第八章-电子束和离子束加工课件

第八章 电子束和离子束加工教学提示：本章介绍了电子束加工和离子束加工的基本原理、加工设备组成、特点以及应用。教学要求：本章要求学生理解电子束加工和离子束加工的基本原理，掌握电子束加工和离子束加工的特点和应用场合，以及对材料结构性和工艺性的影响。2024/7/141 电子束加工和离子束加工是近年来得到较大发展的新兴特种加工，它们在精密加工方面，尤其是在微电子学领域得到较多的应用。1949年德国首次在0.5mm的不锈钢板上加工出直径为0.2mm的小孔，1957年法国原子能委员会萨克来核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束加工的研究，研制出各种电子束加工设备。20世纪60年代初期已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜、熔炼等工艺技术应用到各工业部门中，促进了先进制造技术的发展。目前已在仪器仪表、微电子工业、航空航天部门和化纤等工业中得到应用。电子束打孔、切槽、焊接、电子束曝光、电子束热处理等方面陆续进入生产。离子束加工是将情性气体电离，并使正离子加速、集束和聚焦到处于一定真空条件下的工件加工部位上，依靠机械冲击作用去除材料的高能束加工，随着核物理和空间科学技术的发展，离子束加工应运而生，并已成为项大有前途的微细加工技术。其应用范围正在不断拓宽、不断创新。2024/7/1428.1 电子束加工电子束加工8.1.1 电子束加工的基本原理、加工过程和特点8.1.1.1 电子束加工的原理 如图8.1所示，电子的产生是通过加热发射材料，在发射效应下，电子飞离材料表面，热发射电子在强电场作用下，经过加速和聚焦，沿电场强度相反方向运动，形成高束电子束流。例如，加速电压为150V时，电子速度可达160000km/s（约为光速的一半）。电子束流通过一极或多极汇聚形成高能束流。当高能束流冲击工件表面极小面积时，电子的动能瞬间大部分转变为热能，由于光斑直径极小（其直径在微米级或更小），而获得极高的功率密度，可使被冲击部分的材料在几分之一微秒内，温度升高到几千摄氏度以上，使材料局部快速气化、蒸发而实现加工目的，这种利用电子束热效应的加工，称之为电子束热加工。2024/7/143 电子束加工的另一种是利用电子束流的非热效应即化学效应。功率密度小的电子束流和电子胶（又称电子抗蚀剂）相互作用，电能转化为化学能，产生辐射化学或物理效应，使电子胶的分子被切断或重新组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。这种方法与其他后续工艺方法结合，可以在材料表面进行刻蚀细微槽及其它几何形状。2024/7/1448.1.1.2电子束的热效应过程 电子束加工是利用电子束的高能量密度进行打孔、切槽、光刻等工作。电子是一个非常小的粒子(半径为2.810-12mm)，质量很小(910-29kg)，但其能量很高，可达几千电子伏。电子束可以聚焦到直径为12，因此有很高的能量密度，可109W/cm2。高速高能量密度的电子束冲击到工件上时，在几分之一微秒的瞬时，入射电子与原子相互作用(碰撞)，在发生能量变换的同时，有些电子向材料内部深入，有些电子发生弹性碰撞被反射出去，成为反射电子。在电子与原子的碰撞中，使原子振动产生发热现象，虽然还产生二次电子、荧光、x射线等，占用了一部分能量，但可以认为几乎所有的能量都变成了热能。由于电子束的能量密度高、作用时间短，所产生的热量来不及传导扩散就将工件被冲击部分局部熔化、气化、蒸发成为雾状粒子而飞散，这是电子束的热效应，电子束加工就是靠电子束的热效应现象。高能电子束具有很强的穿透能力，穿透深度为几微米甚至几十微米，如工作电压为如50kV时，加工铝的穿透深度为10，而且以热的形式传输到相当大的区域。2024/7/145图8.1电子束加工原理例如：设150kV，10mA，0.01cm，则电子束照射在工件表面的功率密度约为5106W/cm2，足以使任何材料的热效应气化和蒸发，如钨的熔化温度达3410，气化的所需功率密度为1.0105W/cm2，可见电子束的能量是非常高的。2024/7/146利用电子束的热效应可进行打孔、切槽、焊接、淬火等工作。要说明电子束的这些加工方法，就必须分析在照射时材料表面的温度分布(如图8.2所示)。设工件为半无限大物体，热学常数为定值，在电子束连续照射无限长时，其中心部分达到热平衡温度，称饱和温度，其关系式为(8-2)式中饱和温度（）；电子束输入热流量（W）；材料导热率（）；电子束斑半径（m）。式(8-2)中，的温度单位是表示温度差和温度间隔，故1K=1。从温度分布图8.2中可以看出，经过时间后，工件被照中心部分的温度将上升到饱和温度的84，而在离中心两倍束斑半径的地方，温度上升甚少，只有饱和温度的8，这样就可以做到只使电子束照射区(2r)蒸发，而其他地方保持较低的温度。时间称之为基准时间，其关系式为 (8-3)式中电子束照射基准时间（s）；材料密度（kg/m3）；材料比热容（），该单位可以转换为。2024/7/147 电子束加工所需的功率密度和基准时间与工件材料有关，如设电子束斑半径为0.01cm，则加工铜时要求功率密度为1.4106 ，照射基准时间为0.3ms；加工玻璃时要求功率密度为3.6106 ，照射基准时间为0.55ms。图8.2 电子束照射下材料表面的温度分布a)工件模型 b）温度分布 饱和温度 基准时间图8.3利用电子束热效应的加工a)低功率密度照射 b)中等功率密度照射 c)高功率密度照射2024/7/148 图8.3表示了利用电子束热效应进行的各种加工。在低功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度在熔化温度附近，这时蒸发缓慢且熔化坑较大，可作电子束熔凝处理，提高表层的硬度和强度，是一种表面改性技术。用中等功率密度照射时，出现熔化、气化和蒸发，如果材料是透明的，可以看到一些气泡状的东西，这些气泡在照射完后会保持原状固化，中等功率密度照射可用于电子束焊接。用高功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度远远超过蒸发温度，由于气泡内的压力大于熔化层表面张力，使材料从电子束的入口处排除出去，并有效地向深度方向加工，这就是电子束打孔的情况，对于一般金属材料，功率密度需要106109。高功率密度电子束除打孔、切槽外，在集成电路薄膜元件制作中，利用蒸发可获得高纯度的沉积薄膜。2024/7/1498.1.1.3 电子束加工的特点（1）束斑极小 由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至聚焦到，所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。微型机械中的光刻技术（电子束曝光）可达到亚微米级宽度。（2）能量密度很高 在极微小束斑上能达到107109W/cm2，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以加工。2024/7/1410 （3）生产率很高 电子束的能量密度高，而且能量利用率可达90以上，所以加工生产率很高。例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上加工出50个直径为0.4mm的孔。厚度达200mm的钢板，电子束可以4mm/s的速度一次焊透，这是目前其它加工方法难以达到的。（4）可控性好 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。位置控制精度能准确到0.1左右，强度和斑束尺寸可达到1的控制精度。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，到可以实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电器控制加工异形控，实现曲面弧形切割等。（5）无污染 由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，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）电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。2024/7/14118.1.2电子束加工设备图8.4电子束加工装置结构示意图1移动工作台；2带窗真空室门窗；3观察筒；4抽气；5电子枪；6加速电压控制；7束流强度控制板；8束流聚焦控制；9束流位置控制；10更换工件用截止阀；11电子束；12工件；13驱动电动机；14抽气2024/7/1412 电子枪是获得电子束的装置，它包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。阴极经过加工电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向高电位的阳极，在飞向阳极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。发射阳极一般用钨或钽制成，在加热状态下发射大量电子。小功率时做成丝状阴极，如图8.5（a）所示，大功率时做成块状阴极，如图8.5(b)所示。控制栅极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。加速阳极通常接地，而阴极为很高的负电压，所以能驱使电子的加速。真空系统是为了保证在电子束加工时维持的1.3310-21.3310-4真空度，以避免电子与气体分子之间的碰撞，确保电子的高速运动。此外加工时金属蒸气会影响电子发射，产生不稳定现象，因此需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽出去。真空系统一般由机械旋转泵把真空室抽至1.40.14Pa,然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.0140.00014Pa的高真空度。真空系统还包括真空测量系统。2024/7/1413 电电子子束束加加工工装装置置的的控控制制系系统统包包括括束束流流通通断断时时间间控控制制、束束流流强强度度的的控控制制、束束流流聚聚焦焦控控制制、束束流流位位置置控控制制、束束流流电电流流强强度度控控制制、束束流流偏偏转转控控制制、电电磁磁透透镜镜控控制制，以以及及工工作作台台位位置置控控制制等等。电电子子束束加加工工装装置置对对电电源源电电压压的的稳稳定定性性要要求求较较高高，常常用用稳稳压压设设备备，这这是是因因为为电电子子束束聚聚焦焦以以及及阴阴极极的的发发射射强强度度与与电电压压波动有密切关系。波动有密切关系。图图8.5 电子枪电子枪1发射电子的阴极；发射电子的阴极；2控制栅极；控制栅极；3加速阳极；加速阳极；4工件工件2024/7/14148.1.3电子束加工应用 电子束可以用于打孔、焊接、热处理、刻蚀等多方面。8.1.3.1电子束打孔 目前，电子束打孔的最小直径已达1。孔径在0.50.9mm时，其最大孔深已超过10mm，即孔深径比大于15：1。在厚度0.3mm的材料上加工出0.1mm的孔，其孔径公差为9。打孔的速度主要取决于板厚和孔径，孔的形状复杂时还取决于电子束扫描速度（或偏转速度）以及工件的移动速度。通常每秒可加工几十至几万个孔。例如，板厚0.1mm、孔径0.1mm时，打孔效率为15孔。随着电子束精微加工机性能的提高，打孔速度还会提高。将工件置于磁场中，适当控制磁场的变化使束流偏移，即可用电子束加工出斜孔。斜孔的倾角在350900之间，甚至可以加工出螺旋孔。2024/7/1415 电子束打孔在航空航天工业、电子工业、化纤工业及制革工业中得到应用，现举例如下：（1）喷气发动机燃烧室罩孔。某喷气发动机燃烧室罩，其材料为CrNiCoMoW，厚度为1.1mm。共有3478个直径为0.81mm的圆孔分布在外侧球面上，孔径公差0.03mm，所有孔中心轴与零件底面垂直。用K12-Q11P型电子束打孔机加工，零件置于真空室中，安装在夹具上作连续转动。加工时以200ms的单脉冲方式工作，脉冲频率1Hz。（2）化纤喷丝头孔。零件材料为钴基耐热合金，厚度4.36.3mm。共有11766个直径为0.81mm的圆孔通孔，孔径公差0.03mm。零件置于真空室中，安装在夹具上作连续转动。加工时以16ms的单脉冲方式工作，脉冲频率5Hz。打孔过程中电子束随工件同步偏转，每打一个孔，电子束跳回原位。加工一件只需要40min，而用电火花加工则需要30h，用激光加工也要3h才能完成，而且公差要优于激光加工，且无喇叭孔。2024/7/1416图8.6电子束加工的喷丝头异形孔 图8.6为电子束加工的喷丝头异形孔截面的一些实例。出丝口的窄缝宽度为0.030.07mm，长度0.80mm，喷丝板厚度0.60mm。为了使人造纤维具有光泽、松软有弹性、透气性好，喷丝头的异形孔都是特殊形状。电子束切割复杂型面，切口宽度为63，边缘表面粗糙度可控制在0.5。2024/7/1417 电子束不仅可以加工各种直的型孔和型面，而且也可以加工弯孔和曲面。利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转。控制电子速度和磁场强度，即可控制曲率半径，加工出弯曲的孔。如果同时改变电子束和工件的相对位置，就可进行切割和开槽。图8.7(a)是对长方形工件1施加磁场之后，若一面用电子束3轰击，一面依箭头2方向移动工件，就可获得如实线所示的曲面。经图8.7(a)所示的加工后，改变磁场极件再进行加工，就可获得图8.7(b)所示的工件。同样原理，可加工出8.7(c)所示的弯缝。如果工件不移动，只改变偏转磁场的极性进行加工，可获得图8.7(d)所示的入口为一个面出口有两个的弯孔。2024/7/1418图8.7 电子束加工曲面、弯缝1工件；2工件运动方向；3电子束（3）人造革透气孔。人造革的应用已很普及，但人造革透气性很差，穿着很不舒服。用电子束在人造革上打孔可以达到相当好的效果。如以天然革穿着的舒适度为100，微孔聚氨酯革只有55，而用电子束打孔的PVC革可达85。电子束打孔成本比天然革成本低，可替代天然革。加工时，用一组钨杆将电子枪产生的单个电子束分割为200个孔，效率非常高。因为对孔型无严格要求，人造革在滚筒上旋转时，电子束无须随之转动。如1.5mm厚革加工时，脉冲频率为25Hz，打孔速率为5000/s，滚筒转速为6r/min。（4）锥孔与斜孔。离心过滤机、造纸过滤设备中钢板的小孔为锥孔（上小下大），这样可防止堵塞，并便于反冲清洗。用电子束在1mm厚不锈钢板上打的锥孔，每秒可打400个。在3mm厚不锈钢板上打的锥孔，每秒可打20个。2024/7/14198.1.3.2电子束焊接 电子束焊接是电子束加工技术中发展最快、应用最广的一种，已经成为工业生产中不可缺少的焊接方法。电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。当高能量密度的电子束轰击焊件表面时，使焊件接头处的金属熔融，在电子束连续不断地轰击下，形成一个被熔融金属环绕着的毛细管状的熔池，如果焊件按一定速度沿着焊件接缝与电子束作相对移动，则接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成一条焊缝。由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。电子束焊接一般不用焊条，焊接过程在真空中进行，因此焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。2024/7/1420（1）电子束焊接的的工艺特点焊接深宽比高。电子束斑尺寸小，能量密度高，因而能实现高深宽比焊接。焊接速度高。由于能量集中，熔化和凝固过程快，所以焊接速度快，易于实现高速自动化。热变形小。由于能量集中，热影响区极小，工件产生裂纹的可能性相应减少。焊缝物理性能好。由于焊速快，避免了晶粒粗大，使延展性增加。同时高温作业时间短，碳和其它合金元素析出少，焊缝抗蚀性好。工艺适应性强。电子束焊接具有广泛的适应性，能进行变截面焊接。有良好的可达性，可通过束能输送到很深的区域，从而实现狭缝厚材料的焊接。焊接材料范围广。除了对普通的碳刚、合金钢、不锈钢外，更有利于焊接高熔点金属（钽、钼、钨、钛等及其它合金）和活波金属（如锆、铌等），还可焊接异种金属材料和半导体材料以及陶瓷和石英材料。2024/7/1421（2）电子束焊应用航空航天工业。直径达1500mm的发动机压气机盘，采用分体制造轮毂和轮缘方法，将轮缘分为八段，由八个小锻件加工成扇形，再用电子束将其组合拼焊成压气机盘。航空发动机某些构件（如高压涡轮机匣、高压承力轴承等）可通过一种材料组合，使发动机在高速运转时，利用材料线膨胀系数不同，完成主动间隙配合，从而达到提高发动机性能、增加发动机推重比、节省材料、延长使用寿命等。如将GH4169和GH907两种高温合金零件焊接在一体，通过适当工艺参数和工艺措施，以满足异种材料拼接焊。因两种材料线膨胀系数相差极大，GH4169是镍基高温合金，而GH907是铁基高温合金。常温下GH4169无磁性，而GH907有磁性，可能影响焊接对中。可变后掠翼飞机的中翼盒长达6.7m，壁厚12.757mm，钛合金小零件可以用电子束焊接制成，共70道焊缝，仅此一项工艺就减轻飞机重量270kg。大型涡轮风扇发动机钛合金机匣，壁厚1.869.8mm，外径2.4m，是发动机中最大、加工最复杂、成本最高的部件，采用电子束焊接后，节约了材料和工时，成本降低了40。登月舱的铍合金框架和制动引擎中的64个零部件都采用了电子束焊接。2024/7/1422 其它工业。应用电子束焊接技术可以改进机械结构设计，如大型齿轮组件，传统结构是用整体加工或分体加工再用螺栓组合，费工费料且结构笨重。可将齿轮分别加工出来，然后用电子束焊接总成。由于电子束焊接变形小，仅几个微米，不影响组件精度，而且啮合好、噪声小，传输扭矩大。图8.8是电子束焊接的装甲车的传动鼓轮，材料为40Cr。为整体结构时，切削量很大，成品重量仅为毛坯的1/4。采用分解为两个零件加工时，而后用电子束焊接的方法可以省工省料。由于电子束焊接还常用于传感器以及电器元件的连接和封接，尤其一些耐压、耐腐蚀的小型器件在特殊环境工作时，电子束焊接有很大优越性。电子束焊接在厚壁压力容器、造船工业等也有良好的应用前景。图8.8电子束焊鼓轮2024/7/14238.1.3.3电子束的热处理电子束的热处理 电电子子束束热热处处理理也也是是把把电电子子束束作作为为热热源源，但但适适当当控控制制电电子子束束的的功功率率密密度度，使使金金属属表表面面加加热热而而不不熔熔化化，达达到到热热处处理理的的目目的的。电电子子束束热热处处理理的的加加热热速速度度和和冷冷却却速速度度都都很很高高，在在相相变变过过程程中中，奥奥氏氏体体化化时时间间很很短短，只只有有几几分分之之一一秒秒乃乃至至干干分分之之一一秒秒，奥奥氏氏体体晶晶粒粒来来不不及及长长大大，从从而而能能获获得得一一种种超超细细晶晶粒粒组组织织，可可使使工工件件获获得得用用常常规规热热处处理理不不能能达达到到的的硬硬度度，硬硬化化深深度度可可达达0.30.8mm。电电子子束束热热处处理理与与激激光光热热处处理理类类同同，但但电电子子束束的的电电热热转转换换效效率率高高，可可达达90，面面激激光光的的转转换换效效率率只只有有710。电电子子束束热热处处理理在在真真空空中中进进行行，可可以以防防止止材材料料氧氧化化，电电子子束束设设备备的的功功率率可可以以做做得得比比激激光光功功率率大大，所所以以电电子子束束热热处处理理工工艺艺很很有有发展前途。发展前途。如如果果用用电电子子束束加加热热金金属属达达到到表表面面熔熔化化，可可在在熔熔化化区区加加入入添添加加元元素素，使使金金属属表表面面形形成成一一层层很很薄薄的的新新的的合合金金层层，从从而而获获得得更更好好的的物物理理力力学学性性能能。铸铸铁铁的的熔熔化化处处理理可可以以产产生生非非常常细细的的莱莱氏氏体体结结构构，其其优优点点是是抗抗滑滑动动磨磨损损。铝铝、钛钛、镍镍的的各各种种合合金金几乎全可进行添加元素处理，从而得到很好的耐磨性能。几乎全可进行添加元素处理，从而得到很好的耐磨性能。2024/7/14248.1.3.4电子束曝光 集成电子器件、集成光学器件、表面声波器以及微机械元器件的图形制作技术中，通常将电子束曝光处理作为刻蚀前置工序。先利用低功率密度的电子束照射称为电子抗蚀剂的高分子材料，由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，这称为电子束曝光，如图8.8(a)所示。如果按照图形进行电子束曝光，就会在电子抗蚀剂中留下潜像。然后将其放入适当溶剂中，则由于分子量不同而溶解度不一样，就会使潜像显影出来，如图8.8(b)所示。将光刻与离子束刻蚀或蒸镀工艺结合，见图8.8(c)、(d)，就能在金属掩膜或材料表面上制出图形来，见图8.8(e)、(f)。2024/7/1425 电子束曝光主要分为两类：扫描电子束曝光，又称电子束线曝光；投影电子束曝光，又称电子束面曝光。电子束扫描曝光，它是利用图形发生器，将聚焦在1以内的电子束在大约0.55mm的范围内自由扫描，在光致抗蚀剂上绘制图形，这种方法称之为写图，它主要用于掩膜或基片的图形制作。常用的光致抗蚀剂有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA胶)，当加速电压为20kV的电子束以电通密度为108Ccm2的剂量照射到厚度为0.31的PMMA胶上，则分子量为10万的PMMA胶大分子就会被切割成分子量为原来的120左右的分子。由于照射处和未照射处的分子量不同，因此按规定图形扫描曝光，就在光致抗蚀剂涂层上产生潜像，选择合适的显影液，由于分子量不同而溶解速度不一样，潜像就会显示出来。由于分子的体积很小，能在上述光致抗蚀剂上制成最小尺寸为0.11的图形，质量、效率均很高。图8.9为较常用的电子束扫描曝光系统框图，除电子束的基本系统外，还有测定工件位置的激光系统、扫描用的数模转换系统和束流位置的对准系统等。2024/7/1426图8.8 电子束曝光加工过程a)电子束曝光 b)显影 c)蒸镀 d)离子刻蚀 e)、f)去掉抗蚀剂，留下图形1电子束 2电致抗蚀剂 3基板 4金属蒸汽 5离子束 6金属电子束光刻工艺过程如下：(1)工件预处理 光刻前，在工件表面涂上抗蚀剂，厚度，此图层为掩膜层。(2)电子束扫描曝光 即用聚焦后电子束斑直径为，可在范围内扫描。由于照射区与未照射区化学性质及相对分子质量的差异，故在掩膜层上形成“潜图”。(3)显影 将曝光后的掩膜层放入显影液中，则可得到电子束扫描的图形。2024/7/1427 由于微型电子器件的图形复杂而精细，而且基片面积大，要求电子束精细聚焦，并能自由移动(扫描)，精确地达到规定的位置上，这就是扫描曝光。早期的扫描电子曝光采用圆形束斑，为提高生产率又研制出方形束斑，其曝光面积是圆形束的25倍。后来发展的可变成形束，其曝光速度比方形束又提高2倍以上。扫描电子束曝光线宽在1左右，精度在。面曝光是使电子束先通过原版，这种原版是用别的方法制成的比加工目标大几倍的模板。再以1/5110的比例缩小投影到电子抗蚀剂上进行大规模集成电路图形的曝光。它可以在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。电子束面曝光，它是利用电子束作为光源，使它通过原版，再以15110的比例缩小投影到光致抗蚀剂上进行图形的曝光。这种方法的原理是缩小投影复印，故又称之为电子束复印。其优点是图形精度高(图形分辨力可达0.5)，速度快，生产率高，成本低，可在基片或掩膜上复印。图8.10表示了一种缩小投影型电子曝光装置。2024/7/1428图8.9 电子束扫描曝光系统框图图8.10缩小投影型电子曝光装置2024/7/14298.2 离子束加工8.2.1.离子束加工的基本原理、分类和特点8.2.1.1离子束加工的基本原理 离子束加工的原理与电子束加工类似，也是在真空条件下，将氩、氪、氙等隋性气体，通过离子源产生离子束并经过加速、集束、聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以实现去除材料的加工。所不同的是离子是带正电的，其质量比电子的质量大千万倍。例如最小的氢离子，其质量是电子质量的1840倍，氩离子的质量是电子质量的7.2万倍。因为离子的质量大，所以在同样的电场中加速较慢，速度较低。但是，一旦加速到较高的速度时，离子束比电子束具有更大的能量。2024/7/1430 高速电子在撞击工件材料时，因电子质量小、速度大，动能几乎全部转化为热能，使工件材料局部熔化、气化，主要是通过热效应进行加工。而离子本身质量较大，速度较低，撞击工件材料时，将产生变形、分离、破坏等机械作用。例如加速到几十电子伏到几千电子伏时，主要用于离子溅射加工；如果加速到l万到几万电子伏，且离子入射方向与工件表面成250300，则离子可将工件表面的原子或分子撞击出去，以实现离子铣削、离子蚀刻或离子抛光等；当加速到几十万电子伏或更高，离子可穿入工件材料内部，称为离子注入。电子束加工的物理过程，是用空腔理论进行解释的，其本质是一种热过程。被高速轰击的工件材料产生局部蒸发，加工是使蒸发过程重复进行而实现的。而离子束加工的物理过程与电子束加工不同，因离子的质量大，动量大，其物理本质更加复杂。实验表明，离子束加工主要是一种无热过程。当入射离子碰到工件材料时，撞击原子、分子，由于核制动作用使离子失去能量。因离子与原子之间的碰撞接近于弹性碰撞，使离子所损失的能量传递给原子、分子。其中一部分能量使工件产生溅射、抛出，其余能量转变为材料晶格的振动能。2024/7/1431 在碰撞的过程中，入射离子与原子、分子碰撞进行运动能量交换，可以分为一次碰撞或多次碰撞，一次碰撞可以认为是最简单的直线弹性碰撞，共传递能量可用下式表示 (8-4)式中 传递给原子分子的能量（eV）；入射离子的能量(eV)；入射离子的质量（g）;原子或分子的质量（g）;由式（(8-4）可知，当 ，这种情况加工效果最好。下面通过具体实例加以说明。如氩：40、氪：84、氙：131（原子量），分别对玻璃（SiO2）进行溅射加工，并以Si:28，O2:32形式被去除。由图8.11所示的实验曲线可知，采用Ar加工效果最好，因为Ar的原子量与Si的原子量、O2的原子量比较接近。其溅射率S=（溅射原子分子数）/入射离子数，按Ar、Kr、Xe的顺序减低。此外，由图8.11还可知，入射离子能量在25万电子伏左右，达到饱和溅射率。因入射离子能量小于25万电子伏时，离子与表面原子、分子以直接弹性碰撞为主，即以溅射去除为主。当能量大于25万电子伏时，离子侵入到工件内部，碰撞的几率增加，速度降低，使非弹性碰撞增加，所以溅射率达到饱和状态。实际上增加了离子注入率。2024/7/14328.2.1.2粒子束加工的分类1）离子刻蚀是能量为0.55keV的氩离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离。如图8.13(a)所示。其实质是一种原子尺度的切削加工，所以又称离子铣削。这是近代发展起来的毫微米加工工艺。2）离子溅射沉积也是采用能量为0.55keV的氩离子，轰击某种材料制成的靶，离子将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜，如图8.13(b)所示。所以溅射沉积是一种镀膜工艺。3)离子镀也称离子溅射辅助沉积，是用0.55keV的氩离子，在镀膜时，同时轰击靶材和工件表面，如图8.13(c)所示。目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。4)离子注入是采用5500keV能量的离子束，直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻进被加工材料的表面层，如图8.13(d)所示。工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。根据不同的目的选用不同的注入离子，如磷、硼、碳、氮等。2024/7/1433图8.13各类离子束加工示意图a)离子刻蚀 b)溅射沉积 c)离子镀 d)离子注入1离子源 2吸极（吸收电子，引出离子）3离子束 4工件 5靶材 2024/7/1434 8.2.1.3离子束加工的特点 离子加工技术是作为一种微细加工手段出现，成为制造技术的一个补充，随着微电子工业和微机械的发展获得了成功的应用，其特点如下：1)控制精确 离子束可通过离子光学系统进行聚焦扫瞄，使微离子束的聚焦光斑直径在1以内进行加工，同时离子束流密度和离子的能量可精确控制，以获得精密的加工效果。例如，控制注入深度和浓度，抛光时可一层一层地将工件表面的原子抛掉，从而加工出无缺陷的光整表面，其精度可控制在亚微米级。2)对材料的适应性强 离子束加工是依靠离子撞击工件表面的原子而实现的，是一种微观作用，其宏观作用力极小，加工应力、变形也极小，故对脆件、极薄、半导体、高分子等各种材料、低刚度工件进行微细加工。3)污染少 因为离子束加工是在较高真空中进行的，所以污染少，特别适合易氧化的金属、合金材料及半导体材料的精密加工。但是，要增加抽真空装置，不仅投资费用较大、而且维护也麻烦。2024/7/14358.2.2离子束加工装置 离子束加工装置可分为：离子源系统、真空系统、控制系统、电源系统。其中系离子源统与电子束加工装置不同，其余系统均类似。离子源(又称离子枪)的作用是产生离子束流。其基本工作原理是将气态原子注入离子室，然后使气体原子经受高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击被电离成等离子体，并在电场作用下将正离子从离子源出口引出而成为离子束。根据离子产生的方式和用途离子源有多种型式。常用的有考夫曼型离子源、双等离子体离子源、高频放电离子源。其基本要求有：1）带粒子束成形装置的离子源，给出的连续束或脉冲束的束流强度应能达到所要求的大小。2)离子源给出的离子成分应纯净、无污染，并能达到规定的离子平均能量和最小离子速度散度，即离子速度差越小越好。3)离子源的效率要高，应在最低工作物质消耗率之下，获得所需要的离子束流强度。4)离子源工作稳定可靠、寿命长、结构简单、维修方便等。2024/7/1436(1)考夫曼型离子源 考夫曼型离子源是一种大口径离子源，共特点是尺寸紧凑，结构简单，束流均匀且直径很大，可达50300mm之间。巳成功地应用于离子推进器和离子束微细加工领域。其结构原理如图8.14所示，首先由热阴极灯丝发射电子，在阳极的吸引力下向下方的阴极移动，同时受线圈磁场的偏转作用，作螺旋运动前进。惰性气体由注入口进入电离室，并在高速电子的撞击下被电离成为离子。阴极和阳极上各有几百个直径为0.3mm的小孔，上下位置严格对齐，误差不大于0.01mm。这样便可形成几百条较为准确的离子束，均匀地分布在直径为50300mm的面积上，以实现微细刻蚀加工。当加工电压为1千电子伏时，每条粒子束的电流为100 。加大束流强度，可以提高蚀刻铣切速度。表8.2为考夫曼离子束加工装置地蚀切速度。其工作参数是：真空度133.32（3104）Pa，电压1000电子伏，束流强度0.85Ma/cm2，束流直径50mm，离子入射角为750。2024/7/1437图8.14考夫曼型离子源1真空抽气孔；2灯丝；3惰性气体注入口；4电磁线圈；5离子束流；6工件；7阴极；8引出电极；9阳极；10电离室图8.15双等离子体型离子源1加工室；2至第一真空泵；3离子枪；4氩气；5阴极；6中间电极；7电磁铁；8阳极；9控制电极；10引出电极；11离子束；12静电透镜；13工件；14至第二真空泵2024/7/1438（2）双等离子体型离子源 双等离子体的“双”字，可以解释为以中间电极为界，形成两个等离子体。这种离子源，由于电弧放电被压缩到局部区域，可获得高效率、高密度的等离子体，是一种高亮度的离子源。其电离效率高达5090，等离子体密度高达1014离子数/cm3。把上述高密度的等离子体，用引出极将正离子引出，并经过静电透镜形成离子束流去轰击工件表面，以实现加工。目前，双等离子体源的应用比较广泛。如图8.15所示的双等离子体型离子源是利用阴极和阳极之间低气压直流电弧放电，将氩、氪或氙等惰性气体在阳极小孔上方的低真空中(0.10.01Pa)等离子体化。中间电极的电位一般比阳极电位低，它和阳极都用软铁制成，因此在这两个电极之间形成很强的轴向磁场，使电弧放电局限在这中间，在阳极小孔附近产生强聚焦高密度的等离子体。引出电极将正离子导向阳极小孔以下的高真空区(1.331051.33106Pa)，再通过静电透镜形成密度很高的离子束去轰击工件表面。2024/7/1439(3)高频放电离子源 高频放电离子源(简称高频离子源)是由高频振荡器在放电室内产生高频磁场，加速自由电子与气体原子进行碰撞电离而产生等离子体。高频离子源的特点如下：采用高频电场或磁场激励放电；可获得金属离子或化学性质活波的气体离子；束流强度较低，一般为100mA100，采用高频脉冲放电时可达1A。8.2.3 离子束加工的应用 离子束加工可将工件材料的原子一层一层地铣蚀去除，其尺寸精度和表面粗糙度均可达到极限的程度。主要用于微细加工、溅射加工和注入加工。应用范围如图8.16所示。2024/7/1440图8.16离子束加工应用范围1加工；2刻蚀；3表面清洗；4离子记录；5离子注入；6离子束曝光和显微镜；7离子光谱仪器图8.17 离子束加工非球面透镜原理1、6回转轴；2、4离子束；3工件；5摆动角2024/7/1441(1)离子束微细加工 离子束微细加工是以精确控制束径来实现微细打孔、蚀刻、切割、研磨、抛光等。例如，可在厚10的镍箔上加工直径为20的孔；在玻璃上加工直径为6的孔；在厚度为0.040.3的钽、铜、金、铝、铬、银等薄膜上加工直径为30100的孔。又如，采用如图8.15所示等离子体型离子源，用静电透镜将束流聚焦于工件表面，可实现非球面透镜的加工。该装置是一种带有机械摆动机构的离子束微细加工装置。其加工原理如图8.17所示。透镜加工时，不仅绕自身轴线回转，而且还要摆动一个角度，并用光学干涉仪对加工表面形状进行检测，用电子计算机控制整个加工过程，现已加工出直径为61cm的抛物镜面，其精度是其他加工方法无法达到的。2024/7/1442 此外，离子束轰击0.2mm厚的玻璃，可以改变其折射率的分布，使之具有偏光作用，与激光结合可以制作集成光路。在半导体工业中，把所需的图形曝光、显像并制成抗蚀膜后，可用氩离子束代替化学腐蚀进行离子束蚀刻，可大大提高蚀刻精度。用离子束抛光超声波压电晶体，可以大大提高其固有频率。用离子束抛光并减薄探测器的探头，可大大提高其灵敏度。(2)离子束溅射加工 离子溅射是离子铣、离子磨和离子镀的总称，都是利用溅射的原理实现对工件加工的。离子铣又称离子蚀刻，是利用离子束流对工件表面刻出线条或图案；离子磨是利用离子溅射使工件厚度均匀的减薄；离子镀则是利用离子束使靶上的材料溅射出来并留到另一个工件上。1)离子铣和离子磨 图8.18为离子铣和离子磨加工的原理。图中上边是一个考夫曼型离子源，下边是工件，离子源发出的离子束流轰击工件表面，使粒子相互碰撞和进行能量交换使原子之间的键合力被破坏，从工件表面上被打击下来，向空间飞溅。2024/7/1443 所以溅射是靠离子束本身的能量来实现的，被溅射的原子数多少与离子束能量大小密切相关，离子束的能量越大，溅射的原子数越多，反之则少。当离子束能量越过某一数值时，离子不再使原子发生溅射，而是离子自身进入工件材料晶格内部称为离子注入。所以，离子溅射与离子注入的区别在于离子束能量的不同。通常，离子束的能量小104eV，以离子溅射为主，且溅射速率随着离子束能量的增加而变大；当离子束能量大于104eV时，以离子注入为主，而离子溅射速率随着离子束能量的增加而迅速下降。离子磨主要对工件表面进行“减薄”，离子能量可以精确控制，原子层一层被剥离，精度可以达到原子级。如，可将晶体从10减薄至0.1、铍薄膜从8减簿至3，且表面质量好。2024/7/1444离子铣和离子磨的主要特点：离子溅射是逐层剥离原子层的，因此，适于超精密加工；离子溅射使加工边缘陡直、清晰，蚀刻深度和间距的精确度可控制在100左右；可以加工任何材料；离子束刻蚀应用的另一个方面是刻蚀高精度的图形。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。离子溅射温度低，一般不超过100，所以不会影响工件表面涂层材料的性质。2024/7/1445图8.18 离子铣和离子磨加工原理示意图1工作箱；2引出栅极；3放电室；4加热阴极；5筒形励磁线圈；6电子中和丝板；7工件；8倾斜回转台图8.19离子覆盖原理图1离子来源；2离子束；3溅射材料；4基片；5靶材2024/7/14462）离子镀覆 由图8.19可知，受离子束轰击的靶溅射出离子，并镀覆到上件表面。被溅射的物质离子能量，只有入射离子能量的520，即只有10100eV左右，就足以使溅射粒子与工件表面结合而凝聚成镀膜。镀膜材料应置于靶位上一般靶面与离子束流方向成一定角度，并接受离子束流的轰击，而被镀工件表面与溅射粒子运动方向相垂直。如在常温下，把铝镀覆到玻璃、石英、陶瓷、硅片等的表面上，附着力很强。铝和铜的溅射镀覆速率很高。工具上覆盖高硬度的碳化钛、可以大大提高其使用寿命。钢的表面热处理，进行离子氮化，以强化表面层，可以大大提高耐磨性。此外，在纸上可以得到1000的金属镀膜；在聚四氟乙烯上可得到1厚的镀膜。2024/7/1447（3）离子注入 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，且注入量可以精确控制，注入的离子是固溶在工件材料中，含量可达1040注入深度可达l甚至更深。离子注入在半导体方面的应用，在国内外都很普遍，它是用硼、磷等“杂质”离子注入半导体，用以改变导电型式(P型或N型)和制造PN结，制造一些通常用热扩散难以获得的各种特殊要求的半导体器件。离子注入改善金属表面性能方面的应用正在形成一个新兴的领域。离子注入对金属表面进行掺杂，是在非平衡状态下进行的，能注入互不相溶约杂质而形成一般冶金工艺无法制得的一些新的合金。如将W注入到低温的Cu靶中，可得到WCu合金等。2024/7/1448表8.3 离子注入金属样品 离子注入可以提高材料的耐腐蚀性能。如把Cr注入Cu，能得到一种新的亚稳态的表面相，从而改善了耐蚀性能。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。如在低碳钢中注入N、B、Mo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位错网络普及，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。2024/7/1449 离子注入还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。如在纯铁中注入B，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。离子注入可改善金属材料的润滑性能，是因为离子注入表层，在相对摩擦的过程中，这些被注入的细粒起到了润滑作用，提高了材料的使用寿命。如把C+、N+注入碳化钨中，其工作寿命可大大延长。此外，离子注入在光学方而可以制造光波导。例如对石英玻璃进行离子注入，可增加折射率而形成光波导。还用于改善磁泡材料性能、制造超导性材料，如在铌线表面注入锡，则表面生成具有超导性Nb3Sn层的导线。离子注入的应用范围在不断扩大，今后将会发现更多的应用。离子注入金属改性还处于研究阶段，因为它生产效率低、成本高。对于一般光学元件或机械零件的表面改性，还要经过一个时期的开发研究，才能实用。2024/7/1450p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe学习总结结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日