電子束離子束加工

1、電子束加工電子束加工 一一、電子束加工電子束加工原理原理 高能高速電高能高速電子束沖擊工件子束沖擊工件局部熔化氣化局部熔化氣化 控制束流能控制束流能量密度大小和量密度大小和注入時間注入時間, ,達到達到不同目的，切不同目的，切割打孔焊接等割打孔焊接等 二二、電子束加工特點電子束加工特點1. 進行精密微細加工進行精密微細加工 光斑聚焦到光斑聚焦到0.1m，加工微孔、窄縫、集成電路等，加工微孔、窄縫、集成電路等2. 能量密度高，生產(chǎn)率高、熱影響區(qū)小變形小能量密度高，生產(chǎn)率高、熱影響區(qū)小變形小 105107W/mm2, 加工微孔窄縫效率比電火花高幾十倍加工微孔窄縫效率比電火花高幾十倍3. 加工任何材

2、料，真空無污染，無氧化加工任何材料，真空無污染，無氧化 特別是易氧化材料及純度要求高半導體材料特別是易氧化材料及純度要求高半導體材料4. 可控性好，易實現(xiàn)自動化可控性好，易實現(xiàn)自動化 通過磁場或電場對電子束強度、位置、聚焦等直接控制通過磁場或電場對電子束強度、位置、聚焦等直接控制5. 需專用設備和真空系統(tǒng)，價格較貴需專用設備和真空系統(tǒng)，價格較貴 主要用于精密微細加工，應用有一定局限性主要用于精密微細加工，應用有一定局限性電子槍電子槍真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)電源等電源等 三、三、電子束加工設備電子束加工設備陰極、控制柵極、加速陽極陰極、控制柵極、加速陽極避免電子與氣體分子碰撞減速避免電子

3、與氣體分子碰撞減速束流強度、速度、聚焦、位束流強度、速度、聚焦、位置以及工作臺位移控制等置以及工作臺位移控制等電源電壓穩(wěn)定性要求較高電源電壓穩(wěn)定性要求較高 四、四、電子束加工應用電子束加工應用鉆、切割鉆、切割刻蝕刻蝕升華升華電子抗蝕劑電子抗蝕劑塑料聚合塑料聚合塑料打孔塑料打孔控制束流能量密控制束流能量密度和注入時間的度和注入時間的不同不同, ,可用于切割、可用于切割、打孔、刻蝕、焊打孔、刻蝕、焊接、熱處理、曝接、熱處理、曝光等。光等。 可用于加工耐熱鋼、不銹鋼、寶石、陶瓷、可用于加工耐熱鋼、不銹鋼、寶石、陶瓷、 塑料、人造革等材料塑料、人造革等材料1. 高速打孔高速打孔 最小孔徑或縫寬最小孔徑

4、或縫寬mm，深孔的深徑比大于，深孔的深徑比大于1515 加工速度快，變形小，加工速度快，變形小，每秒幾千到幾萬個每秒幾千到幾萬個， 取決于板厚孔徑及復雜程度，取決于板厚孔徑及復雜程度，EDMEDM的的5050倍，倍，LBMLBM的的5 5倍倍 專用塑料皮革打孔機將片狀電子束分割成數(shù)專用塑料皮革打孔機將片狀電子束分割成數(shù) 百條細束，速度達每秒百條細束，速度達每秒萬孔萬孔. 加工異型孔及特殊表面加工異型孔及特殊表面（切割）（切割）切割復雜型面切割復雜型面切口寬度可達切口寬度可達m，邊緣表面粗糙邊緣表面粗糙度控制在度控制在0.5 m. 加工異型孔及特殊表面加工異型孔及特殊表面（切割）（切割）也可加工

5、錐孔、彎孔、曲面及螺旋槽等也可加工錐孔、彎孔、曲面及螺旋槽等利用電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)原理，將工件置磁場中，控制利用電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)原理，將工件置磁場中，控制電子速度和磁場強度，電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)加工彎孔電子速度和磁場強度，電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)加工彎孔. 電子束焊接電子束焊接 工藝特點工藝特點 能量密度高，焊速快，焊縫窄深，變形小，質(zhì)量好能量密度高，焊速快，焊縫窄深，變形小，質(zhì)量好 焊縫化學成分純凈，強度高焊縫化學成分純凈，強度高 除焊碳鋼、合金鋼、不銹鋼外，更適于難熔金屬、活除焊碳鋼、合金鋼、不銹鋼外，更適于難熔金屬、活 潑金屬焊接，異種材料、半導體材料及陶瓷石英等潑金屬焊接，異種材料、半導

6、體材料及陶瓷石英等 主要應用主要應用 航空航天工業(yè)：航空航天工業(yè)：發(fā)動機轉(zhuǎn)子、高壓渦輪機匣、導向葉發(fā)動機轉(zhuǎn)子、高壓渦輪機匣、導向葉 片、儀表微型電機軸與齒輪、登月倉框架及制動引擎片、儀表微型電機軸與齒輪、登月倉框架及制動引擎 其它工業(yè)：其它工業(yè)：大型齒輪組件、壓力容器、造船工業(yè)等高大型齒輪組件、壓力容器、造船工業(yè)等高 性能、高精度、細微零件焊接。性能、高精度、細微零件焊接。. 刻蝕刻蝕 用于集成電路用于集成電路 、微電子器件等刻蝕微槽、微電子器件等刻蝕微槽 硅片上刻寬硅片上刻寬2.5m2.5m深深0.25m0.25m的細槽集成電路光柵的細槽集成電路光柵 金屬鍍層上刻混合電路電阻，自動測量校準電

7、阻值金屬鍍層上刻混合電路電阻，自動測量校準電阻值 用于印刷制版用于印刷制版 在銅制滾筒上按色調(diào)深淺刻出深淺不一的凹坑，直徑在銅制滾筒上按色調(diào)深淺刻出深淺不一的凹坑，直徑 7070120 m 120 m ，深度，深度5 540 m 40 m ，小坑為淺色，大坑，小坑為淺色，大坑 為深色為深色. 電子束光刻電子束光刻（曝光）（曝光） 是獲取各種復雜精細圖形的主要方法，通常是獲取各種復雜精細圖形的主要方法，通常 將曝光處理作為刻蝕的前置工序?qū)⑵毓馓幚碜鳛榭涛g的前置工序 用光束電子束照射電子抗蝕劑使分子鏈被切用光束電子束照射電子抗蝕劑使分子鏈被切 斷或重聚引起分子量變化留下潛影，在適當斷或重聚引起分子

8、量變化留下潛影，在適當 溶劑中顯影固化。溶劑中顯影固化。 一般紫外光曝光分辯率難小于一般紫外光曝光分辯率難小于mm，新型曝，新型曝 光源和抗蝕劑的研制，最小線寬光源和抗蝕劑的研制，最小線寬0.1 m0.1 m以下以下 電子束曝光分為電子束曝光分為掃描掃描( (線線) )曝光曝光和和投影投影( (面面) )曝光曝光0.55mm柔性好柔性好速度慢速度慢成本高成本高電子束投影電子束投影( (面面) )曝光曝光 接觸式曝光接觸式曝光 利用掩膜（金屬薄膜圖形樣板）復制利用掩膜（金屬薄膜圖形樣板）復制 投影曝光投影曝光 利用放大的原版縮小投影曝光利用放大的原版縮小投影曝光離子束加工離子束加工 一一、離子束

9、加工離子束加工原理原理v 與電子束加工類似，在真空條件下，將離子束與電子束加工類似，在真空條件下，將離子束 經(jīng)加速和聚焦后沖擊到工件表面上實現(xiàn)加工。經(jīng)加速和聚焦后沖擊到工件表面上實現(xiàn)加工。v 不同的是離子質(zhì)量是電子的數(shù)千數(shù)萬倍，在同不同的是離子質(zhì)量是電子的數(shù)千數(shù)萬倍，在同 電場中加速慢，而一旦加到高速，具有更大動電場中加速慢，而一旦加到高速，具有更大動 能，撞擊材料引起原子分子分離濺射或注入。能，撞擊材料引起原子分子分離濺射或注入。v 所利用的是離子束所利用的是離子束微觀的機械撞擊微觀的機械撞擊作用（彈性作用（彈性 碰撞、微觀力效應），而不是熱效應。碰撞、微觀力效應），而不是熱效應。離子束加工

10、分類離子束加工分類離子刻蝕離子刻蝕又稱又稱離子銑削離子銑削用能量為用能量為0.55keV的氬離子轟擊工件，將工件表的氬離子轟擊工件，將工件表面原子逐個剝離。其實質(zhì)是一種原子尺度的切削面原子逐個剝離。其實質(zhì)是一種原子尺度的切削加工，納米級的加工工藝。加工，納米級的加工工藝。濺射沉積濺射沉積（鍍膜工藝鍍膜工藝）用能量為用能量為0.55keV的氬離子轟擊靶材，將靶材原的氬離子轟擊靶材，將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，鍍上薄膜。子擊出，沉積在靶材附近的工件上，鍍上薄膜。離子束加工分類離子束加工分類離子鍍離子鍍又稱又稱離子濺射輔助沉積離子濺射輔助沉積用能量為用能量為0.55keV氬離子同時轟擊靶

11、材和工件，氬離子同時轟擊靶材和工件，形成鍍膜，增強膜材與工件基材的結合力。形成鍍膜，增強膜材與工件基材的結合力。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時進行離子鍍。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時進行離子鍍。離子注入離子注入用能量用能量55 0 0 keV離子束，直接轟擊工件材料，離子束，直接轟擊工件材料，離子鉆進工件表面，改變其化學成分及性能。離子鉆進工件表面，改變其化學成分及性能。根據(jù)不同目的選用不同注入離子如根據(jù)不同目的選用不同注入離子如C、N、B、Cr二、離子束加工的特點二、離子束加工的特點1. 進行精密微細加工進行精密微細加工 聚焦掃描逐層去除原子，蝕刻精度達納米級，離子鍍聚焦掃描逐層去除原子，蝕刻精度達納

12、米級，離子鍍 達亞微米級，離子注入可極精確地控制達亞微米級，離子注入可極精確地控制2. 微觀撞擊原子去除材料，應力變形小，質(zhì)量高微觀撞擊原子去除材料，應力變形小，質(zhì)量高 適于各種材料和低剛度零件的加工適于各種材料和低剛度零件的加工3. 真空加工無污染，無氧化真空加工無污染，無氧化 特別適于易氧化材料及高純度半導體材料特別適于易氧化材料及高純度半導體材料4. 設備費用貴，成本高，加工效率低設備費用貴，成本高，加工效率低 主要用于精密微細加工，應用受一定局限性主要用于精密微細加工，應用受一定局限性三、離子束加工設備三、離子束加工設備離子源離子源真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)電源等電源等氣態(tài)原子電

13、離為等離子體，氣態(tài)原子電離為等離子體，用引出電極引出離子束流用引出電極引出離子束流束流密度、聚焦、位置等束流密度、聚焦、位置等離子注入深度、濃度等離子注入深度、濃度等 利用利用陰極陰極5 5和和陽極陽極8 8之間電弧放電，將氬之間電弧放電，將氬氪等惰性氣體電離為氪等惰性氣體電離為等離子體等離子體 引出電極引出電極1010將正離將正離子導出子導出 靜電透鏡靜電透鏡1212聚焦形聚焦形成高密度離子束成高密度離子束 三、離子束加工設備三、離子束加工設備四、離子束加工的應用四、離子束加工的應用1. 精微加工精微加工 加工非球面透鏡加工非球面透鏡, 金剛石刀具刃磨金剛石刀具刃磨 精微打孔精微打孔，玻璃、

14、，玻璃、鎳鉑上打幾微米孔，鎳鉑上打幾微米孔，孔壁光滑孔壁光滑 高精度圖形刻蝕高精度圖形刻蝕，集成電路、微電子元集成電路、微電子元件、硬掩膜等件、硬掩膜等 拋光致薄拋光致薄壓電晶體壓電晶體 四、離子束加工的應用四、離子束加工的應用2. 離子鍍膜離子鍍膜 鍍超硬膜鍍超硬膜 工具上鍍工具上鍍TiN、 TiC等等 鍍潤滑膜鍍潤滑膜 飛機轉(zhuǎn)動飛機轉(zhuǎn)動部件鍍鉻銀固體潤滑膜部件鍍鉻銀固體潤滑膜無油潤滑、防腐無油潤滑、防腐 鍍抗蝕膜鍍抗蝕膜 鍍鈦、鎳鍍鈦、鎳鉻、鋁等鉻、鋁等 鍍耐熱膜鍍耐熱膜 鍍鎢、鉬鍍鎢、鉬鉭、鈮等，抗高溫氧化鉭、鈮等，抗高溫氧化 鍍裝飾膜鍍裝飾膜 TiN、 TaN（電離）（電離）接負極接負

15、極四、離子束加工的應用四、離子束加工的應用3. 離子注入離子注入 表面改性表面改性 形成確定成分表面合金，與溶解度和擴散形成確定成分表面合金，與溶解度和擴散 性無關，無顯著尺寸變化性無關，無顯著尺寸變化 控制參數(shù)控制參數(shù) 真空度、束流強度、離子種類、注入時間、真空度、束流強度、離子種類、注入時間、 工件溫度等工件溫度等 半導體方面半導體方面 單晶硅中注入磷、硼雜質(zhì)，制造單晶硅中注入磷、硼雜質(zhì)，制造P-N結、結、 大規(guī)模集成電路等。制造發(fā)光器件、紅外探測器等大規(guī)模集成電路等。制造發(fā)光器件、紅外探測器等 耐磨耐蝕潤滑性耐磨耐蝕潤滑性 注入注入B、 C、N、 Mo、Cr、S等離子等離子 離子注入石英

16、玻璃增加折射率，制造光波導離子注入石英玻璃增加折射率，制造光波導四、離子束加工的應用四、離子束加工的應用4. 離子束曝光離子束曝光 具有高具有高分辯率和靈敏度分辯率和靈敏度，能對線寬小于，能對線寬小于0.1m 的精密微細圖形曝光，在相同抗蝕劑時，離子的精密微細圖形曝光，在相同抗蝕劑時，離子 束曝光的靈敏度比電子束曝光束曝光的靈敏度比電子束曝光高一個數(shù)量級高一個數(shù)量級以以 上，曝光時間大為縮短。上，曝光時間大為縮短。 離子束將成為微細圖形寫圖和復印的重要手段，離子束將成為微細圖形寫圖和復印的重要手段， 但目前電子束曝光技術比較成熟。但目前電子束曝光技術比較成熟。作業(yè)與思考題作業(yè)與思考題問答題問答

17、題: :1.1.快速成形的工藝原理與常規(guī)加工工藝有何不同？快速成形的工藝原理與常規(guī)加工工藝有何不同？具有什么特點？具有什么特點？ 2.電子束加工、離子束加工和激光加工各自的工電子束加工、離子束加工和激光加工各自的工作原理和應用范圍如何？各有什么優(yōu)缺點？作原理和應用范圍如何？各有什么優(yōu)缺點？ 1.1.快速成形的工藝原理與常規(guī)加工工藝有何不同？快速成形的工藝原理與常規(guī)加工工藝有何不同？具有什么特點？具有什么特點？答：快速成形是一種基于離散堆積成形原理的新型答：快速成形是一種基于離散堆積成形原理的新型成形技術，材料在計算機控制下逐漸累加成形，零成形技術，材料在計算機控制下逐漸累加成形，零件是逐漸生長

18、出來的。在工藝原理上是件是逐漸生長出來的。在工藝原理上是“增材法增材法”，與常規(guī)切削加工、電火花蝕除、電化學陽極溶解等與常規(guī)切削加工、電火花蝕除、電化學陽極溶解等“減材法減材法”不同。其特點是整個工藝過程建立在激不同。其特點是整個工藝過程建立在激光斷層掃描、數(shù)控技術、計算機光斷層掃描、數(shù)控技術、計算機CAD技術、高分子技術、高分子材料等高科技基礎上，可以成形任意復雜形狀的零材料等高科技基礎上，可以成形任意復雜形狀的零件，而無需刀具夾具等生產(chǎn)準備活動，因此工藝先件，而無需刀具夾具等生產(chǎn)準備活動，因此工藝先進，柔性好，生產(chǎn)周期短。進，柔性好，生產(chǎn)周期短。 2.2.答：三者都適合于精密、微細加工，但電子束、離子束加答：三者都適合于精密、微細加工，但電子束、離子束加工需在真空中進行，因此加工表面不會被氧化、污染，特別工需在真空中進行，因此加工表面不會被氧化、污染，特別適合于適合于“潔凈潔凈”加工。電子束加工是基于電能使電子加速轉(zhuǎn)加工。電子束加工是基于電能使電子加速轉(zhuǎn)換成動能，在撞擊工件時動能轉(zhuǎn)換成熱能使材料熔化、氣化換成動能，在撞擊工件時動能轉(zhuǎn)換成熱能使材料熔化、氣化而被蝕除，主要用于打孔、切割、焊接、熱處理、電子束曝而被蝕除，主要用于打孔、切割、焊接、熱處理、電子束曝光等。而離子束加工是電能使質(zhì)量較大的正離子加速后打到光等。而離子束加工是電能使質(zhì)量