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(shí)間注入時(shí)間, ,達(dá)到達(dá)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(diǎn)電子束加工特點(diǎn)1. 進(jìn)行精密微細(xì)加工進(jìn)行精密微細(xì)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(wú)污染，無(wú)氧化加工任何材料，真空無(wú)污染，無(wú)氧化 特別是易氧化材料及純度要求高半導(dǎo)體材料特別是易氧化材料及純度要求高半導(dǎo)體材料4. 可控性好，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化可控性好，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 通過(guò)磁場(chǎng)或電場(chǎng)對(duì)電子束強(qiáng)度、位置、聚焦等直接控制通過(guò)磁場(chǎng)或電場(chǎng)對(duì)電子束強(qiáng)度、位置、聚焦等直接控制5. 需專(zhuān)用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴需專(zhuān)用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴 主要用于精密微細(xì)加工，應(yīng)用有一定局限性主要用于精密微細(xì)加工，應(yīng)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(shè)備電子束加工設(shè)備陰極、控制柵極、加速陽(yáng)極陰極、控制柵極、加速陽(yáng)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(qiáng)度、速度、聚焦、位束流強(qiáng)度、速度、聚焦、位置以及工作臺(tái)位移控制等置以及工作臺(tái)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(yīng)用電子束加工應(yīng)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(shí)間的度和注入時(shí)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(wàn)個(gè)每秒幾千到幾萬(wàn)個(gè)， 取決于板厚孔徑及復(fù)雜程度，取決于板厚孔徑及復(fù)雜程度，EDMEDM的的5050倍，倍，LBMLBM的的5 5倍倍 專(zhuān)用塑料皮革打孔機(jī)將片狀電子束分割成數(shù)專(zhuān)用塑料皮革打孔機(jī)將片狀電子束分割成數(shù) 百條細(xì)束，速度達(dá)每秒百條細(xì)束，速度達(dá)每秒萬(wàn)孔萬(wàn)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(fù)雜型面切割復(fù)雜型面切口寬度可達(dá)切口寬度可達(dá)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(chǎng)中偏轉(zhuǎn)原理，將工件置磁場(chǎng)中，控制利用電子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)原理，將工件置磁場(chǎng)中，控制電子速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)加工彎孔電子速度和磁場(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)工藝特點(diǎn) 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(xué)成分純凈，強(qiáng)度高焊縫化學(xué)成分純凈，強(qiáng)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(dǎo)體材料及陶瓷石英等潑金屬焊接，異種材料、半導(dǎo)

6、體材料及陶瓷石英等 主要應(yīng)用主要應(yīng)用 航空航天工業(yè)：航空航天工業(yè)：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓渦輪機(jī)匣、導(dǎo)向葉發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓渦輪機(jī)匣、導(dǎo)向葉 片、儀表微型電機(jī)軸與齒輪、登月倉(cāng)框架及制動(dòng)引擎片、儀表微型電機(jī)軸與齒輪、登月倉(cāng)框架及制動(dòng)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(xì)微零件焊接。性能、高精度、細(xì)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(xì)槽集成電路光柵的細(xì)槽集成電路光柵 金屬鍍層上刻混合電路電阻，自動(dòng)測(cè)量校準(zhǔn)電

7、阻值金屬鍍層上刻混合電路電阻，自動(dòng)測(cè)量校準(zhǔn)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(fù)雜精細(xì)圖形的主要方法，通常是獲取各種復(fù)雜精細(xì)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(dāng)斷或重聚引起分子

8、量變化留下潛影，在適當(dāng) 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(fù)制利用掩膜（金屬薄膜圖形樣板）復(fù)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(lèi)似，在真空條件下，將離子束與電子束加工類(lèi)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(shí)現(xiàn)加工。經(jīng)加速和聚焦后沖擊到工件表面上實(shí)現(xiàn)加工。v 不同的是離子質(zhì)量是電子的數(shù)千數(shù)萬(wàn)倍，在同不同的是離子質(zhì)量是電子的數(shù)千數(shù)萬(wàn)倍，在同 電場(chǎng)中加速慢，而一旦加到高速，具有更大動(dòng)電場(chǎng)中加速慢，而一旦加到高速，具有更大動(dòng) 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(jī)械撞擊微觀的機(jī)械撞擊作用（彈性作用（彈性 碰撞、微觀力效應(yīng)），而不是熱效應(yīng)。碰撞、微觀力效應(yīng)），而不是熱效應(yīng)。離子束加工

10、分類(lèi)離子束加工分類(lèi)離子刻蝕離子刻蝕又稱(chēng)又稱(chēng)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(gè)剝離。其實(shí)質(zhì)是一種原子尺度的切削面原子逐個(gè)剝離。其實(shí)質(zhì)是一種原子尺度的切削加工，納米級(jí)的加工工藝。加工，納米級(jí)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(lèi)離子束加工分類(lèi)離子鍍離子鍍又稱(chēng)又稱(chēng)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(shí)轟擊靶

11、材和工件，氬離子同時(shí)轟擊靶材和工件，形成鍍膜，增強(qiáng)膜材與工件基材的結(jié)合力。形成鍍膜，增強(qiáng)膜材與工件基材的結(jié)合力。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時(shí)進(jìn)行離子鍍。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時(shí)進(jìn)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(jìn)工件表面，改變其化學(xué)成分及性能。離子鉆進(jìn)工件表面，改變其化學(xué)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(diǎn)二、離子束加工的特點(diǎn)1. 進(jìn)行精密微細(xì)加工進(jìn)行精密微細(xì)加工 聚焦掃描逐層去除原子，蝕刻精度達(dá)納米級(jí)，離子鍍聚焦掃描逐層去除原子，蝕刻精度達(dá)納

12、米級(jí)，離子鍍 達(dá)亞微米級(jí)，離子注入可極精確地控制達(dá)亞微米級(jí)，離子注入可極精確地控制2. 微觀撞擊原子去除材料，應(yīng)力變形小，質(zhì)量高微觀撞擊原子去除材料，應(yīng)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(wú)污染，無(wú)氧化真空加工無(wú)污染，無(wú)氧化 特別適于易氧化材料及高純度半導(dǎo)體材料特別適于易氧化材料及高純度半導(dǎo)體材料4. 設(shè)備費(fèi)用貴，成本高，加工效率低設(shè)備費(fèi)用貴，成本高，加工效率低 主要用于精密微細(xì)加工，應(yīng)用受一定局限性主要用于精密微細(xì)加工，應(yīng)用受一定局限性三、離子束加工設(shè)備三、離子束加工設(shè)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(yáng)極陽(yáng)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(dǎo)出子導(dǎo)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(shè)備三、離子束加工設(shè)備四、離子束加工的應(yīng)用四、離子束加工的應(yīng)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(yīng)用四、離子束加工的應(yīng)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(rùn)滑膜鍍潤(rùn)滑膜 飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)飛機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件鍍鉻銀固體潤(rùn)滑膜部件鍍鉻銀固體潤(rùn)滑膜無(wú)油潤(rùn)滑、防腐無(wú)油潤(rùn)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(fù)極接負(fù)

15、極四、離子束加工的應(yīng)用四、離子束加工的應(yīng)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(kuò)散形成確定成分表面合金，與溶解度和擴(kuò)散 性無(wú)關(guān)，無(wú)顯著尺寸變化性無(wú)關(guān)，無(wú)顯著尺寸變化 控制參數(shù)控制參數(shù) 真空度、束流強(qiáng)度、離子種類(lèi)、注入時(shí)間、真空度、束流強(qiáng)度、離子種類(lèi)、注入時(shí)間、 工件溫度等工件溫度等 半導(dǎo)體方面半導(dǎo)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(jié)、結(jié)、 大規(guī)模集成電路等。制造發(fā)光器件、紅外探測(cè)器等大規(guī)模集成電路等。制造發(fā)光器件、紅外探測(cè)器等 耐磨耐蝕潤(rùn)滑性耐磨耐蝕潤(rùn)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(dǎo)離子注入石英玻璃增加折射率，制造光波導(dǎo)四、離子束加工的應(yīng)用四、離子束加工的應(yīng)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(duì)線寬小于，能對(duì)線寬小于0.1m 的精密微細(xì)圖形曝光，在相同抗蝕劑時(shí)，離子的精密微細(xì)圖形曝光，在相同抗蝕劑時(shí)，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(gè)數(shù)量級(jí)高一個(gè)數(shù)量級(jí)以以 上，曝光時(shí)間大為縮短。上，曝光時(shí)間大為縮短。 離子束將成為微細(xì)圖形寫(xiě)圖和復(fù)印的重要手段，離子束將成為微細(xì)圖形寫(xiě)圖和復(fù)印的重要手段， 但目前電子束曝光技術(shù)比較成熟。但目前電子束曝光技術(shù)比較成熟。作業(yè)與思考題作業(yè)與思考題問(wèn)答題問(wèn)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(diǎn)？具有什么特點(diǎn)？ 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(yīng)用范圍如何？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？作原理和應(yīng)用范圍如何？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 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(diǎn)？具有什么特點(diǎn)？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(shù)，材料在計(jì)算機(jī)控制下逐漸累加成形，零成形技術(shù)，材料在計(jì)算機(jī)控制下逐漸累加成形，零件是逐漸生長(zhǎng)

18、出來(lái)的。在工藝原理上是件是逐漸生長(zhǎng)出來(lái)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(xué)陽(yáng)極溶解等與常規(guī)切削加工、電火花蝕除、電化學(xué)陽(yáng)極溶解等“減材法減材法”不同。其特點(diǎn)是整個(gè)工藝過(guò)程建立在激不同。其特點(diǎn)是整個(gè)工藝過(guò)程建立在激光斷層掃描、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)光斷層掃描、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)、高分子技術(shù)、高分子材料等高科技基礎(chǔ)上，可以成形任意復(fù)雜形狀的零材料等高科技基礎(chǔ)上，可以成形任意復(fù)雜形狀的零件，而無(wú)需刀具夾具等生產(chǎn)準(zhǔn)備活動(dòng)，因此工藝先件，而無(wú)需刀具夾具等生產(chǎn)準(zhǔn)備活動(dòng)，因此工藝先進(jìn)，柔性好，生產(chǎn)周期短。進(jìn)，柔性好，生產(chǎn)周期短。 2.2.答：三者都適合于精密、微細(xì)加工，但電子束、離子束加答：三者都適合于精密、微細(xì)加工，但電子束、離子束加工需在真空中進(jìn)行，因此加工表面不會(huì)被氧化、污染，特別工需在真空中進(jìn)行，因此加工表面不會(huì)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(dòng)能，在撞擊工件時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能使材料熔化、氣化換成動(dòng)能，在撞擊工件時(shí)動(dòng)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