电子束加工
电子束加工的原理特点应用
电子束加工的原理特点应用1. 原理介绍电子束加工是一种以电子束为工具，利用其高速度和高能量，对材料进行加工和改变形状的技术。
其原理基于电子束与材料相互作用时的各种效应，包括电子-材料相互碰撞、电子散射和电子热效应等。
通过控制电子束的能量、聚束和扫描方式，可以实现对材料的溶解、沉积和表面改性等加工操作。
2. 特点分析2.1 高精度加工电子束加工具有非常高的定位精度和加工精度。
由于电子束可以聚焦到非常小的区域，因此可以实现微米级别的加工精度。
同时，电子束加工过程不会产生机械接触，避免了传统机械加工过程中的磨损和变形等问题，保证了加工精度的稳定性。
2.2 无热影响区域电子束加工实现了非接触式加工，材料不受热影响区域的限制。
传统热加工方法往往会对材料造成热变形、热裂纹和残余应力等问题，而电子束加工则可以在不产生热影响的情况下进行加工操作，有效防止了材料的热损伤。
2.3 高能量密度加工电子束加工具有极高的能量密度。
电子束在与材料相互作用时，会传递给材料的能量密度非常大，可以迅速将材料加热到高温甚至熔化状态。
这种高能量密度的加工方式适用于一些特殊材料，例如高熔点金属或者难加工的高强度合金等。
2.4 灵活性和可控性高电子束加工具有非常高的灵活性和可控性。
可以通过调节电子束的能量、聚束方式和扫描路径等参数，实现对材料加工过程的精确控制。
这种灵活性和可控性使得电子束加工可以用于不同材料的加工和多种形状的制造。
3. 应用领域3.1 微电子学电子束加工在微电子学领域的应用非常广泛。
由于其高精度和高能量密度的优势，电子束可以用于微芯片的制造、电路板的加工以及微电子器件的制备等。
同时，由于电子束加工不受材料性质的影响，可以适用于各种不同材料的加工。
3.2 航空航天电子束加工在航空航天领域的应用也非常重要。
航空航天领域对材料的高温抗性和高强度要求非常高，而电子束加工恰好可以实现对这些材料的精确加工和形状调整。
同时，由于其非接触式加工的特点，电子束可以用于对高温材料的修复和维护。
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。
电子束加工的基本原理和工艺
电子束加工的基本原理和工艺电子束加工是一种高能电子在材料表面击穿并在其中产生高密度能量点的机械加工方法。
它通过高速电信号，将电子束以极高的速度精确定位并打入被加工物表面，然后利用束内携带的高能量来加工材料，从而达到特定的切削、钻孔、雕刻等目的。
1、电子束加工的基本原理在电子束加工制作过程中，主要依赖高速电子的作用。
当电子束击中被加工物表面时，电子会在材料内部产生多次散射，每次散射时，电子束内携带的能量会被一部分传递给材料，从而使得材料内部出现高密度的能量点，然后能量点在材料内部形成密集的气泡和微裂纹。
由此产生的热量和机械应力使材料表面裂纹，边缘尺寸和形状控制通过射线跟踪控制系统改变束的轨迹，从而实现切削等加工目的。
2、电子束加工的工艺电子束加工工艺主要有切割、钻孔、雕刻等。
其中，切割是将硬材料加工成一定形状的过程。
“即光丝”有着极高的光洁度，可制作金属薄膜、高精度模具等，被广泛应用于高技术领域。
“逐层逐点”技术则逐层逐点制作出所需物体。
钻孔是指对超硬材料、陶瓷等物料进行孔洞加工的过程。
常用加工方式有螺旋作业、径向工作等。
雕刻是指通过电子束加工在金属、陶瓷等材料表面制造出一定的纹样和图案，常用于名片制作、花卉雕刻等。
3、电子束加工的优势电子束加工主要具有以下优势：（1）不产生切削力，不给被加工材料造成切割副产物，可以实现无切削加工，不会对原材料的化学物性产生影响。
（2）其加工精度高于相同级别传统机床，可以制作出远低于毫米级别的零件。
（3）电子束加工适用于各种类型和大小的材料，以及形状和厚度的不同处理方式。
（4）工艺和加工过程对环境污染较小，无切削副产物产生，材料损失少。
电子束加工作为一种新型的加工技术，它简化了现代工业的加工流程，提高了多种高端制造业场景下的生产效率和产品品质。
未来，电子束加工领域将更好地服务于不同的工业实践需求，为人们创造一个更加美好的未来。
电子束加工特点
第六章 电子束和离子束加工
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。
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第六章 电子束和离子束加工
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。 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料 及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度 图形。
第六章 电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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第六章 电子束和离子束加工
6.1 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
行电子束光刻加工。
3
第六章 电子束和离子束加工
（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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，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。
4
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2离子溅射沉积
第六章 电子束和离子束加工
采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将 靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。
电子束加工的原理
电子束加工的原理电子束加工是一种利用高速电子流来加工材料的加工方法。
其基本原理是将电子束聚焦成一束非常细小的电子射流，在高速运动的电子束撞击下，材料表面的原子和分子发生碰撞和相互作用，使材料发生物理或化学变化，从而实现加工的目的。
电子束加工设备通常由以下几个主要部分组成：加速系统、聚焦系统、撞击靶标系统和控制系统。
加速系统是电子束加工设备中的核心部分，其主要作用是将电子进行加速，使其获得足够的能量以实现对材料的加工。
加速系统通常由电子枪和电子加速器组成。
电子枪产生电子，而电子加速器则通过电磁场或电势差的作用，将电子加速到所需的速度。
聚焦系统主要用于将加速后的电子束聚焦在一个非常小的面积上。
聚焦系统通常由电磁场或磁透镜组成，通过控制电磁场或磁透镜的参数来实现对电子束的聚焦和控制。
聚焦系统的目标是将电子束的直径减小到微米级别，以提高加工精度和分辨率。
撞击靶标系统是电子束加工设备的加工区域，即电子束撞击到材料表面的地方。
撞击靶标系统通常由样品台和运动控制系统组成。
样品台用于固定和定位待加工材料，而运动控制系统用于控制电子束在材料表面移动的位置和轨迹。
电子束加工的原理主要基于电子束与材料相互作用的过程。
当电子束撞击到材料表面时，它会和材料表面的原子和分子发生相互作用，从而导致材料表面的物理或化学变化。
这些相互作用包括电子与原子之间的电子-电子碰撞，电子与原子之间的电子-原子碰撞以及电子与原子核之间的碰撞。
这些相互作用会使材料表面的原子和分子发生能量转移和重新排列，从而改变材料的物理和化学性质。
电子束加工的原理还涉及到电子束的能量传递和吸收。
当电子束撞击到材料表面时，部分电子的能量会被材料吸收，导致材料发生加热和熔化。
这种加热和熔化过程可以使材料发生融化、蒸发、溶解、沉积等物理和化学变化，从而实现不同类型的加工操作，如切割、焊接、打孔、表面改性等。
电子束加工具有许多优点。
首先，电子束加工具有非常高的加工精度和分辨率，可以实现亚微米级的加工，适用于微电子器件和精密零件的加工。
第6章 电子束和离子束加工
特种加工技术
二、电子束加工装臵
电子枪
电子发射阴极、控制 栅极和加速阳极等；
真空系统 控制系统
电磁透镜、偏转线圈、 工作台系统
电源系统 辅助装臵
特种加工技术
电子枪
用途：
钨丝
发射高速电子流 电子束的预聚焦 电子束的强度控制
小功率
大功率
组成
电子发射阴极（纯钨或纯钽） 控制栅极 加速阳极
非热型（化学效应）
利用电子束的化学效应进行刻蚀
刻蚀
特种加工技术
功率密度对加工模式的影响
a) 低密度 b) 中低密度 c) 高密度
表面改性
电子束焊接
电子束打孔、切槽
特种加工技术
电子束加工的应用范围
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
特种加工技术
（1）高速打孔
特点
能打各种孔（最小φ3μm ）
生产效率高
可加工各种材料
实际应用
打400孔；3mm厚时，φ1mm的锥形孔，每秒可打20孔。）
可加工斜孔。 可以加工各种直的型孔和型面，也可以加工弯孔和曲面。
特种加工技术
电子束加工曲面
电子束在磁场中运动，由于受到电磁力，其轨迹会发生偏转。 如果在磁场中对工件加工，则可切割出曲面。
特种加工技术
电子束加工弯槽
电子束在磁场中运动，由于受到电磁力，其轨迹会发生偏转。 如果在磁场中对工件中部进行切割时，则可加工出弯槽。
特种加工技术
电子束加工分类
通过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。 电子束打孔、切割等加工：高电子束能能量密度， 使材料融化和气化，就可以进行； 电子束焊接：使材料局部融化就可以进行； 电子束热处理：只使材料局部加热就可以进行； 电子束光刻加工：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。
第六章 电子束和离子束加工
二、离子束加工装置
(一) 考夫曼型离子源
用阴极发射电子撞击氩气使其电离成等离子
(二) 双等离子体型离子源
用直流电弧放电将氩、氪、氙等惰性气体等离子体 化
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
B、C、Al、Ar、Cr、F e、Ni、Zn、Ga、Mo、 In、Eu、Ce、Ta、Ir
耐磨损
B、C、Ne、N、S、Ar、 20～100 Co、Cu、Kr、Mo、Ag、 In、Sn、Pb Ar、S、Kr、Mo、Ag、 20～100 In、Sn、Pb
＞1
改变摩擦因数
＞1
本章完
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 (0.001µm)级的加工精度。 2) 由于离子束加工是在高真空中进行，所以污染少， 特别适用于对易氧化的金属、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。 4) 离子束加工设备费用贵，成本高，加工效率低，因 此应用范围受到一定限制。
可实现对材料的“毫微米级”或“原子级”加 工。
离子束加工的分类
1) 离子刻蚀 是用能量为0.5～5keV的氩离子倾斜轰击工件，将工件表面的原 子逐个剥离。 2) 离子溅射沉积 也是采用能量为0.5～5keV的氩离子，倾斜轰击某种材料制成的 靶，离子将靶材原子击出，垂直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 也称离子溅射辅助沉积，是用0.5～5keV的氩离子，不同的是在 镀膜时，离子束同时轰击靶材和工件表面。 4) 离子注入 是采用5～500keV较高能量的离子束，直接垂直轰击被加工材料， 由于离子能量相当大，离子就钻进被加工材料的表面层
电子束加工
电子束加工原理及其主要应用1．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。
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
现代加工技术第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
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；
电子束加工原理及应用
电子束加工原理及应用电子束加工（Electron Beam Machining, EBM）是一种高能电子束在材料上直接加热与蒸发的加工方法。
它利用电子加速器产生高能量电子束，通过电子与材料原子之间的相互作用，使原子受到高能电子的冲击，产生断裂、熔化和蒸发等现象，从而实现对材料的加工。
电子束加工具有高加工精度、加工速度快、无热影响区和无振动等优点，因此在航空航天、汽车、电子、医疗器械等领域具有广泛的应用。
电子束加工的原理主要包括电子束生成、准直、聚焦和冲击等过程。
首先，通过电子加速器将电子加速到高能态，这样产生的电子束具有很高的能量。
然后，利用准直系统对电子束进行整形，控制其形状和大小，使其能够准确地照射到加工目标上。
接下来，通过磁场控制系统对电子束进行聚焦，使其能够集中在一个较小的区域内。
最后，电子束与材料之间发生冲击，使材料表面的原子受到电子的冲击并产生断裂、熔化和蒸发等现象，从而实现对材料的加工。
电子束加工具有很多优点。
首先，由于电子束具有很高的能量，因此它能够快速加热和熔化材料，从而实现高加工速度。
其次，电子束加工的加热过程是无接触的，没有热传导和导热损失，因此不会引起材料变形和应力集中等问题，具有高加工精度。
此外，电子束加工没有振动和冲击力，可以避免材料表面的划痕和变形等问题。
最重要的是，电子束加工对材料的化学性质没有影响，能够实现对不易加工的材料的加工，如高熔点金属和陶瓷等。
电子束加工在航空航天领域有着广泛的应用。
由于电子束加工具有高加工精度和高能量特点，因而能够应用于航空航天领域中对材料性能要求较高的部件的制造。
比如，电子束加工常用于制作航空发动机喷嘴、涡轮叶片以及复杂的结构件等。
此外，电子束加工还可以用于航天器的表面处理，如表面改性、疏水处理等。
在汽车制造方面，电子束加工也具有很大的应用潜力。
汽车零部件通常由高强度和复杂形状的金属材料制成，而电子束加工能够实现对这些材料的高精度加工，从而提高零部件的质量和性能。
电子束加工和等离子体加工
第五节 等离子体加工 Plasma Arc Machining/PAM
等离子体：气体在高温下离解成正离子及自由电子，整体仍旧 保持电中性，这种高温电离气体称为等离子体。
等离子体加工：利用电弧放电使气体电离成过热的等离子态气 流，靠局部熔化及汽化去除材料的工艺方法称为等离子体加工。
一、基本原理 等离子体具有极高的 能量密度，是由以下三种 效应造成的： 1)机械压缩效应 等离子体切割嘴通道 直径及长度 2)热收缩效应 气流流量与压力；冷 却水作用 3)磁收缩效应 由电弧电流形成磁场 综合结果： 高电流密度，高温 度，高速度（高动能）→ 热能
冷却水 割枪主体 保护罩 电源 喷嘴 距离 等离子体电弧 保护气体屏 钨电极 工质气体
切缝宽度 (约为喷嘴直径的两倍)
等离子体加工原理图
二、设备
二、设备
二、设备
三、应用 等离子弧喷涂； 等离子弧热处理； 等离子弧切割； 等离子弧焊接。
（五）热处理；
（六）曝光。
三、电子束加工的应用
Video
三、电子束加工的应用 右图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。
三、电子束）焊缝深而窄，深宽比可达70:1 3）焊件热影响区小 4）一般不用焊条，焊缝强度一般 高于母材
电子束焊接
SEM image of a work sample on a magnesium oxide surface using FIB. The diameter of the hole measures approximate. 4 µm.
先进制造技术6电子束和离子束加工
材 着 气 化 形 成 气 泡 ， 破 料
击 始 熔 化 ， 气 化
电子束打到材料表面
电子束打到材料内部
电子束
材料
电子束打到 材料
四、电子束加工的应用 （二）加工型孔及特殊表面
四、电子束加工的应用
电子束加工弯孔和曲面。
四、电子束加工的应用 （三）刻蚀
利用电子束的热加工原理， 对工件进行类似铣削的加工 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来， 如在硅片上刻出宽2.5 µm， 深0.25 µm的细槽。 电子束刻蚀还可用于制版， 在铜制印刷筒上按色调深浅 刻出大小、深浅不一的沟槽 或凹坑，大坑代表深色，小 坑代表浅色。
一、离子束加工原理、分类和特点
一、离子束加工原理、分类和特点 （二）离子束加工的分类
离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的不同， 可以分为四类，即利用离子撞击和溅射效应的离子刻蚀、 离子溅射沉积和离子镀，以及利用注入效应的离子注入。 图 6-8是各类离子加工的示意图。 1. 离子刻蚀：是用能量为0.5 ~ 5 keV的氩离子倾斜 轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离。其实质是一种 原子尺度的切削加工，所以又称离子铣削。这就是近代 发展起来的毫微米（纳米）加工工艺。 2. 离子溅射沉积：也是采用能量为0.5 ~ 5 keV的氩 离子，倾斜轰击某种材料制成的靶，离子将靶材原子击 出，垂直沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一 层薄膜。所以溅射沉积是一种镀膜工艺。
6. 设备投资较高 设备投资较高
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。
三、电子束加工装置
电子 枪
电源 系统
加工 裝置
电子束加工的原理及应用
电子束加工的原理及应用电子束加工是一种高速电子束束流通过真空管道对工件表面进行加工的技术。
该技术使用加速器产生高能电子束，通过聚焦系统将电子束聚焦到非常小的直径上，然后将聚焦后的电子束对待加工的工件表面进行瞬时加热和熔化，从而实现对工件表面的精细加工。
电子束加工技术的原理主要包括三个方面：加速原理、聚焦原理和工件加工原理。
首先，电子束加工技术的加速原理是利用高频电场或直流电场对电子进行加速。
通过加速器对电子进行加速，使其获得足够的能量，从而能够对工件表面进行加工。
其次，电子束加工技术的聚焦原理是通过电磁场对电子束进行聚焦。
聚焦系统一般由电磁透镜和偏转系统组成，其中电磁透镜通过调节磁场强度和焦距来实现对电子束的聚焦，而偏转系统则用于控制电子束的运动轨迹，使其能够对工件表面进行精确的加工。
最后，电子束加工技术的工件加工原理是利用高能电子束对工件表面进行瞬时加热和熔化。
当高能电子束聚焦在工件表面时，电子与工件原子之间发生碰撞，使得工件表面的原子发生能量的传递和转换，从而使工件表面被加工的局部瞬时加热和熔化。
电子束加工技术具有以下几个特点和应用领域：1. 高精度加工：电子束加工技术可以控制电子束的位置和能量，从而能够实现对工件表面的高精度加工。
该技术可以用于制造微细结构、光学元件、模具等高精度的工件。
2. 薄壁结构加工：由于电子束加工技术的加热局部，因此可以实现对薄壁结构的加工。
该技术可以用于制造航空航天领域中的燃烧室、气体涡轮叶片等薄壁结构件。
3. 高效率加工：电子束加工技术加工速度快、效率高，可以有效提高生产效率。
该技术可以用于批量加工、大规模生产等领域。
4. 材料熔化温度低：由于工件加工只发生在电子束聚焦的局部区域，因此工件的整体温度相对较低，可以避免材料的过热和变形等问题。
5. 增材制造：电子束加工技术可以直接将粉末熔化成零件，实现对材料的增材制造。
该技术可以用于制造复杂结构的零件和特殊材料的加工。
电子行业电子束和离子束加工
电子行业电子束和离子束加工简介在电子行业中，电子束和离子束加工是两种常用的微细加工技术。
它们利用高能电子束和离子束对材料进行加工，具有高精度、高效率和非接触等特点，在电子器件制造、表面改性和纳米加工等领域有广泛应用。
电子束加工基本原理电子束加工利用高速运动的电子束对材料表面进行加工。
通过控制电子束的能量和聚焦方式，可以实现在纳米到微米级别的精确加工。
其基本原理如下：•加速电子：采用电子枪将电子加速到较高能量，通常在几十千伏至几百千伏之间。
•焦点控制：利用一系列电场和磁场聚焦系统，将电子束聚焦到较小的直径，达到高分辨率的效果。
•扫描加工：通过控制电子束的位置和扫描速度，实现对材料表面的精确加工。
应用领域电子束加工在电子行业中有广泛的应用，包括但不限于以下领域：1.纳米微型器件加工：电子束加工可用于制造微型电子器件，如纳米线、纳米晶体管和MEMS器件等。
2.光刻：电子束激光刻蚀技术是集成电路制造中常用的工艺之一。
3.表面改性：通过控制电子束的能量和扫描方式，可以实现对材料表面的纹理、硬度和导电性等物理性质的改变。
4.纳米加工：电子束可以直接对纳米颗粒进行加工，制备纳米材料和纳米结构。
离子束加工基本原理离子束加工利用高能离子束对材料进行加工。
与电子束加工相比，离子束加工具有更高的穿透能力和更大的功率密度，可以实现更深入和更精确的加工效果。
其基本原理如下：•加速离子：采用离子源将离子加速到高能量，通常在几百电子伏至几千电子伏之间。
•焦点控制：通过控制电场和磁场分别作用的方式，实现对离子束的聚焦控制。
•碰撞损伤：高速离子束与材料表面相碰撞，产生碰撞损伤和表面变化。
应用领域离子束加工在电子行业中也有广泛的应用，主要应用于以下领域：1.纳米加工：离子束加工可用于纳米线、纳米颗粒和纳米薄膜的制备。
2.材料改性：通过离子束的碰撞和改变材料表面的结构，可以实现材料的硬化、改变导电性和抗腐蚀等性能。
3.表面涂层：离子束沉积技术可以实现对材料表面的镀膜、涂层和纳米颗粒的制备。
电子束加工技术的研究与应用
电子束加工技术的研究与应用电子束加工技术（Electron Beam Machining）是一种高能量密度的金属加工方法，利用电子束的高速运动和高能量集中，在工件表面瞬间加热并融化材料。
与传统金属加工方法（如机械加工、电火花加工、激光加工）相比，电子束加工具有加工速度快、精度高、能耗低等优点，在航空航天、汽车、电子、医疗等领域均有广泛应用。
本文将着重探讨电子束加工技术的研究进展和应用现状。
一、电子束加工技术的原理和特点电子束加工技术是利用加速器将电子加速到光速附近，并通过特殊的几何形状的电子透镜束缩成一束高速电子束。
当电子束照射到金属表面时，其能量被转化为热能，使金属表面瞬间升温至熔化温度并融化。
同时，电子束在金属中的运动引起金属内部原子的弹性碰撞和不弹性碰撞，从而产生热扩散和塑性变形，最终实现对工件的加工。
电子束加工技术具有以下几个特点：1. 高能量密度：电子束加工的能量密度高达10^9 W/cm2以上，远高于传统加工方法，可以实现对薄膜、微细结构等工艺难度较大的部件的加工。
2. 高精度加工：电子束加工具有高精度、高分辨率和高表面质量的优势，对于形状规则复杂的零件及超精细加工有很强的适应性。
3. 无切削力加工：电子束加工是一种非机械切削类加工方法，不存在机械摩擦或挤压等现象，因此对被加工物的变形、振动、屈曲、拉伸等无任何影响。
4. 处理难加工材料：电子束加工可以处理钨、钼、铌、铬、镍等难加工材料，对黑色金属、色金属、难切削材料以及各种合金均能轻松完成加工。
二、电子束加工技术的研究进展电子束加工技术诞生于20世纪50年代，经过数十年的发展研究，目前已经取得了一系列重要的研究成果。
1.关键技术研究电子束加工技术需要高能量密度、高稳定性的电子束，这需要对电子加速器、透镜束等关键技术进行深入研究。
目前，电子束加工技术主要应用的加速器有线性加速器、驻波加速器和微波加速器等，而电子透镜束的研究则鉴于于电子束聚焦能力的提高和加工精度的进一步提高。
电子束加工
电子束加工原理及设备组成
12.5.2 电子束加工装置
电子束加工装置主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等 部分组成。
电子枪
电子枪是获得电子束的装 置。它包括电子发射阴 极、控制栅极和加速阳极 等。发射阴极经电流加热 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，经过加速阳极加速， 又通过电磁透镜把电子束 聚焦成很小的束斑。
4.电子束焊接
电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。当高能 量密度的电子束轰击焊件表面时，使焊件接头处的金属熔融， 在电子束连续不断地轰击下，形成一个被熔融金属环绕着的毛 细管状的熔池，如果焊件按一定速度沿着焊件接缝与电子束做 相对移动，则接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固，使 焊件的整个接缝形成一条焊缝。
高分子材料，由入射电子与高分子相碰撞，使高分子链被切断或 重新聚合而引起分子量的变化，这一步骤称为电子束曝光。如果 按规定图形进行电子束曝光，就会在电致抗蚀剂中留下潜像。然 后将它浸入适当的溶剂中，则由于分子量不同而溶解度不一样， 就会使潜像显影出来。将光刻与离子束刻蚀或蒸镀工艺结合，就 能在金属掩模或材料表面上制出图形来。
（5）由于电子束加工是在真空中进行的，因而污染少，加 工表面不氧化，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。
12.5.4 电子束加工应用
1.电子束高速打孔
电子束打孔已在生产中实际应用。目前其所打出孔的最小直 径可达ф0.003 mm。例如，喷气发动机套上的冷却孔，机冀吸附 屏的孔，不仅孔的密度可以连续变化，孔数达数百万个，面且有 时还可改变孔径，最宜用电子束高速打孔，高速打孔可在工件运 动中进行。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。
电子束加工原理
电子知识加工原理(2)电子束(6)1.电子束加工原理电子束加工（electron beam machining，EBM）是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106～109w/cm2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，其能量大部分转换为热能，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。
1-发射阴极2-控制栅极3-加速阳极4-聚焦系统5-电子束斑点6-工件7-工作台2.电子束加工的特点高功率密度属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生宏观应力变形，同时也不存在工具损耗问题。
电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。
环境污染少适合加工纯度要求很高的半导体材料及易氧化的金属材料。
3.电子束加工的应用1）电子束打孔不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。
最小加工直径可达0.003mm，最大深径比可达10。
像机翼吸附屏的孔、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，塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。
一些合成纤维为增加透气性和弹性，其喷丝头型孔往往制成异形孔截面，可利用脉冲电子束对图形扫描制出。
还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向加工出弯曲的孔，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3）光刻当使用低能量密度的电子束照射高分子材料时，将使材料分子链被切断或重新组合，引起分子量的变化即产生潜象，再将其浸入溶剂中将潜象显影出来。
把这种方法与其它处理工艺结合使用，可实现在金属掩膜或材料表面上刻槽。
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第一节 电子束加工的原理和特点
第一节 电子束加工的原理和特点
第一节 电子束加工的原理和特点
⒈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（106 ～109W/㎝2 ）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， 从而引起材料局部熔化和气 化，被真空系统抽走。
第三节 电子束加工的应用
电子束加工按其功率密度和能 量注入时间的不同，可用于 打孔、切割、 蚀刻 焊接 热处理 光刻加工等。
第三节 电子束加工的应用
⒈高速打孔 ⒉加工型孔及特殊表面
第三节 电子束加工的应用
第三节 电子束加工的应用
第三节 电子束加工的应用
第二节 电子束加工装置
电子束加工装置： 电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组 成。 ⒈电子枪 ⒉真空系统 ⒊控制系统和电源
第二节 电子束加工装置
⒈电子枪： 电子枪是获得电子的装置。 电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。 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，经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很 小的束斑。 发射阴极：钨或钽 小功率：丝状 大功率：块状
第一节 电子束加工的原理和特点
第一节 电子束加工的原理和特点
控制电子束能量密度的大小和能量注入，就可以达到不同的加 工目的。 ⑴电子束热处理： 只使材料局部加热就可进行电子束热处理 ⑵电子束热焊接： 使材料局部熔化就可进行电子束热焊接 ⑶电子束打孔、切割等加工： 提高电子束能量密度，使材料熔化和气化就可进行电子束 打孔、切割等加工 ⑷电子束光刻加工： 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。
第二节 电子束加工装置
第二节 电子束加工装置
控制栅极：中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的 偏压，既能控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。 加速阳极接地， 阴极为很高的负电压。
第二节 电子束加工装置
⒉真空系统： ⑴真空系统作用： ①保证在电子束加工时维持1.33×10－2～1.33×10－4Pa的真 空度 只有在高真空中，电子才能高速运动。 ②不断地把加工中产生的金属蒸汽抽出去 加工时的金属蒸汽会影响电子发射，产生不稳定现象。 ⑵真空系统的组成： 机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成。 机械旋转泵把真空室抽至1.4～0.14Pa 油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.014～0.00014Pa的高真空度
第二节 电子束加工装置
⒊控制系统和电源： 控制系统： 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。 ①束流聚焦控制：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。 后者比较安全可靠。所谓电磁透镜，实际上为一电磁线圈，通电后 它产生的轴向磁场与电子束中心线相平行，端面的径向磁场则与中 心线相垂直。根据左手定则，电子束在前进运动中切割径向磁场时 将产生圆周运动，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，常再进行第二次聚焦。
第九章 电子束加工
电子束加工： 精密微细加工，微电子学领域中得到较多的应用。 打孔、焊接等热加工 电子束光刻化学加工
Hale Waihona Puke 第九章 电子束加工第一节 电子束加工的原理和特点 第二节 电子束加工装置 第三节 电子束加工的应用
第一节 电子束加工的原理和特点
⒈电子束加工的原理 ⒉电子束加工的特点
第一节 电子束加工的原理和特点
第二节 电子束加工装置
②束流位置控制：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。 如果使偏转电压或电流按一定程序变化，电子束焦点便按预定 的轨迹运动。 ③工作台位移控制：在加工过程中控制工作台的位置。 因为电子束的偏转距离只能在数毫米之内，过大将增加像差 和影响线性，因此在大面积加工时需要用伺服电动机控制工作台 移动，并与电子束的偏转相配合。 ⑵电源： 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。
第一节 电子束加工的原理和特点
⒉电子束加工的特点： ⑴加工面积很小，是一种精密微细的加工方法。 电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1μm。 ⑵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。 电子束能量密度高，使照射部分的温度超过材料的融化和气化温度，去除材料 主要靠瞬时蒸发。 ⑶加工生产率很高 电子束的能量密度高，每秒钟可以在2.5㎜厚的钢板上加工50个直径为0.4㎜的孔。 ⑷整个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。 在电子束爆光中，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形孔，实现曲面弧形切割等。 ⑸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。 电子束加工是在真空中进行，污染少。 ⑹价格较贵，生产应用有一定局限性。 电子束加工需要一套专用设备和真空系统