先进制造技术6电子束和离子束加工

材 着 气 化 形 成 气 泡 ， 破 料
击 始 熔 化 ， 气 化
电子束打到材料表面
电子束打到材料内部
电子束
材料
电子束打到 材料
四、电子束加工的应用 （二）加工型孔及特殊表面
四、电子束加工的应用
电子束加工弯孔和曲面。
四、电子束加工的应用 （三）刻蚀
利用电子束的热加工原理， 对工件进行类似铣削的加工 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 µm， 深0.25 µm的细槽。 电子束刻蚀还可用于制版， 在铜制印刷筒上按色调深浅 刻出大小、深浅不一的沟槽 或凹坑，大坑代表深色，小 坑代表浅色。
一、离子束加工原理、分类和特点
一、离子束加工原理、分类和特点 （二）离子束加工的分类
离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的不同， 可以分为四类，即利用离子撞击和溅射效应的离子刻蚀、 离子溅射沉积和离子镀，以及利用注入效应的离子注入。 图 6-8是各类离子加工的示意图。 1. 离子刻蚀：是用能量为0.5 ~ 5 keV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，所以又称离子铣削。这就是近代 发展起来的毫微米（纳米）加工工艺。 2. 离子溅射沉积：也是采用能量为0.5 ~ 5 keV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。所以溅射沉积是一种镀膜工艺。
6. 设备投资较高 设备投资较高
电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵， 生产应用有一定局限性。
三、电子束加工装置
电子 枪
电源 系统
加工 裝置
真空 系统
控制 系统
三、电子束加工装置 （一）电子枪
作用：发射高速电子 流、完成电子束预聚 焦和控制发射强度。 组成：包括电子发射 阴极、控制栅极和加 速阳极等。
四、电子束加工的应用
第六章 电子束和离子束加工
第二节 离子束加工
一、离子束加工原理、分类和特点 二、离子束加工装置 三、离子束加工的应用
一、离子束加工原理、分类和特点 （一）离子束加工的原理和物理基础
离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空 条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞 击到工件表面。 不同的是离子束带正电荷，其质量比电子大数千、数万 倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束 具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量、而 不是靠动能转化为热能来加工的。 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。
三、电子束加工装置 （二）真空系统
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
一、离子束加工原理、分类和特点
一、离子束加工原理、分类和特点
（三）离子束加工的特点
1.离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法， 离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法， 是当代毫微米加工（纳米加工）技术的基础。 离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击是逐 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 子刻蚀可以达到毫微米即纳米（0.001 µm）级的加工精度。 离子镀膜可以控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度也 可极精确地控制。 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 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。它是一种 微观作用，宏观压力很小，所以加工应力、热变形等极小，加工质 量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。 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。
2. 加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非 加工材料范围很广 对脆性、韧性、导体、 材料范围很广， 导体及半导体材料都可加工
电子束能量密度高，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，不产生宏观应率很高 电子束的能量密度高，因而加工生产率很高
二、离子束加工装置 （二）双等离子体 型离子源
利用阴极和阳极之间低气压直 流电弧放电，将氩、氪或氙等 惰性气体在阳极上方的低真空 中等离子体化。中间电极的电 位一般比阳极低，它和阳极都 用软铁制成，因此在两个电极 之间形成很强的轴向磁场，使 电弧放电局限在这中间，在阳 极小孔附近产生强聚集高密度 的等离子体。引出电极将正离 子导向阳极小孔以下的高真空 区，再通过静电透镜形成密度 很高的离子束去轰击工件表面。
四、电子束加工的应用
电子束焊接的局限性： 易受电磁场干扰； 被焊工件尺寸和形状受到工作室的限制； 焊接时会产生X射线，有害人体； 焊接前对接头加工、装配要求严格 设备复杂，价格昂贵
（五）热处理
电子束将工件表面加热至相变 温度以上再快速冷却，而达到 表面热处理的目的
四、电子束加工的应用
电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相变过 程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之 一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种超细晶 粒组织，可使工件获得用常规热处理不能达到的硬度， 硬化深度可达0.3 ~ 0.8 mm。 电热转换效率可达90%，而激光只有7%~10%。
四、电子束加工的应用
冲 材 随 料 开 表 蒸 面 汽 受 溢 到 出 电 ， 子 形 束 成 空 穴 裂 后
继 续 受 到 电 子 束 作 用 程 料 过 材 射 面 孔 化 喷 下 打 熔 生 件 成 围 产 工 完 周 ， 到 ， 穴 料 击 出 空 材 冲 吹 将 助 束 ， 辅 子 的 电
每秒可在2.5 mm厚钢板上钻50个直径为0.4 mm的孔。
二、电子束加工的特点
4. 加工过程便于实现自动化 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 在真空中进行，
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。
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； 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； 将光刻与离子束刻蚀或蒸镀工艺结合就能在金属掩模或 材料表面上制出图形来。 电子束曝光可以获得比可见光曝光更高分辨率的图像。 电子束可达到最佳0.25µm的线条宽度>可见光波长
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。
四、电子束加工的应用
四、电子束加工的应用 （一）高速打孔
高速打孔已在生产中实际应用，目前最小直径可达 Φ0.003 mm左右。加工速度快。 孔径误差在±5％以内 孔的深径比大于10：1，其深度亦可达10cm以上 可打斜度的孔，倾斜角可达15° 适合硬度高的材料打孔 孔的密度可连续变化，其孔径大小可随时调整
一、离子束加工原理、分类和特点
3. 离子镀：也称离子溅射辅助沉积，是用能量为0.5 ~ 5 keV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。目的是为了增强膜材与工件基材之间 的结合力。可将靶材高温蒸发到工件表面，同时进行离 子撞击镀膜。 4. 离子注入：是采用5 ~ 500 keV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。根据不同的目的选用不同的注入离子， 如磷、硼、碳、氮等。
四、电子束加工的应用 （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。 优点： 由于电子束的能量密度高，所以电子束焊接的焊缝 深而窄，焊缝深宽比可达60:1； 焊接速度快，焊件热影响区小，变形小； 电子束焊接一般不用焊条，焊接过程在真空中进行， 金属不会受到氧、氮等有害气体的影响，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、化学性能活泼的金 属、异种金属和普通金属； 可以焊接很薄的工件，也可焊接几百毫米厚的工件； 可实现复杂接缝的自动焊接。
三、离子束加工的应用
一些材料离子束刻蚀的加工速率 刻蚀率 (nm/min) 36 260 200 160 120 54 55 刻蚀率 (nm/min) 32 40 10 20 32 30
钯材料 Si AsGa Ag Au Pt Ni Al
钯材料 Fe Mo Ti Cr Zr Nb
三、离子束加工的应用
离子束刻蚀的一些应用领域 离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的 沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。 加工非球面透镜能达到其他方法不能达到的精度。 离子束刻蚀的另一应用是刻蚀高精度的图形，如集 成电路等。 刻蚀集成光路的光栅和波导。 离子束刻蚀可以用来致薄材料，用于致薄石英晶体 振荡器和压电传感器等。
控制栅极 加速阳极
聚焦系统
电子束斑点 工件 工作台
控制电子束能量密度的大小和 能量注入时间， 能量注入时间，就可以达到不 同的加工目的。 同的加工目的。
图6-1 电子束加工原理图
二、电子束加工的特点
1. 加工面积可以很小，可以进行精密微细加工 加工面积可以很小，可以进行精密微细加工 精密微细
电子束能够聚焦到小到0.1 µm尺寸
项目 能量密度 （W/cm2） 材料 电子束表面热处理（EBT） 小于103 电子束表面熔化处理 （EBFT） 104～106
高合金钢、特殊钢、铝合 含碳量0.45％以上的钢、低合金 金钛合金、灰口铸铁、球 钢、灰口铸铁、球墨铸铁等 墨铸铁等
加热和冷却的时间极快，淬火温 适合高合金与特殊钢的热 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％
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 二、电子束加工的特点 三、电子束加工装置 四、电子束加工的应用
一、电子束加工的原理
旁热阴极
工作原理
真空条件下，利用电流加热阴极 发射电子束，经控制栅极初步聚 焦后，由加速阳极加速，通过透 镜聚焦系统进一步聚焦，使能量 密度集中在直径5～10µm斑点内。 5 10µm 能量密集的电子束高速冲击到工 件上，被冲击点处形成瞬时高温 （几分之一微秒时间内升高至几 千摄氏度），工件表面局部熔化、 气化直至被蒸发去除。
三、离子束加工的应用 目前用于改变零件尺寸和表面物理力学性能的离 子束加工有： 子束加工有：用于从工件上作去除加工的离子刻 蚀加工；用于给工件表面凃覆的离子镀膜加工； 蚀加工；用于给工件表面凃覆的离子镀膜加工； 用于表面改性的离子注入加工等。 用于表面改性的离子注入加工等。 （一）离子束刻蚀加工
离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。 为避免入射离子与工件材料发生化学反应，必须用惰性 元素离子。氩气的原子序数高，而且价格便宜，所以通 常用氩离子进行轰击刻蚀。 由于离子直径很小（约十分之几个纳米），可以认为离 子刻蚀的过程是逐个原子剥离的，刻蚀的分辨率可达微 米甚至亚微米级，但刻蚀速度很低，剥离速度大约每秒 一层到几十层原子。
二、离子束加工装置
加工装置
离子源
真空系统
控制系统
电源
考夫曼型 离子源
双等离子体型 离子源
二、离子束加工装置 （一）考夫曼型离子源
灼热灯丝2发射电子，在阳极 9的作用下向下移动，同时受 线圈4磁场的偏转作用，作螺 旋运动前进。惰性气体氩在 注入口3注入电离室10，在 3 10 电子的撞击下被电离成等离 子体，阳极9和引出电极（吸 极）8上各有300个直径为 Φ0.3 mm的小孔，上下位置 对齐。在引出电极8作用下， 将离子吸出，形成300条离 子束，再向下则均匀分布在 直径为Φ5 cm的圆面积上。