电子束和离子束加工

电子束加工是靠电能转化为热能进行加工的。 离子束加工是靠电能转化为动能进行加工的。
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2、离子束加工的分类
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。分以下四类：
（1）离子刻蚀 采用能量为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。
图 多功能离子束增强沉积设备
离子镀和离子溅射镀膜 （1）精密滚珠轴承采用离子镀膜后，使用寿命延长到 数千小时； （2）刀具镀以几微米厚的TiN、TiC涂层后，寿命提高 3~10倍； （3）在钛合金叶片上沉积一层贵金属（Pt、Au、Rh等） 涂层，可使疲劳强度增加30%，抗氧化与耐腐蚀能力也 大大提高。
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离子镀和离子溅射镀膜
离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀膜附着 力强、膜层不易脱落。这首先是由于镀膜前离子以足够高的 动能冲击基体表面，清洗掉表面的占污和氧化物，从而提高 了工件表面的附着力。其次是镀膜刚开始时，由工件表面溅 射出来的基材原子，有一部分会与工件周围气氛中的原子和 离子发生碰撞而返回工件。这些返回工件的原子与镀膜的膜 材原子同时到达工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共 混膜层。而后，随膜层的增厚，逐渐过渡到单纯由膜材原子 构成的膜层。混合过渡层的存在，可以减少由于膜材与基材 两者膨胀系数不同而产生的热应力，增强了两者的结合力， 是膜层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。
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00..0033～ ～ 00..0077 m mm m
电子束加工的异形孔
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加工弯孔：利用 电子束在磁场中偏 转的原理，使电子 束在工件内偏转方 向。控制电子速度 和磁场强度，就可 控制曲率半径，加 工出弯曲的孔。
(c)
1 2 3
电子束加工弯曲的孔
(d)
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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
A-电子束曝光；B-显影；C-蒸镀；D—离子刻蚀；E、F-去掉抗蚀剂，留下图形 1-电子束；2-电致抗蚀剂；3-基板；4-金属蒸汽；5-离子束；6-金属
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电子束刻蚀
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（5）电子束表面改性 特点：
A）快速加热淬火，可得到超微细组织，提高材料的 强韧性； B）处理过程在真空中进行，减少了氧化等影响，可 以获得纯净的表面强化层； C）电子束功率参数可控，可以控制材料表面改性的 位置、深度和性能指标。
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。
图6-2 电子束加工装置示意图
1-工作台系统；2-偏转线圈；3-电磁透镜；4-光阑； 5-加速阳极；6-发射电子的阴极；7-控制栅极； 8-光学观察系统；9-带窗真空室门；10-工件 8
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。 聚焦方法：一是利用高压静电场是电子流聚焦成细 束；另一种方法是利用“电磁透镜”靠磁场聚焦。
1-工作台系统；2-偏转线圈；3-电磁透镜；4-光阑； 5-加速阳极；6-发射电子的阴极；7-控制栅极； 8-光学观察系统；9-带窗真空室门；10-工件 7
（2）真空系统
保证电子加工时所需要
的真空度。一般电子束加工
的 的 真 空 度 维 持 在 1.33×102~ 1.33×10-4 Pa。
（3）控制系统和电源。
束流位置控制：改变电子的方向。 工作台位移控制：加工时控电源。
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4、电子束加工的特点
电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1 μm)，故可进 行微细加工。
加工材料的范围广。能加工各种力学性能的导体、半 导体和非导体材料。
加工效率很高。 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 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。
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5、电子束加工的应用
1-淬火硬化； 2-熔炼； 3-焊接； 4-打孔； 5-钻、切削； 6-刻蚀； 7-升华； 8-塑料聚合； 9-电子抗蚀剂； 10-塑料打孔
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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。 生产效率高。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。 加工材料范围广。可加工不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、 玻璃、塑料和人造革等各种材料上的小孔、深孔。 加工质量好，无毛刺和再铸层等缺陷。 加工孔的最小直径可达0.003mm，最大深径比可达10。
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）。
该方法适应性强、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。
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（4）电子束光刻 利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，再将其浸入适当的溶剂中，由于分子量的不 同而溶解度不同，就会将潜象显影出来。 将光刻与粒子束刻蚀或蒸镀工艺结合，就可以在金属 掩模或材料表面制出图形来。
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图 电子束曝光加工过程
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。
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4、应用
目前，离子束加工主要应用于刻蚀加工、镀膜加 工、注入加工。 离子刻蚀：制造激光器和红外传感器的高性能非球面 透镜和反光镜、光学系统中的衍射光栅、压电传感器 用晶片、陀螺转子轴承表面上的复杂结构、微型加速 计的精确质量块以及超精密加工用的单晶金刚石刀具。
曲面。
3 3
1
2
(a)
(b)
(c)
(d)
电子束加工曲面
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（3）电子束焊接
特点：电子束焊接具有焊缝深宽比大； 焊接速度快，焊缝深而窄，焊件变形小； 不用焊条，接头机械性能好； 可进行异种金属焊接； 可在精加工后焊接等等。
应用：应用范围极为广泛，尤其在焊接大型铝合金零件 中，具有极大的优势，并且可用于不同金属之间的连接。 如美国和日本采用电子束焊接工艺加工发电厂汽轮 机的定子部件；美国还将电子束焊接工艺广泛应用于飞 机制造中。
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、高熔点材料等。
离子镀已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨 膜、装饰膜和电气膜等。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。
电子枪系统
聚焦系统
抽真 空系
统
电源 及控 制系
统
电子束 工件
电子束加工原理 5
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。
（1）只使材料局部加热就可进行电子束热处理； （2）使材料局部熔化就可以进行电子束焊接； （3）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； （4）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。
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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。
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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
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图 离子束刻蚀机
离子注入
离子注入加工是将所要注入的元素进行电离，并 将正离子分离和加速，形成具有数十万电子伏特的高 能离子流，轰击工件表面，离子因动能很大，被打入 表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间的填 隙原子，被留于表层中，使材料的化学成分、结构、 性能产生变化。
离子注入可提高材料的耐腐蚀性能，改善金属材 料的耐磨性能，提高金属材料的硬度，改善金属材料 的润滑性能等。
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3、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。它包括：
电子发射阴极—用钨或钽制成， 在加热状态下发射电子。
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。
图 电子束加工装置示意图
该方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。
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3、特点
加工精度高。离子束加工是目前最精密、最微细的加 工工艺。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。
电子束加工应用于：电子束焊接、打孔、表面处 理、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻、铣切、 切割以及电子束曝光等。
世界上电子束加工技术较先进的国家：德国、日 本、美国、俄罗斯以及法国等。
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2、加工原理
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/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。