電子束和離子束加工

關(guān)于電子束和離子束加工第1頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三第一節(jié)電子束加工

一、電子束加工的基本原理和特點(diǎn)

1、基本原理電子束加工是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高的電子束，以極高的速度（當(dāng)加速電壓為50V時(shí)，電子速度可達(dá)1.6×105km/s）沖擊到工件表面的極小面積上，在極短的時(shí)間(幾分之一微秒)內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，而實(shí)現(xiàn)加工的目的。這種利用電子束熱效應(yīng)的加工，稱(chēng)為電子束熱加工。

第2頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

電子束加工的另一種是利用電子束流的非熱效應(yīng)。功率密度較小的電子束流和電子膠相互作用，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，產(chǎn)生輻射化學(xué)或物理效應(yīng)，使電子膠的分子鏈被切斷或重新組合而形成分子量的變化以實(shí)現(xiàn)電子束曝光。采用這種方法，可以實(shí)現(xiàn)材料表面微槽或其他幾何形狀的刻蝕加工。

第3頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三特征線寬:100nm

對(duì)準(zhǔn)精度：15nm定位精度：2nm刻蝕深度：0.5μm由制造運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的

極高準(zhǔn)確度保證大型集成電路制造第4頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、電子束加工的特點(diǎn)（1)由于電子束能夠極其微細(xì)地聚焦，甚至能聚焦到0.1m,所以加工面積可以很小，是一種精密微細(xì)的加工方法。微型機(jī)械中的光刻技術(shù)可達(dá)到亞微米級(jí)寬度。（2）電子束能量密度很高，在極微小束斑上能達(dá)到106～109w/cm2，使照射部分的溫度超過(guò)材料的熔化和氣化溫度，去除材料主要靠瞬時(shí)蒸發(fā)，是一種非接觸式加工。工件不受機(jī)械力作用，不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形。加工材料范圍很廣，對(duì)脆性、韌性、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料都可加工。（3）由于電子束的能量密度高，而且能量利用率可達(dá)90%以上，因而加工生產(chǎn)率很高。例如，每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個(gè)直徑為0.4mm的孔。厚度為200mm的鋼板，電子束可以4mm/s的速度一次焊透。（4）可以通過(guò)磁場(chǎng)或電場(chǎng)對(duì)電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制，所以整個(gè)加工過(guò)程便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。其位置精度能精確到0.1m左右，強(qiáng)度和束斑尺寸可達(dá)到1%的控制精度。特別是在電子束曝光中，從加工位置找準(zhǔn)到加工圖形的掃描，都可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在電子束打孔和切割時(shí)，可以通過(guò)電氣控制加工異形孔，實(shí)現(xiàn)曲面弧形切割等。（5)由于電子束加工在真空中進(jìn)行，因而污染少，加工表面不氧化，特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料，以及純度要求極高的半導(dǎo)體材料。（6）電子束加工需要一套專(zhuān)用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，因而生產(chǎn)應(yīng)用有一定局限性。第5頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、電子束加工設(shè)備電子束加工設(shè)備主要由電子槍、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分組成。

電子槍是獲得電子束的裝置，包括電子發(fā)射陰極、控制柵極和加速陽(yáng)極等。陰極經(jīng)電流加熱發(fā)射電子，帶負(fù)電荷的電子高速飛向帶高電位的陽(yáng)極。在飛向陽(yáng)極的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)加速極加速，又通過(guò)電磁透鏡把電子束聚焦成很小的束斑。發(fā)射陰極一般用鎢或鉭制成，在加熱狀態(tài)下發(fā)射大量電子。小功率時(shí)用鎢或鉭做成絲狀陰極；大功率時(shí)用鉭做成塊狀陰極?？刂茤艠O為中間有孔的圓筒形，其上加以較陰極為負(fù)的偏壓，既能控制電子束的強(qiáng)弱，又有初步的聚焦作用。加速陽(yáng)極通常接地，而陰極為很高的負(fù)電壓，所以能驅(qū)使電子加速。

第6頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

真空系統(tǒng)是為了保證在電子束加工時(shí)維持1.33×10-2～1.33×10-4Pa的真空度，以避免電子與氣體分子之間的碰撞，確保電子高速運(yùn)動(dòng)。此外，加工時(shí)的金屬蒸汽會(huì)影響電子發(fā)射，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，需要不斷地把加工中產(chǎn)生的金屬蒸汽抽出去。真空系統(tǒng)一般由機(jī)械旋轉(zhuǎn)泵和油擴(kuò)散泵或渦輪分子泵兩級(jí)組成，先用機(jī)械旋轉(zhuǎn)泵把真空室抽至1.4～0.14Pa，然后由油擴(kuò)散泵或渦輪分子泵抽至0.014～0.00014Pa的高真空度。電子束加工裝置的控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強(qiáng)度控制、工作臺(tái)位移控制、束流通斷時(shí)間控制、束流偏轉(zhuǎn)控制以及電磁透鏡控制等幾個(gè)部分。電子束加工裝置對(duì)電源電壓的穩(wěn)定性要求較高，常用穩(wěn)壓設(shè)備，這是因?yàn)殡娮邮劢挂约瓣帢O的發(fā)射強(qiáng)度與電壓波動(dòng)有密切關(guān)系。第7頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

三、電子束加工的應(yīng)用電子束加工可用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和曝光加工等。

第8頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三1、打孔電子束打孔已在航空航天、電子、化纖以及制革等工業(yè)生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用，目前最小直徑可達(dá)0.001mm左右?？讖皆?.5～0.9mm時(shí)，其最大孔深已超過(guò)10mm，即孔深徑比大于15：1。在厚度為0.3mm的材料上加工出直徑為0.1mm的孔，其孔徑公差為9m。打孔的速度主要取決于板厚和孔徑，孔的形狀復(fù)雜時(shí)還取決于電子束掃描速度（或偏轉(zhuǎn)速度）以及工件的移動(dòng)速度。通常每秒可加工幾十到幾萬(wàn)個(gè)孔。例如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)套上的冷卻孔，機(jī)翼的吸附屏上的孔，不僅孔的密度可以連續(xù)變化，孔數(shù)達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)，而且有時(shí)還可改變孔徑，最宜用電子束高速打孔。高速打孔可在工件運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行，例如在0.lmm厚的不銹鋼上加工直徑為0.2mm的孔，速度為每秒3000個(gè)孔。

第9頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

電子束加工的噴絲頭異型孔，出絲口的窄縫寬度為0.03～0.07mm，長(zhǎng)度為0.8Omm，噴絲板厚度為0.6mm。為了使人造纖維具有光澤、松軟有彈性、透氣性好，噴絲頭的異型孔都是特殊形狀的。用電子束切割的復(fù)雜型面，其切口寬度為6～3m，邊緣表面粗糙度可控制在±0.5m。

第10頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

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，而且電子束打孔成本比天然革成本低，可替代天然革。加工時(shí)，用一組鎢桿將電子槍產(chǎn)生的單個(gè)電子束分割為200條并行細(xì)束，使其在一個(gè)脈沖內(nèi)同時(shí)加工出200個(gè)孔，效率非常高?，F(xiàn)在生產(chǎn)上已出現(xiàn)了專(zhuān)用塑料打孔機(jī)，其速度可達(dá)每秒50000個(gè)孔，孔徑120～4Om可調(diào)。第11頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

電子束不僅可以加工各種直的型孔（包括錐孔和斜孔）和型面，而且也可以加工彎孔和曲面。利用電子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的原理，使電子束在工件內(nèi)部偏轉(zhuǎn)，即可加工出斜孔?？刂齐娮铀俣群痛艌?chǎng)強(qiáng)度，即可控制曲率半徑，加工出彎曲的孔。如果同時(shí)改變電子束和工件的相對(duì)位置，就可進(jìn)行切割和開(kāi)槽。離心過(guò)濾機(jī)、造紙化工過(guò)濾設(shè)備中鋼板上的小孔為錐孔(上小下大)，這樣可防止堵塞，并便于反沖清洗。用電子束在1mm厚的不銹鋼板上打直徑為O.13mm的錐孔，每秒可打400個(gè)孔，在3mm厚的不銹鋼板上打直徑為1mm的錐形孔，每秒可打20個(gè)孔。

第12頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

燃燒室混氣板及某些透平葉片需要大量的不同方向的斜孔，使葉片容易散熱，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。例如，某種葉片需要打斜孔30000個(gè)，使用電子束加工能廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)。燃?xì)廨啓C(jī)上的葉片、混氣板和蜂房消音器等三個(gè)重要部件已用電子束打孔代替電火花打孔。

第13頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三２、焊接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(shí)，使焊件接頭處的金屬熔融，在電子束連續(xù)不斷地轟擊下，形成一個(gè)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(duì)移動(dòng)，則接縫上的熔池由于電子束的離開(kāi)而重新凝固，使焊件的整個(gè)接縫形成一條焊縫。由于電子束的束斑尺寸小，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)極小，工件變形小，焊縫的物理性能好。電子束焊接一般不用焊條，焊接過(guò)程在真空中進(jìn)行，因此焊縫化學(xué)成分純凈，焊接接頭的強(qiáng)度往往高于母材。

第14頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

電子束可焊接的材料范圍很廣，除了適合于普通的碳鋼、合金鋼、不銹鋼外，更有利于焊接高熔點(diǎn)金屬（如鉭、鉬、鎢、鈦等及其合金）和活潑金屬（如鋯、鈦、鈮等），還可焊接異種金屬材料、半導(dǎo)體材料以及陶瓷和石英材料等，例如銅和不銹鋼的焊接，鋼和硬質(zhì)合金的焊接等。由于電子束焊接對(duì)焊件的熱影響小、變形小，可以在工件精加工后進(jìn)行焊接。又由于它能夠?qū)崿F(xiàn)不同種類(lèi)金屬的焊接，有可能將復(fù)雜的工件分成幾個(gè)零件。這些零件可以單獨(dú)地使用最合適的材料，采用合適的方法來(lái)加工制造，最后利用電子束焊接成一個(gè)完整的零部件，從而可以獲得理想的使用性能和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

例如，可變后掠翼飛機(jī)的中翼盒長(zhǎng)達(dá)6.7m，壁厚12.7～57mm，鈦合金小零件可以用電子束焊接制成，共70道焊縫，僅此一項(xiàng)工藝就減輕飛機(jī)重量270kg。大型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金機(jī)匣，壁厚1.8～69.8mm，外徑2.4m，是發(fā)動(dòng)機(jī)中最大、加工最復(fù)雜、成本最高的部件。采用電子束焊接后，節(jié)約了材料和加工工時(shí)，成本降低40%。阿波羅登月倉(cāng)的鈹合金框架和制動(dòng)引擎中的64個(gè)零部件也都采用了電子束焊接。

第15頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三3、熱處理電子束熱處理是把電子束作為熱源，并適當(dāng)控制電子束的功率密度，使金屬表面加熱而不熔化，達(dá)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(guò)程中，奧氏體化時(shí)間很短，只有幾分之一秒乃至千分之一秒，奧氏體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)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)熱處理不能達(dá)到的硬度。第16頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

與激光熱處理相比，電子束的電熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%，而激光的轉(zhuǎn)換效率只有7～10%。電子束熱處理在真空中進(jìn)行，可以防止材料氧化，而且電子束設(shè)備的功率可以做得比激光功率大，發(fā)展前景很好。用電子束加熱金屬使之表面熔化后，可在熔化區(qū)內(nèi)加入添加元素，使金屬表面形成一層很薄的新的合金層，從而獲得更好的物理力學(xué)性能。其中，鑄鐵的電子束熔化處理可以產(chǎn)生非常細(xì)的萊氏體組織，其優(yōu)點(diǎn)是抗滑動(dòng)磨損性能好。研究表明，鋁、鈦、鎳的各種合金幾乎均可進(jìn)行添加元素處理，從而使其耐磨性能大大提高。第17頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三4、電子束曝光電子束曝光是先利用低功率密度的電子束照射稱(chēng)為電致抗蝕劑的高分子材料，由入射電子與高分子相碰撞，使分子的鏈被切斷或重新聚合而引起分子量的變化，這一步驟也稱(chēng)為電子束光刻。通常將它作為集成電路、微電子器件以及微型機(jī)械元器件的刻蝕前置工序。如果按規(guī)定圖形進(jìn)行電子束曝光，就會(huì)在電致抗蝕劑中留下潛像。然后將它浸入適當(dāng)?shù)娜軇┲校瑒t由于分子量不同而溶解度不一樣，就會(huì)使?jié)撓耧@影出來(lái)。將光刻與離子束刻蝕或蒸鍍工藝結(jié)合，就能在金屬掩模或材料表面上制作出圖形來(lái)。

第18頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

電子束曝光主要分為兩類(lèi)：掃描電子束曝光，又稱(chēng)電子束線曝光；投影電子束曝光，又稱(chēng)電子束面曝光。線曝光是將聚焦到小于1m的電子束斑在大約0.5～5mm的范圍內(nèi)自動(dòng)掃描，可曝光出任意形狀的圖形。早期的掃描電子束曝光采用圓形束斑，為提高生產(chǎn)率又研制出方形束斑，其曝光面積是圓形束斑的25倍。后來(lái)發(fā)展的可變成形束，其曝光速度比方形束又提高2倍以上。

面曝光是使電子束先通過(guò)原版，這種原版是用別的方法制成的比加工目標(biāo)大幾倍的模板。再以1/5～1/10的比例縮小投影到電致抗蝕劑上進(jìn)行大規(guī)模集成電路圖形的曝光。它可以在幾毫米見(jiàn)方的硅片上安排十萬(wàn)個(gè)晶體管或類(lèi)似的元件。第19頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三第二節(jié)離子束加工一、離子束加工的基本原理和特點(diǎn)

1、基本原理離子束加工是利用離子束對(duì)材料進(jìn)行成型或表面改性的加工方法。在真空條件下，將由離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速，獲得具有一定速度的離子投射到材料表面，產(chǎn)生濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。由于離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千、數(shù)萬(wàn)倍，所以離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量來(lái)加工的。第20頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。具有一定動(dòng)能的離子斜射到工件材料（靶材）表面時(shí)，可以將表面的原子撞擊出來(lái)，這就是離子的撞擊效應(yīng)和濺射效應(yīng)。如果將工件直接作為離子轟擊的靶材，工件表面就會(huì)受到離子刻蝕。如果將工件放置在靶材附近，靶材原子就會(huì)濺射到工件表面而被濺射沉積吸附，使工件表面鍍上一層靶材原子的薄膜。如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時(shí)，離子就會(huì)鉆進(jìn)工件表面，這就是離子的注入效應(yīng)。第21頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、特點(diǎn)（1）加工精度高，易精確控制。離子束可以通過(guò)離子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，共聚焦光斑可達(dá)1m以?xún)?nèi)，因而可以精確控制尺寸范圍。離子束轟擊材料是逐層去除原子，所以離子刻蝕可以達(dá)到毫微米(0.001m)級(jí)的加工精度。離子鍍膜可以控制在亞微米級(jí)精度，離子注入的深度和濃度也可極精確地控制。（2）污染少。離子束加工在高真空中進(jìn)行，污染少，特別適合于加工易氧化的金屬、合金及半導(dǎo)體材料。（3）加工應(yīng)力、變形極小。離子束加工是一種原子級(jí)或分子級(jí)的微細(xì)加工，作為一種微觀作用，其宏觀壓力很小，適合于各類(lèi)材料的加工，而且加工表面質(zhì)量高。第22頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三二、離子束加工設(shè)備離子束加工設(shè)備與電子束加工設(shè)備相似，包括離子源、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等四個(gè)部分。但對(duì)于不同的用途，離子束加工設(shè)備有所不同。

離子源又稱(chēng)離子槍?zhuān)靡援a(chǎn)生離子束流。其基本工作原理是將待電離氣體注入電離室，然后使氣態(tài)原子與電子發(fā)生碰撞而被電離，從而得到等離子體。等離子體是多種離子的集合體，其中有帶電粒子和不帶電粒子，在宏觀上呈電中性。采用一個(gè)相對(duì)于等離子體為負(fù)電位的電極(吸極)，將離子由等離子體中引出而形成離子束流，而后使其加速射向工件或靶材。對(duì)離子源的要求，首先是離子束有較大的有效工作區(qū)，以滿(mǎn)足實(shí)際加工的需要。其次，離子源的中性損失要小。因?yàn)橹行該p失是指通向離子源的中性氣體未經(jīng)電離而損失的那部分流量，它將直接給真空系統(tǒng)增加負(fù)擔(dān)。此外，還要求離子源的放電損失小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠等。根據(jù)離子束產(chǎn)生的方式和用途不同，離子源有很多型式，常用的有考夫曼型離子源和雙等離子管型離子源。第23頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三三、離子束加工的應(yīng)用

目前，用于改變零件尺寸和表面物理力學(xué)性能的離子束加工技術(shù)主要有利用離子撞擊和濺射效應(yīng)的離子束刻蝕、離子濺射鍍膜和離子鍍，以及利用離子注入效應(yīng)的離子注入。

1、離子束刻蝕加工離子束刻蝕是通過(guò)用能量為0.5～5keV的離子轟擊工件，將工件材料原子從工件表面去除的工藝過(guò)程，是一個(gè)撞擊濺射過(guò)程。為了避免入射離子與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必須用惰性元素的離子。氬氣的原子序數(shù)高，價(jià)格便宜，所以通常用氬離子進(jìn)行轟擊刻蝕。由于離子直徑很小（約十分之一納米），可以認(rèn)為離子刻蝕的過(guò)程是逐個(gè)原子剝離，刻蝕的分辨率可達(dá)微米級(jí)甚至是亞微米級(jí)。但刻蝕速度很低，剝離速度大約每秒一層到幾十層原子。因此，離子刻蝕是一種原子尺度的切削加工，又稱(chēng)離子銑削。第24頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

材料典型的刻蝕率靶材料刻蝕率（nm.min-1）靶材料刻蝕率（nm.min-1）靶材料刻蝕率（nm.min-1）SiAsGaAgAuPt36260200160120NiAlFeMoTi5455324010CrZrNb203230

第25頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

目前，離子束刻蝕在高精度加工、表面拋光、圖形刻蝕、電鏡試樣制備、石英晶體振蕩器以及各種傳感器件的制作等方面應(yīng)用較為廣泛。離子束刻蝕加工可達(dá)到很高的分辨率，適于刻蝕精細(xì)圖形，實(shí)現(xiàn)高精度加工。離子束刻蝕加工小孔的優(yōu)點(diǎn)是孔壁光滑，臨近區(qū)域不產(chǎn)生應(yīng)力和損傷，而且能加工出任意形狀的小孔。離子束刻蝕用于加工陀螺儀空氣軸承和動(dòng)壓馬達(dá)上的溝槽，分辨率高、精度高、重復(fù)性好，加工非球面透鏡能達(dá)到其他方法不能達(dá)到的精度。離子束刻蝕應(yīng)用的另一個(gè)方面是圖形刻蝕，如集成電路、聲表面波器件、磁泡器件、光電器件和光集成器件等微電子學(xué)器件的亞微米圖形。

第26頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

用離子束轟擊已被機(jī)械磨光的玻璃時(shí)，玻璃表面1m左右被剝離并形成極光滑的表面。用離子束轟擊厚度為0.2mm的玻璃，能改變其折射率分布，使之具有偏光作用。磁泡存貯器件依賴(lài)于局部磁疇（即磁泡）來(lái)存貯信息。玻莫合金圖形的刻蝕，是磁泡存貯器的關(guān)鍵工藝。離子束刻出的圖形，壁角陡直，線寬和間距皆在1m以下。用離子束刻蝕只要保持入射角的角度，就能得到重復(fù)的壁角。離子束刻蝕玻莫合金時(shí)，能刻出1m以下的線條，85°的壁角。目前已研制出線寬為0.2m、深寬比為2：1的磁泡存貯器。離子束刻蝕可用于減薄石英晶體振蕩器和壓電傳感器等材料。減薄石英晶體時(shí)，用氬離子能量為500eV、束流密度為0.7mA/cm2、有效束徑為8cm的離子束，35°的離子入射角，可以加工出3.3m厚的石英晶體薄片。用離子束刻蝕減薄月球巖石樣品，從lOm減薄到lOnm。離子束刻蝕還能在10nm厚的Au-Pa膜上刻出8nm的線條。第27頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三2、離子鍍膜加工離子鍍膜加工包括濺射鍍膜和離子鍍兩種方式。（1）離子濺射鍍膜

離子濺射鍍膜是基于離子濺射效應(yīng)的一種鍍膜工藝，不同的濺射技術(shù)所采用的放電方式是不同的。如直流二極濺射利用直流輝光放電，三極濺射是利用熱陰極支持的輝光放電，而磁控濺射則是利用環(huán)狀磁場(chǎng)控制下的輝光放電。其中，直流二極濺射和三極濺射兩種方式，由于生產(chǎn)率低、等離子體區(qū)不均勻等原因，難以在實(shí)際生產(chǎn)中大量應(yīng)用。而磁控濺射具有高速、低溫、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，鍍膜速度快，基片溫升小，沒(méi)有高能電子轟擊基片所造成的損傷，故其實(shí)際應(yīng)用更為廣泛。離子濺射鍍膜工藝適用于合金膜和化合物膜等的鍍制。在各種鍍膜技術(shù)中，濺射沉積最適合于鍍制合金膜，具體方法有三種：多靶濺射、鑲嵌靶濺射和合金靶濺射。這些方法均采用直流濺射，且只適合于導(dǎo)電的靶材。化合物膜通常是指由金屬元素的化合物鍍成薄膜，鍍膜方法包括直流濺射、射頻濺射和反應(yīng)濺射等三種。

第28頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

用磁控濺射在高速鋼刀具上鍍氮化鈦（TiN）硬質(zhì)膜，可以顯著提高刀具的壽命。由于氮化鈦具有良好的導(dǎo)電性，可以采用直流濺射，直流磁控濺射的鍍膜速率可達(dá)300nm/min。鍍膜過(guò)程中，氮化鈦膜的色澤逐漸由金屬光澤變成明亮的金黃色。在齒輪的齒面和軸承上可以采用離子濺射鍍制二硫化鉬（MoS2）潤(rùn)滑膜，其厚度0.2～0.6m，摩擦系數(shù)0.04。濺射時(shí)，采用直流濺射或射頻濺射，靶材是用二硫化鉬粉末壓制成形。但為得到晶態(tài)薄膜，必須嚴(yán)格控制工藝參數(shù)。離子濺射還可用以制造薄壁零件，其最大特點(diǎn)是不受材料限制，可以制成陶瓷和多元合金的薄壁零件。例如某零件是直徑為15mm的管件，壁厚63.5m，材料為10元合金，其成分為Fe-Ni42%-Cr5.4%-Ti2.4%-Al0.65%-Si0.5%-Mn0.4%-Cu0.05%-C0.02%-S0.008%。先用鋁棒車(chē)成芯軸，而后鍍膜。鍍膜后，用氫氧化鈉的水溶液將鋁芯全部溶蝕，即可取下零件?；蛴貌讳P鋼芯軸表面加以氧化，濺射成膜后，用噴丸方法或者液態(tài)冷卻方法使之與芯軸脫離。

第29頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三（2）離子鍍離子鍍是在真空蒸鍍和濺射鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種鍍膜技術(shù)。離子鍍時(shí)，工件不僅接受靶材濺射來(lái)的原子，還同時(shí)接受離子的轟擊。這種離子流的組成可以是離子，也可以是通過(guò)能量交換而形成的高能中性離子。這種轟擊使界面和膜層的性質(zhì)發(fā)生某些變化，如膜層對(duì)基片的附著力、覆蓋情況、密度以及內(nèi)應(yīng)力等，從而使離子鍍具有許多優(yōu)點(diǎn)。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動(dòng)能沖擊基體表面，清洗掉表面的玷污和氧化物，從而提高了工件表面的附著力。其次是鍍膜剛開(kāi)始時(shí)，由工件表面濺射出來(lái)的基材原子，有一部分會(huì)與工件周?chē)鷼夥罩械脑雍碗x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(shí)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(guò)渡到單純由膜材原子構(gòu)成的膜層?；旌线^(guò)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，使膜層不易脫落，鍍層組織致密，針孔氣泡少。此外，由于離子鍍的附著性好，使原來(lái)在蒸鍍中不能匹配的基片材料和鍍料，可以用離子鍍完成。第30頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

離子鍍可以得到鎢、鉬、鉭、鈮、鈹以及氧化鋁等的耐熱膜。例如，在不銹鋼上鍍一層氧化鋁，可提高基體在980℃介質(zhì)中的抗熱循環(huán)和抗蝕能力。在適當(dāng)?shù)幕w上鍍一層ADT-1合金（35%～41%Cr、10%～12%Al、0.25%Y和少量Ni），有良好的抗高溫氧化和抗蝕性能。這種膜可用作航空渦輪葉片型面、榫頭和葉冠等部位的保護(hù)層。由于離子鍍所得到的TiN、TaN、TaC、VN等膜層都具有與黃金相似的色澤，但價(jià)格只有黃金的1/60，再加上良好的耐磨性和耐蝕性，人們將其作為裝飾層。目前，手表帶、表殼、裝飾品、餐具等金黃色鍍膜裝飾已完全商品化。

第31頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三3、離子注入加工離子注入是將工件放在離子注入機(jī)的真空靶中，在幾十至幾百千伏的電壓下，把所需元素的離子注入工件表面。離子注入工藝比較簡(jiǎn)單。它不受熱力學(xué)限制，可以注入任何離子，而且注入量可以精確控制。注入的離子固溶于工件材料中，含量可達(dá)10%～40%，注入深度可達(dá)1m甚至更深。由于離子注入本身是一種非平