特种加工 第六章
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➢ 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。
➢ 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
➢ 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wenku.baidu.com接 铬、镍和钼的 焊接等。
➢ 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
（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。
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
（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。
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。
➢ 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
➢ 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
➢ 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。
第六章 电子束和离子束加工
第一节 电子束加工 Electron Beam Machining, EBM 第二节 离子束加工 Ion Beam Machining, IBM
（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。
➢ 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。
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。
（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。
（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。
离子注入可以改善金属材料的耐磨性能。 例如在低碳钢中注入Ｎ、Ｂ、Ｍｏ等，在 磨损过程中，表面局部温升形成温度梯度， 使注入离子向衬底扩散，同时注入离子又 被表面的错位网络限制，不能推移很深。 这样，在材料磨损过程中，不断在表面形 成硬化层，提高了耐磨性。
离子注入可以提高金属材料的硬度，这 是因为注入离子及其凝集物将引起材料晶 格畸变、缺陷增多的缘故。例如在纯铁中 注入Ｂ，其显微硬度可提高20％。用硅注 入铁，可形成马氏体结构的强化层。
能在１纳米厚的Au-Pa膜上刻出８纳米 宽的线条。
（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。
➢ 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。
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。
（二）加工型孔及特殊表面 ➢ 加工喷丝头异型孔
➢ 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
也可以加工弯孔和曲面
发射阴极（钨、钽）、控制栅极、加速阳极 电磁透镜
（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
（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，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
➢ 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
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。
➢ 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。
➢ 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。
离子注入对金属表面进行掺杂，是在 非平衡状态下进行的，能注入互不相容的 杂质而形成一般冶金工艺无法制得的一些 新的合金。如将Ｗ注入到低温的Cu靶中， 可以得到W-Cu合金。
离子注入可以提高材料的耐蚀性。例如 把Cr注入Cu，能得到一种新的亚稳态的表 面相，从而改善耐蚀性。
离子注入还能改善金属材料的抗氧化性 能。
➢ 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，一般入射角在 40~60度时刻蚀效率最高。
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。
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
（一）电子枪
➢ （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的沟 槽或凹坑。
（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
➢ 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
（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。
➢ 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。
（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。
（一）考夫曼型离子源 （二）双等离子体型离子源
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
（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
➢ 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。
（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
（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。
（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。
➢ 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。
➢ 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。
➢ 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。
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。
航天、航空中 动压马达止推 板和陀螺马达 轴上的精密槽 线
➢ 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
➢ 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
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
（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。
➢ 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
➢ 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wenku.baidu.com接 铬、镍和钼的 焊接等。
➢ 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
（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。
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
（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。
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。
➢ 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
➢ 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
➢ 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。
第六章 电子束和离子束加工
第一节 电子束加工 Electron Beam Machining, EBM 第二节 离子束加工 Ion Beam Machining, IBM
（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。
➢ 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。
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。
（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。
（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。
离子注入可以改善金属材料的耐磨性能。 例如在低碳钢中注入Ｎ、Ｂ、Ｍｏ等，在 磨损过程中，表面局部温升形成温度梯度， 使注入离子向衬底扩散，同时注入离子又 被表面的错位网络限制，不能推移很深。 这样，在材料磨损过程中，不断在表面形 成硬化层，提高了耐磨性。
离子注入可以提高金属材料的硬度，这 是因为注入离子及其凝集物将引起材料晶 格畸变、缺陷增多的缘故。例如在纯铁中 注入Ｂ，其显微硬度可提高20％。用硅注 入铁，可形成马氏体结构的强化层。
能在１纳米厚的Au-Pa膜上刻出８纳米 宽的线条。
（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。
➢ 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。
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。
（二）加工型孔及特殊表面 ➢ 加工喷丝头异型孔
➢ 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
也可以加工弯孔和曲面
发射阴极（钨、钽）、控制栅极、加速阳极 电磁透镜
（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
（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，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
➢ 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
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。
➢ 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。
➢ 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。
离子注入对金属表面进行掺杂，是在 非平衡状态下进行的，能注入互不相容的 杂质而形成一般冶金工艺无法制得的一些 新的合金。如将Ｗ注入到低温的Cu靶中， 可以得到W-Cu合金。
离子注入可以提高材料的耐蚀性。例如 把Cr注入Cu，能得到一种新的亚稳态的表 面相，从而改善耐蚀性。
离子注入还能改善金属材料的抗氧化性 能。
➢ 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，一般入射角在 40~60度时刻蚀效率最高。
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。
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
（一）电子枪
➢ （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的沟 槽或凹坑。
（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
➢ 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
（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。
➢ 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。
（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。
（一）考夫曼型离子源 （二）双等离子体型离子源
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
（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
➢ 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。
（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
（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。
（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。
➢ 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。
➢ 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。
➢ 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。
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。
航天、航空中 动压马达止推 板和陀螺马达 轴上的精密槽 线
➢ 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
➢ 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
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
（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。