，为亚微米 级或纳米级，很容易受到大气分子的干扰，不能穿越空气，需要真空系 统给它提供一个超真空环境。 2.提供束流工作环境。设备工作时，工件和离子束都需要一个非常“洁 净”的环境，否则会污染工件和影响束流的工作。如果离子束通道和工 作室受到污染，而污染物一般是绝缘的，这样就会产生静电积累，使束 流轨迹发生偏移，直接影响离子束的工作效果，如果静电积累严重到发 生放电现象，离子束设备就根本无法工作。 3.真空度的高低直接影响离子源的使用寿命和发射电流稳定性的好坏。 试验表明，真空系统度较高时，正常工作条件下，离子源能使用半年， 但是如果真空度较低，不到一个月，就能用完一个新的离子源，大大地 缩短了离子源的寿命，而且发射电流也不稳定。