離子束加工原理特點(diǎn)及其應(yīng)用研究

1、本科課程論文題 目離子束加工原理特點(diǎn)及其應(yīng)用研究 學(xué) 院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 年 級(jí) 2012 學(xué) 號(hào) 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 成 績(jī) 2014年 12 月 10 日目錄1 前言12 離子束加工的原理23 離子束加工的優(yōu)缺點(diǎn)23.1離子束加工的優(yōu)點(diǎn)2加工精度高2污染少、無氧化3對(duì)材料影響小33.2離子束加工的缺點(diǎn)34 離子束加工的分類34.1離子蝕刻34.2離子濺射沉積34.3離子鍍34.4離子注入45離子束加工的主要應(yīng)用45.1刻蝕加工的定義及具體應(yīng)用領(lǐng)域4刻蝕加工的定義4刻蝕加工的應(yīng)用領(lǐng)域45.2離子鍍膜加工的定義及具體應(yīng)用4離子鍍膜加工的定義4離子鍍膜加工的具體應(yīng)用45.3離

2、子注入加工的定義及具體應(yīng)用56離子束加工應(yīng)用現(xiàn)狀57結(jié)語5參考文獻(xiàn)6離子束加工原理特點(diǎn)及其應(yīng)用研究 摘 要:本文分析離子束加工的原理特點(diǎn)，闡述了離子束加工作為加工精度最高的特種加工方法在微電子學(xué)領(lǐng)域中特別是納米加工的重要性。離子束加工按照其所利用的物理效應(yīng)和達(dá)到的目的不同，可以分為四類，即離子蝕刻、離子濺射沉積和離子鍍，離子注入。離子束加工作為最近幾年才發(fā)展起來的特種加工方法，極大的拓寬了人類對(duì)微細(xì)材料領(lǐng)域的探索；但是離子束加工的潛力還有待繼續(xù)挖掘；目前因?yàn)榧庸ぴO(shè)備費(fèi)用貴，成本搞，加工效率低，一些技術(shù)還處于研發(fā)階段等問題，離子束加工還未能普及。但我們相信未來離子束加工必將被廣泛應(yīng)用，為人類發(fā)展

3、帶來更多的貢獻(xiàn)。關(guān)鍵詞：離子束加工 原理 分類 現(xiàn)狀1 前言特種加工是現(xiàn)代先進(jìn)制造工程技術(shù)中較為重要和實(shí)用的新技術(shù)之一，而且獲得了較為廣泛的應(yīng)用，它是我國(guó)從制造大國(guó)過渡到制造強(qiáng)國(guó)的重要技術(shù)手段之一。經(jīng)過最近十幾年的迅猛發(fā)展，各種特種加工方法在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，無論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外電加工機(jī)床年產(chǎn)量的年平均增長(zhǎng)率均打打高于金屬切削機(jī)床的增長(zhǎng)率。作為近年來獲得較大發(fā)展的新興特種加工方式，離子加工極高的加工精度和加工質(zhì)量在精密微細(xì)加工方面，尤其是在微電子學(xué)領(lǐng)域中得到了較多的應(yīng)用，比如亞微米加工和納米加工技術(shù)。納米科技作為一種極具潛力的前沿科技，其未來發(fā)展必定對(duì)人類生活有著極大的影響，而作為操作納米

4、級(jí)材料的手段，對(duì)離子束加工的研究也極具意義。本文就離子束加工的原理特點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，并詳細(xì)闡述離子束加工的應(yīng)用前景及未來發(fā)展趨勢(shì)。2 離子束加工的原理離子束加工技術(shù)是利用離子束對(duì)材料進(jìn)行成形或改性的加工方法，其加工原理和電子束加工類似，也是在真空條件下進(jìn)行，把先由電子槍產(chǎn)生電子束，再引入已抽成真空且充滿惰性氣體之電離室中，使低壓惰性氣體離子化。由負(fù)極引出陽離子又經(jīng)加速、集束等步驟，最后射入工件表面，以達(dá)到加工處理的目的。與電子束加工不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子的質(zhì)量大干萬倍。由于離子質(zhì)量較大，故在同樣的電場(chǎng)中加速較慢，速度較低，然而一旦加速到較高速度，用離子束加速轟擊工件表面，將比電子束

5、具有更大的能量。電子束加工主要通過熱效應(yīng)來蝕除材料，而離子束加工，由于離子本身質(zhì)量較大，撞擊工件材料時(shí)，能引起材料的變形、分離、破壞等機(jī)械作用，從而達(dá)到去除材料的目的。3 離子束加工的優(yōu)缺點(diǎn)3.1離子束加工的優(yōu)點(diǎn)3.1.1加工精度高 由于離子束可以通過電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，離子束轟擊材料是逐層去除原子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，所以離子蝕刻可以達(dá)到納米級(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以精確地控制。因此，離子束加工是所有特種加工中最精密、最細(xì)微的加工方法，是當(dāng)代納米加工技術(shù)的基礎(chǔ)。3.1.2污染少、無氧化 由于離子束加是在高真空中進(jìn)行的，所以污染

6、少，特別適用于易氧化的金屬、合金材料和高純度半導(dǎo)體材料的加工。3.1.3對(duì)材料影響小 離子束加工是靠轟擊材料表層原子來實(shí)現(xiàn)的。它是一種微觀作用，宏觀壓力很小，故加工應(yīng)力、熱變形等極小，加工質(zhì)量高，適用于各種材料和低剛度零件的加工。3.2離子束加工的缺點(diǎn)離子束加工設(shè)備費(fèi)用高，成本高，加工效率低，因此應(yīng)用范圍受到一定限制。4 離子束加工的分類離子束加工按照其所利用的物理效應(yīng)和達(dá)到的目的不同，可以分為四類，即利用離子撞擊和濺射效應(yīng)的離子蝕刻、離子濺射沉積和離子鍍，以及利用離子注入效應(yīng)的離子注入。4.1離子蝕刻離子蝕刻使用能量為0.55keV的氬離子傾斜轟擊工件，將工件表面的原子逐個(gè)剝離。、其實(shí)質(zhì)是一

7、種原子尺度的切削加工，所以又稱離子銑削。4.2離子濺射沉積離子濺射沉積也是利用能量為0.55keV的氬離子，傾斜轟擊某種材料制成的靶，離子將靶材原子擊出，垂直沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。所以濺射沉積史一種鍍膜工藝。4.3離子鍍離子鍍也稱離子濺射輔助沉積么，也是利用能量為0.55keV的氬離子，不同的是鍍膜是離子束同時(shí)轟擊靶材和工件表面。目的是增強(qiáng)膜材與工件基材之間的結(jié)合力。也可將靶材高溫蒸發(fā)，同時(shí)進(jìn)行離子撞擊鍍膜。4.4離子注入離子注入5500V較高能量的離子束，直接垂直轟擊被加工材料，由于離子能量巨大離子就鉆進(jìn)被加工材料的表面層。工件表面層含有注入離子后，化學(xué)成分就發(fā)生改

8、變，從而改變了工件表面層的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。5離子束加工的主要應(yīng)用離子束加工的應(yīng)用領(lǐng)域正在日益擴(kuò)大、不斷創(chuàng)新。目前用于改變零件表面尺寸和表面物理、力學(xué)性能的離子束加工有：刻蝕加工、離子鍍膜加工和離子注入加工等。5.1刻蝕加工的定義及具體應(yīng)用領(lǐng)域刻蝕加工的定義 離子刻蝕是從工件上去除材料，是一個(gè)撞擊過程。離子束刻蝕工藝的一個(gè)很重要的物理參數(shù)是刻蝕速率，它表征著每一個(gè)入射離子打出的原子數(shù)。刻蝕速率與離子束能量、束流大小、離子束轟擊表面的入射角以及被加工材料的原子結(jié)構(gòu)、晶向等許多因素有關(guān)。離子束能量、束流越大，刻蝕速率越大。刻蝕加工的應(yīng)用領(lǐng)域 刻蝕加工一方面可用于加工陀螺儀空氣軸承和動(dòng)壓馬達(dá)的溝

9、槽，分辨率高，精度、重復(fù)一致性好。也可用于加工費(fèi)球面鏡。離子束刻蝕加工應(yīng)用的另一方面是刻蝕高精度的圖形，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。離子束刻蝕系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：分辨率高，可得小于10nm的特征尺寸；課修復(fù)光學(xué)掩膜；直接離子移植。5.2離子鍍膜加工的定義及具體應(yīng)用離子鍍膜加工的定義 離子鍍是在真空蒸發(fā)鍍和濺射鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鍍膜新技術(shù)，將各種氣體放電方式引入到氣相沉積領(lǐng)域，整個(gè)氣相沉積過程都是在等離子體中進(jìn)行的。鍍膜時(shí)，工件（基片）帶負(fù)偏壓，工件始終受高能離子的轟擊。具有形成膜層與膜基結(jié)合力好、膜層的繞鍍性好、膜層組織可控參數(shù)多、膜層粒子總體能量高，容易進(jìn)

10、行反應(yīng)沉積，可以在較低溫度下獲得化合物膜層等優(yōu)點(diǎn)。離子鍍膜加工的具體應(yīng)用 離子鍍可鍍材料范圍廣泛，不論金屬、非金屬表面上均可鍍制金屬或非金屬薄膜，各種合金、化合物、或某些合成材料、半導(dǎo)體材料、高熔點(diǎn)材料亦均可鍍覆。離子束鍍膜技術(shù)可用于鍍制潤(rùn)滑膜、耐熱膜、耐磨膜、裝飾膜和電氣膜等。離子束裝飾膜。離子束鍍膜代替鍍鉻硬膜，可減少鍍鉻公害。提高刀具的壽命。5.3離子注入加工的定義及具體應(yīng)用離子注入加工的定義 離子注入加工是向工件表面直接注入離子，它不受熱力學(xué)限制，可以注入任何離子，且注入量可以精確地控制。注入離子是固溶在工件材料中的，注入深度可達(dá)1m，甚至更深。離子注入加工的具體應(yīng)用 離子注入加工主要

11、應(yīng)用在半導(dǎo)體領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用都很普遍；另外在光學(xué)領(lǐng)域和改善工件的潤(rùn)滑性、耐磨性、硬度等方面也有著較多的應(yīng)用。6離子束加工應(yīng)用現(xiàn)狀離子束技術(shù)在歐洲已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)，并且由于歐美國(guó)家在離子束應(yīng)用方面發(fā)展較早，在技術(shù)方面領(lǐng)先我們不少；雖然我國(guó)也很重視離子束技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，研究成果很先進(jìn)，也有少量應(yīng)用。但由于投資力度小。一般僅能維持研究用經(jīng)費(fèi)。無力將科技成果推廣到太規(guī)模生產(chǎn)中去。我認(rèn)為極有必要不失時(shí)機(jī)地加速離子束技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，這方面有一些歷史經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)值得吸取，如前蘇聯(lián)因一直未重視硅而僅重視鍺的研究，從而使得在集成電路發(fā)展方面始終處于落后地位，今天趕超起來就顯得十分吃力。7結(jié)語雖然我國(guó)家是制造業(yè)大國(guó)，但是在機(jī)床設(shè)備領(lǐng)域我國(guó)一直比較落后，在我國(guó)新一輪的制造業(yè)轉(zhuǎn)型中，作為先進(jìn)特種加工方法中極具代表性的離子束加工必定會(huì)獲得深遠(yuǎn)的發(fā)展。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法和其他特種加工方法都不能達(dá)到離子束加工的精度，在未來的微納米以及納米級(jí)加工中，離子束必將發(fā)揮其巨大的作用，但現(xiàn)在離子束加工未能普及是因?yàn)槠浼庸ぴO(shè)備費(fèi)用貴，成本搞，加工效率低，一些技術(shù)還處于研發(fā)階段。但我相信未來離子束加工必將被廣泛應(yīng)用，為人類發(fā)展帶來更多的貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)1白基成，劉晉春等. 特種加工M . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2013. P1632趙萬生等. 實(shí)用電加工技術(shù)M . 北京