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1、7. 电子束离子束加工,Page 2,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,1,电子束加工原理和特点,在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极短时间内，其能量大部分转变为热能，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或气化；,加工原理,I,控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的；,Page 3,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,1,电子束加工原理和特点,i,电子束能够极其细微的聚焦，可以加工微孔、窄缝和半导体集成电路等；,加工特点
2、,II,ii,去除材料主要靠瞬时蒸发，非接触式加工，不易产生宏观应力和变形，加工材料范围广；,iii,通过磁场或电场对电子束的强度、位置和聚焦等进行控制，便于实现自动化；,iv,真空加工污染小，工件表面不易氧化；,v,加工较贵，生产应用有局限性；,Page 4,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,2,电子束加工的设备,i,获得电子束的装置；,电子枪,I,ii,发射阴极一般由纯钨或钽做成丝状阴极；,iii,控制栅极较阴极为负的偏压，既能控制电子束的强弱，又初步聚焦；,iv,加速阳极通常接地，阴极加以很高的负电压以驱使电子加速；,包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等
3、；,Page 5,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,2,电子束加工的设备,i,维持一定的真空度，保证电子高速运动；,真空系统,II,ii,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初步真空度（1.40.14Pa），再由油扩散泵或涡轮分子泵抽至高真空度（0.0140.00014Pa）；,Page 6,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,2,电子束加工的设备,i,束流聚焦控制：,控制系统和电源,III,提高电子束能量密度；,ii,束流强度控制：,聚焦方式：高压静电场或“电磁透镜”；,提高电子束运动速度；,间
4、隙性加速电压，使电子束脉冲性运动；,Page 7,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,2,电子束加工的设备,iii,束流位置控制：,控制系统和电源,III,iv,工作台位移控制：,改变电子束的方向；,v,电源：,电磁偏转来控制，使偏转电压按一定规律变化；,要求电源电压稳定；,配合电子束偏转，扩大加工范围和形状；,Page 8,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,3,电子束加工的应用,高速打孔,I,孔径小，可达0.003；,可在工件运动中打孔；,能加工深孔；,加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性材料时，需用电阻炉或电子束预热，防止应加工温差大材料
5、破碎；,Page 9,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,3,电子束加工的应用,加工型孔或特殊表面,II,切割复杂型面，切口宽度63 m ，边缘粗糙度可控制在0.5m ；,不仅可以加工直孔也可以加工弯孔和立体曲面；,Page 10,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,3,电子束加工的应用,刻蚀,III,在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，利用电子束对陶瓷或半导体材料可出许多微细沟槽和孔 ；,制版；,Page 11,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,3,电子束加工的应用,可以焊接难熔金属和化学活性高
6、的金属；,可以焊接不同材料；,焊接,IV,当高能量密度的电子束轰击焊件表面时，使焊件接头处的金属熔融，在电子束不断轰击下，形成一个被熔融金属环绕的毛细管状的蒸气管，如果焊件按一定速度沿接缝与电子束作相对运动，则接缝上的蒸气管由于电子束的离开而重新凝固，形成焊缝 ；,焊接速度快，焊缝窄、强度好，热影响区小，变形小；,Page 12,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,3,电子束加工的应用,热处理,V,电子束热处理与激光热处理类似，是利用电子束作为热源，通过控制电子束的功率和功率密度大小使金属表面加热，达到热处理的目的；,电子束熔化金属表面后，加入添加元素可使表面改性
7、；,Page 13,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.1.电子束加工,3,电子束加工的应用,光刻,VI,利用低能量密度的电子束照射高分子材料，由于入射电子和高分子相碰撞，使分子的链被切断或重新聚合而引起相对分子量的变化，按规定图形进行照射就会形成潜像，再将其浸入适当的溶剂中，则由于相对分子量不同而溶解速度不一样，就会使潜像显影；,Page 14,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.2.离子束加工,1,离子束加工原理、分类和特点,在真空条件下，将离子束经过加速聚焦后打到工件表面，依靠微观的机械撞击能量来加工,i,加工原理,离子束加工的原理和物理基础,I,撞击效应和溅
8、射效应：具有一定动能的离子斜射到工件表面时，可将表面的原子撞击出来；,ii,物理基础,注入效应：能量足够大的离子垂直撞击工件表面时，离子会钻进工件表面；,Page 15,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.2.离子束加工,1,离子束加工原理、分类和特点,氩离子轰击工件将其表面的原子逐个剥离；,i,离子蚀刻,离子束加工分类,II,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，使工件表面形成镀膜；,ii,离子溅射沉积,Page 16,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.2.离子束加工,1,离子束加工原理、分类和特点,氩离子同时轰击工件和靶材表面，其目的在于增强膜
9、材和工件基材之间的结合力；,iii,离子镀（离子溅射辅助沉积）,离子束加工分类,II,根据不同的目的选用不同的注入离子；,iv,离子注入,Page 17,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.2.离子束加工,1,离子束加工原理、分类和特点,i,加工精度高；,离子束加工特点,III,ii,污染少，工件不易氧化；,iii,加工应力和热变形小，适合各种材料和低刚度零件；,iv,设备费用贵、加工效率低；,Page 18,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.2.离子束加工,2,离子束加工装置,离子源,I,与电子束加工装置类似，包括离子源、真空系统、控制系统和电源,把要电离的气态
10、原子注入电离室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击，是气态原子电离成等离子体，用一个相对于等离子体为负电位的电极，就可以从等离子体中引出离子束；,Page 19,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.2.离子束加工,2,离子束加工装置,i,考夫曼型离子源；,离子源,I,Page 20,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.2.离子束加工,2,离子束加工装置,离子源,I,ii,双等离子体型离子源；,Page 21,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.2.离子束加工,3,离子束加工的应用,蚀刻加工,I,i,蚀刻加工原理：溅射效应；,ii,蚀刻加工时，
11、对离子入射能量、束流大小、离子入射到工件上的角度以及工作室气压等分别控制；,iii,氩气离子蚀刻效率取决于离子能量和入射角度；,入射能量增大蚀刻效率增加；,入射角度增加蚀刻效率增加，但角度过大使有效束流减小，4060效率最高；,Page 22,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.2.离子束加工,3,离子束加工的应用,镀膜加工,II,i,镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种；,ii,离子镀膜附着力强、膜层不易脱落；,同时接受离子轰击和靶材溅射来的原子；,镀膜前离子冲击基体表面，清洗掉表面的油污和氧化物，提高了表面的附着力；,镀膜开始时，形成膜材原子与基材原子的共混膜层；,随后逐步过渡到膜材原子构成的膜层；,Page 23,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.2.离子束加工,3,离子束加工的应用,镀膜加工,II,iii,绕射性好，基材所有暴露表面均能被覆镀；,iv,可镀材料广泛；,v,用于镀制耐热膜、润滑膜、耐蚀膜、装饰膜等；,vi,离子镀膜以蒸汽镀膜为主；,Page 24,第7章 电子束离子束加工,2019/2/22,7.2.离子束加工,3,离子束加工的应用,离子注入,III,i,改变半导体导电型式和制造P-N结；,ii,改善金属表面性能；,iii,对金属表面掺杂；,向工件表面直接注入离子，它不受热力学限制，可以注入任何离子，并可精确控制注入量；,
