现代加工技术第7章 电子束离子束加工
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现代加工技术第7章 电子束离子束加工
7.1.电子束加工
1 电子束加工原理和特点
I 加工原理
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的面积上，在极短时间 内，其能量大部分转变为热能，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 化或气化；
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第7章 电子束离子束加工
2020/12/13
7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
II 加工型孔或特殊表面
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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第7章 电子束离子束加工
2020/12/13
7.1.电子束加工
7.2.离子束加工
3 离子束加工的应用
III 离子注入
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，并可精确控制注入量；
i 改变半导体导电型式和制造P-N结；
ii 改善金属表面性能； iii 对金属表面掺杂；
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第7章 电子束离子束加工
2020/12/13
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
VI 光刻
利用低能量密度的电子束照射高分子材料，由于入射电 子和高分子相碰撞，使分子的链被切断或重新聚合而引 起相对分子量的变化，按规定图形进行照射就会形成潜 像，再将其浸入适当的溶剂中，则由于相对分子量不同 而溶解速度不一样，就会使潜像显影；
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；
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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
IV 焊接
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，则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；
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第7章 电子束离子束加工
2020/12/13
7.2.离子束加工
1 离子束加工原理、分类和特点
I 离子束加工的原理和物理基础
i 加工原理
在真空条件下，将离子束经过加速聚焦后打到工件表面， 依靠微观的机械撞击能量来加工
ii 物理基础
撞击效应和溅射效应：具有一定动能的离子斜射到工件 表面时，可将表面的原子撞击出来；
先用机械旋转泵把真空室抽至初步真空度 （1.4~0.14Pa），再由油扩散泵或涡轮分子泵抽至高 真空度（0.014~0.00014Pa）；
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第7章 电子束离子束加工
2020/12/13
7.1.电子束加工
2 电子束加工的设备
III 控制系统和电源
i 束流聚焦控制：
提高电子束能量密度； 聚焦方式：高压静电场或“电磁透镜”；
ii 发射阴极一般由纯钨或钽做成丝状阴极；
iii 控制栅极较阴极为负的偏压， 既能控制电子束的强弱，又初 步聚焦；
iv 加速阳极通常接地，阴极加以 很高的负电压以驱使电子加速；
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第7章 电子束离子束加工
2020/12/13
7.1.电子束加工
2 电子束加工的设备
II 真空系统
i 维持一定的真空度，保证电子高速运动； ii 由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成；
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第7章 电子束离子束加工
2020/12/13
7Leabharlann Baidu2.离子束加工
1 离子束加工原理、分类和特点
II 离子束加工分类
iii 离子镀（离子溅射辅助沉积）
氩离子同时轰击工件和靶材表面，其目的在于增强膜 材和工件基材之间的结合力；
iv 离子注入
根据不同的目的选用不同的 注入离子；
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I 蚀刻加工
i 蚀刻加工原理：溅射效应；
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
2 离子束加工装置
与电子束加工装置类似，包括离子源、真空系统、控制 系统和电源
I 离子源
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，是气态原子电离成等离 子体，用一个相对于等离子体为负电位的电极，就可以 从等离子体中引出离子束；
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第7章 电子束离子束加工
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；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
1 电子束加工原理和特点
II 加工特点
i 电子束能够极其细微的聚焦，可以加工微孔、窄 缝和半导体集成电路等；
ii 去除材料主要靠瞬时蒸发，非接触式加工，不易 产生宏观应力和变形，加工材料范围广；
第7章 电子束离子束加工
2020/12/13
7.2.离子束加工
3 离子束加工的应用
II 镀膜加工
i 镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种； ii 离子镀膜附着力强、膜层不易脱落；
同时接受离子轰击和靶材溅射来的原子； 镀膜前离子冲击基体表面，清洗掉表面的油污和氧化物， 提高了表面的附着力； 镀膜开始时，形成膜材原子与基材原子的共混膜层； 随后逐步过渡到膜材原子构成的膜层；
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第7章 电子束离子束加工
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7.2.离子束加工
3 离子束加工的应用
II 镀膜加工
iii 绕射性好，基材所有暴露表面均能被覆镀； iv 可镀材料广泛； v 用于镀制耐热膜、润滑膜、
耐蚀膜、装饰膜等；
vi 离子镀膜以蒸汽镀膜为主；
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第7章 电子束离子束加工
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注入效应：能量足够大的离子垂直撞击工件表面时，离 子会钻进工件表面；
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7.2.离子束加工
1 离子束加工原理、分类和特点
II 离子束加工分类
i 离子蚀刻
氩离子轰击工件将其表面的原子逐个剥离；
ii 离子溅射沉积
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，使工件表面形 成镀膜；
第7章 电子束离子束加工
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7.2.离子束加工
1 离子束加工原理、分类和特点
III 离子束加工特点
i 加工精度高； ii 污染少，工件不易氧化；
iii 加工应力和热变形小，适合各种材料和低刚度零 件；
iv 设备费用贵、加工效率低；
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第7章 电子束离子束加工
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iii 通过磁场或电场对电子束的强度、位置和聚焦等 进行控制，便于实现自动化；
iv 真空加工污染小，工件表面不易氧化； v 加工较贵，生产应用有局限性；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
2 电子束加工的设备
I 电子枪
i 获得电子束的装置；
包括电子发射阴极、控制栅极和 加速阳极等；
配合电子束偏转，扩大加工范围和形状；
v 电源：
要求电源电压稳定；
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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
I 高速打孔
孔径小，可达Ф0.003； 可在工件运动中打孔；
能加工深孔；
加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性 材料时，需用电阻炉或电子束 预热，防止应加工温差大材料 破碎；
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7.2.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；
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7.2.离子束加工
3 离子束加工的应用
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
V 热处理
电子束热处理与激光热处理类似，是利用电子束作为热 源，通过控制电子束的功率和功率密度大小使金属表面 加热，达到热处理的目的；
电子束熔化金属表面后，加入添加元素可使表面改性；
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第7章 电子束离子束加工
ii 束流强度控制：
提高电子束运动速度； 间隙性加速电压，使电子束脉冲性运动；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
2 电子束加工的设备
III 控制系统和电源
iii 束流位置控制：
改变电子束的方向； 电磁偏转来控制，使偏转电压按一定规律变化；
iv 工作台位移控制：
7.1.电子束加工
1 电子束加工原理和特点
I 加工原理
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的面积上，在极短时间 内，其能量大部分转变为热能，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 化或气化；
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3 电子束加工的应用
II 加工型孔或特殊表面
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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7.2.离子束加工
3 离子束加工的应用
III 离子注入
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，并可精确控制注入量；
i 改变半导体导电型式和制造P-N结；
ii 改善金属表面性能； iii 对金属表面掺杂；
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
VI 光刻
利用低能量密度的电子束照射高分子材料，由于入射电 子和高分子相碰撞，使分子的链被切断或重新聚合而引 起相对分子量的变化，按规定图形进行照射就会形成潜 像，再将其浸入适当的溶剂中，则由于相对分子量不同 而溶解速度不一样，就会使潜像显影；
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；
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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表面时，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，则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；
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7.2.离子束加工
1 离子束加工原理、分类和特点
I 离子束加工的原理和物理基础
i 加工原理
在真空条件下，将离子束经过加速聚焦后打到工件表面， 依靠微观的机械撞击能量来加工
ii 物理基础
撞击效应和溅射效应：具有一定动能的离子斜射到工件 表面时，可将表面的原子撞击出来；
先用机械旋转泵把真空室抽至初步真空度 （1.4~0.14Pa），再由油扩散泵或涡轮分子泵抽至高 真空度（0.014~0.00014Pa）；
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2 电子束加工的设备
III 控制系统和电源
i 束流聚焦控制：
提高电子束能量密度； 聚焦方式：高压静电场或“电磁透镜”；
ii 发射阴极一般由纯钨或钽做成丝状阴极；
iii 控制栅极较阴极为负的偏压， 既能控制电子束的强弱，又初 步聚焦；
iv 加速阳极通常接地，阴极加以 很高的负电压以驱使电子加速；
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2 电子束加工的设备
II 真空系统
i 维持一定的真空度，保证电子高速运动； ii 由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成；
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1 离子束加工原理、分类和特点
II 离子束加工分类
iii 离子镀（离子溅射辅助沉积）
氩离子同时轰击工件和靶材表面，其目的在于增强膜 材和工件基材之间的结合力；
iv 离子注入
根据不同的目的选用不同的 注入离子；
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I 蚀刻加工
i 蚀刻加工原理：溅射效应；
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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2 离子束加工装置
与电子束加工装置类似，包括离子源、真空系统、控制 系统和电源
I 离子源
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，是气态原子电离成等离 子体，用一个相对于等离子体为负电位的电极，就可以 从等离子体中引出离子束；
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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；
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1 电子束加工原理和特点
II 加工特点
i 电子束能够极其细微的聚焦，可以加工微孔、窄 缝和半导体集成电路等；
ii 去除材料主要靠瞬时蒸发，非接触式加工，不易 产生宏观应力和变形，加工材料范围广；
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3 离子束加工的应用
II 镀膜加工
i 镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种； ii 离子镀膜附着力强、膜层不易脱落；
同时接受离子轰击和靶材溅射来的原子； 镀膜前离子冲击基体表面，清洗掉表面的油污和氧化物， 提高了表面的附着力； 镀膜开始时，形成膜材原子与基材原子的共混膜层； 随后逐步过渡到膜材原子构成的膜层；
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3 离子束加工的应用
II 镀膜加工
iii 绕射性好，基材所有暴露表面均能被覆镀； iv 可镀材料广泛； v 用于镀制耐热膜、润滑膜、
耐蚀膜、装饰膜等；
vi 离子镀膜以蒸汽镀膜为主；
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注入效应：能量足够大的离子垂直撞击工件表面时，离 子会钻进工件表面；
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1 离子束加工原理、分类和特点
II 离子束加工分类
i 离子蚀刻
氩离子轰击工件将其表面的原子逐个剥离；
ii 离子溅射沉积
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，使工件表面形 成镀膜；
第7章 电子束离子束加工
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1 离子束加工原理、分类和特点
III 离子束加工特点
i 加工精度高； ii 污染少，工件不易氧化；
iii 加工应力和热变形小，适合各种材料和低刚度零 件；
iv 设备费用贵、加工效率低；
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iii 通过磁场或电场对电子束的强度、位置和聚焦等 进行控制，便于实现自动化；
iv 真空加工污染小，工件表面不易氧化； v 加工较贵，生产应用有局限性；
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2 电子束加工的设备
I 电子枪
i 获得电子束的装置；
包括电子发射阴极、控制栅极和 加速阳极等；
配合电子束偏转，扩大加工范围和形状；
v 电源：
要求电源电压稳定；
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
I 高速打孔
孔径小，可达Ф0.003； 可在工件运动中打孔；
能加工深孔；
加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性 材料时，需用电阻炉或电子束 预热，防止应加工温差大材料 破碎；
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2 离子束加工装置
I 离子源
i 考夫曼型离子源；
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2 离子束加工装置
I 离子源
ii 双等离子体型离子源；
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3 离子束加工的应用
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
V 热处理
电子束热处理与激光热处理类似，是利用电子束作为热 源，通过控制电子束的功率和功率密度大小使金属表面 加热，达到热处理的目的；
电子束熔化金属表面后，加入添加元素可使表面改性；
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第7章 电子束离子束加工
ii 束流强度控制：
提高电子束运动速度； 间隙性加速电压，使电子束脉冲性运动；
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7.1.电子束加工
2 电子束加工的设备
III 控制系统和电源
iii 束流位置控制：
改变电子束的方向； 电磁偏转来控制，使偏转电压按一定规律变化；
iv 工作台位移控制：