精密加工高能束加工
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特种加工技术高能束加工
空气
的
钴基合金
2.5
有
石英
3
关
陶瓷
1
数
4.6
据
玻璃钢
1.5 2.7
有机玻璃
20
25
0.35 0.43 0.392 0.075 0.491 0.392 0.171 15
500 500 250 250 250 250 250 8000
O2 N2 N2 N2 N2 N2 N2 空气
木材（软）
25
木材（硬）
固体激光器的基本结构如图 1）激光工作物质 2）谐振腔 3）光泵浦灯 4）聚光腔
图5-4 固体激光器的基本结构
固体激光器
1）工作物质： 是由发光中心的激活离子和基质材料两部分组成的。工作物质的物理性能主要
取决于基质材料，光谱特性由激活离子内的能级结构来决定。 2）谐振腔：
是激光器的重要组成部件，作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大，它由 两块平面或球面发射镜按一定方式组合而成的。其中一端面是全反膜片，即反射 率接近100%；另一端面是具有一定透过率的部分反射膜片。谐振腔是决定激光输 出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。 3）泵浦灯：
和液态物质喷射。
孔。
器和半导体泵浦激光器等。
激光切割
原理：与激 光打孔原理 基本相同， 不同之处在 于激光切割 时激光束与 工件材料需 相对移动， 最终使材料 形成宽度很 窄的切缝， 切缝处的熔 渣被一定的 辅助气体吹 除。
特点：
应用：激光切割占激光应用的60%左右，广泛应
1）无工具磨损。 用于许多工业部门。例如，电气机壳、木刀模
25
2
2000
N2
1
2000
《高能束加工》课件
高能束表面改性
通过高能束对材料表面进行辐照，改变材料表面的化学成分和结 构，提高材料表面的耐腐蚀性和抗氧化性。
高能束表面涂层技术
通过高能束将涂层材料熔融并沉积在材料表面，形成具有特殊性 能的涂层，提高材料表面的防护和装饰性能。
05
高能束加工发展现状 与趋势
高能束加工技术发展现状
高能束加工技术是指利用高能量密度的束流对材料进行加工 的方法，包括激光束、电子束、离子束等。目前，高能束加 工技术在航空航天、能源、电子信息等领域得到了广泛应用 。
纯度的特点。
高能束加工控制系统
加工过程控制系统
对高能束加工过程进行实时监测 和控制，确保加工过程的稳定性
和可靠性。
加工结果检测系统
对加工后的工件进行检测和评估， 确保加工质量符合要求。
加工数据管理系统
对加工过程中的数据进行收集、整 理和分析，为加工过程的优化提供 支持。
04
高能束加工材料与工 艺
新型高能束源的研发和应用将进一步提高加工效率和精度 ，同时降低能耗和成本。高能束加工技术的智能化和数字 化也将成为未来的发展趋势，实现加工过程的自动化和智 能化控制。
高能束加工技术面临的挑战与机遇
高能束加工技术虽然具有很多优点，但也面临着一些挑战，如设备成本高、加工效率低、材料适应性差等问题。同时，随着 环保意识的提高，高能束加工技术的环保性能也需要得到进一步提高。
激光加工材料与工艺
激光加工材料
激光加工适用于各种材料，如金属、非金属、复 合材料等。
激光加工工艺
激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔覆等。
激光加工特点
高精度、高效率、非接触式加工。
电子束加工材料与工艺
电子束加工材料
通过高能束对材料表面进行辐照，改变材料表面的化学成分和结 构，提高材料表面的耐腐蚀性和抗氧化性。
高能束表面涂层技术
通过高能束将涂层材料熔融并沉积在材料表面，形成具有特殊性 能的涂层，提高材料表面的防护和装饰性能。
05
高能束加工发展现状 与趋势
高能束加工技术发展现状
高能束加工技术是指利用高能量密度的束流对材料进行加工 的方法，包括激光束、电子束、离子束等。目前，高能束加 工技术在航空航天、能源、电子信息等领域得到了广泛应用 。
纯度的特点。
高能束加工控制系统
加工过程控制系统
对高能束加工过程进行实时监测 和控制，确保加工过程的稳定性
和可靠性。
加工结果检测系统
对加工后的工件进行检测和评估， 确保加工质量符合要求。
加工数据管理系统
对加工过程中的数据进行收集、整 理和分析，为加工过程的优化提供 支持。
04
高能束加工材料与工 艺
新型高能束源的研发和应用将进一步提高加工效率和精度 ，同时降低能耗和成本。高能束加工技术的智能化和数字 化也将成为未来的发展趋势，实现加工过程的自动化和智 能化控制。
高能束加工技术面临的挑战与机遇
高能束加工技术虽然具有很多优点，但也面临着一些挑战，如设备成本高、加工效率低、材料适应性差等问题。同时，随着 环保意识的提高，高能束加工技术的环保性能也需要得到进一步提高。
激光加工材料与工艺
激光加工材料
激光加工适用于各种材料，如金属、非金属、复 合材料等。
激光加工工艺
激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔覆等。
激光加工特点
高精度、高效率、非接触式加工。
电子束加工材料与工艺
电子束加工材料
6现代加工技术-高能束流加工技术
第六章 高能束流加工技术
第六章 高能束流加工技术
6.1 激光加工技术
6.2 电子束加工技术
6.3 离子束加工技术 6.4 水射流及磨料射流加工技术
现代设计与集成制造技术教育部重点实验室
6.1 激光加工技术
6.1.1 激光及激光加工原理
1、激光 自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光方式， 前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的光便是激光。 原子由原子核和电子组成。电子在靠近原子核最近的轨道 上运动时是最稳定的，这时原子所处的能级状态称为基态。当 外界传给原子一定的能量，原子的内能增加，外层电子的轨道 半径增大，被激发到高能级，称为激发态或高能态。被激发到 高能级的原子不稳定，从高能级回落到低能级的过程，称为“ 跃迁”。 一般处于激发状态的各种高能级的原子停留时间一般都较 短，在0.01us左右。但有些原子或离子的高能级或次高能级却 有较长的寿命，这种寿命较长的较高能级，称为亚稳态能级。 如氦原子、二氧化碳分子以及钕离子等具有亚稳态能级。亚稳 态能级的存在是形成激光的重要条件。
现代设计与集成制造技术教育部重点实验室
6.2 电子束加工
6.2.1 电子束加工原理 电子束加工是利用高能电子束流轰击材料，使其产生热 效应或辐射化学和物理效应，以达到预定的工艺目的。电子 束加工根据其所产生的效应可分为电子束热加工和电子束非 热加工两类。 1、电子束热加工 通过加热发射材料产生电子，在热发射效应下，电子飞 离材料表面。在强电场作用下，热发射电子经过加速和聚焦 ，形成高速电子流。通过一级或多级会聚产生高能束流，当 它冲击工件表面时，电子的动能瞬间转变为热能。由于光斑 直径很小，电子束具有极高的功率密度，可使材料的温度在 几分之一微秒内升高到几千摄氏度，局部材料快速汽化、蒸 发而实现加工的目的。这种利用电子束热效应的加工方法， 被称为电子束热加工。
第六章 高能束流加工技术
6.1 激光加工技术
6.2 电子束加工技术
6.3 离子束加工技术 6.4 水射流及磨料射流加工技术
现代设计与集成制造技术教育部重点实验室
6.1 激光加工技术
6.1.1 激光及激光加工原理
1、激光 自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光方式， 前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的光便是激光。 原子由原子核和电子组成。电子在靠近原子核最近的轨道 上运动时是最稳定的，这时原子所处的能级状态称为基态。当 外界传给原子一定的能量，原子的内能增加，外层电子的轨道 半径增大，被激发到高能级，称为激发态或高能态。被激发到 高能级的原子不稳定，从高能级回落到低能级的过程，称为“ 跃迁”。 一般处于激发状态的各种高能级的原子停留时间一般都较 短，在0.01us左右。但有些原子或离子的高能级或次高能级却 有较长的寿命，这种寿命较长的较高能级，称为亚稳态能级。 如氦原子、二氧化碳分子以及钕离子等具有亚稳态能级。亚稳 态能级的存在是形成激光的重要条件。
现代设计与集成制造技术教育部重点实验室
6.2 电子束加工
6.2.1 电子束加工原理 电子束加工是利用高能电子束流轰击材料，使其产生热 效应或辐射化学和物理效应，以达到预定的工艺目的。电子 束加工根据其所产生的效应可分为电子束热加工和电子束非 热加工两类。 1、电子束热加工 通过加热发射材料产生电子，在热发射效应下，电子飞 离材料表面。在强电场作用下，热发射电子经过加速和聚焦 ，形成高速电子流。通过一级或多级会聚产生高能束流，当 它冲击工件表面时，电子的动能瞬间转变为热能。由于光斑 直径很小，电子束具有极高的功率密度，可使材料的温度在 几分之一微秒内升高到几千摄氏度，局部材料快速汽化、蒸 发而实现加工的目的。这种利用电子束热效应的加工方法， 被称为电子束热加工。
高能束加工1
撞击效应：离子刻蚀 溅射效应：离子镀膜 注入效应：离子注入
2、特点： •纳米级精确控制 •污染少 •加工应力和变形极小 •易于实现自动化 •适合材料范围广 •设备成本高，效率低。
原子电离产生离子束流
气态原子
高频放电 电弧放电 等离子体 放电 电子轰击
等离子体
负电极引出等 离子体束流
3、离子束加工装置
磨蚀
抛磨
2、超声数控加工技术-----DMG公司 Ultrsonic系列产品
工作原理：通过超声加工主轴产生振动，根据主轴类型的不同， 金刚石刀具的振动频率在每秒17.5000—48,000次。这样就把工件 表面敲成微粒。这种方法比传统加工方法高出5倍。刀具和工件之 间不断的接触和分离，大大降低了加工作用力和热负荷，保护了 刀具和工件。在新研制的HSK 刀柄的基础上集成超声发射系统， 使传统的铣削加工与超声振动加工可以在同一机床上完成。
二氧化碳激光器是以CO2气体作为 工作物质的气体激光器。放电管通常是 由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2 气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮 气，一般还有少量的氢或氙气）；电极 一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是 镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化 镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高 电压（一般是直流的或低频交流的）， 放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有 激光输出，其波长为10.6微米附近的中 红外波段；一般较好的管子。一米长左 右的放电区可得到连续输出功率40～60 瓦。CO2激光器具有比较大的功率和比 较高的能量转换效率，输出波段正好是 大气窗口，具有输出光束的光学质量高， 相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。 这是一种重要的激光器。
三、电子束加工应用
1、高速打孔 直径极小，效率极高 2、加工型孔和特殊复杂型表面 3、电子束焊接 能量密度高，焊接速度快 4、电子束刻蚀
2、特点： •纳米级精确控制 •污染少 •加工应力和变形极小 •易于实现自动化 •适合材料范围广 •设备成本高，效率低。
原子电离产生离子束流
气态原子
高频放电 电弧放电 等离子体 放电 电子轰击
等离子体
负电极引出等 离子体束流
3、离子束加工装置
磨蚀
抛磨
2、超声数控加工技术-----DMG公司 Ultrsonic系列产品
工作原理：通过超声加工主轴产生振动，根据主轴类型的不同， 金刚石刀具的振动频率在每秒17.5000—48,000次。这样就把工件 表面敲成微粒。这种方法比传统加工方法高出5倍。刀具和工件之 间不断的接触和分离，大大降低了加工作用力和热负荷，保护了 刀具和工件。在新研制的HSK 刀柄的基础上集成超声发射系统， 使传统的铣削加工与超声振动加工可以在同一机床上完成。
二氧化碳激光器是以CO2气体作为 工作物质的气体激光器。放电管通常是 由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2 气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮 气，一般还有少量的氢或氙气）；电极 一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是 镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化 镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高 电压（一般是直流的或低频交流的）， 放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有 激光输出，其波长为10.6微米附近的中 红外波段；一般较好的管子。一米长左 右的放电区可得到连续输出功率40～60 瓦。CO2激光器具有比较大的功率和比 较高的能量转换效率，输出波段正好是 大气窗口，具有输出光束的光学质量高， 相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。 这是一种重要的激光器。
三、电子束加工应用
1、高速打孔 直径极小，效率极高 2、加工型孔和特殊复杂型表面 3、电子束焊接 能量密度高，焊接速度快 4、电子束刻蚀
高能束加工
电子束加工
电子束非热加工
电子束非热加工是基于电子束的非 热效应，利用功率密度比较低的电子束 和电子胶（又称电子抗蚀剂，由高分子 材料组成）相互作用，产生的辐射化学 或物理效应。
电子束热加工
通过加热发射材料产生电子，在热 发射效应下，电子飞离材料表面。在强 电场作用下，热发射电子经过加速和聚 焦，形成高速电子流。通过一级或多级 会聚产生高能束流，当它冲击工件表面
先进制造系统
主要功能： • 高压/磨料水射流切割，用高速密集的水射流对物体进行切割。
•统
水喷射加工样件
切割大理石
加工的零件
先进制造系统
先进制造系统
水喷射加工的特点:
适用范围广。既可用来加工金属材料，也可以加工非金属材料。 加工质量高。切缝窄（约为0.075~0.38mm），提高材料利用率；切口质量好，几乎
Water Jet），它是将具有一定粒度的磨料粒子加入高压水管路系统中，使其与高压水 进行充分混合后再经喷嘴喷出，从而形成具有极高速度的磨料射流，相对于纯水射流 来说，它成倍地提高了切割力，拓宽了切割材料的范围，几乎可以切割一切硬质材料。
先进制造系统
水喷射加工系统组成： 增压系统-供水系统-增 压恒压系统-喷嘴管路系统数控工作台系统-集水系统水循环处理系统。 如果是磨料射流加工 装置，则还有磨料与水的混 合系统。
激光加工是一种瞬时、局部熔化、汽化的热加工，影响因素很多。
先进制造系统
电子束加工
电子束加工原理：
电子束加工是利用高能电子束流轰击材料，使
其产生热效应或辐射化学和物理效应，以达到 预定的工艺目的。
电子束加工根据其所产生的效应可分为： 电子束热加工和电子束非热加工
电子束加工的原理图
高能束流加工技术的现状及发展
高能束流加工技术的现状及发展一、引言高能束流加工技术是一种先进的制造加工技术，其利用高能束流对材料进行加工处理，可以实现高精度、高效率、低损伤的加工效果。
随着科技的不断进步和应用领域的不断扩展，高能束流加工技术已经成为了当前最具前景和潜力的制造加工技术之一。
二、高能束流加工技术的基本原理1. 高能束流的产生高能束流包括电子束、离子束和激光束等。
其中，电子束和离子束是通过电子枪或离子源产生，并通过磁场聚焦形成细小且密集的束流；激光束则是通过激光器产生，并通过透镜系统聚焦形成极小直径的光斑。
2. 高能束流与材料相互作用当高能束流与材料相互作用时，会发生以下几种物理过程：撞击效应、热效应、化学效应和辐射效应。
其中，撞击效应主要指由于高速粒子与固体表面发生碰撞而导致表面变形或破裂；热效应主要指由于高能束流的能量被转化为材料内部的热能而导致材料熔化或蒸发；化学效应主要指由于高能束流与材料发生化学反应而导致表面化学性质的改变；辐射效应主要指由于高能束流所产生的辐射而导致材料受到辐射损伤。
3. 高能束流加工技术的基本过程高能束流加工技术包括预处理、加工和后处理三个基本过程。
其中，预处理主要是对待加工材料进行表面清洗和处理，以确保其表面光洁度和化学性质符合加工要求；加工过程则是将高能束流对材料进行精细加工，包括切割、打孔、雕刻等多种形式；后处理则是对已经完成的产品进行表面处理和质量检测，以确保其符合产品标准。
三、高能束流加工技术在各领域中的应用1. 航空航天领域在航空航天领域中，高能束流加工技术被广泛应用于制造发动机喷口、涡轮叶片等关键部件。
这些部件需要高精度、高强度和高温性能，而高能束流加工技术可以实现对这些部件的精细加工和表面处理，提高其性能和寿命。
2. 电子信息领域在电子信息领域中，高能束流加工技术被广泛应用于制造微电子器件、光学器件等高精度产品。
这些产品需要极高的精度和表面光洁度，而高能束流加工技术可以实现对这些产品的微米级别加工和表面处理。
5高能束加工
• 离子束加工的特点
• （1）易于精确控制 • 可以聚焦到毫微米（0.001μm）级的加工精度，离子镀可以 控制在亚微米级精度，离子注入也可以精确的控制。 • 可以这样说，离子束加工是所有特种加工方法中最精密，最 精细的加工方法，是当代毫微米级加工（纳米加工）技术的 基础。 • （2）加工时产生的污染小 • 由于离子束加工是在真空中进行的，所以污染少。特别适合 易氧化的金属、合金材料和高纯度的半导体材料的加工。 • （3）加工应力小、变形极小、对材料适应性强。 • 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种 微观作用，宏观压力很小，所以加工应力，热变形极小。加 工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。 • （4）离子束加工设备的费用高，成本高，加工效率低，因 此应用范围受到一定的限制。
旁热阴极 控制栅极 加速阳极
聚焦系统
电子束斑点
工件
工作台
电子束加工原理图
• 电子束加工的物理过程
• 可以这样来认为：当入射的电子束与工件表面的原子相互作用时 ，将冲击能量转换成热能，加热被冲击部位。温度迅速升高到熔 点或沸点以上，使材料局部熔化、蒸发或成雾状粒子飞散、喷射 出来。随着孔不断加深，电子束冲击点也越深入。由于孔的内侧 壁对电子束产生“壁聚焦”，所以加工点可达很深，从而可打出 深径比很大微孔。 • 电子束加工的另一种是利用电子束流非热效应。功能密度较小的 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，使电子胶的分子链被切断或重新 组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。
• 注：电子束曝光 用具有一定能量的电子束照射抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生 图形的一种微细加工技术。对于正性抗蚀剂，在显影后经电子束照射区域的抗蚀剂被 溶解掉，而未经照射区域的抗蚀剂则保留下来；对负性抗蚀剂则情况相反。这样就在 抗蚀剂中形成了需要制作的图形，电子束曝光有扫描和投影两种工作方式。扫描电子 束曝光机是实现亚微米图形加工的最重要的一种设备，是研制微电子器件，特别是大 规模、超大规模集成电路的一项关键技术。
(新)高能量束加工原理_
6.5 放電加工(EDM)(續)
6.5 放電加工(EDM)(續)
放電加工的優點： 可加工任何可導電的工件材料，尤其適用於 難切削材。 各種複雜形狀、細小圓孔、深孔、薄片工件， 和易碎材料等都可用此法加工製造。 加工過程中不會產生切削力所引起的殘留應 力或變形。 電極工具可採用較軟且易於加工之良導電性 材料，例如銅、石墨、黃銅、鋼、鋅合金或 鋁合金等。
6.2 雷射束加工(LBM)
以閃光燈等幫泵能源對雷射工作介質作用 並激發出雷射。 具高能量且高平行度的單色光，當其聚集 於極小的光點時，可瞬間產生大量熱能並 形成高溫使材料急速熔化。
雷射可調整其光束的大小，應用於切割、 鑽孔、銲接、刻字和熱處理等。
6.2 雷射束加工(LBM)(續)
雷射的工作物質有固態、液態和氣態。
產生光波的形式可分為脈衝式和連續式。
影響雷射加工效果的因素包含雷射本身功 率等特性、輔助氣體、工件表面的反射率 和熱傳導等性質。
6.2 雷射束加工(LBM)(續)
雷射加工具有電子束加工的優點： 但不需在真空中才能進行加工。
又能對雷射可穿透之透明容器內的工件進 行加工。 故應用範圍廣，且操作及控制也較簡單。
6.5 放電研磨加工 (EDG)(續)
可用於半導體產業中之光罩的製作，也可 對任何材料加工，但鑽石是唯一的例外。
6.3 電子束加工(EBM)(續)
對工件很少造成熱應力或殘留應力等不良 副作用，沒有工具損耗的問題，易於實現 自動化生產。 缺點則為設備昂貴，會產生有害的X-射線， 且工件大小受到真空室空間之限制。
6.4 電漿電弧加工 (PAM)
介電液一般用去離子水。
電極線材料有銅、黃銅、鎢或鉬等，由上 往下垂直運動進行切削且使用後即丟棄。
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5.1 离子束加工
4.离子束加工的分类和应用
可以实现精密、微细及光整加工，尤其是亚微米
至纳米级精度的加工，可将材料的原子一层层地铣
削下来，使工件加工的精度、表面粗糙度的控制近
乎极限。可以较好地实现材料的表面改性处理，使
用离子束还可以向工件表面进行离子溅射沉积和离 子镀膜加工。 一台设备离子束加工，既可用于加工，又可用于 蚀刻、熔化、热处理、焊接等。
预加工
终加工
预加工
终加工
a) 金刚石压头
b) 金刚石刀具
图 离子束加工金刚石制品
◎离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。
5.1 离子束加工
离子蚀刻加工
• 当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子 轰击工件表面时，此入射离子的动量传递到工件表面的原子， 传递能量超过了工件表面原子（或分子）间的镀合力时，材 料表面的原子（或分子）就从工件表面撞击逐个溅射出来， 以达到刻蚀加工目的。 • 这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为 离子铣削。
使其加速射向工件或者靶
材。
等离子体：多种离子的集合
体。
5.1 离子束加工
•
•
3.离子束加工的特点
⑴是一种精密微细的加工方法。可控性好，是所 有现代加工方法中最精密、最微细的加工方法。 • ⑵在高真空中进行，污染少，尤其适宜对易氧化 的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。材 料加工表面不氧化. • ⑶非接触式加工，不会产生应力和变形,宏观压力 小，加工中产生应力、变形也小，不但加工工件表 面质量高，而且对材料适应性强。 • (4)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统， 设备成本高，加工效率低，应用范围受限。
5.1 离子束加工
在离子源中，惰性气体氩（压 强为1～10帕）被电离而形成 等离子体，引出加速系统是一 组具有不同电位的多孔栅极， 用来抑制电子并引出离子束。 在引出加速系统和靶面之间有 一个热灯丝中和器，它发射电 子使离子束中和，从而避免正 离子轰击绝缘体表面产生电荷 积累，减小正离子空间电荷的 发散作用，使离子束的均匀性 得到改善。
5.2 离子束加工
5.2 离子束加 工加工
5.1 离子束加工
• 1.离子束加工的基本原理 • 在真空条件下，将惰性气体由离子经过 电场加速, 获得具有一定速度的离子束在 经过聚束和聚焦投射到材料表面 , 以其动 能轰击工件表面，产生撞击效应、溅射 和注入效应 , 这就是离子束加工的物理基 础.
5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 离子束加工
5.1 离子束加工
4.2离子束工加工的应用：
离子束溅射去除加工
◎将被加速的离子聚焦 成细束，射到被加工表 面上。被加工表面受 “轰击”后，打出原子 或分子，实现分子级去 除加工。 ◎加工装置见右图。三 坐标工作台可实现三坐 标直线运动，摆动装置 可实现绕水平轴的摆动 和绕垂直轴的转动。
阴极
阳极 惰性气体入口
5.1 离子束加工
• 4.1离子束加工的分类 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子
溅射沉积和离子注入等。
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。
5.1 离子束加工
2. 加工设备
离子束加工设备主要有： 离子源（离子枪）、真空系 统、控制系统和电源系统。
离子源的工作原理：气体被 注入到电离室、然后使其放 电，电子与气体原子发生碰 撞使其电离，从而得到等离 子体。
5.1 离子束加工
采用一个相对等离子体为
负电位的电极，将正离子
由等离子体中引出，而后
一次溅射原子 二次溅射原子 Ar离子
被排斥Ar离子 回弹溅射原子 真空 Ar离子
工件表面 工件 位移原子
格点间停留离子
格点置换离子
位移原子
离子碰撞过程模型图
5.1 离子束加工
碰撞效果 离子束加工与经过聚焦加速后，靠离子打 击加工件的动能，或将工件的原子撞击出来 (撞击 效应)，或将靶材的原子撞出后飞溅沉积到工件表 面上（溅射效应），或直接将离子束中的离子打 入工件表层之内 ( 注入效应 ) 。可实现对材料的 “毫微米级”或“原子级加工”。
物理过程 离子碰撞过程：当入射离子碰到工件表面时，
撞击原子、分子发生能量交换。离子失去的部分
能量传给工件表面的原子、分子，当能量足够大
时，使它们从基体材料中分离出来，由此产生工
件材料的溅射。剩余的能量转变为材料晶格的振
动。同时入射离子与原子、分子进行能量交换，
可以是一次或者多次碰撞。
5.1 离子束加工
第5章
• 激光加工
高能束加工
基本内容
激光加工的原理和特点； 激光加工的基本设备; 加工工艺及应用. 电子束加工的基本原理; 设备及其应用. 加工的基本原理; 设备及应用
• 电子束加工 • 离子束加工
5.1 概述
激 光 加 工 （ Laser Beam Machining ， 简 称 LBM）、离子束加工（Ion Beam Machining，简称 IBM）、电子束加工（Electron Beam Machining， 简称EBM）是新兴发展起来的特种加工技术。1949 年德国首次在0.5mm不锈钢板上加工出0.2mm的小 孔； 1957 年法国研究出第一台电子束加工设备； 1960年美国第一台固体激光器。1961年我国在长春 研究成功红宝石激光器。
中间电极 电磁线圈 控制电极
绝缘子 引出电极 离子束 聚焦装置
工件
摆动装置 三坐标 工作台 图 离子束去除加工装置
5.1 离子束加工
◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标 运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（见下图），大规模集成 电路芯片刻蚀等。
离子束 离子束 r = 0.01μm 离子束 离子束 r = 0.01μm
5.1 离子束加工
靶可以倾斜和旋转。靶的
倾斜是为了改变离子束轰击基 片的角度，以控制刻蚀图形侧 壁的倾斜角度和改变刻蚀速率。 靶的旋转则可以改善刻蚀的均 匀性。在离子束刻蚀机中，决 定刻蚀特性的主要参量是离子
束的电流密度，离子能量和离
子束轰击基片的角度。
5.1 离子束加工
• 该种方法是一种微细加工，可完成多种加工。 如加工致薄材料镍箔，可加工出直径为20的孔；在厚 度为0.04-0.3的钽、铜、金、铝、铬、银等薄膜上加工直 径为30- 10d的孔。 离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟 槽、加工极薄材料及超高精度非球面透镜。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。