电子束离子束加工

1、电子束加工电子束加工 一一、电子束加工电子束加工原理原理 高能高速电高能高速电子束冲击工件子束冲击工件局部熔化气化局部熔化气化 控制束流能控制束流能量密度大小和量密度大小和注入时间注入时间, ,达到达到不同目的，切不同目的，切割打孔焊接等割打孔焊接等 二二、电子束加工特点电子束加工特点1. 进行精密微细加工进行精密微细加工 光斑聚焦到光斑聚焦到0.1m，加工微孔、窄缝、集成电路等，加工微孔、窄缝、集成电路等2. 能量密度高，生产率高、热影响区小变形小能量密度高，生产率高、热影响区小变形小 105107W/mm2, 加工微孔窄缝效率比电火花高几十倍加工微孔窄缝效率比电火花高几十倍3. 加工任何材

2、料，真空无污染，无氧化加工任何材料，真空无污染，无氧化 特别是易氧化材料及纯度要求高半导体材料特别是易氧化材料及纯度要求高半导体材料4. 可控性好，易实现自动化可控性好，易实现自动化 通过磁场或电场对电子束强度、位置、聚焦等直接控制通过磁场或电场对电子束强度、位置、聚焦等直接控制5. 需专用设备和真空系统，价格较贵需专用设备和真空系统，价格较贵 主要用于精密微细加工，应用有一定局限性主要用于精密微细加工，应用有一定局限性电子枪电子枪真空系统真空系统控制系统控制系统电源等电源等 三、三、电子束加工设备电子束加工设备阴极、控制栅极、加速阳极阴极、控制栅极、加速阳极避免电子与气体分子碰撞减速避免电子

3、与气体分子碰撞减速束流强度、速度、聚焦、位束流强度、速度、聚焦、位置以及工作台位移控制等置以及工作台位移控制等电源电压稳定性要求较高电源电压稳定性要求较高 四、四、电子束加工应用电子束加工应用钻、切割钻、切割刻蚀刻蚀升华升华电子抗蚀剂电子抗蚀剂塑料聚合塑料聚合塑料打孔塑料打孔控制束流能量密控制束流能量密度和注入时间的度和注入时间的不同不同, ,可用于切割、可用于切割、打孔、刻蚀、焊打孔、刻蚀、焊接、热处理、曝接、热处理、曝光等。光等。 可用于加工耐热钢、不锈钢、宝石、陶瓷、可用于加工耐热钢、不锈钢、宝石、陶瓷、 塑料、人造革等材料塑料、人造革等材料1. 高速打孔高速打孔 最小孔径或缝宽最小孔径

4、或缝宽mm，深孔的深径比大于，深孔的深径比大于1515 加工速度快，变形小，加工速度快，变形小，每秒几千到几万个每秒几千到几万个， 取决于板厚孔径及复杂程度，取决于板厚孔径及复杂程度，EDMEDM的的5050倍，倍，LBMLBM的的5 5倍倍 专用塑料皮革打孔机将片状电子束分割成数专用塑料皮革打孔机将片状电子束分割成数 百条细束，速度达每秒百条细束，速度达每秒万孔万孔. 加工异型孔及特殊表面加工异型孔及特殊表面（切割）（切割）切割复杂型面切割复杂型面切口宽度可达切口宽度可达m，边缘表面粗糙边缘表面粗糙度控制在度控制在0.5 m. 加工异型孔及特殊表面加工异型孔及特殊表面（切割）（切割）也可加工

5、锥孔、弯孔、曲面及螺旋槽等也可加工锥孔、弯孔、曲面及螺旋槽等利用电子束在磁场中偏转原理，将工件置磁场中，控制利用电子束在磁场中偏转原理，将工件置磁场中，控制电子速度和磁场强度，电子束在工件内部偏转加工弯孔电子速度和磁场强度，电子束在工件内部偏转加工弯孔. 电子束焊接电子束焊接 工艺特点工艺特点 能量密度高，焊速快，焊缝窄深，变形小，质量好能量密度高，焊速快，焊缝窄深，变形小，质量好 焊缝化学成分纯净，强度高焊缝化学成分纯净，强度高 除焊碳钢、合金钢、不锈钢外，更适于难熔金属、活除焊碳钢、合金钢、不锈钢外，更适于难熔金属、活 泼金属焊接，异种材料、半导体材料及陶瓷石英等泼金属焊接，异种材料、半导

6、体材料及陶瓷石英等 主要应用主要应用 航空航天工业：航空航天工业：发动机转子、高压涡轮机匣、导向叶发动机转子、高压涡轮机匣、导向叶 片、仪表微型电机轴与齿轮、登月仓框架及制动引擎片、仪表微型电机轴与齿轮、登月仓框架及制动引擎 其它工业：其它工业：大型齿轮组件、压力容器、造船工业等高大型齿轮组件、压力容器、造船工业等高 性能、高精度、细微零件焊接。性能、高精度、细微零件焊接。. 刻蚀刻蚀 用于集成电路用于集成电路 、微电子器件等刻蚀微槽、微电子器件等刻蚀微槽 硅片上刻宽硅片上刻宽2.5m2.5m深深0.25m0.25m的细槽集成电路光栅的细槽集成电路光栅 金属镀层上刻混合电路电阻，自动测量校准电

7、阻值金属镀层上刻混合电路电阻，自动测量校准电阻值 用于印刷制版用于印刷制版 在铜制滚筒上按色调深浅刻出深浅不一的凹坑，直径在铜制滚筒上按色调深浅刻出深浅不一的凹坑，直径 7070120 m 120 m ，深度，深度5 540 m 40 m ，小坑为浅色，大坑，小坑为浅色，大坑 为深色为深色. 电子束光刻电子束光刻（曝光）（曝光） 是获取各种复杂精细图形的主要方法，通常是获取各种复杂精细图形的主要方法，通常 将曝光处理作为刻蚀的前置工序将曝光处理作为刻蚀的前置工序 用光束电子束照射电子抗蚀剂使分子链被切用光束电子束照射电子抗蚀剂使分子链被切 断或重聚引起分子量变化留下潜影，在适当断或重聚引起分子

8、量变化留下潜影，在适当 溶剂中显影固化。溶剂中显影固化。 一般紫外光曝光分辩率难小于一般紫外光曝光分辩率难小于mm，新型曝，新型曝 光源和抗蚀剂的研制，最小线宽光源和抗蚀剂的研制，最小线宽0.1 m0.1 m以下以下 电子束曝光分为电子束曝光分为扫描扫描( (线线) )曝光曝光和和投影投影( (面面) )曝光曝光0.55mm柔性好柔性好速度慢速度慢成本高成本高电子束投影电子束投影( (面面) )曝光曝光 接触式曝光接触式曝光 利用掩膜（金属薄膜图形样板）复制利用掩膜（金属薄膜图形样板）复制 投影曝光投影曝光 利用放大的原版缩小投影曝光利用放大的原版缩小投影曝光离子束加工离子束加工 一一、离子束

9、加工离子束加工原理原理v 与电子束加工类似，在真空条件下，将离子束与电子束加工类似，在真空条件下，将离子束 经加速和聚焦后冲击到工件表面上实现加工。经加速和聚焦后冲击到工件表面上实现加工。v 不同的是离子质量是电子的数千数万倍，在同不同的是离子质量是电子的数千数万倍，在同 电场中加速慢，而一旦加到高速，具有更大动电场中加速慢，而一旦加到高速，具有更大动 能，撞击材料引起原子分子分离溅射或注入。能，撞击材料引起原子分子分离溅射或注入。v 所利用的是离子束所利用的是离子束微观的机械撞击微观的机械撞击作用（弹性作用（弹性 碰撞、微观力效应），而不是热效应。碰撞、微观力效应），而不是热效应。离子束加工

10、分类离子束加工分类离子刻蚀离子刻蚀又称又称离子铣削离子铣削用能量为用能量为0.55keV的氩离子轰击工件，将工件表的氩离子轰击工件，将工件表面原子逐个剥离。其实质是一种原子尺度的切削面原子逐个剥离。其实质是一种原子尺度的切削加工，纳米级的加工工艺。加工，纳米级的加工工艺。溅射沉积溅射沉积（镀膜工艺镀膜工艺）用能量为用能量为0.55keV的氩离子轰击靶材，将靶材原的氩离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，镀上薄膜。子击出，沉积在靶材附近的工件上，镀上薄膜。离子束加工分类离子束加工分类离子镀离子镀又称又称离子溅射辅助沉积离子溅射辅助沉积用能量为用能量为0.55keV氩离子同时轰击靶

11、材和工件，氩离子同时轰击靶材和工件，形成镀膜，增强膜材与工件基材的结合力。形成镀膜，增强膜材与工件基材的结合力。也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。离子注入离子注入用能量用能量55 0 0 keV离子束，直接轰击工件材料，离子束，直接轰击工件材料，离子钻进工件表面，改变其化学成分及性能。离子钻进工件表面，改变其化学成分及性能。根据不同目的选用不同注入离子如根据不同目的选用不同注入离子如C、N、B、Cr二、离子束加工的特点二、离子束加工的特点1. 进行精密微细加工进行精密微细加工 聚焦扫描逐层去除原子，蚀刻精度达纳米级，离子镀聚焦扫描逐层去除原子，蚀刻精度达纳

12、米级，离子镀 达亚微米级，离子注入可极精确地控制达亚微米级，离子注入可极精确地控制2. 微观撞击原子去除材料，应力变形小，质量高微观撞击原子去除材料，应力变形小，质量高 适于各种材料和低刚度零件的加工适于各种材料和低刚度零件的加工3. 真空加工无污染，无氧化真空加工无污染，无氧化 特别适于易氧化材料及高纯度半导体材料特别适于易氧化材料及高纯度半导体材料4. 设备费用贵，成本高，加工效率低设备费用贵，成本高，加工效率低 主要用于精密微细加工，应用受一定局限性主要用于精密微细加工，应用受一定局限性三、离子束加工设备三、离子束加工设备离子源离子源真空系统真空系统控制系统控制系统电源等电源等气态原子电

13、离为等离子体，气态原子电离为等离子体，用引出电极引出离子束流用引出电极引出离子束流束流密度、聚焦、位置等束流密度、聚焦、位置等离子注入深度、浓度等离子注入深度、浓度等 利用利用阴极阴极5 5和和阳极阳极8 8之间电弧放电，将氩之间电弧放电，将氩氪等惰性气体电离为氪等惰性气体电离为等离子体等离子体 引出电极引出电极1010将正离将正离子导出子导出 静电透镜静电透镜1212聚焦形聚焦形成高密度离子束成高密度离子束 三、离子束加工设备三、离子束加工设备四、离子束加工的应用四、离子束加工的应用1. 精微加工精微加工 加工非球面透镜加工非球面透镜, 金刚石刀具刃磨金刚石刀具刃磨 精微打孔精微打孔，玻璃、

14、，玻璃、镍铂上打几微米孔，镍铂上打几微米孔，孔壁光滑孔壁光滑 高精度图形刻蚀高精度图形刻蚀，集成电路、微电子元集成电路、微电子元件、硬掩膜等件、硬掩膜等 抛光致薄抛光致薄压电晶体压电晶体 四、离子束加工的应用四、离子束加工的应用2. 离子镀膜离子镀膜 镀超硬膜镀超硬膜 工具上镀工具上镀TiN、 TiC等等 镀润滑膜镀润滑膜 飞机转动飞机转动部件镀铬银固体润滑膜部件镀铬银固体润滑膜无油润滑、防腐无油润滑、防腐 镀抗蚀膜镀抗蚀膜 镀钛、镍镀钛、镍铬、铝等铬、铝等 镀耐热膜镀耐热膜 镀钨、钼镀钨、钼钽、铌等，抗高温氧化钽、铌等，抗高温氧化 镀装饰膜镀装饰膜 TiN、 TaN（电离）（电离）接负极接负

15、极四、离子束加工的应用四、离子束加工的应用3. 离子注入离子注入 表面改性表面改性 形成确定成分表面合金，与溶解度和扩散形成确定成分表面合金，与溶解度和扩散 性无关，无显著尺寸变化性无关，无显著尺寸变化 控制参数控制参数 真空度、束流强度、离子种类、注入时间、真空度、束流强度、离子种类、注入时间、 工件温度等工件温度等 半导体方面半导体方面 单晶硅中注入磷、硼杂质，制造单晶硅中注入磷、硼杂质，制造P-N结、结、 大规模集成电路等。制造发光器件、红外探测器等大规模集成电路等。制造发光器件、红外探测器等 耐磨耐蚀润滑性耐磨耐蚀润滑性 注入注入B、 C、N、 Mo、Cr、S等离子等离子 离子注入石英

16、玻璃增加折射率，制造光波导离子注入石英玻璃增加折射率，制造光波导四、离子束加工的应用四、离子束加工的应用4. 离子束曝光离子束曝光 具有高具有高分辩率和灵敏度分辩率和灵敏度，能对线宽小于，能对线宽小于0.1m 的精密微细图形曝光，在相同抗蚀剂时，离子的精密微细图形曝光，在相同抗蚀剂时，离子 束曝光的灵敏度比电子束曝光束曝光的灵敏度比电子束曝光高一个数量级高一个数量级以以 上，曝光时间大为缩短。上，曝光时间大为缩短。 离子束将成为微细图形写图和复印的重要手段，离子束将成为微细图形写图和复印的重要手段， 但目前电子束曝光技术比较成熟。但目前电子束曝光技术比较成熟。作业与思考题作业与思考题问答题问答

17、题: :1.1.快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？具有什么特点？具有什么特点？ 2.电子束加工、离子束加工和激光加工各自的工电子束加工、离子束加工和激光加工各自的工作原理和应用范围如何？各有什么优缺点？作原理和应用范围如何？各有什么优缺点？ 1.1.快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？具有什么特点？具有什么特点？答：快速成形是一种基于离散堆积成形原理的新型答：快速成形是一种基于离散堆积成形原理的新型成形技术，材料在计算机控制下逐渐累加成形，零成形技术，材料在计算机控制下逐渐累加成形，零件是逐渐生长

18、出来的。在工艺原理上是件是逐渐生长出来的。在工艺原理上是“增材法增材法”，与常规切削加工、电火花蚀除、电化学阳极溶解等与常规切削加工、电火花蚀除、电化学阳极溶解等“减材法减材法”不同。其特点是整个工艺过程建立在激不同。其特点是整个工艺过程建立在激光断层扫描、数控技术、计算机光断层扫描、数控技术、计算机CAD技术、高分子技术、高分子材料等高科技基础上，可以成形任意复杂形状的零材料等高科技基础上，可以成形任意复杂形状的零件，而无需刀具夹具等生产准备活动，因此工艺先件，而无需刀具夹具等生产准备活动，因此工艺先进，柔性好，生产周期短。进，柔性好，生产周期短。 2.2.答：三者都适合于精密、微细加工，但电子束、离子束加答：三者都适合于精密、微细加工，但电子束、离子束加工需在真空中进行，因此加工表面不会被氧化、污染，特别工需在真空中进行，因此加工表面不会被氧化、污染，特别适合于适合于“洁净洁净”加工。电子束加工是基于电能使电子加速转加工。电子束加工是基于电能使电子加速转换成动能，在撞击工件时动能转换成热能使材料熔化、气化换成动能，在撞击工件时动能转换成热能使材料熔化、气化而被蚀除，主要用于打孔、切割、焊接、热处理、电子束曝而被蚀除，主要用于打孔、切割、焊接、热处理、电子束曝光等。而离子束加工是电能使质量较大的正离子加速后打到光等。而离子束加工是电能使质量