六章节电子束和离子束加工ppt课件

1、1第六章 电子束和离子束加工第六章第六章 电子束和离子束加工电子束和离子束加工2第六章 电子束和离子束加工一. 电子束加工原理和特点一加工原理 电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图6-1所示。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工资料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使资料部分瞬时熔融、汽化蒸发而去除。6.1 电子束加工3第六章 电子束和离子束加工控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以到达不同的加工目的。如只使资料部分加热就可进展电子束热处置；使资料部分熔化就可以进展电子束焊接；提高电子束能量密度，使资料熔化和汽化，就可进展打孔、切割等加工；利用较低能量

2、密度的电子束轰击高分子资料时产生化学变化的原理，即可进展电子束光刻加工。4第六章 电子束和离子束加工 二电子束加工特点 (1) 可进展微细加工。 (2) 非接触式加工。 (3) 电子束的能量密度高，加工效率高。4 整个加工过程便于实现自动化。 (5)加工在真空中进展，污染少，加工外表不易被氧化。6电子束加工需求整套的公用设备和真空系统，价钱较贵。5第六章 电子束和离子束加工二二. 电子束加工安装电子束加工安装 电子束加工安装的根本构造如下图，它主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。 6第六章 电子束和离子束加工一电子枪 电子枪是获得电子束的安装。阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电

3、子高速飞向带高电位的阳极，在飞向阳极的过程中，经过加速电极加速，又经过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。7第六章 电子束和离子束加工二真空系统 只需在高真空中，电子才干高速运动，此外，加工时的金属蒸汽会影响电子发射，产生不稳定景象。因此，需求不B9f地把加工中消费的金属蒸汽抽出去。 抽真空时，先用机械旋转泵把真空室抽至1.4一0.14Pa，然后由油分散泵或祸轮分子泵抽至0.0140.00014Pa的高真空度。 三控制系统和电源 电子束加工安装的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及任务台位移控制等。 任务台位移控制是为了在加工过程中控制任务台的位置。8第六章 电子束和离子束加

4、工三三.电子束加工的运用电子束加工的运用 一高速打孔一高速打孔 电子束打孔已在消费中实践运用，目前最小直电子束打孔已在消费中实践运用，目前最小直径可达径可达0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼上的孔，不仅孔的密度可以延续变化，孔孔，机翼上的孔，不仅孔的密度可以延续变化，孔数达数百万个，而且有时还可改动孔径。高速打孔数达数百万个，而且有时还可改动孔径。高速打孔可在工件运动中进展，例如在可在工件运动中进展，例如在0.1mm厚的不锈钢上厚的不锈钢上加工直径为加工直径为0.2mm的孔，速度为每秒的孔，速度为每秒3000孔。孔。 在在人造革、塑料上用电子束订

5、大量微孔，可使其具有人造革、塑料上用电子束订大量微孔，可使其具有如真皮革那样的透气性。如今消费上已出现了公用如真皮革那样的透气性。如今消费上已出现了公用塑料打孔机，将电子枪发射的片状电子束分成数百塑料打孔机，将电子枪发射的片状电子束分成数百条小电子束同时打孔，其速度可达每秒条小电子束同时打孔，其速度可达每秒50 000孔，孔，孔径孔径12040微米可调。微米可调。9第六章 电子束和离子束加工二加工型孔及特殊外表 图电子束加工的喷丝头异型孔截面的一些实例。出丝口的窄缝宽度为0.03-0.07mm，长度为0.80 mm，喷丝板厚度0.6mm。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

6、型孔那是特殊外形的。10第六章 电子束和离子束加工11第六章 电子束和离子束加工三刻蚀三刻蚀在微电子器件消费中，为了制造多层固体组件，可利用在微电子器件消费中，为了制造多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或半导体资料刻出许多微细沟槽和孔来，电子束对陶瓷或半导体资料刻出许多微细沟槽和孔来，如在硅片上刻出宽如在硅片上刻出宽2.5微米、深微米、深0.25微米的细槽，在混微米的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻出合电路电阻的金属镀层上刻出40 微米宽的线条。微米宽的线条。12第六章 电子束和离子束加工四焊接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。由电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。

7、由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊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，热影响区小，变形小。电子束焊接接的焊缝深而窄，热影响区小，变形小。电子束焊接普通不用焊条，焊接过程在真空中进展，因此焊缝化普通不用焊条，焊接过程在真空中进展，因此焊缝化学成分纯真，焊接接头的强度往往高于母材。学成分纯真，焊接接头的强度往往高于母材。 电子电子束焊接可以焊接难熔金属如钽、铌、钼等，也可焊接束焊接可以焊接难熔金属如钽、铌、钼等，也可焊接钛、锆、铀等化学性能活泼的金属。它可焊接很薄工钛、锆、铀等化学性能活泼的金属。它可焊接很薄工件，也可焊接几百毫米厚的工件。件，也可焊接几百毫

8、米厚的工件。 电子束焊接还能电子束焊接还能完成普通焊接方法难以实现的异种金属焊接。如铜和完成普通焊接方法难以实现的异种金属焊接。如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接，不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接，13第六章 电子束和离子束加工五热处置五热处置 电子束热处置也是把电子束作为热源但电子束热处置也是把电子束作为热源但适当控制电子束的功率密度使金属外表加热适当控制电子束的功率密度使金属外表加热而不熔化，到达热处置的目的。而不熔化，到达热处置的目的。 电子束热处电子束热处置在真空中进展，可以防止资料氧化。置在真空中进展，可以防止资料氧化。六光刻六光刻电子束光刻先利用低功率的电子束照射高分子资电子束

9、光刻先利用低功率的电子束照射高分子资料，由入射电子束与高分子相碰撞，经电子曝料，由入射电子束与高分子相碰撞，经电子曝光后，在高分子资料中留下潜像。光后，在高分子资料中留下潜像。14第六章 电子束和离子束加工15第六章 电子束和离子束加工6.2 离子束加工ion beam machining，IBM一、原理、分类和特点离子束加工是在真空条件下利用离子源离子枪产生的离子经加速聚焦构成高能的离子束流投射到工件外表，使资料变形、破坏、分别以到达加工目的。由于离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分别、破坏等机械作用，而不像电

10、子束是经过热效应进展加工。 16第六章 电子束和离子束加工离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射堆离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射堆积和离子注入等。积和离子注入等。17第六章 电子束和离子束加工1离子刻蚀当所带能量为当所带能量为0.10.15keV5keV、直径为非常之几纳米的的氩离子轰、直径为非常之几纳米的的氩离子轰击工件外表时，此高能离子所传送的能量超越工件外表原子击工件外表时，此高能离子所传送的能量超越工件外表原子或分子间键合力时，资料外表的原子或分子被逐个或分子间键合力时，资料外表的原子或分子被逐个溅射出来，以到达加工目的。这种加工本质上属于一种原子溅射出来，以到

11、达加工目的。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。尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄资料离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄资料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形。图形。18第六章 电子束和离子束加工2离子溅射堆积采用能量为采用能量为0.10.15keV5keV的氩离子轰击某种资料制成的靶材，将的氩离子轰击某种资料制成的靶材，将靶材原子击出并令其堆积到工件外表上并构成一层薄膜。靶材原子击出并令其堆积到工件外表上并构成一层薄膜。实践上

12、此法为一种镀膜工艺。实践上此法为一种镀膜工艺。19第六章 电子束和离子束加工3离子镀膜离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件外表堆积，另一方面还有高速离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件外表堆积，另一方面还有高速中性粒子打击工件外表以加强镀层与基材之间的结合力可达中性粒子打击工件外表以加强镀层与基材之间的结合力可达101020MPa20MPa，此法顺应性强、膜层均匀致密、韧性好、堆积速度快，目前已获得广泛运此法顺应性强、膜层均匀致密、韧性好、堆积速度快，目前已获得广泛运用。用。20第六章 电子束和离子束加工4离子注入用用5 5500keV500keV能量的离子束，直接轰击工件外表，由于离子能

13、量相当大，可使离子能量的离子束，直接轰击工件外表，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件资料外表层，改动其外表层的化学成分，从而改动工件外表层钻进被加工工件资料外表层，改动其外表层的化学成分，从而改动工件外表层的机械物理性能。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、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。氮、碳等。注入外表元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、注入外表元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、本钱高、消费率较低。本钱高、消费率较低。21第六章

14、 电子束和离子束加工特点特点离子束加工有如下特点：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细、离子束加工是目前特种加工中最精细、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，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准确地控制。的深度和浓度亦可准确地控制。(2) 离子束加工在高真空中进展，污染少，离子束加工在高真空中进展，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体资料进展加工。资料进展加工。22第六章 电子束和离子束加工(3) 离子束加工是靠离子轰击资料

15、外表的原子来实现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小，适宜于对各种资料和低刚件零件进展加工。 4离子束加工设备费用贵，本钱高，加工效率低，运用遭到限制。在目前的工业消费中，离子束加工主要运用于刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄资料等)、镀膜加工(如在金属或非金属资料上镀制金属或非金属资料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。23第六章 电子束和离子束加工二、离子束加工安装二、离子束加工安装包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。离子源产生离子束流。方式多样，常有考夫曼型离子源产生离子束流。方式多样，常有考夫曼型离子源和双等离子管型

16、离子源。离子源和双等离子管型离子源。24第六章 电子束和离子束加工三、离子束加工的运用三、离子束加工的运用一刻蚀加工一刻蚀加工离子刻蚀是从工件上去除离子刻蚀是从工件上去除资料，是一个撞击溅射资料，是一个撞击溅射的过程。当离子束轰击的过程。当离子束轰击工件时，入射离子的动工件时，入射离子的动量传送到工件外表的原量传送到工件外表的原子，当传送能量超越了子，当传送能量超越了原子间的键合力时，原原子间的键合力时，原子就从工件外表撞击溅子就从工件外表撞击溅射出来，到达刻蚀目的。射出来，到达刻蚀目的。25第六章 电子束和离子束加工二镀膜加工二镀膜加工包括溅射堆积和离子镀。包括溅射堆积和离子镀。离子镀时工件不仅接受靶材溅射来的原子，还遭到离子的离子镀时工件不仅接受靶材溅射来的原子，还遭到离子的轰击。优点：离