第8章 电子束和离子束加工(教案)
电子束与离子束加工原理及应用
电子束与离子束加工原理及应用电子束与离子束加工原理及应用电子束加工1、电子束加工原理及特点(1)由于电子束能够极其微细地聚焦(束径可达微米级)且在微小面积上叮达到很大的功率密度，因此在轰击点处的瞬时温度可达数千度高温，足以使任何材料熔化或气化。
由此可知，电子束可用来加工任何材料的微孔或窄缝、半导体电路等，是一种精密微细加工方法(2)由于电子束的瞬时热能作用在极微小面积上，所以加工部位的热影响区很小;在加工过程中无机械力作用，故加工后不产生受力变形;此外电子束加工也不存在工具消耗问题。
所以它的加工梢度高、表面质量也好。
(3)能够通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦进行直接控制。
位置控制的准确度可达0.15m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、无功率地控制电子束.便于采用计算机控制.实现加工过程自动化。
(4)由于电子束加工是在真空中进行，因此污染少.加工点处能保持原来材料的纯度:适合于加工易级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，加工中心成本高，2、电子束加工的应用电子束加工可分为两类;一类称为‘.热型”.即利用电子束把材料的局部加热至熔化或气化点进行加工，如打孔、切割、焊接等;另一类称为“非热型”.即利用电子束的化学效应进行刻蚀的技术，如电子束的光刻等。
(1)电子束的热效应加工。
在电子束的热效应加工中，可通过调整功率密度来达到不同的加工目的，如淬火、熔炼、切割、打孔等。
(2)电子束化学效应加工。
用低功率密度的电子束照射工件表面虽不会引起表面的温升，但入射电子与高分子材料的碰撞，会导致它们的分子链的切断或重新聚合.从而使高分子材料的化学性质和分子量产生变化，这种现象叫电子束的化学效应.利用这种效应进行加工的方法叫电子束光刻。
由于电子束曝光系统柔性大，又能连续扫描写图，既是精密微细图形写图设备，也是目前大规模(IST)及超大规模(VLST)掩膜或基片光刻的主要设备.除此之外，电子束可作为光源进行图形复印等工作。
特种加工8电子束离子束加工技术
特种加工8电子束离子束加工技术121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。
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
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
第八章 电子束和离子束加工
•
电子束打孔在航空航天工业、电子工业、化纤工 业及制革工业中得到应用，现举例如下： • （1）喷气发动机燃烧室罩孔。某喷气发动机燃烧室罩， 其材料为CrNiCoMoW，厚度为1.1mm。共有3478个直 径为0.81mm的圆孔分布在外侧球面上，孔径公差 ±0.03mm，所有孔中心轴与零件底面垂直。用K12Q11P型电子束打孔机加工，零件置于真空室中，安装 在夹具上作连续转动。加工时以200ms的单脉冲方式工 作，脉冲频率1Hz。 • （2）化纤喷丝头孔。零件材料为钴基耐热合金，厚度 4.3～6.3mm。共有11766个直径为0.81mm的圆孔通孔， 孔径公差±0.03mm。零件置于真空室中，安装在夹具 上作连续转动。加工时以16ms的单脉冲方式工作，脉 冲频率5Hz。打孔过程中电子束随工件同步偏转，每打 一个孔，电子束跳回原位。加工一件只需要40min，而 用电火花加工则需要30h，用激光加工也要3h才能完成， 而且公差要优于激光加工，且无喇叭孔。
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电子束加工装置的控制系统包括束流通断时间控制、束 流强度的控制、束流聚焦控制、束流位置控制、束流电流强 度控制、束流偏转控制、电磁透镜控制，以及工作台位置控 制等。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。
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电子束加工所需的功率密度和基准时间与工件材料有关，如设电子束斑 2 半径为0.01cm，则加工铜时要求功率密度为1.4×106 W / cm，照射基准时 W / cm 间为0.3ms；加工玻璃时要求功率密度为3.6×106 ，照射基准时间为 0.55ms。
图8.2 电子束照射下材料表面的温度分布 a)工件模型 b）温度分布 —饱和温度 t c —基准时间
电子束和离子束加工
第六章电子束和离子束加工电子束加工(Electron Beam Machining简称EBM)和离子束加工(Ion Beam Machining简称IBM)是近年来得到较大发展的新兴特种加工。
它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。
电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工。
离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工。
近期发展起来的亚微米加工和毫微米(纳米)加工技术，主要是用电子束加工和离子束加工。
第一节电子束加工一、电子束加工的原理和特点(一)电子束加工的原理如图6-1所示，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／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，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。
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，即可进行电子束光刻加工。
(二)电子束加工的特点1)由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0．1μm。
所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。
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。
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厚的钢板上钻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。
离子束加工PPT课件
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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。
• 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。
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• 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
电子束和离子束加工PPT课件
格较贵，故在生产中受到一定程度的限制
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四、电子束加工的应用
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1、电子束打孔 能加工各种孔，包括异形孔、斜孔、锥孔
和弯孔。
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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
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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
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
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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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(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.主要应用
在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄材料等)、镀膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。
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教师董金梁教研组机电教研室
编写日期审批日期
教学内容
第8章电子束和离子束加工
总课时
目
的
要
求
1.电子束加工
2.离子束加工
重
点
电子束与离子束加工原理、特点及应用
难
点
电子束与离子束加工原理及应用
章节
内容
课时分配
8.1
电子束加工
8.2
离子束加工
课时授课计划
授课日期
班别
题目
8.1电子束加工
目
的
要
求
掌握电子束加工的原理、特点及应用
重
点
电子束加工的原理、特点及应用
难
点
电子束加工的原理及应用
教
具
多媒体课件、教学视频、挂图
教学方法
理论讲授---注重引导
板
书
设
计
教
学
过
程
一、电子束加工
1.加工原理
2．特点与应用
一、新课导入
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。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。
离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。
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。
特点：
(1)电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1μm)，故可进行微细加工。
(2)加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。
(3)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。
(4)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。
(3)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.主要应用
1)刻蚀加工
2)镀膜加工
3)注入加工
一、新课导入
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。
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。
2.离子束加工可分为四类。
1)离子刻蚀
离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。
2)离子溅射沉积
离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。
3)离子镀(又称离子溅射辅助沉积)
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，即可进行电子束光刻加工。
2．特点与应用
二、小结：
了解离子束加工的原理及应用。
三、作业：
课后寻找离子束加工的应用的相关资料进一步学习。
电子束加工基本设备及其组成部分
教
具
多媒体课件、教学视频、挂图
教学方法
理论讲授---注重引导
板
书
设
计
教
学
过
程
一、离子束加工
1．加工原理
2.离子束加工可分为四类。
1)离子刻蚀
2)离子溅射沉积
3)离子镀(又称离子溅射辅助沉积)
4)离子注入
3．特点
(1)目前特种加工中最精密、最微细的加工。
(2)高真空中进行，污染少
二、小结：
主要讲述电子束加工的原理、特点及应用
三、作业：
掌握电子束加工的原理、特点及应用。
四、预习：
7.2离子束加工
课时授课计划
授课日期
班别
题目
8.2离子束加工
目
的
要
求
一、了解电子束加工基本设备及其组成部分；
二、了解电子束加工的应用。
重
点
一、电子束加工基本设备及其组成部分；
二、电子束加工的应用。
难
点
由于上述特点，电子束加工常应用于加工微细小孔、异型孔及特殊曲面。电子束加工弯曲的型面原理为：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。