第六章 电子束和离子束加工 第一节 电子束加工 Electron Beam Machining, EBM 第二节 离子束加工 Ion Beam Machining, IBM,第一节 电子束加工 一、电子束加工的原理和特点 二、电子束加工装置 三、电子束加工的应用,一、电子束加工的原理和特点 （一）电子束加工的原理 （二）电子束加工的特点,（一）电子束加工的原理 电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。 根据电子束能量密度的大小和能量注入时间，可实现：热处理 焊接 打孔、切割 电子束光刻加工,（二）电子束加工的特点 1）由于电子束能够极其微细的聚焦，甚至能聚焦到0.1um，所以加工面积可以很小，是一种精密细微的加工方法。 2）电子束能量密度很高，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，不产生宏观应力和变形。加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。,3）电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上加工50个直径为0.4mm的孔。 4）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，所以整个加工过程便于实现自动化。特别是在电子束曝光中，从加工位置找准到加工图形的扫描，都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异型孔，实现曲面弧形切割等。,5）由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不会氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。 6）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。,二、电子束加工装置 （一）电子枪 （二）真空系统 （三）控制系统和电源,（一）电子枪 发射阴极（钨、钽）、控制栅极、加速阳极 电磁透镜,（二）真空系统 电子高速运动 金属蒸汽 机械旋转泵 油扩散泵或涡轮分子泵,（三）控制系统和电源 束流聚焦控制 为了提高电子束的能量密度，使电子束聚焦成很小的束斑，它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。 利用高压静电场 电磁透镜 电磁线圈 轴向磁场 端面径向磁场,束流位置控制 电子束方向 电磁偏转 偏转电压或电流 程序控制 电子束焦点运动轨迹 束流强度控制,工作台位移控制 电子束偏转距离只能在数毫米之内，过大将增加像差和影响线性 电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常用稳压设备，这是因为电子束聚焦以及阴极的发射强度与电压波动有密切关系。,三、电子束加工的应用 （一）高速打孔 （二）加工型孔及特殊表面 （三）刻蚀 （四）焊接 （五）热处理 （六）光刻,（一）高速打孔 最小直径可达0.003mm左右。发动机套上的冷却孔 机翼吸附屏上的孔 孔的密度和直径可以变化，孔数达数百万个。在0.1mm厚的不锈钢上加工直径为0.2mm的孔，每秒钟可达3000个。,在人造革、塑料上打大量微孔，将电子枪发射的片状电子束分成数百条小电子束同时打孔，每秒可打50000个，孔径12040um可调。 电子束还能加工小深孔，如在叶片上打深度为5mm、直径0.4mm的孔，深径比大于10。 加工玻璃、陶瓷、宝石 温差 变形、破裂 用电阻炉或电子束进行预热。,（二）加工型孔及特殊表面 加工喷丝头异型孔,切割种复杂型面 切口宽度，边缘表面粗糙度0.5 离心过滤机、造纸化工过滤设备钢板上的小锥孔 防止堵塞 反冲清洗 燃烧室混气板及某些透平叶片上不同方向的斜孔 燃气轮机上的叶片、混气板和蜂房消音器上的孔,也可以加工弯孔和曲面,（三）刻蚀 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。还可在加工过程中对电阻值进行测量校准。 电子束刻蚀还可用于制版，在铜制印刷滚筒上按色调深浅刻出许多大小与深浅不一的沟槽或凹坑。,（四）焊接 高能量密度的电子束 毛细管状的熔池，沿着焊缝与电子束做相对运动 能量密度高，焊接速度快，焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。不用焊条，真空中进行，焊缝化学成分纯净，强度高于母材。,可焊接钽、铌、钼等难熔金属，也可焊接钛、锆、铀等活泼金属， 可焊接普通碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝，可焊接很薄和很厚的工件 可实现异种金属的焊接 如铜和不锈钢的焊接 钢和硬质合金的焊接 铬、镍和钼的焊接等。 热影响小、变形小，工件精加工后焊接，可将复杂的零件分成几个零件进行加工，单独使用最合适的材料，然后用电子束焊接到一起。,（五）热处理 加热和冷却速度很快，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒到千分之一秒，可得到奥氏体超细晶粒组织 高硬度 跟激光相比，热转换效率高，防止材料氧化，功率比激光功率大。 金属达到表面熔化，可在熔化区添加元素，使金属表面改性，形成新的合金层，获得更好的物理力学性能。 铸铁熔化处理 莱氏体组织 抗滑动磨损 铝、钛、镍 添加元素 耐磨性能,（六）光刻 用低功率密度的电子束照射电致抗蚀剂，由于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，留下潜像，然后显影、蒸镀、离子刻蚀，去掉抗蚀剂，留下图形。 可用于加工集成电路 精密印刷版等。,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 （二）离子束加工分类 （三）离子束加工的特点,（一）离子束加工的原理和物理基础 离子带正电荷，质量比电子大成千上万倍，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。,（二）离子束加工分类 离子刻蚀 离子溅射沉积 离子镀 离子注入,（三）离子束加工的特点 （1）由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击材料是逐层去除原子，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纳米级的加工精度。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的控制。因此，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，是当代纳米加工技术的基础。,（2）由于离子束加工是在高真空中进行，所以污染少，特别适用用对易氧化的金属、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高、成本高，加工效率低，因此应用范围受到一定限制。,二、离子束加工装置 离子束加工装置与电子束加工装置类似，它也包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。主要的不同部分是离子源系统。 离子源用以产生离子束流。产生离子束流的基本原理和方法是使原子电离。具体办法是把要电离的气态原子注入电离室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击，使气态原子电离为等离子体。用一个相对于等离子体为负电位的电极，就可以从等离子体中引出正离子束流。,（一）考夫曼型离子源 （二）双等离子体型离子源,三、离子束加工的应用 （一）刻蚀加工 （二）镀膜加工 （三）离子注入加工,（一）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。 原子间键合力 惰性元素 氩气 原子序数高 价格便宜 逐个原子剥离 微米或亚微米级 蚀除速度很低 每秒一层到几十层原子,刻蚀加工时，对离子入射能量、束流大小、离子入射到工件上的角度以及工作室气压等都能分别调节控制。用氩离子轰击被加工表面时，其效率取决于离子能量和入射角度。 离子能量从100eV到1000eV增加时，刻蚀率增加，而后增加速率逐渐减慢。 离子刻蚀率随入射角增加而增加，但入射角增大会使表面有效束流减小，一般入射角在4060度时刻蚀效率最高。,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。,航天、航空中动压马达止推板和陀螺马达轴上的精密槽线,刻蚀高精度的图形，如集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图形 由波导、耦合器和调制器等小型光学元件组合制成的光路称为集成光路。 离子束刻蚀已用于制作集成光路中的光栅和波导。,轰击被机械磨光的玻璃，形成极光滑的表面，改变其折射率分布，使之具有偏光作用。 轰击玻璃纤维，变为具有不同折射率的光导材料。 使太阳能电池表面具有非反射纹理表面。,离子束刻蚀还用来致薄材料，用于致薄石英晶体振荡器和压电传感器。致薄探测器探头，可以提高其灵敏度。 用于致薄样品，进行表面分析，例如可以致薄月球岩石样品，从10微米致薄到10纳米。 能在纳米厚的Au-Pa膜上刻出纳米宽的线条。,（二）镀膜加工 离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀时工件不仅接受靶材溅射来的原子，还同时受到离子的轰击，这使离子镀具有许多独特的优点。,离子镀膜附着力强、膜层不易脱落。 清洗掉表面的沾污和氧化物 提高工件表面附着力 形成混合过渡层 减少膜材与基材热膨胀系数不同而产生的热应力，增强两者的结合力，使膜层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。,绕射性好，使基板的所有暴露的表面均能被镀覆。 离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，各种合金、化合物、某些合成材料、半导体材料、高熔点材料均可镀覆。,离子镀技术已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等 氮化钛18金镀膜 耐磨性 耐腐蚀性 价格1/60 用于首饰、景泰蓝、金笔套、餐具等。 离子镀代替镀硬铬，可减少公害。 航空工业中可采用离子镀铝代替飞机部件镀镉。 用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具的耐用度。 可用于处理齿轮滚刀、铣刀,离子镀的种类有很多，常用的离子镀是以蒸发镀膜为基础的，即在真空中使被蒸发物质气化，在气体离子或被蒸发物质离子冲击作用的同时，把蒸发物蒸镀在基体上。空心阴极放电离子镀效率高、膜层质量好。,（三）离子注入加工 离子注入是向工件表面直接注入离子，它不受热力学限制，可以注入任何离子，并且注入量可以精确控制。 用硼、磷等注入半导体，用以改变导电形式和制造P-N结。由于离子注入的数量、 P-N结的含量、注入的区域都可以精确控制，可以满足热扩散法难以达到的要求。,离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，制得新的合金从而改善金属表面的耐腐蚀性能、耐磨性能、硬度、抗疲劳性能、润滑性能等。,离子注入对金属表面进行掺杂，是在非平衡状态下进行的，能注入互不相容的杂质而形成一般冶金工艺无法制得的一些新的合金。如将注入到低温的Cu靶中，可以得到W-Cu合金。,离子注入可以提高材料的耐蚀性。例如把Cr注入Cu，能得到一种新的亚稳态的表面相，从而改善耐蚀性。 离子注入还能改善金属材料的抗氧化性能。,离子注入可以改善金属材料的耐磨性能。例如在低碳钢中注入、等，在磨损过程中，表面局部温升形成温度梯度，使注入离子向衬底扩散，同时注入离子又被表面的错位网络限制，不能推移很深。这样，在材料磨损过程中，不断在表面形成硬化层，提高了耐磨性。,离子注入可以提高金属材料的硬度，这是因为注入离子及其凝集物将引起材料晶格畸变、缺陷增多的缘故。例如在纯铁中注入，其显微硬度可提高20。用硅注入铁，可形成马氏体结构的强化层。,离子注入可以改善金属材料的润滑性能，这时因为离子注入表层，在相对摩擦过程中，注入离子起到润滑作用，提高材料的使用寿命。例如在碳化钨中注入、可延长其工作寿命。,离子注入还可以制造光波导，改善磁泡材料性能、制造超导性材料。例如在铌导线表面注入锡，可在其表面生成超导性材料Nb3Sn。,.电子束加工的原理是什么？ .离子束加工的