离子束加工技术
聚焦离子束加工技术及其应用
聚焦离子束加工技术及其应用摘要：。
聚焦离子束(FIB)技术是把离子束斑聚焦到亚微米甚至纳米级尺寸，通过偏转系统实现微细束加工的新技术。
文章简述了聚焦离子束工作原理和应用前景等。
关键词：聚焦离子束、刻蚀1．聚焦离子束简介聚焦离子束(focused ion beam，FIB)与聚焦电子束从本质上讲是一样的，都是带电粒子经过电磁场聚焦形成细束。
但聚焦电子束不同于聚焦离子束。
区别在于它们的质量，最轻的离子为氢离子也是电子质量的1 840倍。
离子束不但可以像电子束那样用来曝光，而且重质量的离子也可以直接将固体表面的原子溅射剥离，因此聚焦离子束更广泛地作为一种直接微纳米加工工具。
离子束的应用已经有近百年的历史。
自1910年Thomson建立了气体放电型离子源后，离子束技术主要应用于物质分析、同位素分离与材料改性。
由于早期的等离子体放电式离子源均属于大面积离子源，很难获得微细离子束。
真正的聚焦离子束始于液态金属离子源的出现。
1975年美国阿贡国家实验室开发出液态金属离子源(LMIS)，1978年美国加州休斯研究所的R．L．Seliger等人建立了第一台装有Ga LMIS的FIB系统，其束斑直径仅为100nm(目前已可获得只有5nm的束斑直径)。
电流密度为1．5A／cm ，亮度达3．3×10。
A／(cm2．sr)。
这给进行亚微米JJnq-器件的研究极大的鼓舞。
聚焦离子束(FIB)技术就是在电场及磁场的作用下，将离子束聚焦列亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统和加速系统控制离子束，实现微细图形的检测分析和纳米结构的无掩模加工。
FIB技术经过不断发展，离子束已可以在几个平方微米到近lmm 的区域内进行数字光栅扫描，可以实现：①通过微通道极或通道电子倍增器收集二次带电粒子来采集图像。
②通过高能或化学增强溅射来去除不想要的材料。
③淀积金属、碳或类电介质薄膜的亚微米图形。
FIB技术已在掩膜修复、电路修正、失效分析、透射电子显微镜(TEM)试样制作及三维结构直写等多方面获得应用。
离子束表面处理技术
离子束表面处理技术离子束加工是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法，是一种原子级的加工技术。
离子注入、离子沉积和强脉冲离子束材料改性等离子束加工工艺已在工业中获得大量应用。
目前，正在研究开发一些新的离子束加工工艺。
关键词：离子束加工离子注入表面处理Ion beam machining is the use of ion beam surface modification of materials forming or processing methods and it is an “atomiclevel” process technology. Ion implantation. Ion beam deposition. and Intense pulsed ion beam materials modification have been applied in dustry .some newer ion beam process technologies are being studied and developed.Keywords: Ion beam machining Ion implantation Surface Treatment离子束加工技术是70年代发展起来的一种特种加工，具有加工精度高，易精确控制，污染少，加工应力、变形极小等特点。
目前，离子束材料表面改性技术的研究和推广应用已经取得了巨大的成就，其标志之一就是离子注入微细加工技术的发展。
离子注入微细加工技术已经成为超大规模集成电路微细加工的关键技术，推动了现代电子技术工业的飞速发展。
离子材料改性的工程问题是离子注入引起材料表面成分、微观结构变化和新的化合物析出，由此引起材料表面（硬度）、摩擦学特性和化学特性的变化。
离子束可控地形成材料表面成分的改变、结构变化和温升效应是离子束材料改性的三把利剑。
其构筑的工艺特性远超于其他工艺。
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。
2024年离子束技术市场调查报告
离子束技术市场调查报告1. 引言离子束技术是一种常用的材料加工方法，通过激发材料表面的原子和分子，可以进行精确的刻蚀、沉积和表面改性等加工过程。
在工业、电子、光学和医疗等领域，离子束技术得到了广泛的应用。
本报告旨在对离子束技术市场进行调查和分析，以了解其发展现状和未来趋势。
2. 市场规模分析根据调查数据显示，离子束技术市场在过去几年中呈现稳定增长的趋势。
市场规模从2016年的X亿美元增长至2019年的X亿美元。
预计到2025年，市场规模将进一步增长至X亿美元。
3. 市场驱动因素分析离子束技术市场的增长主要受到以下几个因素的驱动：3.1 技术发展离子束技术在材料加工领域具有高精度和高效率的优势，能够满足不断增长的工业需求。
随着相关设备和工艺的不断改进，离子束技术的应用范围将进一步扩大，推动市场增长。
3.2 电子和光学行业需求增加电子和光学行业对于高精度材料加工的需求持续增长。
离子束技术能够满足这些行业对于微细结构和精密加工的要求，因此在这些领域有广泛的应用前景。
3.3 医疗领域的发展离子束技术在医疗领域有着广阔的应用前景，包括放射治疗和肿瘤治疗等。
随着医疗技术的进步和人口老龄化趋势的加剧，离子束技术市场将迎来更多的机会。
4. 市场份额分析离子束技术市场存在着多家领先企业，其中包括ABC、XYZ等。
这些企业凭借其先进的技术和强大的研发能力，在市场竞争中占据着重要地位。
根据调查数据，离子束技术市场前三家企业的市场份额分别为30%、25%和20%。
5. 市场地区分析离子束技术市场在全球范围内都有较广泛的应用。
根据调查数据，北美地区是离子束技术市场的主要地区之一，占据50%的市场份额。
欧洲地区和亚太地区分别占据30%和15%的市场份额。
6. 市场竞争分析离子束技术市场存在激烈的竞争，企业之间主要竞争的因素包括技术创新能力、产品质量和售后服务等。
为了保持竞争优势，企业需要不断提升技术水平，拓展市场份额。
7. 市场前景展望离子束技术市场在未来几年有望保持稳定增长的趋势。
离子束加工技术的研究及应用
离子束加工技术的研究及应用离子束加工技术是通过加速离子束并将其瞄准到目标物表面，通过离子与物质相互作用，使得目标物表面发生物理或化学反应的一种表面加工技术。
该技术具有精度高、化学反应可控制、组织控制可靠、退火处理少等优点。
因此，离子束加工技术在材料科学、电子信息、光学等领域中获得广泛应用。
本文将从离子束加工技术的原理、研究进展以及应用三个方面来介绍该技术的现状和未来发展。
一、离子束加工技术的原理离子束加工技术是一种表面加工技术，其加工原理与传统的机械切削和化学反应加工有所不同。
其基本过程是通过高能离子束准确地瞄准到目标物表面，离子束与目标物表面相互作用，促进表面发生物理或化学反应，最终实现加工过程。
其中，离子束主要通过瞄准精度和加速能量来控制反应速率和表面结构。
离子束加工技术的主要原理包括以下三个方面：1. 离子束加速技术：离子束加工技术中，离子束的加速是其基本原理。
离子束一般通过加速器进行加速，其加速倍数决定了离子束的加工速率和加工深度。
离子束的加速倍数越高，则离子束的轰击能量，对工件表面的损伤就越大，加工效果也就越好。
2. 离子束瞄准技术：离子束瞄准技术是通过控制离子束的方向和位置，使其准确瞄准到目标物表面进行加工。
通过瞄准角度、扫描方向和覆盖范围等参数的调整，可以实现加工位置的精度控制，并且可以保证加工精度和加工质量。
3. 离子束撞击效应：离子束撞击效应是指离子束与目标物表面相互作用时，离子的动能被转化为等离子体能，并且通过反射、透射和散射等现象，与目标物表面发生相互作用，从而实现表面加工。
二、离子束加工技术的研究进展离子束加工技术具有精度高、化学反应可控制、组织控制可靠、退火处理少等优点，因此，在材料科学、电子信息、光学等领域中获得了广泛应用。
随着物理化学技术的发展和相关领域的需求，离子束加工技术在处理材料方面表现出越来越重要的作用。
离子束加工技术的研究进展主要包括前置处理技术、控制技术、退火处理技术以及晶体控制技术等方面：1. 前置处理技术：前置处理技术主要包括差速泵技术和真空和高温蒸发技术。
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
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。
聚焦离子束加工
聚焦离子束加工离子束加工是一种先进的材料加工技术，它通过利用离子束对材料进行加工和改性。
离子束加工具有高精度、高效率、无环境污染等优点，被广泛应用于微电子、光电子、材料科学等领域。
本文将聚焦于离子束加工的原理、应用和未来发展方向，以及它对人类社会的意义。
一、离子束加工的原理离子束加工是利用高能离子束对材料表面进行物理或化学作用，从而改变材料的性质和形状的一种加工技术。
离子束加工主要包括离子束刻蚀、离子束沉积和离子束混杂等过程。
其中，离子束刻蚀是将高能离子束直接轰击材料表面，使表面原子或分子脱离材料，达到刻蚀的目的。
离子束沉积是将高能离子束轰击到材料表面上，使离子束中的原子或分子与材料表面的原子或分子发生反应，形成新的材料层。
离子束混杂是将高能离子束注入材料内部，改变材料的物理和化学性质。
二、离子束加工的应用离子束加工在微电子领域有着广泛的应用。
它可以用于制造微电子器件中的细小结构和通道，提高器件的性能和稳定性。
同时，离子束加工还可以用于修复集成电路中的缺陷，并改善器件的可靠性。
此外，离子束加工还可以用于制备纳米材料、光学器件和生物芯片等领域。
在材料科学领域，离子束加工也发挥着重要的作用。
它可以用于改变材料的表面形貌和性质，提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
离子束加工还可以用于制备具有特殊功能的材料，如防反射膜、光学薄膜和超疏水薄膜等。
此外，离子束加工还可以用于材料的改性和合金化，提高材料的性能和应用范围。
三、离子束加工的未来发展方向随着科学技术的不断发展，离子束加工也在不断创新和改进。
未来离子束加工的发展方向主要包括以下几个方面：1. 提高加工精度和效率：通过改进离子束的发射、聚焦和控制技术，提高离子束加工的精度和效率，实现更加精细的加工和更高的加工速度。
2. 开发新的加工方法和工艺：通过研究和开发新的加工方法和工艺，如离子束刻蚀、离子束沉积和离子束混杂等，实现对材料的多功能加工和多层次加工。
3. 探索新的应用领域：开拓离子束加工的新应用领域，如生物医学、能源材料和环境保护等，为人类社会的发展做出更大的贡献。
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；
聚焦离子束加工
聚焦离子束加工
聚焦离子束加工是一种高精度、高效率的加工技术，它利用离子束的高能量和高速度，对材料表面进行加工和改性。
这种技术在微电子、光电子、生物医学、材料科学等领域都有广泛的应用。
聚焦离子束加工的原理是利用离子束的高能量和高速度，将离子束聚焦到非常小的区域，从而对材料表面进行加工和改性。
离子束加工可以实现高精度、高效率的加工，可以在微米甚至纳米级别上进行加工，同时还可以实现非常复杂的加工形状。
聚焦离子束加工的优点是非常明显的。
首先，它可以实现高精度的加工，可以在微米甚至纳米级别上进行加工，从而可以实现非常复杂的加工形状。
其次，它可以实现高效率的加工，可以在短时间内完成大量的加工任务。
最后，它可以实现非常高的加工质量，可以保证加工表面的光洁度和平整度。
聚焦离子束加工的应用非常广泛。
在微电子领域，它可以用于制造微处理器、存储器、传感器等微型电子元件。
在光电子领域，它可以用于制造光纤、光学器件、激光器等光电子元件。
在生物医学领域，它可以用于制造人工关节、人工心脏、人工血管等医疗器械。
在材料科学领域，它可以用于制造高强度、高硬度、高耐磨性的材料。
聚焦离子束加工是一种非常重要的加工技术，它可以实现高精度、
高效率、高质量的加工，可以应用于微电子、光电子、生物医学、材料科学等领域。
随着科技的不断发展，聚焦离子束加工技术将会得到更广泛的应用和发展。
特种加工技术离子束加工技术
用能量为0.5~5keV的氩离子轰击某种材 料制成的靶，离子将靶材原子击出，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)
用能量为 0.5~5keV的氩离子同时轰 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
离子束加工装置 离子束加工装置包括离子源、真空系统、
控制系统和电源等部分 离子源常用的有考夫曼型离子源和双等离
子管型离子源
考夫曼型离子源Βιβλιοθήκη 考夫曼型离子源 双等离子体型离子源
离子束加工
应用举例
离子镀膜设备和技术因其生产效率高，成本
低，操作简便，无污染等特点正逐步为人们所认 识和接受，在功能性和装饰性涂层领域，离子镀 膜设备正发挥着无可替代的作用。
镀TiCN 220000件
100000次 是未镀顶杆的50倍 镀TiCN+MoST
12000件
镀TiCN+MoST 600000件
应用对象 工作条件
未镀层时使用寿命 镀层后使用寿命
钻头
钻头材料：高速 镀层类型：MoS 工件材料：铝硅合金 润滑条件：5％冷却液
7000转/分 时立即失效
7000转/分 时钻100孔后失效
用能量为5~500keV的离子束直接轰 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，就改变了化学成分，从 而改变了工件表面层的机械物理性能。
离子蚀除 溅射沉积
离子镀 离子注入
8.3.3 离子束加工特点
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（0.001μm）精度， 它是纳米加工技术的基础，离子注入的深度和 浓度亦可精确地控制。
光学表面超精密加工技术
Schematics of MRF
磁流变效应
Conclusion
光学器件表面超精密加工技术
IBF
ELID
PACE
MRF
LOGO
ELID
在线电解修整（ELID）磨削抛光——Features
ELID
Advantage
良好的稳定性和可控 性；加工精度高，表 面裂纹少，表面粗糙 度达0.5nm； 适应性广，效率高； 装置简单，成本低， 推广性强
Disadvantage
会出现表面层釉化； 电解磨削液配比复杂
等离子体辅助抛光技术(PACE)——Principle
周林等，光学镜面离子束加工的可达性，光学精密工程，2007
离子束加工技术——Research status
美国Kodak构建IFS系统；加工出1.3m 的ULE轻量化离轴异型镜面，四次迭代 将镜面误差从0.62λ降低到0.015λ （ λ =632.5nm） 法国REOSC光学加工中心利用其研制 的加工系统直径250mm的CVD SiC镜 面从0.98λ收敛到0.012λ 国防科大研制出国内首台加工设备 KDIFS-500，能加工直径小于500mm 的凹镜，将210×170mm的CVD SiC 椭圆摆镜面形误差从0.5λ降低到0.015λ
IBF
焦长君，光学镜面离子束加工材料去除机理与基本工艺研究，国防科技大学博士论文，2008
离子束加工技术——Features IBF
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。
先进制造技术——高能束加工
◆ 光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）
电子束 氧化膜
光致抗蚀剂
掩膜
窗口
1. 涂胶 基片 （光致抗蚀剂） 离子束
2. 曝光 （投影或扫描）
3. 显影、烘片 （形成窗口）
4. 刻蚀 （形成沟槽）
5. 沉积 （形成电路）
6. 剥膜 （去除光致抗蚀剂）
图 电子束光刻大规模集成电路加工过程
激光加工
激光是20世纪60年代初出现的一种光源。“激光” （Laser,即Light Amplification by stimulated Emission of Radiation的缩写）,意思是利用辐射受激 得到的加强光。 相对于普通光，激光有强度高、单色性好，相干 性好和方向性好的特性。根据这些特性将激光高度集 中起来,聚焦成一个极小的光斑（直径＜1/100mm2,从 而获得功率密度极高100,000kW/cm2)这就能提供足够 的热量来熔化或汽化任何一种已知的高强度工程材料, 故可进行非接触加工,适合各种材料的微细加工。
离子束溅射去除加工
阴极
惰性气体入口
◎将被加速的离子聚焦 成细束，射到被加工表 面上。被加工表面受 “轰击”后，打出原子 或分子，实现分子级去 除加工。 ◎加工装置见右图。三 坐标工作台可实现三坐 标直线运动，摆动装置 可实现绕水平轴的摆动 和绕垂直轴的转动。
阳极
中间电极 电磁线圈 控制电极 绝缘子 引出电极
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电子束加工原理图
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
电子束加工的特点
1、束斑极小 因为电子束可以微细地聚焦，是一种精 密微细的加工方法。 2、能量密度高、生产率高 是非接触式加工，不产生 应力和变形，加工材料范围广。 3、可控性好 可以通过电场或磁场对电子束的强度、 位置、聚焦等直接进行控制，整个加工系统易实现自动 化。 4、污染少、表面不氧化 特适合加工易氧化的材料。 5、整个加工系统价格较贵，生产中受到一定的限制。
离子束加工
在离子束溅射技术的应用中，多离子源（达到4 个）可应用到像高温超导薄膜这样的多成分薄膜 的制备，同时也能用来制备比较复杂薄膜。
离子束溅射镀膜应用
利用离子束溅射可以制作高容量的硅负极薄膜，表现出了良好的电化学循环性能，经过了10 0 次循环以后, 薄 膜电极的稳定可逆容量保持在其第二次循环容量94 % 左右。硅薄膜电极经过长期的电化学循环后, 仍然不可避免地 出现了活性颗粒的粉化现象, 并且电极表面出现微裂纹, 然而与普通的硅粉末电极不同的是, 硅薄膜并未出现与铜集 流体的脱离, 仍然保持了良好的电接触性能, 这是硅薄膜电极较粉末电极具有更高的循环稳定性的主要原因之一。
• 特殊的场合, 与固体原子直接进行交换电荷。这时离子和反射电 子等的速度相似。
离子束溅射
目前比较成熟的光学薄膜制备技术可以归纳为三类[l一8]:物理气相沉(Physicalvorneposition,PvD) 方法，化学气相沉积(ehemicalVaPorDePosition,CVD)方法和溶液成膜法。对于光学薄膜的制备而 言,物理气相沉积方法应用最为广泛。
离子束加工被认为是最有前途的超精密加工和微细加工技术。是一种原子级的加工方法， 具有极高的分辨率，广泛应用于航空航天制造等领域。
离子束加工的研究背景
随着空间光学，短波光学和光刻技术的不断发展，光学 系统对光学元件的最终面形提出了很高的要求。由于离子束 加工技术具有去除率高、非接触式加工模式、工件无承重、 无边缘效应、对材料无深度损伤等优点，使得这项技术被引 入到光学表面加工领域中来，有效的弥补了传统加工工艺的 不足，并与传统加工工艺相互配合，取得了理想的加工结果， 得到了很高的光学表面面形质量。离子束加工已经成为国际 上光学面形加工技术的一个必不可少的重要技术
离子束加工
2.反应气体离子刻蚀
在氩离子束刻蚀中加入了氧反应离子束，可以改变基片 表面的结合能，从而改变刻蚀速率。
（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。
离子束溅射薄膜压力传感器
（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）
速率高于未经处理的，人们普遍认为
这是表面玷污的影响。油脂等表面玷
污物在离子束轰击下发生碳化，会有
刻蚀速率很低的碳膜覆盖表面，使刻
蚀速率降低。
刻蚀加工
离子刻蚀还用来制薄材料，用于制薄石英 晶体振荡器和压电传感器。
金刚石刀具
大规模集成电路芯片刻蚀
离子束刻蚀加工在以下方面得到应用
高精度加工 离子束刻蚀可达到很高的分辨率，适合刻蚀精细图 形。离子束加工小孔的优点是孔壁光滑，临近区 域不产生应力和损伤，能加工出任意形状的小孔。 表面抛光 离子束能完成机械加工中的最后一道工序——精 抛光，以消除机械加工所产生的刻痕和表面应力。 加工时只要严格选择溅射参数(入射离子能量、离 子质量、离子入射角、样品表面温度等)，光学零 件就可以获得极佳的表面质量，且散射光极小。
由于上述三种压缩效应的综合作用使等离子体的能量高度集中电流密度等离子体电弧的温度都很高可达1100028000摄氏度气体的电离度也随着剧增并以极高的速度从喷嘴孔喷出具有很大的动能和冲击力当到达金属表面时可以释放出大量的热能加热和熔化金属并将熔化了的金属材料吹除
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一.概述 二.离子束加工原理 三.离子束加工特点 四.离子束离子源 五.离子束应用范围 六.等离子体加工 七.等离子体加工特点 八.等离子体加工应用 九.现状与发展趋势
聚焦离子束加工
聚焦离子束加工离子束加工是一种利用离子束对材料进行加工的技术，它可以在微米甚至纳米级别上进行加工和改性。
离子束加工技术广泛应用于半导体、电子、光学、材料科学等领域。
下面将从离子束加工的起源、原理、应用等方面进行介绍。
一、离子束加工的起源离子束加工最早可以追溯到20世纪50年代，当时美国的加州理工学院的物理学家A.L. Porter和J.F. Gibbons首次利用离子束对材料进行了加工。
随后，离子束加工技术得到了快速发展，逐渐成为了一种重要的微纳加工技术。
二、离子束加工的原理离子束加工的原理是利用离子束对材料表面进行轰击，使其表面发生化学、物理反应，从而实现加工和改性。
离子束加工的主要过程包括离子束的生成、加速、聚焦和轰击等。
离子束的生成通常采用离子源，离子源可以是离子枪、离子源、离子注入器等。
离子束加速器通常采用高压电场或磁场来加速离子束，使其具有足够的能量。
聚焦系统通常采用磁聚焦或电聚焦来控制离子束的聚焦度和尺寸。
轰击过程通常采用靶材料，离子束轰击靶材料表面后，靶材料表面会发生化学、物理反应，从而实现加工和改性。
三、离子束加工的应用离子束加工技术广泛应用于半导体、电子、光学、材料科学等领域。
其中，半导体领域是离子束加工技术应用最为广泛的领域之一。
离子束加工可以用于制造半导体器件的掩膜、刻蚀、离子注入等工艺。
在电子领域，离子束加工可以用于制造微型电子元件、纳米线、纳米管等。
在光学领域，离子束加工可以用于制造微型光学元件、微型光学阵列等。
在材料科学领域，离子束加工可以用于制造纳米材料、纳米结构材料等。
总之，离子束加工技术是一种重要的微纳加工技术，它可以实现对材料的微米甚至纳米级别的加工和改性。
离子束加工技术在半导体、电子、光学、材料科学等领域有着广泛的应用前景。
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离子束加工技术
1 离子束溅射技术的发展
离子束溅射沉积干涉反射膜的进展可总结为［２］:
* 1976 年之前，一般干涉反射膜反射率R>99%；
* 1976 年离子束溅射干涉膜（淀积技术突破），反射率R=99.9%；
* 1979 年离子束溅射干涉膜（测量技术突破），反射率R=99.99%；
* 1983 年离子束溅射干涉膜损耗降到60ppm, 反射率R=99.994%；
* 1988 年离子束溅射干涉膜损耗降到10ppm 以下, 反射率R=99.999%；
* 1992 年离子束溅射干涉膜损耗降到1.6ppm, 反射率R=99.99984%；
* 1997 年离子束溅射干涉膜用于ICF 三倍频激光反射镜实验，351nm 波长激光(脉冲)损伤阈值达20J/cm2；
* 1998 年离子束溅射干涉膜用于ICF 基频激光反射镜实验，得到了1060nm 波长激光（脉冲）损伤阈值
达50J/cm2，吸收损耗小于6ppm 的实验结果。
在国内，对离子束溅射技术的研究非常少，在很多领域几乎接近于空白，根据国家和时代的需要，这项技
术的研究在国内变得尤为迫切。
2 离子束溅射技术的原理和特征
2.1 离子束溅射技术
在比较低的气压下，从离子源取出的氩离子以一定角度对靶材进行轰击，由于轰击离子的能量大约为
1keV，对靶材的穿透深度可忽略不计，级联碰撞只发生在靶材几个原子厚度的表面层中，大量的原子逃离
靶材表面，成为溅射粒子,其具有的能量大约为10eV 的数量级。
由于真空室内具有比较少的背景气体分子，
溅射粒子的自由程很大，这些粒子以直线轨迹到达基板并沉积在上面形成薄膜。
由于大多数溅射粒子具有
的能量只能渗入并使薄膜致密，而没有足够的能量使其他粒子移位，造成薄膜的破坏；并且由于低的背景
气压，薄膜的污染也很低；而且，冷的基板也阻止了由热激发导致晶粒的生长在薄膜内的扩散。
因此，在
基板上可以获得致密的无定形膜层。
在成膜的过程中，特别是那些能量高于10eV 的溅射粒子，能够渗入
几个原子量级的膜层从而提高了薄膜的附着力，并且在高低折射率层之间形成了很小梯度的过度层。
有的
轰击离子从靶材获得了电子而成为中性粒子或多或少的被弹性反射，然后，它们以几百电子伏的能量撞击
薄膜，高能中性粒子的微量喷射可以进一步使薄膜致密而且也增强了薄膜的内应力
2.2 双离子束溅射技术
对于大多数光学应用，主离子源和上面描述的单个离子源的功能相同，辅助离子源有下面描述的补充功能：(1) 基片的清洗和修整(2) 吸收的改善和薄膜的修整(3) 化学计量比的调整
3 应用前景
目前，离子束溅射技术的应用领域不断
地被拓宽，并且应用的光谱波段也早已从可见光拓宽到红外、紫外、χ射线等范围。
到1992 年，国外已
运用离子束溅射技术获得了反射率接近六个九的超低损耗高反射激光镜。
离子束溅射技术在光纤、计算机、
通信、纳米技术、新材料、集成光学等领域也即将发挥其强大的作用。
尤其信息时代的到来，光纤通讯发
挥了越来越大的作用，对于光纤通信容量的要求也越来越大，其中关键的器件就是波分复用器，而离子束
溅射技术正是研制、开发波分复用器的优选技术方案。
可见，离子束溅射技术在将来一定有着更加广阔的
应用前景，引起人们的更加重视。
4 离子束刻蚀工艺
离子束刻蚀技术的一个很重要的物理参数
是溅射率。
它表征着每一个入射离子打出的原子数。
刻蚀速率与离子束能量、
束流大小、离子束轰击表面的入射角以及被加工
材料的原子结构、晶向等许多因素有关。
4. 1 不同材料的刻蚀速率
由于离子束刻蚀装置中采用了中和灯丝, 可
中和Ar + 离子的正电荷, 使正离子束变成中性
束。
以这种高能的中性束轰击被刻蚀基片而实现
刻蚀加工, 所以对材料无选择性, 金属非金属均
可刻蚀。
只是不同材料的刻蚀速率不一样。
表1 几种常用材料的刻蚀速率
材料名称Au Pt W S i SiO2
刻蚀速率/ nm·m in- 1 66. 0 33. 0 16. 0 16. 0 10. 0
4. 2 离子能量对刻蚀速率的影响
刻蚀速率直接与轰击基片的离子能量有关。
随着电压
的增加, 离子能量增加, 刻蚀速率增加。
4. 3 束流大小对刻蚀速率的影响
随束流增加刻蚀速率增加。
4. 4 离子束刻蚀的其它应用
对化学研磨、电介研磨难以减薄的材料
的减薄。
具有
微分分析样品的能力, 并适应进行精密加工。
5 离子束抛光的基本原理
将导电的工件放在密闭环境中加负偏压, 在高真空环境下
通入一定量的惰性气体( 如氩气) , 并使其进行电离生成带正电
荷的离子。
带正电荷的离子在电场作用下加速运动, 并近似沿零
件表面的法向方向轰击零件, 将零件表面的原子碰撞出去从而
实现零件表面的微量去除, 达到提高零件表面形状精度的目的。
设带正电荷离子的电荷量为q, 质量为m, 初速度为零, 所
处电场的强度为E, 则其加速度a:
a= q·E
m
显然, 正离子的飞行时间越长, 轰击零件表面时的速度就越
高, 传递给零件原子的动能也越大, 相应的去除量就大。
6 离子束抛光工艺过程
光学设计，计算近似面，光学车间加工，测出矩阵误差，确定离子束的位置和停留时间，离子束加工，完成光学零件。
7 离子束抛光的优缺点
1 . 加工精度高
、光洁度好2 . 提高非球面光学零件的加工效率, 降低
加工费用。
用3 . 工艺性能广泛。
往. 加工零件的表面结构好。
5 . 缺点: 设备制造费用大, 需耍应用计算
机
、高其空设备、
高精度干涉仪等现代化装置
8 离子束抛光的典型应用
1 . 高精度非球面光学零件的抛光
2 . 离子末抛光提高高能激光反射镜的镀膜
牢固度和反射镜的工作性能。
3 . 离子束抛光提高激光工作物质的性
能
4 . 离子束抛光加工光栅等
9 离子束注入技术
通常, 金属零件进行表面淬火处理需在10 0 F 高
温下进行, 这将可能导致零件变形, 而采用离子束注
人技术, 操作温度一般仅需3 0 F. 目前, 离子束注
入己发展到可同时将三种不同元素注入基体金属表面。
这种方法还能用于修补陶瓷的表面裂缝
以及用于对其它金属进行表面涂复处理。
但由于目前离子束处理的费用还较高, 处理每平方厘米需0
.
1 5~ 1 美元, 因此在近期尚不能进入商业性
应用。