電子束離子束加工

電子束離子束加工第一頁，共二十頁，2022年，8月28日

1.1電子束加工

1.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。第二頁，共二十頁，2022年，8月28日圖1電子束加工原理第三頁，共二十頁，2022年，8月28日 控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，就可以達(dá)到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進(jìn)行打孔、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)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。

2．特點與應(yīng)用 電子束加工的特點如下：

(1)電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)l～0.1μm)，故可進(jìn)行微細(xì)加工。第四頁，共二十頁，2022年，8月28日

(2)加工材料的范圍廣。由于電子束能量密度高，可使任何材料瞬時熔化、汽化且機(jī)械力的作用極小，不易產(chǎn)生變形和應(yīng)力，故能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。

(3)可通過磁場或電場對電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行控制，所以整個加工過程便于實現(xiàn)自動化。

(4)電子束的能量密度高，加工效率很高。

(5)加工在真空中進(jìn)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，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。第五頁，共二十頁，2022年，8月28日

3．電子束加工的應(yīng)用

1）高速打孔目前電子束打孔的最小直徑可達(dá)?0.003mm左右。例如噴氣發(fā)動機(jī)套上的冷卻孔，機(jī)翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用電子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那樣的透氣性。電子束打孔還能加工小深孔，如在葉片上打深度5mm、直徑?0.4mm的孔，孔的深徑比大于10：1。第六頁，共二十頁，2022年，8月28日圖2電子束加工的異形孔

2）加工型孔及特殊表面

第七頁，共二十頁，2022年，8月28日圖3電子束加工曲面、穿孔第八頁，共二十頁，2022年，8月28日 3）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(xì)溝槽和孔。如在硅片上刻出寬2.5μm，深0.25μm的細(xì)槽，在混合電路電阻的金屬鍍層上刻出40μm寬的線條。電子束刻蝕還可用于刻板，在銅制印刷滾筒上按色調(diào)深淺刻出許多大小與深淺不一樣的溝槽或凹坑，其直徑為70～120μm，深度為5～40μm，小坑代表淺色，大坑代表深色。

第九頁，共二十頁，2022年，8月28日 4）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，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，則接縫上的熔池由于電子束的離開而重新凝固，使焊件的整個接縫形成一條焊縫。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，焊件熱影響區(qū)小，變形小。

第十頁，共二十頁，2022年，8月28日

5）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(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，硬化深度可達(dá)0.3～0.8mm。

第十一頁，共二十頁，2022年，8月28日

1.2離子束加工

1．加工原理 離子束加工也是一種新興的特種加工，它的加工原理與電子束加工原理基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實現(xiàn)加工的。所不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍，故在電場中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能。離子束加工是靠微觀機(jī)械撞擊能量轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行的。第十二頁，共二十頁，2022年，8月28日 離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。離子束加工可分為四類。

1)離子刻蝕 離子轟擊工件，將工件表面的原子逐個剝離，又稱離子銑削，其實質(zhì)是一種原子尺度的切削加工。

2)離子濺射沉積 離子轟擊靶材，將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。

3)離子鍍(又稱離子濺射輔助沉積)

離子同時轟擊靶材和工件表面，目的是為了增強(qiáng)膜材與工件基材之間的結(jié)合力。第十三頁，共二十頁，2022年，8月28日

4)離子注入 離子束直接轟擊被加工材料，由于離子能量相當(dāng)大，離子就鉆入被加工材料的表層。工件表面層含有注入離子后，就改變了化學(xué)成分，從而改變了工件表面層的機(jī)械物理性能。

2．特點及應(yīng)用 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(xì)的加工。離子刻蝕可達(dá)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(jìn)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(jìn)行加工。第十四頁，共二十頁，2022年，8月28日加工設(shè)備離子槍：將氣體注入電離室并使其放電，電子與氣體原子發(fā)生碰撞使其被電離，等到等離子體，在負(fù)電位引導(dǎo)下將正離子引出，經(jīng)過加速射向靶材或工件。真空系統(tǒng)控制系統(tǒng)電源系統(tǒng)第十五頁，共二十頁，2022年，8月28日

(3)離子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(jìn)行加工。 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。第十六頁，共二十頁，2022年，8月28日

1)刻蝕加工離子刻蝕是從工件上去除材料，是一個撞擊濺射過程。當(dāng)離子束轟擊工件，入射離子的動量傳遞到工件表面的原子，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(dá)到刻蝕的目的。離子刻蝕用于加工陀螺儀空氣軸承和動壓馬達(dá)上的溝槽，分辨率高，精度、重復(fù)一致性好。離子束刻蝕應(yīng)用的另一個方面是刻蝕高精度的圖形，如集成電路、光電器件和光集成器件等微電子學(xué)器件亞微米圖形。第十七頁，共二十頁，2022年，8月28日

2)鍍膜加工離子鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種。離子鍍膜附著力強(qiáng)、膜層不易脫落。這首先是由于鍍膜前離子以足夠高的動能沖擊基體表面，清洗掉表面的占污和氧化物，從而提高了工件表面的附著力。其次是鍍膜剛開始時，由工件表面濺射出來的基材原子，有一部分會與工件周圍氣氛中的原子和離子發(fā)生碰撞而返回工件。這些返回工件的原子與鍍膜的膜材原子同時到達(dá)工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜層。而后，隨膜層的增厚，逐漸過渡到單純由膜材原子構(gòu)成的膜層?；旌线^渡層的存在，可以減少由于膜材與基材兩者膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，增強(qiáng)了兩者的結(jié)合力，是膜層不易脫落，鍍層組織致密，針孔氣泡少。第十八頁，共二十頁，2022年，8月28日離子鍍的可鍍材料廣泛，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、高熔點材料等。離子鍍已用于鍍制潤滑膜、耐熱膜、耐蝕膜、耐磨膜、裝飾膜和電氣膜等。用離子鍍方法在切削工具表面鍍氮化鈦、碳化鈦等超硬層，可以提高刀具的耐用度。第十九頁，共二十頁，2022年，8月28日 3)離子注入加工離子注入加工是將所要注入的元素進(jìn)行電