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1、第七章 电子束和离子束加工,山东大学机械工程学院 张建华,第一节 电子束加工 一、电子束加工的基本原理和特点 1、基本原理 电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度（当加速电压为50V时，电子速度可达1.6105km/s）冲击到工件表面的极小面积上，在极短的时间(几分之一微秒)内，其能量的大部分转变为热能，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和气化，而实现加工的目的。这种利用电子束热效应的加工，称为电子束热加工。,电子束加工的另一种是利用电子束流的非热效应。功率密度较小的电子束流和电子胶相互作用，电能转化为化学能，产生辐射化学或物
2、理效应，使电子胶的分子链被切断或重新组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。采用这种方法，可以实现材料表面微槽或其他几何形状的刻蚀加工。,特征线宽: 100 nm 对准精度：15 nm 定位精度：2 nm 刻蚀深度：0.5m,由制造运动平台的极高准确度保证,大型集成电路制造,2、电子束加工的特点 （1)由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1m,所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。微型机械中的光刻技术可达到亚微米级宽度。 （2）电子束能量密度很高，在极微小束斑上能达到106109w/cm2，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工
3、。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。 （3）由于电子束的能量密度高，而且能量利用率可达90%以上，因而加工生产率很高。例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。厚度为200mm的钢板，电子束可以4mm/s的速度一次焊透。 （4）可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。其位置精度能精确到0.1m左右，强度和束斑尺寸可达到1%的控制精度。特别是在电子束曝光中，从加工位置找准到加工图形的扫描，都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工
4、异形孔，实现曲面弧形切割等。 （5)由于电子束加工在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。 （6）电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格较贵，因而生产应用有一定局限性。,二、电子束加工设备 电子束加工设备主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。 电子枪是获得电子束的装置，包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的阳极。在飞向阳极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。 发射阴极一般用钨或钽制成，在加热状态下发射大量电子。小功率时用钨
5、或钽做成丝状阴极；大功率时用钽做成块状阴极。控制栅极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。加速阳极通常接地，而阴极为很高的负电压，所以能驱使电子加速。,真空系统是为了保证在电子束加工时维持1.3310-21.3310-4Pa的真空度，以避免电子与气体分子之间的碰撞，确保电子高速运动。此外，加工时的金属蒸汽会影响电子发射，产生不稳定现象。因此，需要不断地把加工中产生的金属蒸汽抽出去。真空系统一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成，先用机械旋转泵把真空室抽至1.40.14Pa，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.0140.00014Pa的高真
6、空度。 电子束加工装置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、工作台位移控制、束流通断时间控制、束流偏转控制以及电磁透镜控制等几个部分。 电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常用稳压设备，这是因为电子束聚焦以及阴极的发射强度与电压波动有密切关系。,三、电子束加工的应用 电子束加工可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和曝光加工等。,1、打孔 电子束打孔已在航空航天、电子、化纤以及制革等工业生产中得到实际应用，目前最小直径可达0.001mm左右。孔径在0.50.9mm时，其最大孔深已超过10mm，即孔深径比大于15：1。在厚度为0.3mm的材料上加工出直径为0.1mm的孔，其
7、孔径公差为9m。打孔的速度主要取决于板厚和孔径，孔的形状复杂时还取决于电子束扫描速度（或偏转速度）以及工件的移动速度。通常每秒可加工几十到几万个孔。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏上的孔，不仅孔的密度可以连续变化，孔数达数百万个，而且有时还可改变孔径，最宜用电子束高速打孔。高速打孔可在工件运动中进行，例如在0.lmm厚的不锈钢上加工直径为0.2mm的孔，速度为每秒3000个孔。,电子束加工的喷丝头异型孔，出丝口的窄缝宽度为0.030.07mm，长度为0.8Omm，喷丝板厚度为0.6mm。为了使人造纤维具有光泽、松软有弹性、透气性好，喷丝头的异型孔都是特殊形状的。用电子束切割的复杂型面，
8、其切口宽度为63m，边缘表面粗糙度可控制在0.5m。,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，而且电子束打孔成本比天然革成本低，可替代天然革。加工时，用一组钨杆将电子枪产生的单个电子束分割为200条并行细束，使其在一个脉冲内同时加工出200个孔，效率非常高。现在生产上已出现了专用塑料打孔机，其速度可达每秒50000个孔，孔径1204Om可调。,电子束不仅可以加工各种直的型孔（包括锥孔和斜孔）和型面，而且也可以加工弯孔和曲面。利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转，即可加工出斜孔。控制电子速度和磁场强度，即可控制曲率半径，加工出弯曲的孔。如果同时改变电子
9、束和工件的相对位置，就可进行切割和开槽。 离心过滤机、造纸化工过滤设备中钢板上的小孔为锥孔 (上小下大)，这样可防止堵塞，并便于反冲清洗。用电子束在1mm厚的不锈钢板上打直径为O.13mm的锥孔，每秒可打400个孔，在3mm厚的不锈钢板上打直径为1mm的锥形孔，每秒可打20个孔。,燃烧室混气板及某些透平叶片需要大量的不同方向的斜孔，使叶片容易散热，从而提高发动机的输出功率。例如，某种叶片需要打斜孔30000个，使用电子束加工能廉价地实现。燃气轮机上的叶片、混气板和蜂房消音器等三个重要部件已用电子束打孔代替电火花打孔。,、焊接 电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。 当高能量密度的电子束
10、轰击焊件表面时，使焊件接头处的金属熔融，在电子束连续不断地轰击下，形成一个被熔融金属环绕着的毛细管状的熔池。如果焊件按一定速度沿着焊件接缝与电子束作相对移动，则接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成一条焊缝。 由于电子束的束斑尺寸小，能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区极小，工件变形小，焊缝的物理性能好。 电子束焊接一般不用焊条，焊接过程在真空中进行，因此焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。,电子束可焊接的材料范围很广，除了适合于普通的碳钢、合金钢、不锈钢外，更有利于焊接高熔点金属（如钽、钼、钨、钛等及其合金）和活泼金属（如锆、钛、铌
11、等），还可焊接异种金属材料、半导体材料以及陶瓷和石英材料等，例如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接等。 由于电子束焊接对焊件的热影响小、变形小，可以在工件精加工后进行焊接。又由于它能够实现不同种类金属的焊接，有可能将复杂的工件分成几个零件。这些零件可以单独地使用最合适的材料，采用合适的方法来加工制造，最后利用电子束焊接成一个完整的零部件，从而可以获得理想的使用性能和显著的经济效益。 例如，可变后掠翼飞机的中翼盒长达6.7m，壁厚12.757mm，钛合金小零件可以用电子束焊接制成，共70道焊缝，仅此一项工艺就减轻飞机重量270kg。大型涡轮风扇发动机的钛合金机匣，壁厚1.869.8mm，外径2
12、.4m，是发动机中最大、加工最复杂、成本最高的部件。采用电子束焊接后，节约了材料和加工工时，成本降低40%。阿波罗登月仓的铍合金框架和制动引擎中的64个零部件也都采用了电子束焊接。,3、热处理 电子束热处理是把电子束作为热源，并适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的。 电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种超细晶粒组织，可使工件获得用常规热处理不能达到的硬度。,与激光热处理相比，电子束的电热转换效率高达90%，而激光的转换效率只有710%。电子束热处理在真空中进行，可
13、以防止材料氧化，而且电子束设备的功率可以做得比激光功率大，发展前景很好。 用电子束加热金属使之表面熔化后，可在熔化区内加入添加元素，使金属表面形成一层很薄的新的合金层，从而获得更好的物理力学性能。其中，铸铁的电子束熔化处理可以产生非常细的莱氏体组织，其优点是抗滑动磨损性能好。 研究表明，铝、钛、镍的各种合金几乎均可进行添加元素处理，从而使其耐磨性能大大提高。,4、电子束曝光 电子束曝光是先利用低功率密度的电子束照射称为电致抗蚀剂的高分子材料，由入射电子与高分子相碰撞，使分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化，这一步骤也称为电子束光刻。通常将它作为集成电路、微电子器件以及微型机械元器件的刻蚀
14、前置工序。如果按规定图形进行电子束曝光，就会在电致抗蚀剂中留下潜像。然后将它浸入适当的溶剂中，则由于分子量不同而溶解度不一样，就会使潜像显影出来。将光刻与离子束刻蚀或蒸镀工艺结合，就能在金属掩模或材料表面上制作出图形来。,电子束曝光主要分为两类：扫描电子束曝光，又称电子束线曝光；投影电子束曝光，又称电子束面曝光。 线曝光是将聚焦到小于1m的电子束斑在大约0.55mm的范围内自动扫描，可曝光出任意形状的图形。早期的扫描电子束曝光采用圆形束斑，为提高生产率又研制出方形束斑，其曝光面积是圆形束斑的25倍。后来发展的可变成形束，其曝光速度比方形束又提高2倍以上。 面曝光是使电子束先通过原版，这种原版是
15、用别的方法制成的比加工目标大几倍的模板。再以1/51/10的比例缩小投影到电致抗蚀剂上进行大规模集成电路图形的曝光。它可以在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。,第二节 离子束加工 一、离子束加工的基本原理和特点 1、基本原理 离子束加工是利用离子束对材料进行成型或表面改性的加工方法。在真空条件下，将由离子源产生的离子经过电场加速，获得具有一定速度的离子投射到材料表面，产生溅射效应和注入效应。由于离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，所以离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量来加工的。,离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注
16、入效应。具有一定动能的离子斜射到工件材料（靶材）表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀。如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，这就是离子的注入效应。,2、特点 （1）加工精度高，易精确控制。离子束可以通过离子光学系统进行聚焦扫描，共聚焦光斑可达1m以内，因而可以精确控制尺寸范围。离子束轰击材料是逐层去除原子，所以离子刻蚀可以达到毫微米(0.001m)级的加工精度。离子镀膜可以控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度也可极精确地控制。 （2）污染少。离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适合于加工易氧化的金属、合金及半导体材料。 （3）加工应力、变形极小。离子束加工是一种原子级或分子级的微细加工，作为一种微观作用，其宏观压力很小，适合于各类材料的加工，而且加工表面质量高。,二、离子束加工设备 离子束加
