第六章电子束和离子束加工
合集下载
第六章 电子束与离子束加工
（一）电子枪 （二）真空系统 （三）控制系统和电源
电子束加工设备 电子枪
控制系统
真空系统
电子束加工装置
真空系统
三、电子束加工的应用
（一）高速打孔 （二）加工型孔及特殊表面 （三）刻蚀 （四）焊接 （五）热处理 （六）电子束光刻
（一）高速打孔
利用极高能量密度的电子束冲击材料，使材 料汽化，而实现钻孔的目的。 电子束打孔具有下列的特点： 1.可加工细微的孔，目前最小加工直径可达 0.003mm左右。 2.加工深孔，孔的深径比大于10：1，其深度 亦可达10公分以上。
离子注入零件
3.孔径误差很小，正负5％以内。 4.适合硬度高的材料打孔。 5.可打斜度的孔，倾斜角可达15˚。 7.加工各种直的型孔和成型表面，加工弯孔和立 体曲面。 7.加工速度快。
（二）加工型孔及特殊表面
电子束可以用来切割各种复杂型面，如下图 所示，电子束加工的喷丝头异形孔截面的一 些实例。 电子束还可以加工弯孔和曲面。利用电子束 在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部 偏转。控制电子速度和磁场强度，即可控制 曲率半径，加工出弯曲的孔。
上面、側面が改善されたサンプル
放電面
放電面＋照射面
面粗さ：0.8μmRa
面粗さ：0.09μmRa
（六）电子束光刻
电子束光刻是先利用低功率密度的电子束照射 称为电致抗蚀剂的高分子材料，由入射电子与 高分子相碰撞，使分子的链接被切断或重新聚 合而引起的分子量的变化，这一步骤称为电致 曝光。 电子束曝光可以用电子束扫描，即将聚焦到小 于1μm的电子束斑在大约0.5-5mm的范围内按 程序扫描，可曝光出任意图形。
电子束加工特点
15
第六章 电子束和离子束加工
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。
16
第六章 电子束和离子束加工
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。 离子束刻蚀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。
第六章 电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
1
第六章 电子束和离子束加工
6.1 电子束加工
一. 电子束加工原理和特点
（一）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，如图6-1 所示。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
行电子束光刻加工。
3
第六章 电子束和离子束加工
（二）电子束加工特点 (1) 可进行微细加工。
(2) 非接触式加工。
(3) 电子束的能量密度高，加工效率高。
（4）整个加工过程便于实现自动化。
(5)加工在真空中进行，污染ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，加工表面不易被氧化。
（6）电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价
格较贵。
4
17
2离子溅射沉积
第六章 电子束和离子束加工
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。
第六章 电子束和离子束加工
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。
16
第六章 电子束和离子束加工
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。 离子束刻蚀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。
第六章 电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
1
第六章 电子束和离子束加工
6.1 电子束加工
一. 电子束加工原理和特点
（一）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，如图6-1 所示。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
行电子束光刻加工。
3
第六章 电子束和离子束加工
（二）电子束加工特点 (1) 可进行微细加工。
(2) 非接触式加工。
(3) 电子束的能量密度高，加工效率高。
（4）整个加工过程便于实现自动化。
(5)加工在真空中进行，污染ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，加工表面不易被氧化。
（6）电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价
格较贵。
4
17
2离子溅射沉积
第六章 电子束和离子束加工
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。
特种加工第六章课后习题答案
第六章电子束和离子束加工一、课内习题及答案1．电子束加工和离子束加工在原理上和在应用范围上有何异同？答：二者在原理上的相同点是均基于带电粒子于真空中在电磁场的加速、控制作用下，对工件进行撞击而进行加工。
其不同处在于电子束加工是基于电能使电子加速转换成动能，在撞击工件时动能转换成热能使金属熔化、气化而被蚀除。
而离子束加工是电能使质量较大的正离子加速后，打到工件表面，是靠机械撞击能量使工件表面的原子层变形、破坏或切除分离，并不发热。
在工艺上：有离子刻蚀、溅射沉积、离子镀、离子注入（表面改性）等多种形式，而不像电子束加工，有打孔、切割、焊接、热处理等形式。
2．电子束加工、离子束加工和激光加工相比各自的适用范围如何，三者各有什么优缺点？答：三者都适用于精密、微细加工，但电子束、离子束需在真空中进行，因此加工表面不会被氧化、污染，特别适合于“清洁”、“洁净”加工。
离子束主要用于精微“表面工程”，激光因可在空气中加工，不受空间结构的限制，故也适用于大型工件的切割、热处理等工艺。
3．电子束、离子束、激光束三者相比，哪种束流和相应的加工工艺能聚焦得更细？最细的焦点直径大约是多少？答：激光聚焦后焦点的直径取决于光的波长。
波长为0.69μm的红色激光，聚焦后的光斑直径很难小于1μm，因为聚焦透镜有像差等误差。
二氧化碳气体激光器发出1.06μm的红外激光，其焦点光斑直径更大。
波长较短的绿色激光和准分子激光器可获得较小的焦点，常用于精密、微细加工。
电子束最佳时可获得0.25μm的聚焦直径，可用于制作大规模集成电路的光刻。
如果用波长很短的X光射线（波长为10-9~10-10m，即1~0.1nm），可得到0.1μm 左右的聚焦直径。
4．电子束加工装置和示波器、电视机的原理有何异同之处？答：它们都有一个电子枪用来发射电子，使电子奔向高电压的正极，而后再用线圈（电磁透镜）进行聚焦，用电场进行偏转，控制扫描出图形来。
只不过电子束加工装置的功率较大，而示波器、电视机的功率较小而已。
第6章 电子束和离子束加工
特种加工技术
二、电子束加工装臵
电子枪
电子发射阴极、控制 栅极和加速阳极等；
真空系统 控制系统
电磁透镜、偏转线圈、 工作台系统
电源系统 辅助装臵
特种加工技术
电子枪
用途：
钨丝
发射高速电子流 电子束的预聚焦 电子束的强度控制
小功率
大功率
组成
电子发射阴极（纯钨或纯钽） 控制栅极 加速阳极
非热型（化学效应）
利用电子束的化学效应进行刻蚀
刻蚀
特种加工技术
功率密度对加工模式的影响
a) 低密度 b) 中低密度 c) 高密度
表面改性
电子束焊接
电子束打孔、切槽
特种加工技术
电子束加工的应用范围
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
特种加工技术
（1）高速打孔
特点
能打各种孔（最小φ3μm ）
生产效率高
可加工各种材料
实际应用
打400孔；3mm厚时，φ1mm的锥形孔，每秒可打20孔。）
可加工斜孔。 可以加工各种直的型孔和型面，也可以加工弯孔和曲面。
特种加工技术
电子束加工曲面
电子束在磁场中运动，由于受到电磁力，其轨迹会发生偏转。 如果在磁场中对工件加工，则可切割出曲面。
特种加工技术
电子束加工弯槽
电子束在磁场中运动，由于受到电磁力，其轨迹会发生偏转。 如果在磁场中对工件中部进行切割时，则可加工出弯槽。
特种加工技术
电子束加工分类
通过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。 电子束打孔、切割等加工：高电子束能能量密度， 使材料融化和气化，就可以进行； 电子束焊接：使材料局部融化就可以进行； 电子束热处理：只使材料局部加热就可以进行； 电子束光刻加工：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。
电子束与离子束加工
阴极射线管(CRT)
–组成 –包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏
–工作原理 –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
4. 离子束曝光 ◎用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵 敏度和分辨率。
离子束溅射
在真空条件下，将氩（Ar）、氪（Kr）、氖（Xe）等惰 性气体，通过离子源电离形成带有 10 keV 数量级动能的惰 性气体离子，并形成离子束，在电场中加速，经集束、 聚焦 后，射到被加工表面上。对加工表面进行轰击，这种方法称之 为“溅射”。
◎离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。
2. 离子束溅射镀膜加工
◎用加速的离子从靶材上 打出原子或分子，并将这
真空 离子束源
工件
些原子或分子附着到工件
上，形成“镀膜”。又被
称为“干式镀”（图）
◎溅射镀膜可镀金属，也 可镀非金属。
◎由于溅射出来的原子和 分子有相当大的动能，故 镀膜附着力极强（与蒸镀、 电镀相比）。
二、离子束加工装置
离子束加工装置由离子源系统、真空系统、控制系统和电 源组成， 如下页图所示。 离子源又称离子枪，其工作原理是 将气态原子注入离子室，经高频放电、电弧放电、等离子体放 电或电子轰击等方法被电离成等离子体，并在电场作用下使离 子从离子源出口孔引出而成为离子束。
如图所示为双等离子体离子束加工的基本原理图， 首先利用 阴极与阳极之间的低气压直流电弧放电， 将氩、氪、氖等惰性 气体在阳极小孔以上的低真空（1.3 Pa）中离子化。
第六章 电子束和离子束加工
二、离子束加工装置
(一) 考夫曼型离子源
用阴极发射电子撞击氩气使其电离成等离子
(二) 双等离子体型离子源
用直流电弧放电将氩、氪、氙等惰性气体等离子体 化
图6-9 考夫曼型离子源 1-真空抽气口 2-灯丝 3-惰性气体注入口 4-电磁线圈 5-离子束流 6-工件 7-阴极 8引出电极 9-阳极 10-电离室
B、C、Al、Ar、Cr、F e、Ni、Zn、Ga、Mo、 In、Eu、Ce、Ta、Ir
耐磨损
B、C、Ne、N、S、Ar、 20～100 Co、Cu、Kr、Mo、Ag、 In、Sn、Pb Ar、S、Kr、Mo、Ag、 20～100 In、Sn、Pb
＞1
改变摩擦因数
＞1
本章完
离子束加工的特点
1) 由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描， 离子束轰击材料是逐层去除原子，离子束流密度及离 子能量可以精确控制，所以离子刻蚀可以达到纳米 (0.001µm)级的加工精度。 2) 由于离子束加工是在高真空中进行，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 体材料的加工。 3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的。 4) 离子束加工设备费用贵，成本高，加工效率低，因 此应用范围受到一定限制。
可实现对材料的“毫微米级”或“原子级”加 工。
离子束加工的分类
1) 离子刻蚀 是用能量为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。 2) 离子溅射沉积 也是采用能量为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。 3) 离子镀 也称离子溅射辅助沉积，是用0.5～5keV的氩离子，不同的是在 镀膜时，离子束同时轰击靶材和工件表面。 4) 离子注入 是采用5～500keV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
特种加工技术---第六章：电子束和离子束加工
h
17
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。
h
4
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
h
5
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
h
6
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。
h
1
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
第六章电子束和离子束加工
工 离子束是在真空状态下，将离子源产生的 离子束经加速、聚焦，打到工件表面实现加工 的。 离子束是靠微观机械撞击能量来加工的。 可以实现纳米甚至分子、原子级加工，是目前 特种加工中最精密、最微细的加工方法。
四、超声加工 （一）超声加工原理 超声加工是利用工具端面作16-25kHz的超 声频振动，通过工作液中的悬浮磨料对工件 表面冲击抛磨来实现加工的。 超声加工系统主要由以下几个部分组成： 超声波发生器 换能器 变幅杆 工具头 磨料悬浮液
第六章 电子束和离子束加工
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 电子束加工是在真空状态下，利用高速电 子的冲击动能转化成局部热能而对材料进行加 工的。
（二）电子束加工的工艺特点 1、加工材料范围广，可加工金属、半导体和非导 体材料。 2、可进行微细加工，用于微孔、半导体集成电路 的加工 3、非接触加工，无宏观力作用。 4、可以运用磁场、电场对其强度、位置、聚焦进 行控制。 5、可以分割成多条细束，实现多束同时加工。 6、在真空下加工，工件不会氧化。 7、设备投入较大。 （三）电子束加工技术在难加工材料加工中的应用
（二）超声加工的工艺特点 1、加工材料范围广，特别适合于硬脆材料加工。 2、加工精度高，表面质量好。粗糙度可达 Ra0.1µm，加工精度可达0.1 mm。 3、加工设备简单，不需复杂运动即可加工出异型 孔、花纹等。 4、超声加工效率不高。 5、适合于与其他加工方法进行复合加工，如超声 电火花加工、超声电解加工、超声研磨加工等。 （三）超声加工技术在难加工材料加工中的应用
四、超声加工 （一）超声加工原理 超声加工是利用工具端面作16-25kHz的超 声频振动，通过工作液中的悬浮磨料对工件 表面冲击抛磨来实现加工的。 超声加工系统主要由以下几个部分组成： 超声波发生器 换能器 变幅杆 工具头 磨料悬浮液
第六章 电子束和离子束加工
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 电子束加工是在真空状态下，利用高速电 子的冲击动能转化成局部热能而对材料进行加 工的。
（二）电子束加工的工艺特点 1、加工材料范围广，可加工金属、半导体和非导 体材料。 2、可进行微细加工，用于微孔、半导体集成电路 的加工 3、非接触加工，无宏观力作用。 4、可以运用磁场、电场对其强度、位置、聚焦进 行控制。 5、可以分割成多条细束，实现多束同时加工。 6、在真空下加工，工件不会氧化。 7、设备投入较大。 （三）电子束加工技术在难加工材料加工中的应用
（二）超声加工的工艺特点 1、加工材料范围广，特别适合于硬脆材料加工。 2、加工精度高，表面质量好。粗糙度可达 Ra0.1µm，加工精度可达0.1 mm。 3、加工设备简单，不需复杂运动即可加工出异型 孔、花纹等。 4、超声加工效率不高。 5、适合于与其他加工方法进行复合加工，如超声 电火花加工、超声电解加工、超声研磨加工等。 （三）超声加工技术在难加工材料加工中的应用
特种加工12第五六章激光加工与电子束离子束加工
青
x射线
050
紫外线 红外线
绿
10-7 10-6 0.57
0.60
黄
微波
0.63
橙
红
无线电波
104 0.76
电磁波波谱图
可见光波谱图
原子的发光
原子的激发、跃迁 基态时原子可长时间存在，激发
态时原子停留时间很短。 有些原子在某些能级上停留时间
较长，这些能级称为亚稳态能级 亚稳态能级的存在是形成激光的
3 激光加工的原理和特点
激光加工的原理
经过透镜聚焦后,在焦点上达到很高的能量密度， 光能转化为热能，靠光热效应来加工的。
激光加工的特点
1)聚焦后，激光的功率密度很高，光能转化为 热能，几乎可以熔化任何材料。
2）激光光斑大小可以达到微米级，输出功率可 调，可以用于精密微细加工。
3）工具是激光束，无损耗，无接触，无明显的 机械力。加工速度快、热影响区小，容易实 现自动化
2 激光的特性
激光具有光的共性（反射、折射、绕射及干涉 等等）
普通光源的发光是自发辐射，基本上是无秩序 的、相互独立地产生光发射。发出的光波的方 向、相位和偏振状态都不同。
激光是受激辐射，有组织、相互关联地产生发 射，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振 状态和严格的相位。所以激光具有强度高、单 色性好、相干性好和方向性好。
4、离子注入： 5-500KeV离子束 垂直轰击工件，离子注 入表层，改变表层性质。
考夫曼型离子源
1—真空抽气口 2—灯丝 3—惰性气体注入口 4—电磁线圈 5—离子束流
6—工件 7—阴极 8—引出电极 9—阳极 10— 电离室
2、离子束加工应用
1）刻蚀加工； 2）镀膜加工； 3）离子注入加工。
先进制造技术6电子束和离子束加工PPT课件
真空系统是为了保证在电子束加工时维持1.33 × 10-2 ~ 1.33 × 10-4 Pa的真空度。因为只有在高真空中， 电子才能高速运动。此外，加工时的金属蒸汽会影响电 子发射，产生不稳定现象，因此，也需要不断地把加工 中产生的金属蒸汽抽出去。
（三）控制系统和电源
电子束加工装置的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等。
加工特点 度比正常热处理高，晶粒细小、 处理，可提高高温疲劳强
表面的硬度比正常热处理高。
度约45％
16
四、电子束加工的应用
（六）电子束光刻
电子束光刻是先利用低功率密度的电子束照射称为电致 抗蚀剂的高分子材料，由入射电子与高分子相碰撞，使 分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化，称为 电子束曝光。如果按规定图形进行电子束曝光，会在电 致抗蚀剂中留下潜像；
3. 电子束的能量密度高，因而加工生产率很高
每秒可在2.5 mm厚钢板上钻50个直径为0.4 mm的孔。
3
二、电子束加工的特点
4. 加工过程便于实现自动化
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。
5. 在真空中进行，污染少
加工表面不氧化，适用于易氧化的金属及合金材料，以 及高纯度的半导体材料。
9
四、电子束加工的应用
冲材 击料 开表 始面 熔受 化到 ，电 气子 化束
电子束打到材料表面
继 续 受 到 电 子 束 作 用
电子束贯穿材料
电子束打到材料内部 随 材 着料 蒸气 汽化 溢形 出成 ，气 形泡 成， 空破 穴裂 后
吹，的电 出将辅子 ，空助束 完穴材冲 成周料击 打围，到 孔熔产工 过化生件 程材喷下
然后将曝光后的潜像浸入适当的溶剂中，则由于分子量 不同而溶解度不一样，就会使潜像显影出来；
（三）控制系统和电源
电子束加工装置的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等。
加工特点 度比正常热处理高，晶粒细小、 处理，可提高高温疲劳强
表面的硬度比正常热处理高。
度约45％
16
四、电子束加工的应用
（六）电子束光刻
电子束光刻是先利用低功率密度的电子束照射称为电致 抗蚀剂的高分子材料，由入射电子与高分子相碰撞，使 分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化，称为 电子束曝光。如果按规定图形进行电子束曝光，会在电 致抗蚀剂中留下潜像；
3. 电子束的能量密度高，因而加工生产率很高
每秒可在2.5 mm厚钢板上钻50个直径为0.4 mm的孔。
3
二、电子束加工的特点
4. 加工过程便于实现自动化
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。
5. 在真空中进行，污染少
加工表面不氧化，适用于易氧化的金属及合金材料，以 及高纯度的半导体材料。
9
四、电子束加工的应用
冲材 击料 开表 始面 熔受 化到 ，电 气子 化束
电子束打到材料表面
继 续 受 到 电 子 束 作 用
电子束贯穿材料
电子束打到材料内部 随 材 着料 蒸气 汽化 溢形 出成 ，气 形泡 成， 空破 穴裂 后
吹，的电 出将辅子 ，空助束 完穴材冲 成周料击 打围，到 孔熔产工 过化生件 程材喷下
然后将曝光后的潜像浸入适当的溶剂中，则由于分子量 不同而溶解度不一样，就会使潜像显影出来；
电子束和离子束加工PPT课件
化 5、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
6
四、电子束加工的应用
7
1、电子束打孔 能加工各种孔，包括异形孔、斜孔、锥孔
和弯孔。
8
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
1
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
3
4
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
9
格较贵，故在生产中受到一定程度的限制
6
四、电子束加工的应用
7
1、电子束打孔 能加工各种孔，包括异形孔、斜孔、锥孔
和弯孔。
8
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
1
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
3
4
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
9
第六章-电子束和离子束加工-特种加工课件
（电磁偏转）、束流强度控制、工作台位移控 制（适合大面积加工）。
电源
电子束加工对电源电压稳定性要求较高，需要 稳压设备。
§6.1.2 电子束加工装臵
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
电磁透镜的聚焦作用
电子束在前进过程中切割电磁 线圈产生的径向磁场而产生圆 周运动； 电子束在圆周运动时切割电磁 线圈产生的轴向磁场而产生径 向（向心）运动； 电子的合成运动为半径越来越 小的空间螺旋线
然后用其它离子轰击镀层，使镀层元素反冲到
基体中去 ）。
2 溅射沉积（镀膜）
0.5~5KeV
§6.2.1 离子束加工的原理、分类和特点
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
3 离子镀
镀膜前，离子束对基体表 面轰击清洗掉污垢和氧化物， 提高其附着力。 镀膜刚开始，溅射出来的 基体原子与空气中的靶材原 子、离子相撞击而返回工件 表面，形成混合过渡膜层， 增强了基材与膜材的结合力。
§6.1.3 电子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
加工型孔和特殊表面
异型孔
人造纤维喷丝头异型孔
窄缝宽度0.03~0.07mm，轮廓0.8mm
曲面、弯孔
§6.1.3 电子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
抗蚀功能膜（致密，均匀，附着良好的抗蚀膜） 耐热功能膜
装饰功能膜
§6.2.3 离子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
电源
电子束加工对电源电压稳定性要求较高，需要 稳压设备。
§6.1.2 电子束加工装臵
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
电磁透镜的聚焦作用
电子束在前进过程中切割电磁 线圈产生的径向磁场而产生圆 周运动； 电子束在圆周运动时切割电磁 线圈产生的轴向磁场而产生径 向（向心）运动； 电子的合成运动为半径越来越 小的空间螺旋线
然后用其它离子轰击镀层，使镀层元素反冲到
基体中去 ）。
2 溅射沉积（镀膜）
0.5~5KeV
§6.2.1 离子束加工的原理、分类和特点
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
3 离子镀
镀膜前，离子束对基体表 面轰击清洗掉污垢和氧化物， 提高其附着力。 镀膜刚开始，溅射出来的 基体原子与空气中的靶材原 子、离子相撞击而返回工件 表面，形成混合过渡膜层， 增强了基材与膜材的结合力。
§6.1.3 电子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
加工型孔和特殊表面
异型孔
人造纤维喷丝头异型孔
窄缝宽度0.03~0.07mm，轮廓0.8mm
曲面、弯孔
§6.1.3 电子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
抗蚀功能膜（致密，均匀，附着良好的抗蚀膜） 耐热功能膜
装饰功能膜
§6.2.3 离子束加工的应用
Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.
章电子束和离子束加工
三、离子束加工的应用
⒈
1.离子刻蚀加工 ⒉离子镀膜加工 ⒊离子注入加工
⒈刻蚀加工 离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个 撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入 射离子的动量传递到工件外表的原子， 传递能量超过了原子间的键合力时，原 子就从工件外表撞击溅射出来，到达刻
⑴加工参数控制
离子入射能量、束流大小、离子入射到工件上的角度、工作室气 压等都能分别调节控制，根据不同加工需要选择参数。用氩离子 轰击被加工外表时，其效率取决于离子能量、入射角度。
EB-Pre-heating/ EB-Welding/ EB-Gladding
EB-Positioning/ EB-Welding/ EB-After-heating
4、焊接
电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊 接工艺。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 子束连续不断地轰击下，形成一个被熔融 金属环绕着的毛细管状的熔池，如果焊件 按一定速度沿着焊件接缝与电子束作相对 移动，那么接缝上的熔池由于电子束的离 开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成一 条焊缝。
二、电子束加工装置
⒈电子枪 ⒉真空系统 ⒊控制系统和电源
⒈电子枪
电子枪是获得电子的装置。包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。 阴极经电流加热发射电子，经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦
成很小的束斑。发射阴极：钨或钽 小功率：丝状 大功率：块状
⒉真空系统
⑴真空系统作用： ①保证在电子束加工时维持1.33×10－2～1.33×10－4Pa的真
三、电子束加工的应用
电子束加工按其功率 密度和能量注入时间 的不同，可用于 打孔、切割、蚀刻 焊接、热处理 光刻加工等。
1、高速打孔
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图6-9 考夫曼型离子源
1—真空抽气口 2—灯丝 3—惰性气体注入口 4—电磁线圈 5—离子束流 6—工件 7—阴极 8—引出电极 9—阳极 10—电离室
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
2、与电子束加工的比较
相同点：加工原理基本相同。 不同点：离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
（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）。
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。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
（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 。
第六章 电子束和离子束加工
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。
束流位置控制：改变电子的方向。 工作台位移控制：加工时控制工作台的位置。 电源：对电压的稳定性要求较高，常用稳压电源。
第六章电子束和离子束加工
LKJ系列离子束刻蚀系统
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
离子注入 （1）改变金属材料表面的力学性能，如提高硬度、耐 磨性和抗疲劳性能； （2）改变金属材料的物理性能，如电性能、超导性能、 光学性能及绝缘性能； （3）改变金属表面的抗腐蚀性能，如抗化学腐蚀和抗高 温氧化性能等。
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。
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。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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：
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。
第六章电子束和离子束加工
焊接
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
（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 掩模或材料表面指出图形来。
第六章 电子束和离子束加工
（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。
第六章电子束和离子束加工
电子束熔炼
电子束熔炼法发明于1907年﹐但直到50年代才用 于熔炼难熔金属﹐后来又用于熔炼活泼金属(如 Ti锭)和高级合金钢
第六章电子束和离子束 加工
2020/11/28
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
主要内容
6.1 电子束加工 6.2 离子束加工
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工 6.1 电子束加工
1、概述
电子束加工（Electron Beam Machining 简称EBM） 起源于德国。1948年德国科学家斯特格瓦发明了第 一台电子束加工设备。
电子束加工原理
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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。
（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。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
应用：表面淬火、表面熔凝、表面合金化、表面熔覆 和制造表面非晶态层。经表面改性的表层一般具有较 高的硬度、强度以及优良的耐腐蚀和耐磨性能。
电子束表面改性技术分类
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
6.2 离子束加工
1、加工原理
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。由于离子带 正电荷，其质量数比电 子大数千倍甚至上万倍， 它撞击工件时具有很大 撞击动能，通过微观的 机械撞击作用从而实现 对工件的加工。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
（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。
利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的一 切方法统称为电子束加工。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
经过几十年的发展，目前电子束加工技术已在核工业、 航空宇航、精密制造等工业部门广泛应用。
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。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
图6-7 电子束曝光加工过程
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
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
电子束刻蚀
第六章电子束和离子束加工
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。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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。
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
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
（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。
第六章 电子束和离子束加工
（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。
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。
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
电子束加工的异形孔
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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。
电子束加工弯曲的孔
第六章电子束和离子束加工
第六章电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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。