第六章節(jié)電子束和離子束加工

1、第六章節(jié)電子束和離子束加工一一. 電子束加工原理和特點電子束加工原理和特點（一）加工原理（一）加工原理電子束加工是利用高速電子的沖擊動能來加工工件的，如圖6-1所示。在真空條件下，將具有很高速度和能量的電子束聚焦到被加工材料上，電子的動能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使材料局部瞬時熔融、汽化蒸發(fā)而去除。6.1電子束加工控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，就可以達到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進行電子束熱處理電子束熱處理；使材料局部熔化就可以進行電子電子束焊接束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進行打孔、切割打孔、切割等加工；利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時產(chǎn)生化學(xué)變化

2、的原理，即可進行電子束光刻加工電子束光刻加工。（二）電子束加工特點（二）電子束加工特點(1)可進行微細加工。(2)非接觸式加工。(3)電子束的能量密度高，加工效率高。（4）整個加工過程便于實現(xiàn)自動化。(5)加工在真空中進行，污染少，加工表面不易被氧化。（6）電子束加工需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價格較貴。二二. 電子束加工裝置電子束加工裝置電子束加工裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分組成。（一）電子槍電子槍是獲得電子束的裝置。陰極經(jīng)電流加熱發(fā)射電子，帶負電荷的電子高速飛向帶高電位的陽極，在飛向陽極的過程中，經(jīng)過加速電極加速，又通過電磁透鏡把電子束聚焦成很小

3、的束斑。（二）真空系統(tǒng)只有在高真空中，電子才能高速運動，此外，加工時的金屬蒸汽會影響電子發(fā)射，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，需要不B9f地把加工中生產(chǎn)的金屬蒸汽抽出去。抽真空時，先用機械旋轉(zhuǎn)泵把真空室抽至1.4一0.14Pa，然后由油擴散泵或禍輪分子泵抽至0.0140.00014Pa的高真空度。（三）控制系統(tǒng)和電源電子束加工裝置的控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強度控制以及工作臺位移控制等。工作臺位移控制是為了在加工過程中控制工作臺的位置。三三.電子束加工的應(yīng)用電子束加工的應(yīng)用（一）高速打孔電子束打孔已在生產(chǎn)中實際應(yīng)用，目前最小直徑可達0.003mm左右。例如噴氣發(fā)動機套上的冷卻孔，機翼上

4、的孔，不僅孔的密度可以連續(xù)變化，孔數(shù)達數(shù)百萬個，而且有時還可改變孔徑。高速打孔可在工件運動中進行，例如在0.1mm厚的不銹鋼上加工直徑為0.2mm的孔，速度為每秒3000孔。在人造革、塑料上用電子束訂大量微孔，可使其具有如真皮革那樣的透氣性?，F(xiàn)在生產(chǎn)上已出現(xiàn)了專用塑料打孔機，將電子槍發(fā)射的片狀電子束分成數(shù)百條小電子束同時打孔，其速度可達每秒50000孔，孔徑12040微米可調(diào)。（二）加工型孔及特殊表面圖電子束加工的噴絲頭異型孔截面的一些實例。出絲口的窄縫寬度為0.03-0.07mm，長度為0.80mm，噴絲板厚度0.6mm。為了使人造纖維具有光澤、松軟有彈性、透氣性好，噴絲頭的異型孔那是特殊形

5、狀的。（三）刻蝕（三）刻蝕在微電子器件生產(chǎn)中，為了制造多層固體組件，可利用電子束對陶瓷或半導(dǎo)體材料刻出許多微細溝槽和孔來，如在硅片上刻出寬2.5微米、深0.25微米的細槽，在混合電路電阻的金屬鍍層上刻出40微米寬的線條。（四）焊接（四）焊接電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。由于電子束的能量密度高，焊接速度快，所以電子束焊接的焊縫深而窄，熱影響區(qū)小，變形小。電子束焊接一般不用焊條，焊接過程在真空中進行，因此焊縫化學(xué)成分純凈，焊接接頭的強度往往高于母材焊接接頭的強度往往高于母材。電子束焊接可以焊接難熔金屬如鉭、鈮、鉬等，也可焊接鈦、鋯、鈾等化學(xué)性能活潑的金屬。它可焊接很薄工可焊接很薄工

6、件，也可焊接幾百毫米厚的工件。件，也可焊接幾百毫米厚的工件。 電子束焊接還能電子束焊接還能完成一般焊接方法難以實現(xiàn)的異種金屬焊接。完成一般焊接方法難以實現(xiàn)的異種金屬焊接。如銅和不銹鋼的焊接，鋼和硬質(zhì)合金的焊接，（五）熱處理（五）熱處理電子束熱處理也是把電子束作為熱源但適當(dāng)控制電子束的功率密度使金屬表面加熱而不熔化，達到熱處理的目的。電子束熱處理在真空中進行，可以防止材料氧化。（六）光刻六）光刻電子束光刻先利用低功率的電子束照射高分子材電子束光刻先利用低功率的電子束照射高分子材料，由入射電子束與高分子相碰撞，經(jīng)電子曝料，由入射電子束與高分子相碰撞，經(jīng)電子曝光后，在高分子材料中留下潛像。光后，在高

7、分子材料中留下潛像。6.2 離子束加工（離子束加工（ion beam machiningion beam machining，IBMIBM）一、原理、分類和特點離子束加工是在真空條件下利用離子源（離子槍）產(chǎn)生的離子經(jīng)加速聚焦形成高能的離子束流投射到工件表面，使材料變形、破壞、分離以達到加工目的。因為離子帶正電荷且質(zhì)量是電子的千萬倍，且加速到較高速度時，具有比電子束大得多的撞擊動能，因此，離子束撞擊工件將引起變形、分離、破壞等機械作用，而不像電子束是通過熱效應(yīng)進行加工。 離子束加工方式包括離子蝕刻、離子鍍膜及離子濺射沉離子束加工方式包括離子蝕刻、離子鍍膜及離子濺射沉積和離子注入等。積和離子注入等

8、。1離子刻蝕當(dāng)所帶能量為當(dāng)所帶能量為0.10.15keV5keV、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟擊工件表面時，此高能離子所傳遞的能量超過工件表面原子擊工件表面時，此高能離子所傳遞的能量超過工件表面原子（或分子）間鍵合力時，材料表面的原子（或分子）被逐個（或分子）間鍵合力時，材料表面的原子（或分子）被逐個濺射出來，以達到加工目的。這種加工本質(zhì)上屬于一種原子濺射出來，以達到加工目的。這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度的切削加工，通常又稱為離子銑削。尺度的切削加工，通常又稱為離子銑削。離子束刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料離子束刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽

9、、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡，還可用于刻蝕集成電路等的高精度及超高精度非球面透鏡，還可用于刻蝕集成電路等的高精度圖形。圖形。2離子濺射沉積采用能量為采用能量為0.10.15keV5keV的氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將的氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜。靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜。實際上此法為一種鍍膜工藝。實際上此法為一種鍍膜工藝。3）離子鍍膜離子鍍膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉積，另一方面還有高速離子鍍膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉積，另一方面還有高速中性粒子打擊工件表面以增強鍍層與基材之間的

10、結(jié)合力（可達中性粒子打擊工件表面以增強鍍層與基材之間的結(jié)合力（可達101020MPa20MPa），），此法適應(yīng)性強、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快，目前已獲得廣泛應(yīng)此法適應(yīng)性強、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快，目前已獲得廣泛應(yīng)用。用。4）離子注入用用5 5500keV500keV能量的離子束，直接轟擊工件表面，由于離子能量相當(dāng)大，可使離子能量的離子束，直接轟擊工件表面，由于離子能量相當(dāng)大，可使離子鉆進被加工工件材料表面層，改變其表面層的化學(xué)成分，從而改變工件表面層鉆進被加工工件材料表面層，改變其表面層的化學(xué)成分，從而改變工件表面層的機械物理性能。的機械物理性能。此法不受溫度及注入何種元素及

11、粒量限制，可根據(jù)不同需求注入不同離子（如磷、此法不受溫度及注入何種元素及粒量限制，可根據(jù)不同需求注入不同離子（如磷、氮、碳等）。氮、碳等）。注入表面元素的均勻性好，純度高，其注入的粒量及深度可控制，但設(shè)備費用大、注入表面元素的均勻性好，純度高，其注入的粒量及深度可控制，但設(shè)備費用大、成本高、生產(chǎn)率較低。成本高、生產(chǎn)率較低。特點特點離子束加工有如下特點：(1)離子束加工是目前特種加工中最精密、最微細的加工。離子刻蝕可達納米級精度，離子鍍膜可控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。(2)離子束加工在高真空中進行，污染少，特別適宜于對易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進行加工。(3)離子

12、束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實現(xiàn)的，是一種微觀作用，所以加工應(yīng)力和變形極小，適宜于對各種材料和低剛件零件進行加工。（4）離子束加工設(shè)備費用貴，成本高，加工效率低，應(yīng)用受到限制。在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，離子束加工主要應(yīng)用于刻蝕加工(如加工空氣軸承的溝槽，加工極薄材料等)、鍍膜加工(如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材料)、注入加工(如某些特殊的半導(dǎo)體器件)等。二、離子束加工裝置二、離子束加工裝置包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。離子源產(chǎn)生離子束流。形式多樣，常有考夫曼型離子源和雙等離子管型離子源。三、離子束加工的應(yīng)用三、離子束加工的應(yīng)用（一）刻蝕加工（一）刻蝕加工離子刻蝕是從工件上去除材料，是一個撞擊濺射的過程。當(dāng)離子束轟擊工件時，入射離子的動量傳遞到工件表面的原子，當(dāng)傳遞能量超過了原子間的鍵合力時，原子就從工件表面撞擊濺射出來，達到刻蝕目的。（二）鍍膜加工（二）鍍膜