现代加工技术第7章 电子束离子束加工
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。
离子束加工
离子注入：
采用5~500Kev的较高能量的离子束，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，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和化学 性能，称离子注入为表面改性。
3.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 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。
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、磷等杂质离子注入半导体，制造p-n结，目前 成为制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段。
离子注入改善金属表面性能正在形成一个新型的领域。 利用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，可以制 的新的合金，从而可制的新的合金，从而改善金属表面的 抗蚀性能、抗疲劳性能、润滑性能和耐磨性能。
离子束加工设备： 主要包括离子源、真空系统、控制系统和电源部分； 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（氩等惰性气体或金属蒸汽）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（正离子数和负离子数 相等的混合体）用一个相对于等离子体为负电势的 电极，就可从等离子体中引出正离子束流。
2.离子束加工分类 根据物理效应和达到的目的不同分类；
利用离子撞击的离子刻蚀；
利用能量为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，其实质是一种原子尺度的切削加 工，又称离子铣削。
离子溅射沉积： 利用能量为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，溅射沉积是一种 涂膜工艺。
先进制造技术——三束加工—激光束、电子束、离子束
2．特点及应用
离子束加工有如下特点：
(1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。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) 离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合 金和半导体材料进行加工。 (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， 所以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。
4.束流控制方便，易实现加工过程自动化。
二、激光束加工
激光：源自在经过激励后由高能级院子跃迁到低能级而发射 的光子所产生的物理现象。
激光产生的原理：原子经过激励而发生跃迁现象。 激光加工:激光加工就是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点 上达到很高的能量密度产生的光热效应来加工各种材料。
加工原理
1）高速打孔 目前电子束打孔的最小直径可达Ø0.003mm左右。例如喷气发动机 套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。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。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片 上打深度5mm、直径Ø0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。
2）加工型孔及特殊表面
激光加工的应用
激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大 体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利 用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激 光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指 激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。 包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。
0.03～ 0.07 mm
简述离子束加工原理及应用
简述离子束加工原理及应用离子束加工是一种利用离子束对物体表面进行加工的技术。
它利用离子束的高能量和较高质量，通过离子与物体表面的相互作用，改变物体表面的性质和形态。
离子束加工的基本原理是通过向物体表面注入高能量的离子，使其与物体表面的原子或分子发生碰撞，从而改变物体表面的结构和性质。
离子束加工可分为两种方式：离子轰击和离子注入。
离子轰击是指将离子束直接撞击在物体表面，使离子与物体表面的原子或分子碰撞，产生剧烈的动能转换和表面物理或化学反应。
这种反应可用于表面修饰、改变物体的形貌和结构，以及提高物体的耐磨性、耐蚀性和耐高温性能。
例如，在高能量离子轰击下，物体表面的晶格结构可以被破坏，形成无序的表面结构，从而改变物体的性能。
离子注入是指将高能量的离子注入到物体表面的一定深度，改变物体的材料组成和物理性质。
这种方法可用于改变电子器件的电学性能，提高材料的导电性、导热性和机械强度。
例如，在半导体加工中，使用离子注入技术可改变材料的掺杂浓度，从而改变半导体器件的导电性能。
离子束加工广泛应用于多个领域。
在材料科学中，离子束加工可以用于改变材料的物理、化学性质，提高材料的功能性和性能。
例如，离子注入技术可以提高金属的硬度和耐腐蚀性能，用于制作高强度合金和耐高温材料；离子轰击技术可用于表面增强的纳米制备、表面复合材料以及表面涂层的制备。
在纳米科技中，离子束加工可用于纳米材料的制备和调控；在生物医学领域，离子束加工可用于生物材料的表面处理和生物影像技术的加工；在电子器件领域，离子注入技术可用于制作不同类型的半导体器件和集成电路的制作。
然而，离子束加工也存在一些挑战和限制。
首先，离子束加工需要大型设备和高能量离子源，成本较高。
其次，离子束加工过程需要对离子束进行定向和聚焦，技术上存在一定的难度。
此外，离子束加工在处理大面积样品时效率较低，通常适用于小面积样品的加工。
在未来，离子束加工技术有望得到进一步发展和应用。
随着纳米科技、生物医学和电子器件等领域的发展，对材料表面性能的要求越来越高，离子束加工技术将成为一种重要的加工手段。
离子束和等离子体加工
离子束和等离子体加工的原理和特点及这两种加工技术在高精度表面抛光中应用。
1.离子束加工的基本原理所谓离子束抛光, 就是把惰性气体氩、氮等放在真空瓶中, 用高频电磁振荡或放电等方法对阴极电流加热, 使之电离成为正离子, 再用5千至10万伏高电压对这些正离子加速, 使它们具有一定的能量。
利用电子透镜聚焦，将它们聚焦成一细束,形成高能量密度离子流，在计算机的控制下轰击放在真空室经过精磨的工件表面, 从其表面把工件物质一个原子一个原子地溅射掉。
用这种方法对工件表面进行深度从100 埃到10微米左右的精密加工。
2.等离子体加工的基本原理等离子体加工又称为等离子弧加工，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气体去除材料的。
等离子体又被成为物质的第四种状态。
等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，理解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体的正负离子数目和正负电荷仍相等，因此称为等离子体，具有极高的能量密度。
3. 离子束加工主要的特点（1）属于原子级逐层去除加工，加工精度高（2）加工生产污染小（3）加工应力、变形小（4）加工范围广（利用机械碰撞能量加工）（5）易实现自动化（6）设备复杂、价格贵4. 等离子体加工主要的特点由于等离子体电弧对材料直接加热，因而比用等离子体射流对材料的加热效果好得多。
因此，等离子体射流主要用于各种材料的喷镀及热处理等方面；等离子体电弧则用于金属材料的加工、切割以及焊接等。
等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。
适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度，以及喷射距离，可以利用一个电极加工不同厚度和多种材料。
5.离子束抛光的典型应用离子束抛光是 1965 年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。
目前，美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备，并应用于生产。
此外，日本、英国、法国等国也已开发和研究了这一新技术。
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；
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。
第7章 电子束和离子束加工
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
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7.1.1电子束加工的原理及特点
1）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。 2）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。 3）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。
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2）离子溅射沉积
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。
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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。
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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。 此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。
电子束光刻系统
电子束制版机
电子束曝光系统
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4）其它应用
用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材 料进行电子刻蚀加工；异种金属焊接；电 子束热处理等。
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。
8电子束离子束加工
第八章电子束和离子束加工8.1 电子束加工概述电子束作为高能量密度热源，早已为人们所注意。
但直到1949年，联邦德国的斯太格瓦尔德才在0.5mm厚的不锈钢薄板上，用电子束钻出直径为0.2mm的孔。
1952年，研制出加速电压为125kV、功率为2.5kW的电子束装置，并钻出人造纤维喷丝板。
1957年，法国原子能委员会的斯托尔研制成功世界第一台用于生产的电子束焊接机。
原来用氩弧焊接的原子反应堆燃料元件锆包装封口，废品率高达30%，而采用电子束焊接后，所制产品全部合格。
这一成果显示出电子束加工的潜在前景，引起了世界各国重视。
1959年，联邦德国研制出多种用途的电子束加工机，可以用来钻孔、铣切和焊接。
20世纪60年代初，电子束打孔、铣切、焊接、镀膜、熔炼、区熔等技术，已成功地应用到原子能、航天、航空、电子和精密机械等部门中，促进了尖端技术的发展。
20世纪60年代中期，电子束加工技术又在新的领域内得到应用。
这一新技术就是电子束曝光。
随着微电子学的发展、集成度的提高，要突破常规光刻工艺所能达到的最小线宽——2μm的极限，必须探索新的光刻工艺。
受到扫描电镜高分辨率的启发，人们利用扫描电镜在光致抗蚀剂上进行曝光，终于得到了高分辨率的线条。
当时，单线条宽度可以达到45nm。
1967年，日本电子公司研制成JBX-2型扫描电子束曝光机。
此后，法国、美国等也研制出了扫描电子束曝光机。
70年代，人们开始致力于扫描电子束曝光机在电子器件生产线上的实用化研究，以提高微电子器件的生产效率和产品率。
目前扫描电子束曝光技术在微电子学工艺中制作掩膜或器件所能达到的最小线宽小于0.1μm。
我国对电子束加工技术的研究始于1960年。
最初是从电子束焊接和打孔着手。
60年代初先后研制出电子束焊接机、电子束打孔机以及人造纤维喷丝板电子束打孔机。
60年代中期，还研制出多种电子束熔炉、区域熔炼炉、镀膜机等设备。
70年代又进行了电子束曝光技术的研究，取得了许多领先的研究成果。
特种加工论文-电子束加工和离子束技术的原理及电子束加工的应用
电子束加工和离子束技术的原理及电子束加工的应用一、电子束加工和离子束技术的原理及其比较1、电子束加工的原理电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量极高（106~109w/cm2）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（几分之一微妙）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，被真空系统抽走。
下面特殊介绍一下快速扫描电子束加工技术原理，通过对电子枪偏转线圈和聚焦线圈的控制，使电子束在工件上按特定的轨迹、速率和能量快速偏转而实现快速扫描电子束加工。
由于电子束几乎没有质量和惯性，可以实现非接触的偏转，而且通过电压控制，可以在不同的位置切换时控制束流通断，这样，束流就可以在构件的不同位置以极高的频率切换。
由于材料的热惯性，通过束流与材料的相互作用，在这些位置上就会同时产生冶金效果，实现电子束的扫描加工。
总的来说，电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（105～109w/cm2）的电子束。
当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。
由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。
电子束加工机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室，以及观察装置等部分组成。
先进的电子束加工机采用计算机数控装置，对加工条件和加工操作进行控制，以实现高精度的自动化加工。
电子束加工机的功率根据用途不同而有所不同，一般为几千瓦至几十千瓦。
2、离子束技术的原理离子束加工技术是在真空条件下，将氩、氪、氙等惰性气体通过离子源产生离子束，经加速、集束、聚焦后，射到被加工表面上以实现各种加工的方法。
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。
离子束加工的原理
离子束加工的原理嘿，你知道吗？在这个科技日新月异的时代，有一种超级酷的加工技术，那就是离子束加工。
这可不是什么普通的加工方法，就像魔法一样，可以把材料雕琢成各种奇妙的形状呢。
我有个朋友小李，他就在一家高科技制造企业工作。
有一次我去他的公司参观，看到那些精密得让人惊叹的零部件，就好奇地问他是怎么制造出来的。
他神秘兮兮地告诉我：“这可多亏了离子束加工啊！”当时我就懵了，离子束加工？这到底是啥玩意儿？离子束加工啊，简单来说，就是利用离子束来对材料进行加工。
那离子束又是什么呢？离子束就像是一群超级微小但能量十足的小战士。
想象一下，在一个微观的世界里，这些离子就像一个个小箭头，每一个都带着特定的能量和任务。
在离子束加工的过程中，首先得有离子源。
这个离子源啊，就像是离子的“老家”，在这儿，原子或者分子被电离，然后被加速，就形成了离子束。
就好比是从一个训练基地里，培养出了一群训练有素、精力充沛的小战士，准备奔赴战场去完成任务。
我当时就问小李：“那这些离子束怎么就能加工材料呢？”小李笑着说：“你可别小看这些离子束，它们虽然小，但是能量大着呢。
”当离子束打到材料表面的时候，就像是一群小锤子不停地敲打材料。
这些离子束携带的能量，会使材料表面的原子发生各种变化。
如果能量足够大，就可以把材料表面的原子给敲下来，这就叫做溅射。
这就像用小锤子一点点地把多余的部分敲掉，从而塑造出我们想要的形状。
而且哦，离子束加工还能进行注入加工呢。
这就更神奇了，离子束带着特定的原子或者离子，就像带着特殊的种子一样，注入到材料的内部。
这时候，就好像在一块地里种上了特殊的种子，这些种子会改变材料内部的结构和性能。
比如说，让原本比较脆弱的材料变得更加坚固耐用，就像给一个瘦弱的人注入了力量一样。
我又忍不住问小李：“这离子束加工就这么精准吗？不会搞砸了吗？”小李自信地回答：“那当然精准啦。
”因为离子束可以被精确地控制。
操作人员就像一个指挥家，通过各种设备和技术，能够精确地控制离子束的能量、方向和剂量。
离子束加工原理特点及其应用研究
本科课程论文题目离子束加工原理特点及其应用研究学院专业机械设计制造及其自动化年级2012学号XX指导教师成绩2014年12 月10 日目录1 前言12 离子束加工的原理23 离子束加工的优缺点33.1离子束加工的优点33.1.1加工精度高33.1.2污染少、无氧化33.1.3对材料影响小33.2离子束加工的缺点34 离子束加工的分类34.1离子蚀刻44.2离子溅射沉积44.3离子镀44.4离子注入45离子束加工的主要应用45.1刻蚀加工的定义及具体应用领域55.1.1刻蚀加工的定义55.1.2刻蚀加工的应用领域55.2离子镀膜加工的定义及具体应用55.2.1离子镀膜加工的定义55.2.2离子镀膜加工的具体应用55.3离子注入加工的定义及具体应用6 6离子束加工应用现状67结语6参考文献7离子束加工原理特点及其应用研究摘要:本文分析离子束加工的原理特点，阐述了离子束加工作为加工精度最高的特种加工方法在微电子学领域中特别是纳米加工的重要性。
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，即离子蚀刻、离子溅射沉积和离子镀，离子注入。
离子束加工作为最近几年才发展起来的特种加工方法，极大的拓宽了人类对微细材料领域的探索；但是离子束加工的潜力还有待继续挖掘；目前因为加工设备费用贵，成本搞，加工效率低，一些技术还处于研发阶段等问题，离子束加工还未能普及。
但我们相信未来离子束加工必将被广泛应用，为人类发展带来更多的贡献。
关键词：离子束加工原理分类现状1 前言特种加工是现代先进制造工程技术中较为重要和实用的新技术之一，而且获得了较为广泛的应用，它是我国从制造大国过渡到制造强国的重要技术手段之一。
经过最近十几年的迅猛发展，各种特种加工方法在生产中的应用日益广泛，无论是在国内还是国外电加工机床年产量的年平均增长率均打打高于金属切削机床的增长率。
作为近年来获得较大发展的新兴特种加工方式，离子加工极高的加工精度和加工质量在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到了较多的应用，比如亚微米加工和纳米加工技术。
电子束与离子束加工
电子束
工件 电源 及控 制系 统
图6-20 电子束加工原理
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。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以进行电子
束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化， 就可进行打孔、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的原理，即可进
贵，故在生产中受到一定程度的限制。
二、电子束加工装置 • 电子枪：发射高速电子流，进行初步聚焦，并使电子加速。 它由电子发射阴极、控制栅极和加速阳极组成。 • 真空系统：真空泵和抽气装置，因为在真空下电子才能高速 运动， 发射阴极不会在高温下被氧化， 同时也防止被加工表
面和金属蒸汽氧化。开式真空系统。
电子束加工常应用于加工微细小孔、异型孔 ( 如图 7-21
所示 ) 及特殊曲面。图 7-22 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。
阴极射线管(CRT)
–组成 –包括电子枪、聚焦原理
–电子枪发射电子束 –经过聚焦系统、加速电极、偏转系统
–轰击到荧光屏的不同部位
–被其内表面的荧光物质吸收 –发光产生可见的图形 –结构
电子枪
电灯丝的组成 – 阴极 • 由灯丝加热发出电子束 – 控制栅 • 加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的 电子束的强弱 • 通过调节负电压高低来控制电子数量 • 即控制荧光屏上相应点的亮度
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2020/12/13
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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第7章 电子束离子束加工
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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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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
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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
2020/12/13
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
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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
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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；
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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
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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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：
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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；
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；
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；
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Байду номын сангаас
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；
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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
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
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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
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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
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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
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”；
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；
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
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；
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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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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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
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；
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
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
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