第八章 電子束離子束加工

1、第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)電子束和離子束加工電子束和離子束加工第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)1.1 電子束加工電子束加工1. 加工原理加工原理 電子束加工是利用高速電子的沖擊動能來加工工電子束加工是利用高速電子的沖擊動能來加工工件的，如圖件的，如圖1所示。在真空條件下，將具有很高速度和所示。在真空條件下，將具有很高速度和能量的電子束聚焦到被加工材料上，電子的動能絕大能量的電子束聚焦到被加工材料上，電子的動能絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使材料局部瞬時熔融、汽化蒸發(fā)而部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使材料局部瞬時熔融、汽化蒸發(fā)而去除。去除。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)

2、圖圖1 電子束加工原理電子束加工原理電子槍系統(tǒng)聚焦系統(tǒng)電子束工件抽真空系統(tǒng)電源及控制系統(tǒng)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，就控制電子束能量密度的大小和能量注入時間，就可以達(dá)到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可可以達(dá)到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進(jìn)行打孔、切割等加工；利用較低能量密度的電就可進(jìn)行打孔、切割等加工；利用較低能量密度的電子束轟擊高分子

3、材料時產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)子束轟擊高分子材料時產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。行電子束光刻加工。 2特點(diǎn)與應(yīng)用特點(diǎn)與應(yīng)用電子束加工的特點(diǎn)如下：電子束加工的特點(diǎn)如下：(1) 電子束能夠極其微細(xì)地聚焦電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)可達(dá)l0.1 m)，故可進(jìn)行微細(xì)加工。故可進(jìn)行微細(xì)加工。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù) (2) 加工材料的范圍廣。由于電子束能量密度高，可使加工材料的范圍廣。由于電子束能量密度高，可使任何材料瞬時熔化、汽化且機(jī)械力的作用極小，不易產(chǎn)生變?nèi)魏尾牧纤矔r熔化、汽化且機(jī)械力的作用極小，不易產(chǎn)生變形和應(yīng)力，故能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體

4、形和應(yīng)力，故能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。材料。 (3) 可通過磁場或電場對電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等可通過磁場或電場對電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行控制，所以整個加工過程便于實(shí)現(xiàn)自動化。進(jìn)行控制，所以整個加工過程便于實(shí)現(xiàn)自動化。 (4) 電子束的能量密度高，加工效率很高。電子束的能量密度高，加工效率很高。 (5) 加工在真空中進(jìn)行，污染少，加工表面不易被氧化。加工在真空中進(jìn)行，污染少，加工表面不易被氧化。 (6) 電子束加工需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價格電子束加工需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價格較貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。較貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。第七

5、章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3電子束加工的應(yīng)用電子束加工的應(yīng)用1）高速打孔）高速打孔 目前電子束打孔的最小直徑可達(dá)目前電子束打孔的最小直徑可達(dá)0.003mm左右。左右。例如噴氣發(fā)動機(jī)套上的冷卻孔，機(jī)翼的吸附屏的孔。例如噴氣發(fā)動機(jī)套上的冷卻孔，機(jī)翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用電子束打大量微孔，可使其具有在人造革、塑料上用電子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那樣的透氣性。電子束打孔還能加工小深孔，如真皮革那樣的透氣性。電子束打孔還能加工小深孔，如在葉片上打深度如在葉片上打深度5mm、直徑、直徑0.4mm的孔，孔的深的孔，孔的深徑比大于徑比大于10：1。第七章第七章 其他特種加工技

6、術(shù)其他特種加工技術(shù)圖圖2 電子束加工的異形孔電子束加工的異形孔0.030.07 mm2）加工型孔及特殊表面）加工型孔及特殊表面 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)圖圖3 電子束加工曲面、穿孔電子束加工曲面、穿孔1323(a)(b)(c)(d)1工件；2工件運(yùn)動方向；3電子束第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)3）刻蝕）刻蝕 在微電子器件生產(chǎn)中，為了制造多層固體組件，在微電子器件生產(chǎn)中，為了制造多層固體組件，可利用電子束對陶瓷或半導(dǎo)體材料刻出許多微細(xì)溝槽可利用電子束對陶瓷或半導(dǎo)體材料刻出許多微細(xì)溝槽和孔。如在硅片上刻出寬和孔。如在硅片上刻出寬2.5m，深，深0.25m的細(xì)槽

7、，的細(xì)槽，在混合電路電阻的金屬鍍層上刻出在混合電路電阻的金屬鍍層上刻出40m寬的線條。電寬的線條。電子束刻蝕還可用于刻板，在銅制印刷滾筒上按色調(diào)深子束刻蝕還可用于刻板，在銅制印刷滾筒上按色調(diào)深淺刻出許多大小與深淺不一樣的溝槽或凹坑，其直徑淺刻出許多大小與深淺不一樣的溝槽或凹坑，其直徑為為70120m，深度為，深度為540m，小坑代表淺色，大，小坑代表淺色，大坑代表深色?？哟砩钌?第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)4）焊接）焊接 電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工電子束焊接是利用電子束作為熱源的一種焊接工藝。當(dāng)高能量密度的電子束轟擊焊件表面時，使焊件藝。當(dāng)高能量密度的電子

8、束轟擊焊件表面時，使焊件接頭處的金屬熔融，在電子束連續(xù)不斷地轟擊下，形接頭處的金屬熔融，在電子束連續(xù)不斷地轟擊下，形成一個被熔融金屬環(huán)繞著的毛細(xì)管狀的熔池，如果焊成一個被熔融金屬環(huán)繞著的毛細(xì)管狀的熔池，如果焊件按一定速度沿著焊件接縫與電子束作相對移動，則件按一定速度沿著焊件接縫與電子束作相對移動，則接縫上的熔池由于電子束的離開而重新凝固，使焊件接縫上的熔池由于電子束的離開而重新凝固，使焊件的整個接縫形成一條焊縫。的整個接縫形成一條焊縫。 由于電子束的能量密度高，焊接速度快，所以電由于電子束的能量密度高，焊接速度快，所以電子束焊接的焊縫深而窄，焊件熱影響區(qū)小，變形小。子束焊接的焊縫深而窄，焊件熱

9、影響區(qū)小，變形小。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)5）熱處理）熱處理 電子束熱處理也是把電子束作為熱源，但適當(dāng)控電子束熱處理也是把電子束作為熱源，但適當(dāng)控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔化，達(dá)制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔化，達(dá)到熱處理的目的。電子束熱處理的加熱速度和冷卻速到熱處理的目的。電子束熱處理的加熱速度和冷卻速度都很高，在相變過程中，奧氏體化時間很短，只有度都很高，在相變過程中，奧氏體化時間很短，只有幾分之一秒乃至千分之一秒，奧氏體晶粒來不及長大，幾分之一秒乃至千分之一秒，奧氏體晶粒來不及長大，從而能獲得一種超細(xì)晶粒組織，可使工件獲得用常規(guī)從而能獲得一

10、種超細(xì)晶粒組織，可使工件獲得用常規(guī)熱處理不能達(dá)到的硬度，硬化深度可達(dá)熱處理不能達(dá)到的硬度，硬化深度可達(dá)0.30.8mm。 第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)1.2 離子束加工離子束加工1加工原理加工原理離子束加工也是一種新興的特種加工，它的加工原理離子束加工也是一種新興的特種加工，它的加工原理與電子束加工原理基本類似，也是在真空條件下，將離與電子束加工原理基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面的子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以實(shí)現(xiàn)加工的。所不同的是離子帶正電荷，其加工部位以實(shí)現(xiàn)加工的。所不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比

11、電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍，故在電場中加速較慢，質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍，故在電場中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能。但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動能。離子束加工是靠微觀機(jī)械撞擊能量轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行的。離子束加工是靠微觀機(jī)械撞擊能量轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行的。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時所發(fā)生離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。離子束加工可分為四類。的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。離子束加工可分為四類。1) 離子刻蝕離子刻蝕 離子轟擊工件，將工件表面的原子逐個剝

12、離，又稱離子離子轟擊工件，將工件表面的原子逐個剝離，又稱離子銑削，其實(shí)質(zhì)是一種原子尺度的切削加工。銑削，其實(shí)質(zhì)是一種原子尺度的切削加工。2) 離子濺射沉積離子濺射沉積 離子轟擊靶材，將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的離子轟擊靶材，將靶材原子擊出，沉積在靶材附近的工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。工件上，使工件表面鍍上一層薄膜。3) 離子鍍離子鍍(又稱離子濺射輔助沉積又稱離子濺射輔助沉積)離子同時轟擊靶材和工件表面，目的是為了增強(qiáng)膜材與離子同時轟擊靶材和工件表面，目的是為了增強(qiáng)膜材與工件基材之間的結(jié)合力。工件基材之間的結(jié)合力。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)4) 離子注入離子注入離子束

13、直接轟擊被加工材料，由于離子能量相當(dāng)大，離離子束直接轟擊被加工材料，由于離子能量相當(dāng)大，離子就鉆入被加工材料的表層。工件表面層含有注入離子后，子就鉆入被加工材料的表層。工件表面層含有注入離子后，就改變了化學(xué)成分，從而改變了工件表面層的機(jī)械物理性就改變了化學(xué)成分，從而改變了工件表面層的機(jī)械物理性能。能。2特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)及應(yīng)用離子束加工有如下特點(diǎn)：離子束加工有如下特點(diǎn)：(1) 離子束加工是目前特種加工中最精密、最微細(xì)的加離子束加工是目前特種加工中最精密、最微細(xì)的加工。離子刻蝕可達(dá)納米級精度，離子鍍膜可控制在亞微米工。離子刻蝕可達(dá)納米級精度，離子鍍膜可控制在亞微米級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確

14、地控制。級精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。(2) 離子束加工在高真空中進(jìn)行，污染少，特別適宜于離子束加工在高真空中進(jìn)行，污染少，特別適宜于對易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。對易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)加工設(shè)備加工設(shè)備離子槍：將氣體注入電離室并使其放電，電子與氣體原子發(fā)生碰撞使其被電離，等到等離子體，在負(fù)電位引導(dǎo)下將正離子引出，經(jīng)過加速射向靶材或工件。真空系統(tǒng)控制系統(tǒng)電源系統(tǒng)第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)(3) 離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實(shí)離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來實(shí)現(xiàn)的，是一種

15、微觀作用，所以加工應(yīng)力和變形極小，現(xiàn)的，是一種微觀作用，所以加工應(yīng)力和變形極小，適宜于對各種材料和低剛件零件進(jìn)行加工。適宜于對各種材料和低剛件零件進(jìn)行加工。在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，離子束加工主要應(yīng)用于刻在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，離子束加工主要應(yīng)用于刻蝕加工蝕加工(如加工空氣軸承的溝槽，加工極薄材料等如加工空氣軸承的溝槽，加工極薄材料等)、鍍、鍍膜加工膜加工(如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材如在金屬或非金屬材料上鍍制金屬或非金屬材料料)、注入加工、注入加工(如某些特殊的半導(dǎo)體器件如某些特殊的半導(dǎo)體器件)等。等。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)1)刻蝕加工刻蝕加工 離子刻蝕是從工件上去

16、除材料，是一個撞擊濺射離子刻蝕是從工件上去除材料，是一個撞擊濺射過程。當(dāng)離子束轟擊工件，入射離子的動量傳遞到工過程。當(dāng)離子束轟擊工件，入射離子的動量傳遞到工件表面的原子，傳遞能量超過了原子間的鍵合力時，件表面的原子，傳遞能量超過了原子間的鍵合力時，原子就從工件表面撞擊濺射出來，達(dá)到刻蝕的目的。原子就從工件表面撞擊濺射出來，達(dá)到刻蝕的目的。 離子刻蝕用于加工陀螺儀空氣軸承和動壓馬達(dá)上離子刻蝕用于加工陀螺儀空氣軸承和動壓馬達(dá)上的溝槽，分辨率高，精度、重復(fù)一致性好。離子束刻的溝槽，分辨率高，精度、重復(fù)一致性好。離子束刻蝕應(yīng)用的另一個方面是刻蝕高精度的圖形，如集成電蝕應(yīng)用的另一個方面是刻蝕高精度的圖形

17、，如集成電路、光電器件和光集成器件等微電子學(xué)器件亞微米圖路、光電器件和光集成器件等微電子學(xué)器件亞微米圖形。形。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù)2)鍍膜加工鍍膜加工 離子鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種。離子鍍膜附著離子鍍膜加工有濺射沉積和離子鍍兩種。離子鍍膜附著力強(qiáng)、膜層不易脫落。這首先是由于鍍膜前離子以足夠高的力強(qiáng)、膜層不易脫落。這首先是由于鍍膜前離子以足夠高的動能沖擊基體表面，清洗掉表面的占污和氧化物，從而提高動能沖擊基體表面，清洗掉表面的占污和氧化物，從而提高了工件表面的附著力。其次是鍍膜剛開始時，由工件表面濺了工件表面的附著力。其次是鍍膜剛開始時，由工件表面濺射出來的基材原

18、子，有一部分會與工件周圍氣氛中的原子和射出來的基材原子，有一部分會與工件周圍氣氛中的原子和離子發(fā)生碰撞而返回工件。這些返回工件的原子與鍍膜的膜離子發(fā)生碰撞而返回工件。這些返回工件的原子與鍍膜的膜材原子同時到達(dá)工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共材原子同時到達(dá)工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜層。而后，隨膜層的增厚，逐漸過渡到單純由膜材原子混膜層。而后，隨膜層的增厚，逐漸過渡到單純由膜材原子構(gòu)成的膜層。混合過渡層的存在，可以減少由于膜材與基材構(gòu)成的膜層。混合過渡層的存在，可以減少由于膜材與基材兩者膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，增強(qiáng)了兩者的結(jié)合力，兩者膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，增強(qiáng)了兩者的結(jié)合力，是膜層不易脫落，鍍層組織致密，針孔氣泡少。是膜層不易脫落，鍍層組織致密，針孔氣泡少。第七章第七章 其他特種加工技術(shù)其他特種加工技術(shù) 離子鍍的可鍍材料廣泛，可在金屬或非金屬表面上離子鍍的可鍍材料廣泛，可在