第六章 电子束与离子束加工

（一）电子枪 （二）真空系统 （三）控制系统和电源
电子束加工设备 电子枪
控制系统
真空系统
电子束加工装置
真空系统
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）电子束光刻
（一）高速打孔

利用极高能量密度的电子束冲击材料，使材 料汽化，而实现钻孔的目的。 电子束打孔具有下列的特点： 1.可加工细微的孔，目前最小加工直径可达 0.003mm左右。 2.加工深孔，孔的深径比大于10：1，其深度 亦可达10公分以上。
离子注入零件

3.孔径误差很小，正负5％以内。 4.适合硬度高的材料打孔。 5.可打斜度的孔，倾斜角可达15˚。 7.加工各种直的型孔和成型表面，加工弯孔和立 体曲面。 7.加工速度快。
（二）加工型孔及特殊表面


电子束可以用来切割各种复杂型面，如下图 所示，电子束加工的喷丝头异形孔截面的一 些实例。 电子束还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。

上面、側面が改善されたサンプル
放電面
放電面＋照射面
面粗さ：0.8μmRa
面粗さ：0.09μmRa
（六）电子束光刻
电子束光刻是先利用低功率密度的电子束照射 称为电致抗蚀剂的高分子材料，由入射电子与 高分子相碰撞，使分子的链接被切断或重新聚 合而引起的分子量的变化，这一步骤称为电致 曝光。 电子束曝光可以用电子束扫描，即将聚焦到小 于1μm的电子束斑在大约0.5-5mm的范围内按 程序扫描，可曝光出任意图形。
第二节离子束加工
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 离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生 电子束，再引入已抽成真空且充满惰性气体之 电离室中，使低压惰性气体离子化。由负极引 出阳离子又经加速、集束等步骤，最后射入工 件表面。
（二）离子束加工分类


离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两 种。 蚀刻又可在分为溅散蚀刻和离子蚀刻两种。 离子在电浆产生室中即对工件进行撞击蚀刻， 为溅散蚀刻。 产生电子使以加速之离子还原为原子而撞击 材料进行蚀刻为离子蚀刻。






（二）离子束镀膜加工 离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形 式。 离子镀可镀材料范围广泛，不论金属、非金 属表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种 合金、化合物、或某些合成材料、半导体材 料、高熔点材料亦均可镀覆。 离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、 耐磨膜、装饰膜和电气膜等。 离子束装饰膜。 离子束镀膜代替镀铬硬膜，可减少镀铬公害。 提高刀具的寿命。
（五）热处理
电子束热处理也是把电子束作为热源，但适当 降低电子束的功率密度，使金属表面加热而不 熔化，达到热处理的目的。 电子束热处理与激光器热处理类同，但电子束 的电热转换效率高，可达90%，而激光的转换 效率只有7%-10%。电子束热处理在真空中进 行，可以防止材料氧化，电子束设备的功率可 以做得比激光功率大。
（四）焊接

电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接 工艺。 主要优点： 1.电子束穿透能力强，焊缝深宽比大，可达到 70： 1。 2.焊接速度快，热影响区小，焊接变形小。 3.电子束焊接不仅可以防止熔化金属受到氧、氮 等有害气体的影响，适于活泼金属的焊接。 4.可焊接难以接近部位的接缝。 5.可实现复杂接缝的自动焊接。
离子束流的的产生方法是把要电离的气态原子 (惰性气体或金属蒸气)注入电离室中，藉由高 频放电、电弧放电使气态原子电离为等离子体， 可引出离子束流。 （一）考夫曼型离子源 （二）双等离子体型离子源
減速型高出力イオン銃・電子銃両用銃
三、离子束加工的应用




（一）蚀刻加工 离子蚀刻用于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。 离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图 形，如集成电路、光电器件和光集成器件等征 电子学构件。 太阳能电池表面具有非反射纹理表面。 离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电 子显微镜试片。



主要缺点： 1.设备比较复杂、费用比较昂贵。 2.焊接前对接头加工、装配要求严格。 3.被焊工件尺寸和形状受到工作室的限制。 4.电子束易受电磁场的干扰，影响焊接质量。 5.电子束焊接时会产生X射线，对操作人员的健 康和安全会造成威胁。
焊接热影响小、变形小
高エネルギー加速器研究機構より加工依頼を 受けた超電導空洞用加速器に使用するポート付 ビームパイプ（R型、L型）。材質はNb（ニオ ブ）材です。
3 3
1
1— 工件； 2— 工件运动方向； 3— 电子束 2
(a)
(b)
(c)
(d)
电子束加工曲面、穿孔
适合于高频率、多孔加工
各种火焰筒上的冷却孔
（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 细沟槽和孔来。 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，直径为70-120μm，深度为5-40μm，小 坑代表浅色，大坑代表深色。
（三）离子束加工的特点

离子束工主要特点如下： 1.加工的精度非常高。 2.污染少。 3.加工应力、热变形等极小、加工精度高。 4.离子束加工设备费用高、成本贵、加工效 率低。
二、离子束工装置
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
二、离子束工装置





（三）离子注入加工 离子注入加工是在工件表面直接注入离子， 可达10%~40%，注入深度可达1μm甚至更 深。 离子注入常用于半导体的制程上，例如用硼、 磷等离子注入半导体 离子注入可以改变金属表面的物力和化学性 能 离子注入可以提高材料的耐腐蚀性能 离子注入可以改善金属材料的耐磨性能 离子注入还可以提高金属材料的硬度 在光学方面还可以制造光波导，生成具有超 导性能的Nb3Sn导线
（二）电子束加工的特点



1.是一种精密微细的加工方法。 2.非接触式加工，不会产生应力和变形。 3.电子束的能量密度高，加工生产率很高。 4.加工过程可自动化。 5.在真空腔中进行，污染少，材料加工表面不氧 化。 6.电子束加工需要一整套专用设备和真空系统， 价格较贵。
二、电子束加工装置
离子镀膜零件
イオンビーム蒸着（IBAD）法
蒸着時にイオンビームを蒸着膜上に別々に制御しなが ら同時に照射することにより、膜質を向上させることが できます。 金属、ゴム、プラスチック、ガラス、セラミ ックス、布などの表面に強固に蒸着できます。
イオンビーム蒸着加工例
Au on Silkの浮世絵
カテーテル銀抗菌
第六章电子束和离子束加工
第六章电子束和离子束加工
第一节 第二节 电子束加工 离子束加工
第一节电子束加工
一、电子束加工的原理和特点 （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，在极端的时间内，其能量大 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。