第九章電子束和離

1、 1基本原理 電子束加工是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高的電子束，以極高的速度(當(dāng)加速電壓為50V時(shí)，電子速度可達(dá)1.6 X l05km/s)沖擊到工件表面的極小面積上，在極短的時(shí)間（幾分之一微秒）內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，而實(shí)現(xiàn)加工的目的，這種利用電子束熱效應(yīng)的加工，稱為電子束熱加工 電子束加工的另一種是利用電子束流的非熱效應(yīng)。功率密度較小的電子束流和電子膠相互作用，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，產(chǎn)生輻射化學(xué)或物理效應(yīng)，使電子膠的分子鏈被切斷或重新組合而形成分子量的變化以實(shí)現(xiàn)電子束曝光。采用這種方法，可以實(shí)現(xiàn)材料表面

2、微槽或其他幾何形狀的刻蝕加工。 2特點(diǎn) 1)由于電子束能夠極其微細(xì)地聚焦，甚至能聚焦到 O.lum，所以加工面積可以很小，是一種精密微細(xì)的加工方法。微型機(jī)械中的光刻技術(shù)可達(dá)到亞微米級(jí)寬度。 2)電子束能量密度很高，在極微小束斑上能達(dá)到106l09W/cm2，使照射部分的溫度超過材料的熔化和氣化溫度，去除材料主要靠瞬時(shí)蒸發(fā)，是一種非接觸式加工。工件不受機(jī)械力作用，不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形。加工材料范圍很廣，可加工脆性、韌性、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料。 3)由于電子束的能量密度高，而且能量利用率可達(dá)90 以上，因而加工生產(chǎn)率很高。例如，每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個(gè)直徑為0.4mm的孔。厚度

3、為200mm的鋼板，電子束可以4mm/s的速度一次焊透。 4)可以通過磁場或電場對電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制，所以整個(gè)加工過程便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。其位置精度能精確到olum左右，強(qiáng)度和束斑尺寸可達(dá)到1的控制精度。特別是在電子束曝光中，從加工位置找準(zhǔn)到加工圖形的掃描，都可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在電子束打孔和切割時(shí)，可以通過電氣控制加工異形孔，實(shí)現(xiàn)曲面弧形切割等。 5)由于電子束加工在真空中進(jìn)行，因而污染少，加工表面不氧化，特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。 6)電子束加工需要一套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，因而生產(chǎn)應(yīng)用有一定局限性。 二、電子束加工設(shè)備 電子束加

4、工設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)如圖9-2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。 電子槍是獲得電子束的裝置，它包括電子發(fā)射陰極、控制柵極和加速陽極等。陰極經(jīng)電流加熱發(fā)射電子，帶負(fù)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)過加速極加速，又通過電磁透鏡把電子束聚焦成很小的束斑。 發(fā)射陰極一般用鎢或鉭制成，在加熱狀態(tài)下發(fā)射大量電子。小功率時(shí)用鎢或鉭做成絲狀陰極，如圖9-3a所示。大功率時(shí)用鉭做成塊狀陰極，如圖9-3b所示?？刂茤艠O為中間有孔的圓筒形，其上加以較陰極為負(fù)的偏壓，既能控制電子束的強(qiáng)弱，又有初步的聚焦作用。加速陽極通常接地，而陰極為很高的負(fù)電壓，所以能驅(qū)使電子加速。 真空

5、系統(tǒng)是為了保證在電子束加工時(shí)維持1.33 x10-21.33 X l0-4Pa的真空度，、以避免電子與氣體分子之間的碰撞，確保電子高速運(yùn)動(dòng)。此外，加工時(shí)的金屬蒸汽會(huì)影響電子發(fā)射，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，也需要不斷地把加工中產(chǎn)生的金屬蒸汽抽出去。真空系統(tǒng)一般由機(jī)械旋轉(zhuǎn)泵和油擴(kuò)散泵或渦輪分子泵兩級(jí)組成，先用機(jī)械旋轉(zhuǎn)泵把真空室抽至1.40.14Pa，然后由油擴(kuò)散泵或渦輪分子泵抽至0.0140.00014Pa的高真空度。 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(qiáng)度控制、工作臺(tái)位移控制、束流通斷時(shí)間控制、束流偏轉(zhuǎn)控制以及電磁透鏡控制等幾個(gè)部分。 三、電子束加工的應(yīng)用 電子束加工可用于

6、打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和曝光加工等。圖9-4所示為電子束加工的應(yīng)用范圍。 1打孔 電子束打孔已在航空航天、電子、化纖以及制革等工業(yè)生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用，目前最小直徑可達(dá)O.OOlmm左右。孔徑在0.50.9mm時(shí)，其最大孔深已超過10mm，即孔的深徑比大于10：1。在厚度為0.3mm的材料上加工出直徑為O.lmm的孔，其孔徑公差為9um。打孔的速度主要取決于板厚和孔徑，孔的形狀復(fù)雜時(shí)還取決于電子束掃描速度（或偏轉(zhuǎn)速度）以及工件的移動(dòng)速度。通常每秒可加工幾十到幾萬個(gè)孔。 圖9-5所示為電子束加工的噴絲頭異型孔截面的一些實(shí)例。出絲口的窄縫寬度為0.030.07mm，長度為0.8mm，噴絲板厚

7、度為0.6mm。為了使人造纖維具有光澤、松軟有彈性、透氣性好，噴絲頭的異型孔都是特殊形狀的。用電子束切割的復(fù)雜型面，其切口寬度為6- 3um，邊緣表面粗糙度可控制在0.5um。 用電子束加工玻璃、陶瓷、寶石等脆性材料時(shí)，由于在加工部位的附近有很大溫差，容易引起變形甚至破裂，所以在加工前或加工時(shí)，需用電阻爐或電子束進(jìn)行預(yù)熱。 電子束不僅可以加工各種直的型孔（包括錐孔和斜孔）和型面，而且也可以加工彎孔和曲面。利用電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)的原理，使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，即可加工出斜孔?？刂齐娮铀俣群痛艌鰪?qiáng)度，即可控制曲率半徑，加工出彎曲的孔。如果同時(shí)改變電子束和工件的相對位置，就可進(jìn)行切割和開槽。 燃燒室

8、混氣板及某些透平葉片需要大量的不同方向的斜孔，使葉片容易散熱，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。如某種葉片需要打斜孔30000個(gè)，使用電子束加工能廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)。燃?xì)廨啓C(jī)上的葉片、混氣板和蜂房消音器等三個(gè)重要部件已用電子束打孔代替電火花打孔。 2焊接 電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。當(dāng)高能量密度的電子束 轟擊焊件表面時(shí)，使焊件接頭處的金屬熔融，在電子束連續(xù)不斷地轟擊下，形成一個(gè)被熔融金屬環(huán)繞著的毛細(xì)管狀的熔池。如果焊件按一定速度沿著焊件接縫與電子束作相對移動(dòng)，則接縫上的熔池由于電子束的離開而重新凝固，使焊件的整個(gè)接縫形成一條焊縫。 由于電子束的束斑尺寸小，能量密度高，焊接速度快，所以電子束焊

9、接的焊 縫深而窄，焊件熱影響區(qū)極小；工件變形小，焊縫的物理性能好。電子束焊接一般不用焊條，焊接過程在真空中進(jìn)行，因此焊縫化學(xué)成分純凈，焊接接頭的強(qiáng)度 往往高于母材。 電子束可焊接的材料范圍很廣。它除了適合于焊接普通的碳鋼、合金鋼、不 銹鋼外，更有利于焊接高熔點(diǎn)金屬（如鉭、鉬、鎢、鈦等及其合金）和活潑金屬（如 鋯、鈦、鈮等），還可焊接異種金屬材料、半導(dǎo)體材料以及陶瓷和石英材料等，如銅和不銹鋼的焊接，鋼和硬質(zhì)合金的焊接等。 由于電子束焊接對焊件的熱影響小、變形小，故可以在工件精加工后進(jìn)行焊接。又由于它能夠?qū)崿F(xiàn)異種金屬焊接，所以就有可能將復(fù)雜的工件分成幾個(gè)零件。這些零件可以單獨(dú)地使用最合適的材料，采

10、用合適的方法來加工制造，最后利用電子束焊接成一個(gè)完整的零部件，從而可以獲得理想的使用性能和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 。例如，可變后掠翼飛機(jī)的中翼盒長達(dá)6.7m，壁厚12.7- 57mm，鈦合金小零件可以用電子束焊接制成，共70道焊縫，僅此一項(xiàng)工藝就減輕飛機(jī)重量270kg。 大型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金機(jī)匣，壁厚1.8-69.8mm，外徑2.4m，是發(fā)動(dòng)機(jī)中最大、加工最復(fù)雜、成本最高的部件。采用電子束焊接后，節(jié)約了材料和工時(shí)，成本降低40 。 此外，登月艙的鈹合金框架和制動(dòng)引擎中的64個(gè)零部件也都采用了電子束焊接。 3熱處理 電子束熱處理是把電子束作為熱源，并適當(dāng)控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔

11、化，達(dá)到熱處理的目的。電子束熱處理的加熱速度和冷卻速度都很高，在相變過程中，奧氏體化時(shí)間很短，只有幾分之一秒乃至千分之一秒，奧氏體晶粒來不及長大，從而能獲得一種超細(xì)晶粒組織，可使工件獲得用常規(guī)熱處理不能達(dá)到的硬度。 與激光熱處理相比，電子束的電熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90% ，而激光的轉(zhuǎn)換效率只有7% -10%。電子束熱處理在真空中進(jìn)行，可以防止材料氧化，而且電子束設(shè)備的功率可以做得比激光功率大，所以電子束熱處理工藝發(fā)展前景看好。 用電子束加熱金屬使之表面熔化后，可在熔化區(qū)內(nèi)加入添加元素，使金屬表面形成一層很薄的新的合金層，從而獲得更好的物理力學(xué)性能。其中，鑄鐵的電子束熔化處理可以產(chǎn)生非常細(xì)的萊氏體組織

12、，其優(yōu)點(diǎn)是抗滑動(dòng)磨損性能好。研究表明，鋁、鈦、鎳的各種合金幾乎均可進(jìn)行添加元素處理，從而使其耐磨性能大大提高。 電子束曝光是先利用低功率密度的電子束照射稱為電致抗蝕劑的高分子材料，由入射電子與高分子相碰撞，使分子鏈被切斷或重新聚合而引起分子量的變化，這一步驟也稱為電子束光刻。通常將它作為集成電路、微電子器件以及微型機(jī)械元器件的刻蝕前置工序 9-6a所示，如果按規(guī)定圖形進(jìn)行電子束曝光，就會(huì)在電致抗蝕劑中留下潛像。然后將它浸入適當(dāng)?shù)娜軇┲?，則由于分子量不同而溶解度不一樣，就會(huì)使?jié)撓耧@影出來，如圖9-6b所示。將光刻與離子束刻蝕或蒸鍍工藝結(jié)合，見圖9-6c、d，就能在金屬掩模或材料表面上制作出圖形來

13、，見圖9-6e 電子束曝光主要分為兩類：掃描電子束曝光，又稱電子束線曝光；投影電子束曝光，又稱電子束面曝光。線曝光是將聚焦到小于1um的電子束斑在大約0.5- 5mm的范圍內(nèi)自動(dòng)掃描，可曝光出任意形狀的圖形。早期的掃描電子束曝光采用圓形束斑。為提高生產(chǎn)率又研制出方形束斑，其曝光面積是圓形束斑的25倍。后來發(fā)展的可變成形束，其曝光速度比方形束又提高2倍以上。 一、離子束加工的基本原理和特點(diǎn) 1基本原理 離子束加工是利用離子束對材料進(jìn)行成形或表面改性的加工方法。在真空條件下，將由離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)過電場加速，獲得具有一定速度的離子投射到材料表面，產(chǎn)生濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。由于離子帶正電荷，-其質(zhì)量比

14、電子大數(shù)千、數(shù)萬倍，所以離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量來加工的。 離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。具有一定動(dòng)能的離子斜射到工件材料（靶材）表面時(shí)，可以將表面的原子撞擊出來，這就是離子的撞擊效應(yīng)和濺射效應(yīng)。如果將工件直接作為離子轟擊的靶材，工件表面就會(huì)受到離子刻蝕。如果將工件放置在靶材附近，靶材原子就會(huì)濺射到工件表面而被濺射沉積吸附，使工件表面鍍上一層靶材原子的薄膜。如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時(shí)，離子就會(huì)鉆進(jìn)工件表面，這就是離子的注入效應(yīng)。 2特點(diǎn) 1)加工精度高，易精確控制。離子束可以通過離子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦

15、掃描，共聚焦光斑可達(dá)1um以內(nèi)，因而可以精確控制尺寸范圍。離子束轟擊材料是逐層去除原子，所以離子刻蝕可以達(dá)到毫微米(O.OOlum)級(jí)的加工精度。離子鍍膜可以控制在亞微米級(jí)精度，離子注入的深度和濃度也可極精確地控制。 2)污染少。離子束加工在高真空中進(jìn)行，污染少，特別適合于加工易氧化的金屬、合金及半導(dǎo)體材料。 3)加工應(yīng)力、變形極小。離子束加工是一種原子級(jí)或分子級(jí)的微細(xì)加工，作為一種微觀作用，其宏觀壓力很小，適合于各類材料的加工，而且加工表面質(zhì)量高。 二、離子束加工設(shè)備 離子束加工設(shè)備與電子束加工設(shè)備相似，包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等四個(gè)部分。但對于不同的用途，離子束加工設(shè)備有所不同

16、。 離子源又稱離子槍，用以產(chǎn)生離子束流。其基本工作原理是將待電離氣體注入電離室，然后使氣態(tài)原子與電子發(fā)生碰撞而被電離，從而得到等離子體。等離子體是多種離子的集合體，其中有帶電粒子和不帶電粒子，在宏觀上呈電中性。采用一個(gè)相對于等離子體為負(fù)電位的電極（吸極），將離子由等離子體中引出而形成離子束流，而后使其加速射向工件或靶材。 三、離子束加工的應(yīng)用 目前，用于改變零件尺寸和表面物理力學(xué)性能的離子束加工技術(shù)主要有以下四種，即利用離子撞擊和濺射效應(yīng)的離子束刻蝕、離子濺射鍍膜和離子鍍，以及利用離子注入效應(yīng)的離子注入。 1離子束刻蝕加工 離子束刻蝕是通過用能量為0.5- 5keV的離子轟擊工件，將工件材料原

17、子從工件表面去除的工藝過程，是一個(gè)撞擊濺射過程。為了避免入射離子與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必須用惰性元素的離子。氬氣的原子序數(shù)高，價(jià)格便宜，所以通常用氬離子進(jìn)行轟擊刻蝕。 ，離子束刻蝕在高精度加工、表面拋光、圖形刻蝕、電鏡試樣制備、石英晶體振蕩器以及各種傳感器件的制作等方面應(yīng)用較為廣泛。離子束刻蝕加工可達(dá)到很高的分辨率，適于刻蝕精細(xì)圖形，實(shí)現(xiàn)高精度加工。離子束刻蝕加工小孔的優(yōu)點(diǎn)是孔壁光滑，鄰近區(qū)域不產(chǎn)生應(yīng)力和損傷，而且能加工出任意形狀的小孔 離子束刻蝕用于加工陀螺儀空氣軸承和動(dòng)壓馬達(dá)上的溝槽，分辨率高、精度高、重復(fù)性好，加工非球面透鏡能達(dá)到其他方法不能達(dá)到的精度。 離子束刻蝕應(yīng)用的另一個(gè)方面是圖

18、形刻蝕，如集成電路、聲表面波器件、磁泡器件、光電器件和光集成器件等微電子學(xué)器件的亞微米圖形。 2離子鍍膜加工 離子鍍膜加工包括濺射鍍膜和離子鍍兩種方式。 (1)離子濺射鍍膜 離子濺射鍍膜是基于離子濺射效應(yīng)的一種鍍膜工藝，不同的濺射技術(shù)所采用的放電方式是不同的。 而磁控濺射具有高速、低溫、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，鍍膜速度快，基片溫升小，沒有高能電子轟擊基片所造成的損傷，故其實(shí)際應(yīng)用更為廣泛。 (2)離子鍍 離子鍍是在真空蒸鍍和濺射鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鍍膜技術(shù)。離子鍍時(shí)，工件不僅接受靶材濺射來的原子，還同時(shí)接受離子的轟擊。這種離子流的組成可以是離子，也可以是通過能量交換而形成的高能中性離子。這種轟擊使

19、界面和膜層的性質(zhì)發(fā)生某些變化，如膜層對基片的附著力、覆蓋情況、密度以及內(nèi)應(yīng)力等，從而使離子鍍具有許多優(yōu)點(diǎn)。 離子鍍的可鍍材料相當(dāng)廣泛，可在金屬或非金屬表面上鍍制金屬或非金屬材料，各種合金、化合物、某些合成材料、半導(dǎo)體材料、高熔點(diǎn)材料均可鍍覆。目前，離子鍍技術(shù)已用于鍍制耐磨膜、耐熱膜、耐蝕膜、潤滑膜和裝飾膜等。 由于離子鍍所得到的TiN、TaN、TaC、VN等膜層都具有與黃金相似的色澤，但價(jià)格只有黃金的1/60，再加上良好的耐磨性和耐蝕性，人們將其作為裝飾層。目前，手表帶、表殼、裝飾品、餐具等金黃色鍍膜裝飾已完全商品化。 3離子注入加工 離子注入是將工件放在離子注入機(jī)的真空靶中，在幾十至幾百千伏

20、的電壓下，把所需元素的離子注入工件表面。離子注入工藝比較簡單。它不受熱力學(xué)限制，可以注人任何離子，而且注入量可以精確控制。注入的離子固溶于工件材料中，含量可達(dá)10 - 40 ，注入深度可達(dá)1um甚至更深。 由于離子注入本身是一種非平衡技術(shù)，它能在材料表面注入互不相溶的雜質(zhì)而形成一般冶金工藝所無法制得的一些新的合金。不管基體性能如何，它可在不犧牲材料整體性能的前提下，使其表面性能優(yōu)化，而且不產(chǎn)生任何顯著的尺寸變化。但是，離子注入的局限性在于它是一個(gè)直線轟擊表面的過程，不適合處理復(fù)雜的凹入的表面樣品。 除了常規(guī)的離子注入工藝之外，近年來又發(fā)展了幾種新的工藝方法，如反沖注入法、轟擊擴(kuò)散鍍層法、動(dòng)態(tài)反沖法以及離子束混合法等，從而使得離子注入加工技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛。 離子注入在半導(dǎo)體方面的應(yīng)用，目