电子束离子束加工讲解
电子束离子束加工技术的应用探析
电子束离子束加工技术的应用探析随着科技的不断发展，各种新型加工技术不断涌现，其中电子束离子束加工技术是一种新兴的加工技术。
电子束离子束加工技术是将高速电子束或离子束集中在极小的区域内，从而达到加工目的。
该技术具有高效、高精度、材料化学性能稳定、工艺环保等特点，在航空航天、半导体制造、微电子器件制造及卫星制造等领域得到广泛应用。
本文将探析电子束离子束加工技术的应用现状、发展趋势及其在行业中的优势。
一、电子束离子束加工技术的应用现状电子束离子束加工技术自问世以来，在各个领域得到广泛应用。
其中，在半导体微电子器件制造领域，电子束离子束加工技术已成为不可或缺的组成部分。
在这个领域，电子束离子束加工技术主要用于薄膜制备、微加工、退火、蚀刻以及物理刻蚀等六个方面。
薄膜制备是电子束离子束加工技术的重要应用之一，其主要作用是在基板上制备一层薄膜，这种技术不仅能够制备单晶薄膜，同时也可以制备非晶态薄膜，具有很好的应用前景。
此外，在微加工方面，电子束离子束加工技术可用于制备纳米器件、光学器件及工艺工具等领域，其加工精度可达到亚微米级别，且加工速度较快，制造成本也较低，这些都成为电子束离子束加工技术被应用的重要原因。
二、电子束离子束加工技术的发展趋势作为一种新兴的加工技术，电子束离子束加工技术在不断改进与发展。
未来，电子束离子束加工技术的发展主要集中在以下四个方面:1.多束共存技术的应用：多束共存技术可以提高电子束离子束加工的效率，降低加工成本，同时也能够提高加工质量及生产率。
2.离子束刻蚀技术的发展：离子束刻蚀技术是电子束离子束加工技术的重要应用之一，在未来的发展中，离子束刻蚀技术将主要发展高通量、高灵敏度、高浓度的离子源。
3.机器学习应用于电子束离子束加工技术：利用机器学习技术实现电子束与离子束的动态跟踪，能够具备自适应控制，使加工更加独立、高效。
4.大尺寸零部件的加工技术的研究：电子束离子束加工技术可以实现对高硬度材料的加工和制造，未来研究将重点放在大型零部件的加工与制造。
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。
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
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；
电子束离子束系统的工作原理
电子束/离子束系统的工作原理一、电子束工作原理利用聚集后能量密度较高（106~109（W/cm）2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在短时间内（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溶化和气化，被真空系统抽走。
二、电子束加工特点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，在极微小束斑上能达到１０６～１０９Ｗ／ｃｍ２，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。
３)由于电子束的能量密度高，而且能量利用率可达９０％以上，因而加工生产率很高。
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。
５)由于电子束加工在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。
６)电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格较贵，因而生产应用有一定局限性。
三、电子束加工的应用１.打孔：提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化。
２.焊接：使材料局部熔化就可以进行电子束焊接。
３.热处理：电子束热处理是把电子束作为热源，并适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的。
４.电子束刻蚀加工：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。
５.电子束表面改性：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。
四、离子束加工原理：与电子束加工原理基本相同，但是也存在不同。
比如：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。
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。
第八章 电子束和离子束加工
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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。
电子束和离子束加工ppt课件
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。
（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。
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 7
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。
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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
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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。
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。
离子束加工
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。
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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）， 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。
第六章 电子束和离子束加工
（三）刻蚀 在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，可利用 电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔来， 如在硅片上刻出宽2.5微米、深0.25微米的细槽，在混 合电路电阻的金属镀层上刻出40 微米宽的线条。
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第六章 电子束和离子束加工
（四）焊接
电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。由 于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊 接的焊缝深而窄，热影响区小，变形小。电子束焊接 一般不用焊条，焊接过程在真空中进行，因此焊缝化 学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。 电子 束焊接可以焊接难熔金属如钽、铌、钼等，也可焊接 钛、锆、铀等化学性能活泼的金属。它可焊接很薄工 件，也可焊接几百毫米厚的工件。 电子束焊接还能 完成一般焊接方法难以实现的异种金属焊接。如铜和 不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接，
行电子束光刻加工。
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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，污染少，加工表面不易被氧化。
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在铜制滚筒上按色调深浅刻出深浅不一的凹坑，直径 70～120 μ m ，深度5～40 μ m ，小坑为浅色，大坑 为深色
５. 电子束光刻（曝光）
是获取各种复杂精细图形的主要方法，通常 将曝光处理作为刻蚀的前置工序
用光束电子束照射电子抗蚀剂使分子链被切 断或重聚引起分子量变化留下潜影，在适当 溶剂中显影固化。
控制系统
束流强度、速度、聚焦、位 置以及工作台位移控制等
电源等
电源电压稳定性要求较高
四、电子束加工应用
控制束流能量密
刻蚀 升华
钻、切割
度和注入时间的
不同,可用于切割、 打孔、刻蚀、焊 接、热处理、曝
电子抗蚀剂
塑料打孔 塑料聚合
光等。
1. 高速打孔
可用于加工耐热钢、不锈钢、宝石、陶瓷、 塑料、人造革等材料
主要应用
航空航天工业：发动机转子、高压涡轮机匣、导向叶 片、仪表微型电机轴与齿轮、登月仓框架及制动引擎
其它工业：大型齿轮组件、压力容器、造船工业等高 性能、高精度、细微零件焊接。
４. 刻蚀
用于集成电路 、微电子器件等刻蚀微槽
硅片上刻宽2.5μ m深0.25μ m的细槽集成电路光栅 金属镀层上刻混合电路电阻，自动测量校准电阻值
离子束加工分类
溅射沉积（镀膜工艺） 用能量为0.5～5keV的氩离子轰击靶材，将靶材原 子击出，沉积在靶材附近的工件上，镀上薄膜。
离子刻蚀又称离子铣削 用能量为0.5～5keV的氩离子轰击工件，将工件表 面原子逐个剥离。其实质是一种原子尺度的切削 加工，纳米级的加工工艺。
离子束加工分类
离子注入 用能量5～5 0 0 keV离子束，直接轰击工件材料， 离子钻进工件表面，改变其化学成分及性能。 根据不同目的选用不同注入离子如C、N、B、Cr 离子镀又称离子溅射辅助沉积 用能量为0.5～5keV氩离子同时轰击靶材和工件， 形成镀膜，增强膜材与工件基材的结合力。 也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。
四、离子束加工的应用
4. 离子束曝光 具有高分辩率和灵敏度，能对线宽小于0.1μm 的精密微细图形曝光，在相同抗蚀剂时，离子 束曝光的灵敏度比电子束曝光高一个数量级以 上，曝光时间大为缩短。 离子束将成为微细图形写图和复印的重要手段， 但目前电子束曝光技术比较成熟。
作业与思考题
问答题: 1.快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？ 具有什么特点？
2.答：三者都适合于精密、微细加工，但电子束、离子束加 工需在真空中进行，因此加工表面不会被氧化、污染，特别 适合于“洁净”加工。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材料熔化、气化 而被蚀除，主要用于打孔、切割、焊接、热处理、电子束曝 光等。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，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，主要用于精微表面工程，有离子刻 蚀、溅射沉积、离子镀、离子注入等形式。激光加工是靠高 能量密度的光能转换成热能使材料熔化、气化而被蚀除，可 在空气中加工，不受空间结构的限制，也可用于大型工件的 切割、焊接、热处理等工艺。
镀抗蚀膜 镀钛、镍 铬、铝等
镀耐热膜 镀钨、钼 钽、铌等，抗高温氧化
镀装饰膜 TiN、 TaN
接负极 （电离）
四、离子束加工的应用
3. 离子注入
表面改性 形成确定成分表面合金，与溶解度和扩散 性无关，无显著尺寸变化 控制参数 真空度、束流强度、离子种类、注入时间、 工件温度等
半导体方面 单晶硅中注入磷、硼杂质，制造P-N结、 大规模集成电路等。制造发光器件、红外探测器等 耐磨耐蚀润滑性 注入B、 C、N、 Mo、Cr、S等离子 离子注入石英玻璃增加折射率，制造光波导
电子束加工
一、电子束加工原理
高能高速电 子束冲击工件 局部熔化气化
控制束流能 量密度大小和 注入时间,达到 不同目的，切 割打孔焊接等
二、电子束加工特点
1. 进行精密微细加工
光斑聚焦到0.1μm，加工微孔、窄缝、集成电路等
2. 能量密度高，生产率高、热影响区小变形小
105～107W/mm2, 加工微孔窄缝效率比电火花高几十倍
主要用于精密微细加工，应用受一定局限性
三、离子束加工设备
离子源
气态原子电离为等离子体， 用引出电极引出离子束流
真空系统
控制系统
束流密度、聚焦、位置等 离子注入深度、浓度等
电源等
三、离子束加工设备
利用阴极5和阳极8 之间电弧放电，将氩 氪等惰性气体电离为 等离子体
引出电极10将正离 子导出
静电透镜12聚焦形 成高密度离子束
3. 加工任何材料，真空无污染，无氧化
特别是易氧化材料及纯度要求高半导体材料
4. 可控性好，易实现自动化
通过磁场或电场对电子束强度、位置、聚焦等直接控制
5. 需专用设备和真空系统，价格较贵
主要用于精密微细加工，应用有一定局限性
三、电子束加工设备
电子枪
阴极、控制栅极、加速阳极
真空系统
避免电子与气体分子碰撞减速
四、离子束加工的应用
1. 精微加工
加工非球面透镜, 金刚石刀具刃磨 精微打孔，玻璃、 镍铂上打几微米孔， 孔壁光滑 高精度图形刻蚀， 集成电路、微电子元 件、硬掩膜等 抛光致薄压电晶体
四、离子束加工的应用
2. 离子镀膜
镀超硬膜 工具上镀 TiN、 TiC等
镀润滑膜 飞机转动 部件镀铬银固体润滑膜 无油润滑、防腐
一、离子束加工原理
与电子束加工类似，在真空条件下，将离子束 经加速和聚焦后冲击到工件表面上实现加工。
不同的是离子质量是电子的数千数万倍，在同 电场中加速慢，而一旦加到高速，具有更大动 能，撞击材料引起原子分子分离溅射或注入。
所利用的是离子束微观的机械撞击作用（弹性 碰撞、微观力效应），而不是热效应。
２. 加工异型孔及特殊表面（切割）
也可加工锥孔、弯孔、曲面及螺旋槽等
利用电子束在磁场中偏转原理，将工件置磁场中，控制 电子速度和磁场强度，电子束在工件内部偏转加工弯孔
３. 电子束焊接
工艺特点
能量密度高，焊速快，焊缝窄深，变形小，质量好 焊缝化学成分纯净，强度高 除焊碳钢、合金钢、不锈钢外，更适于难熔金属、活 泼金属焊接，异种材料、半导体材料及陶瓷石英等
一般紫外光曝光分辩率难小于１μ m，新型曝 光源和抗蚀剂的研制，最小线宽0.1 μ m以下
电子束曝光分为扫描(线)曝光和投影(面)曝光
柔性 接触式曝光 利用掩膜（金属薄膜图形样板）复制 投影曝光 利用放大的原版缩小投影曝光
离子束加工
最小孔径或缝宽１μ m，深孔的深径比大于15
加工速度快，变形小，每秒几千到几万个，
取决于板厚孔径及复杂程度，EDM的50倍，LBM的5倍
专用塑料皮革打孔机将片状电子束分割成数 百条细束，速度达每秒５万孔
２. 加工异型孔及特殊表面（切割）
切割复杂型面 切口宽度可达 ３～６μm， 边缘表面粗糙 度控制在 ±0.5 μm
2.电子束加工、离子束加工和激光加工各自的工 作原理和应用范围如何？各有什么优缺点？
1.快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？ 具有什么特点？
答：快速成形是一种基于离散堆积成形原理的新型 成形技术，材料在计算机控制下逐渐累加成形，零 件是逐渐生长出来的。在工艺原理上是“增材法”， 与常规切削加工、电火花蚀除、电化学阳极溶解等 “减材法”不同。其特点是整个工艺过程建立在激 光断层扫描、数控技术、计算机CAD技术、高分子 材料等高科技基础上，可以成形任意复杂形状的零 件，而无需刀具夹具等生产准备活动，因此工艺先 进，柔性好，生产周期短。
二、离子束加工的特点
1. 进行精密微细加工
聚焦扫描逐层去除原子，蚀刻精度达纳米级，离子镀 达亚微米级，离子注入可极精确地控制
2. 微观撞击原子去除材料，应力变形小，质量高
适于各种材料和低刚度零件的加工
3. 真空加工无污染，无氧化
特别适于易氧化材料及高纯度半导体材料
4. 设备费用贵，成本高，加工效率低