现代加工技术第7章 电子束离子束加工
电子束加工的原理
电子束加工的原理电子束加工是一种利用高速电子流来加工材料的加工方法。
其基本原理是将电子束聚焦成一束非常细小的电子射流，在高速运动的电子束撞击下，材料表面的原子和分子发生碰撞和相互作用，使材料发生物理或化学变化，从而实现加工的目的。
电子束加工设备通常由以下几个主要部分组成：加速系统、聚焦系统、撞击靶标系统和控制系统。
加速系统是电子束加工设备中的核心部分，其主要作用是将电子进行加速，使其获得足够的能量以实现对材料的加工。
加速系统通常由电子枪和电子加速器组成。
电子枪产生电子，而电子加速器则通过电磁场或电势差的作用，将电子加速到所需的速度。
聚焦系统主要用于将加速后的电子束聚焦在一个非常小的面积上。
聚焦系统通常由电磁场或磁透镜组成，通过控制电磁场或磁透镜的参数来实现对电子束的聚焦和控制。
聚焦系统的目标是将电子束的直径减小到微米级别，以提高加工精度和分辨率。
撞击靶标系统是电子束加工设备的加工区域，即电子束撞击到材料表面的地方。
撞击靶标系统通常由样品台和运动控制系统组成。
样品台用于固定和定位待加工材料，而运动控制系统用于控制电子束在材料表面移动的位置和轨迹。
电子束加工的原理主要基于电子束与材料相互作用的过程。
当电子束撞击到材料表面时，它会和材料表面的原子和分子发生相互作用，从而导致材料表面的物理或化学变化。
这些相互作用包括电子与原子之间的电子-电子碰撞，电子与原子之间的电子-原子碰撞以及电子与原子核之间的碰撞。
这些相互作用会使材料表面的原子和分子发生能量转移和重新排列，从而改变材料的物理和化学性质。
电子束加工的原理还涉及到电子束的能量传递和吸收。
当电子束撞击到材料表面时，部分电子的能量会被材料吸收，导致材料发生加热和熔化。
这种加热和熔化过程可以使材料发生融化、蒸发、溶解、沉积等物理和化学变化，从而实现不同类型的加工操作，如切割、焊接、打孔、表面改性等。
电子束加工具有许多优点。
首先，电子束加工具有非常高的加工精度和分辨率，可以实现亚微米级的加工，适用于微电子器件和精密零件的加工。
离子束加工
离子注入：
采用5~500Kev的较高能量的离子束，直接垂直轰 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，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和化学 性能，称离子注入为表面改性。
3.离子束加工的特点
1）离子束是所有特种加工方法中最精密、最微细的加 工方法，离子刻蚀可以达到纳米级的加工精度，是当代 纳米加工技术的击出。
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，制造p-n结，目前 成为制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段。
离子注入改善金属表面性能正在形成一个新型的领域。 利用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，可以制 的新的合金，从而可制的新的合金，从而改善金属表面的 抗蚀性能、抗疲劳性能、润滑性能和耐磨性能。
离子束加工设备： 主要包括离子源、真空系统、控制系统和电源部分； 离子源用以产生离子束流，产生离子束流的基本 原理和方法是使原子电离。具体办法是把要电离的 气态原子（氩等惰性气体或金属蒸汽）注入电离室， 经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击， 使气态原子电离为等离子体（正离子数和负离子数 相等的混合体）用一个相对于等离子体为负电势的 电极，就可从等离子体中引出正离子束流。
2.离子束加工分类 根据物理效应和达到的目的不同分类；
利用离子撞击的离子刻蚀；
利用能量为0.5~5Kev的氩离子倾斜轰击工件，将工 件表面的原子逐个剥离，其实质是一种原子尺度的切削加 工，又称离子铣削。
离子溅射沉积： 利用能量为0.5~5Kev的氩离子倾斜轰击某种材料
制成的靶，离子将靶材原子击出，垂直沉积在靶材附近 的工件上，使工件表面镀上一层薄膜，溅射沉积是一种 涂膜工艺。
先进制造技术——三束加工—激光束、电子束、离子束
2．特点及应用
离子束加工有如下特点：
(1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳 米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精 确地控制。
(2) 离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合 金和半导体材料进行加工。 (3) 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， 所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。
4.束流控制方便，易实现加工过程自动化。
二、激光束加工
激光：源自在经过激励后由高能级院子跃迁到低能级而发射 的光子所产生的物理现象。
激光产生的原理：原子经过激励而发生跃迁现象。 激光加工:激光加工就是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点 上达到很高的能量密度产生的光热效应来加工各种材料。
加工原理
1）高速打孔 目前电子束打孔的最小直径可达Ø0.003mm左右。例如喷气发动机 套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用电子束打大量微孔， 可使其具有如真皮革那样的透气性。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片 上打深度5mm、直径Ø0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。
2）加工型孔及特殊表面
激光加工的应用
激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大 体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利 用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激 光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指 激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。 包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。
0.03～ 0.07 mm
简述离子束加工原理及应用
简述离子束加工原理及应用离子束加工是一种利用离子束对物体表面进行加工的技术。
它利用离子束的高能量和较高质量，通过离子与物体表面的相互作用，改变物体表面的性质和形态。
离子束加工的基本原理是通过向物体表面注入高能量的离子，使其与物体表面的原子或分子发生碰撞，从而改变物体表面的结构和性质。
离子束加工可分为两种方式：离子轰击和离子注入。
离子轰击是指将离子束直接撞击在物体表面，使离子与物体表面的原子或分子碰撞，产生剧烈的动能转换和表面物理或化学反应。
这种反应可用于表面修饰、改变物体的形貌和结构，以及提高物体的耐磨性、耐蚀性和耐高温性能。
例如，在高能量离子轰击下，物体表面的晶格结构可以被破坏，形成无序的表面结构，从而改变物体的性能。
离子注入是指将高能量的离子注入到物体表面的一定深度，改变物体的材料组成和物理性质。
这种方法可用于改变电子器件的电学性能，提高材料的导电性、导热性和机械强度。
例如，在半导体加工中，使用离子注入技术可改变材料的掺杂浓度，从而改变半导体器件的导电性能。
离子束加工广泛应用于多个领域。
在材料科学中，离子束加工可以用于改变材料的物理、化学性质，提高材料的功能性和性能。
例如，离子注入技术可以提高金属的硬度和耐腐蚀性能，用于制作高强度合金和耐高温材料；离子轰击技术可用于表面增强的纳米制备、表面复合材料以及表面涂层的制备。
在纳米科技中，离子束加工可用于纳米材料的制备和调控；在生物医学领域，离子束加工可用于生物材料的表面处理和生物影像技术的加工；在电子器件领域，离子注入技术可用于制作不同类型的半导体器件和集成电路的制作。
然而，离子束加工也存在一些挑战和限制。
首先，离子束加工需要大型设备和高能量离子源，成本较高。
其次，离子束加工过程需要对离子束进行定向和聚焦，技术上存在一定的难度。
此外，离子束加工在处理大面积样品时效率较低，通常适用于小面积样品的加工。
在未来，离子束加工技术有望得到进一步发展和应用。
随着纳米科技、生物医学和电子器件等领域的发展，对材料表面性能的要求越来越高，离子束加工技术将成为一种重要的加工手段。
离子束和等离子体加工
离子束和等离子体加工的原理和特点及这两种加工技术在高精度表面抛光中应用。
1.离子束加工的基本原理所谓离子束抛光, 就是把惰性气体氩、氮等放在真空瓶中, 用高频电磁振荡或放电等方法对阴极电流加热, 使之电离成为正离子, 再用5千至10万伏高电压对这些正离子加速, 使它们具有一定的能量。
利用电子透镜聚焦，将它们聚焦成一细束,形成高能量密度离子流，在计算机的控制下轰击放在真空室经过精磨的工件表面, 从其表面把工件物质一个原子一个原子地溅射掉。
用这种方法对工件表面进行深度从100 埃到10微米左右的精密加工。
2.等离子体加工的基本原理等离子体加工又称为等离子弧加工，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气体去除材料的。
等离子体又被成为物质的第四种状态。
等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，理解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体的正负离子数目和正负电荷仍相等，因此称为等离子体，具有极高的能量密度。
3. 离子束加工主要的特点（1）属于原子级逐层去除加工，加工精度高（2）加工生产污染小（3）加工应力、变形小（4）加工范围广（利用机械碰撞能量加工）（5）易实现自动化（6）设备复杂、价格贵4. 等离子体加工主要的特点由于等离子体电弧对材料直接加热，因而比用等离子体射流对材料的加热效果好得多。
因此，等离子体射流主要用于各种材料的喷镀及热处理等方面；等离子体电弧则用于金属材料的加工、切割以及焊接等。
等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。
适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度，以及喷射距离，可以利用一个电极加工不同厚度和多种材料。
5.离子束抛光的典型应用离子束抛光是 1965 年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。
目前，美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备，并应用于生产。
此外，日本、英国、法国等国也已开发和研究了这一新技术。
现代加工技术第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
II 加工型孔或特殊外表
切割复杂型面，切口宽度6~3 μm ，边 缘粗糙度可控制在±0.5μm ；
不仅可以加工直孔也可以加工弯孔和 立体曲面；
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
III 刻蚀
在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，利用电 子束对陶瓷或半导体材料可出许多微细沟槽和孔 ； 制版；
ii 蚀刻加工时，对离子入射能量、束流大小、离子 入射到工件上的角度以及工作室气压等分别控制；
iii 氩气离子蚀刻效率取决于离子能量和入射角度；
入射能量增大蚀刻效率增加；
入射角度增加蚀刻效率增加，但角度过大使有效束流减 小，40º~60º效率最高；
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7.2.离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
IV 焊接
当高能量密度的电子束轰击焊件外表时，使焊件接头处 的金属熔融，在电子束不断轰击下，形成一个被熔融金 属环绕的毛细管状的蒸气管，如果焊件按一定速度沿接 缝与电子束作相对运动，那么接缝上的蒸气管由于电子 束的离开而重新凝固，形成焊缝 ； 焊接速度快，焊缝窄、强度好，热影响区小，变形小； 可以焊接难熔金属和化学活性高的金属； 可以焊接不同材料；
Pag.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
i 考夫曼型离子源；
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7.2.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
ii 双等离子体型离子源；
离子束加工
（4）离子注入
离子束直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使 离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学
成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。
离子注入既不是从加工表面去除基体材料，也不 是在表面以外添加镀层，这种方法仅仅是改变基 体表面层的成分和组织结构，从而造成表面性能
变化，满足材料的使用要求。这一过程是以高速
溅射镀膜工艺
一.合金膜的镀制
在各种镀膜技术中，溅射最适于镀制合金膜。溅射镀制合金膜，有
三种可供选择的技术方案；多靶溅射、镶嵌靶溅射和合金靶溅射。
1.多靶溅射 多靶溅射是采用几个纯金属靶同时对基片进行溅射。调整各个靶的 功率，就能改变膜材成分。这种方法特别适于调整合金成分，可以 得到成分连续变化的膜材。 2.镶嵌靶溅射 镶嵌靶溅射是将各种纯金属靶材，按一定比例镶嵌在靶面上同时进
五.离子束应用范围
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。 （1）离子刻蚀
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，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子或分子间键合力时， 材料表面的原子或分子被逐个溅射出来，以达到加工目的。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。
微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。
环境污染少。离子束加工在真空中进行，特别适宜于对易 氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。 加工质量高。离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来 实现的，加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚
件零件进行加工。
与电子束相比 （1）相同点：在真空条件中进行；粒子 束加工 （2）不同点：带正电荷的离子，质量比 电子大数千、数万倍，如氩离子的质 量是电子的7.2万倍;是靠微观的机械撞 击能量来加工的，离子束比电子束具 有更大的撞击动能。
第7章 电子束和离子束加工
1-发射阴极 2-控制栅极 3-加速 阳极 4-聚焦系统 5-电子束斑点 6-工件 7-工作台
3
7.1.1电子束加工的原理及特点
1）高功率密度
属非接触式加工，工件不 受机械力作用，很少产生宏观应力变形， 同时也不存在工具损耗问题。 2）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，， 电子束通过磁场和电场可在工件上以任何 速度行进，便于自动化控制。 3）环境污染少 适合加工纯度要求很高的 半导体材料及易氧化的金属材料。
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2）离子溅射沉积
采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料
制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到 工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。
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3）离子镀膜
离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉 积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增 强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa）， 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度 快，目前已获得广泛应用。
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4）离子注入
用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子 能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其 表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。 此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求 注入不同离子（如磷、氮、碳等）。 注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可 控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。
电子束光刻系统
电子束制版机
电子束曝光系统
8
4）其它应用
用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材 料进行电子刻蚀加工；异种金属焊接；电 子束热处理等。
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7.2.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
i 考夫曼型离子源；
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第7章 电子束离子束加工
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7.2.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
ii 双等离子体型离子源；
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第7章 电子束离子束加工
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7.2.离子束加工
3 离子束加工的应用
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第7章 电子束离子束加工
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7.2.离子束加工
3 离子束加工的应用
II 镀膜加工
iii 绕射性好，基材所有暴露表面均能被覆镀； iv 可镀材料广泛； v 用于镀制耐热膜、润滑膜、
耐蚀膜、装饰膜等；
vi 离子镀膜以蒸汽镀膜为主；
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第7章 电子束离子束加工
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ii 发射阴极一般由纯钨或钽做成丝状阴极；
iii 控制栅极较阴极为负的偏压， 既能控制电子束的强弱，又初 步聚焦；
iv 加速阳极通常接地，阴极加以 很高的负电压以驱使电子加速；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
2 电子束加工的设备
II 真空系统
i 维持一定的真空度，保证电子高速运动； ii 由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成；
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第7章 电子束离子束加工
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7.2.离子束加工
1 离子束加工原理、分类和特点
I 离子束加工的原理和物理基础
i 加工原理
在真空条件下，将离子束经过加速聚焦后打到工件表面， 依靠微观的机械撞击能量来加工
ii 物理基础
撞击效应和溅射效应：具有一定动能的离子斜射到工件 表面时，可将表面的原子撞击出来；
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7.2.离子束加工
1 离子束加工原理、分类和特点
II 离子束加工分类
iii 离子镀（离子溅射辅助沉积）
氩离子同时轰击工件和靶材表面，其目的在于增强膜 材和工件基材之间的结合力；
iv 离子注入
根据不同的目的选用不同的 注入离子；
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I 蚀刻加工
i 蚀刻加工原理：溅射效应；
ii 蚀刻加工时，对离子入射能量、束流大小、离子 入射到工件上的角度以及工作室气压等分别控制；
iii 氩气离子蚀刻效率取决于离子能量和入射角度；
入射能量增大蚀刻效率增加；
入射角度增加蚀刻效率增加，但角度过大使有效束流减 小，40º~60º效率最高；
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ii 束流强度控制：
提高电子束运动速度； 间隙性加速电压，使电子束脉冲性运动；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
2 电子束加工的设备
III 控制系统和电源
iii 束流位置控制：
改变电子束的方向； 电磁偏转来控制，使偏转电压按一定规律变化；
iv 工作台位移控制：
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
VI 光刻
利用低能量密度的电子束照射高分子材料，由于入射电 子和高分子相碰撞，使分子的链被切断或重新聚合而引 起相对分子量的变化，按规定图形进行照射就会形成潜 像，再将其浸入适当的溶剂中，则由于相对分子量不同 而溶解速度不一样，就会使潜像显影；
控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达 到不同的加工目的；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
1 电子束加工原理和特点
II 加工特点
i 电子束能够极其细微的聚焦，可以加工微孔、窄 缝和半导体集成电路等；
ii 去除材料主要靠瞬时蒸发，非接触式加工，不易 产生宏观应力和变形，加工材料范围广；
配合电子束偏转，扩大加工范围和形状；
v 电源：
要求电源电压稳定；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
I 高速打孔
孔径小，可达Ф0.003； 可在工件运动中打孔；
能加工深孔；
加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性 材料时，需用电阻炉或电子束 预热，防止应加工温差大材料 破碎；
iii 通过磁场或电场对电子束的强度、位置和聚焦等 进行控制，便于实现自动化；
iv 真空加工污染小，工件表面不易氧化； v 加工较贵，生产应用有局限性；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工Байду номын сангаас
2 电子束加工的设备
I 电子枪
i 获得电子束的装置；
包括电子发射阴极、控制栅极和 加速阳极等；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
II 加工型孔或特殊表面
切割复杂型面，切口宽度6~3 μm ，边 缘粗糙度可控制在±0.5μm ；
不仅可以加工直孔也可以加工弯孔和 立体曲面；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
7.2.离子束加工
3 离子束加工的应用
III 离子注入
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，并可精确控制注入量；
i 改变半导体导电型式和制造P-N结；
ii 改善金属表面性能； iii 对金属表面掺杂；
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第7章 电子束离子束加工
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先用机械旋转泵把真空室抽至初步真空度 （1.4~0.14Pa），再由油扩散泵或涡轮分子泵抽至高 真空度（0.014~0.00014Pa）；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
2 电子束加工的设备
III 控制系统和电源
i 束流聚焦控制：
提高电子束能量密度； 聚焦方式：高压静电场或“电磁透镜”；
3 电子束加工的应用
III 刻蚀
在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，利用电 子束对陶瓷或半导体材料可出许多微细沟槽和孔 ； 制版；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
IV 焊接
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，在电子束不断轰击下，形成一个被熔融金 属环绕的毛细管状的蒸气管，如果焊件按一定速度沿接 缝与电子束作相对运动，则接缝上的蒸气管由于电子束 的离开而重新凝固，形成焊缝 ； 焊接速度快，焊缝窄、强度好，热影响区小，变形小； 可以焊接难熔金属和化学活性高的金属； 可以焊接不同材料；
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7.2.离子束加工
3 离子束加工的应用
II 镀膜加工
i 镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种； ii 离子镀膜附着力强、膜层不易脱落；
同时接受离子轰击和靶材溅射来的原子； 镀膜前离子冲击基体表面，清洗掉表面的油污和氧化物， 提高了表面的附着力； 镀膜开始时，形成膜材原子与基材原子的共混膜层； 随后逐步过渡到膜材原子构成的膜层；
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7.2.离子束加工
1 离子束加工原理、分类和特点
III 离子束加工特点
i 加工精度高； ii 污染少，工件不易氧化；
iii 加工应力和热变形小，适合各种材料和低刚度零 件；
iv 设备费用贵、加工效率低；
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第7章 电子束离子束加工
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注入效应：能量足够大的离子垂直撞击工件表面时，离 子会钻进工件表面；
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第7章 电子束离子束加工
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7.2.离子束加工
1 离子束加工原理、分类和特点
II 离子束加工分类
i 离子蚀刻
氩离子轰击工件将其表面的原子逐个剥离；
ii 离子溅射沉积
氩离子轰击靶材，将靶材 原子击出沉积在靶材附近 的工件上，使工件表面形 成镀膜；
现代加工技术第7章 电子束离子束加工
7.1.电子束加工
1 电子束加工原理和特点
I 加工原理
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的面积上，在极短时间 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 化或气化；
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第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
V 热处理
电子束热处理与激光热处理类似，是利用电子束作为热 源，通过控制电子束的功率和功率密度大小使金属表面 加热，达到热处理的目的；
电子束熔化金属表面后，加入添加元素可使表面改性；
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第7章 电子束离子束加工
7.2.离子束加工
2 离子束加工装置
与电子束加工装置类似，包括离子源、真空系统、控制 系统和电源
I 离子源
把要电离的气态原子注入电离室，经高频放电、电弧放 电、等离子体放电或电子轰击，是气态原子电离成等离 子体，用一个相对于等离子体为负电位的电极，就可以 从等离子体中引出离子束；
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第7章 电子束离子束加工