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1、第八章第八章 电子束、离子束电子束、离子束加工加工电子束电子束加工加工电子束电子束加工加工(EBM 即即Electron Beam Machining)离子束离子束加工加工离子束离子束加工加工(IBM 即即Ion Beam Machining)1学习园地第一节第一节 电子束电子束加工的原理和特点加工的原理和特点一、一、电子束电子束加加工原理工原理电子束电子束加工原理加工原理？另参看书上图另参看书上图8-1 电子束电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（密度极高（ 107 109 W/cm2 ）的电子束，以极高）的电子束，以极高的速度（近光速）冲击到工
2、件极小表面上，在极短的速度（近光速）冲击到工件极小表面上，在极短时间（几分之一微妙）内，时间（几分之一微妙）内，其能量大部分转换成热其能量大部分转换成热能，使工件（被冲击部分）材料达到数千摄氏度以能，使工件（被冲击部分）材料达到数千摄氏度以上高温，从而使材料局部熔化或气化上高温，从而使材料局部熔化或气化，被真空系统，被真空系统带走的一种加工工艺。带走的一种加工工艺。2学习园地第一节第一节 电子束电子束加工的原理和特点加工的原理和特点二、二、电子束电子束加工的特点加工的特点1、聚焦微小（、聚焦微小（0.1mm），可精密微细加工。），可精密微细加工。2、能量密度大，不产生宏观应力；生产率高（如、能
3、量密度大，不产生宏观应力；生产率高（如每秒钟可在每秒钟可在2.5mm厚钢板上打厚钢板上打50个直径为个直径为0. 4mm孔）。孔）。3、电子束便于控制（可用磁场、电场对其强度、电子束便于控制（可用磁场、电场对其强度、位置、焦距等控制）。位置、焦距等控制）。3学习园地第一节第一节 电子束电子束加工的原理和特点加工的原理和特点4、污染少、无氧化（真空）。、污染少、无氧化（真空）。5、设备费用高，应用受限。、设备费用高，应用受限。4学习园地第一节第一节 电子束电子束加工的原理和特点加工的原理和特点二、二、电子束电子束加工装置加工装置1、电子枪原理、电子枪原理？如图如图2、真空系统。、真空系统。2、控
4、制系统。、控制系统。 先达先达1.40.14Pa最终达最终达0.0140.00014Pa 。 大气压大气压1kg/cm2 = 10N/10-4m2 = 105N/m2 = 0.1MPa。5学习园地第二节第二节 电子束电子束加工的应用加工的应用一、高速打孔一、高速打孔材料材料孔径孔径速度速度0.1mm不锈钢薄板不锈钢薄板0.2mm3000个个/秒秒塑料板塑料板40 120m50000个个/秒秒 示例示例6学习园地第二节第二节 电子束电子束加工的应用加工的应用二、孔及异形特殊表面二、孔及异形特殊表面 1、喷丝头异形孔如书上图、喷丝头异形孔如书上图8-2；锥孔、斜面锥孔、斜面打孔？打孔？ 。 2、刻
5、蚀。在印刷滚筒上刻出、刻蚀。在印刷滚筒上刻出 微孔、微槽如：微孔、微槽如： 盲孔；盲孔；0.0025宽，宽，0.0025深槽。深槽。7学习园地第二节第二节 电子束电子束加工的应用加工的应用三、三、电子束焊接电子束焊接 1、热影响区小，变形小、热影响区小，变形小 ；焊缝金属纯净；焊缝金属纯净。 2、可焊难熔金属，适于焊薄板与厚板、可焊难熔金属，适于焊薄板与厚板 （焊（焊缝深度与宽度比值达缝深度与宽度比值达20）。 厚板焊接厚板焊接 3、能实现异种金属的焊接。、能实现异种金属的焊接。8学习园地第二节第二节 电子束电子束加工的应用加工的应用四、四、电子束热处理电子束热处理 适当降低功率密度，可实现表
6、面焊接与表面适当降低功率密度，可实现表面焊接与表面合金化。合金化。 能获得高硬的隐晶马氏体组织，能获得高硬的隐晶马氏体组织，功效同激光功效同激光焊接，但热效率高（达焊接，但热效率高（达90%，激光，激光710%）。）。 电子束同激光焊接，但热效率比较电子束同激光焊接，但热效率比较？ 9学习园地第二节第二节 电子束电子束加工的应用加工的应用五、五、电子束光刻原理电子束光刻原理？ 将低功率电子束照射到电致抗蚀高分子材料，将低功率电子束照射到电致抗蚀高分子材料，入射电子与高分子碰撞，使分子链被切断或聚合引入射电子与高分子碰撞，使分子链被切断或聚合引起分子量变化（称为电子束曝光），起分子量变化（称为电
7、子束曝光）， 在电致抗蚀高在电致抗蚀高分子中留下潜影。曝光后，将其浸入适当溶剂，由分子中留下潜影。曝光后，将其浸入适当溶剂，由于相对分子量不同而溶解度不一样，则使潜像显现于相对分子量不同而溶解度不一样，则使潜像显现出来。出来。电子束光刻与蒸镀结合电子束光刻与蒸镀结合电子束光刻与离子束刻蚀结合电子束光刻与离子束刻蚀结合10学习园地第二节第二节 电子束电子束加工的应用加工的应用电子束光刻特点电子束光刻特点 照相曝光由于光波长大于照相曝光由于光波长大于0.4m，分辨率难小，分辨率难小于于1m，用电子束曝光最佳可达，用电子束曝光最佳可达0.25m分辨率。分辨率。 应用、应用于大规模集成电路、超大规模集
8、应用、应用于大规模集成电路、超大规模集成电路，精细微刻。成电路，精细微刻。电子束光刻与光化学腐蚀电子束光刻与光化学腐蚀11学习园地第三节第三节 离子束离子束加工的原理和特点加工的原理和特点一、一、离子束加工离子束加工原理原理？ 离子束离子束加工电子束加工类似，也是在真空条件加工电子束加工类似，也是在真空条件下，利用聚焦后的下，利用聚焦后的离离子束，以极高的速度冲击到工子束，以极高的速度冲击到工件极小表面上的一种加工工艺，与电子束加工不同件极小表面上的一种加工工艺，与电子束加工不同的是离子质量远大于电子（数千、数万倍），以更的是离子质量远大于电子（数千、数万倍），以更大的动能，大的动能，靠机械撞
9、击加工，而不是靠转化成热能靠机械撞击加工，而不是靠转化成热能加工加工。12学习园地第三节第三节 离子束离子束加工的原理和特点加工的原理和特点二、二、离子束加工离子束加工的分类的分类 1、离子刻蚀（离子铣削）、离子刻蚀（离子铣削） 用用0.55keV的氩离子倾斜轰击工件，将的氩离子倾斜轰击工件，将工件原子逐个剥离。工件原子逐个剥离。离子刻蚀离子刻蚀13学习园地第三节第三节 离子束离子束加工的原理和特点加工的原理和特点离子刻蚀（离子铣削）离子刻蚀（离子铣削）速率影响因素速率影响因素 离子能量从离子能量从1001000eV时，时，离子刻蚀速率离子刻蚀速率随能量增加而迅速增加，而后增加速率逐渐减慢随能
10、量增加而迅速增加，而后增加速率逐渐减慢。离子刻蚀速率与入离子刻蚀速率与入射角射角关系关系 离子离子刻蚀速率随入射角刻蚀速率随入射角增加而增加，但太大增加而增加，但太大会使表面有效束流减小，反而降低刻蚀速率，一会使表面有效束流减小，反而降低刻蚀速率，一般般 =40 60 时刻蚀速率最高时刻蚀速率最高。14学习园地第三节第三节 离子束离子束加工的原理和特点加工的原理和特点 2、离子溅射沉积、离子溅射沉积 也是用也是用0.55keV的氩离子倾斜轰击某种材的氩离子倾斜轰击某种材料制成的靶材，离子将靶材原子击出，垂直沉料制成的靶材，离子将靶材原子击出，垂直沉积靶材附近的工件上，使工件镀上一层薄膜。积靶材
11、附近的工件上，使工件镀上一层薄膜。离子溅射沉积离子溅射沉积15学习园地第三节第三节 离子束离子束加工的原理和特点加工的原理和特点 3、离子镀（离子溅射辅助沉积）、离子镀（离子溅射辅助沉积） 用用0.55keV的氩离子倾斜轰击工件，离子束同的氩离子倾斜轰击工件，离子束同时轰击靶材与工件表面，也可将靶材高温蒸发，同时时轰击靶材与工件表面，也可将靶材高温蒸发，同时进行离子轰击，增强镀膜与工件基材结合力。进行离子轰击，增强镀膜与工件基材结合力。 4、离子注入、离子注入离子镀离子镀离子注入离子注入 用用5500keV较高能量离子束垂直轰击工件，离较高能量离子束垂直轰击工件，离子挤入工件表面（如子挤入工件
12、表面（如P、B、C、N等离子注入）。等离子注入）。16学习园地第三节第三节 离子束离子束加工的原理和特点加工的原理和特点三、三、离子束加工离子束加工的特点的特点 1、可微细加工，刻蚀达纳米级（、可微细加工，刻蚀达纳米级（0.001m），离），离子注入深度、浓度可精确控制，离子镀膜附着力强。子注入深度、浓度可精确控制，离子镀膜附着力强。 2、无污染，不氧化。、无污染，不氧化。 3、无宏观应力，无热变形。、无宏观应力，无热变形。 4、设备昂贵，成本高，效率低。、设备昂贵，成本高，效率低。17学习园地本章结束本章结束请认真复习请认真复习18学习园地电子束电子束加工原理及设备组成加工原理及设备组成 还
13、原还原19学习园地锥面打孔与打锥孔锥面打孔与打锥孔 还原还原20学习园地电子束便于控制电子束便于控制 还原还原21学习园地焊接热源特性焊接热源特性 还原还原热源热源最小加热面最小加热面积积cm最大功率密度最大功率密度W/cm2正常焊接规范正常焊接规范下温度下温度乙炔火焰乙炔火焰金属极电弧金属极电弧钨极氩弧钨极氩弧TiG埋弧自动焊埋弧自动焊电渣焊电渣焊10-210-310-310-310-32 1021 104 1.5 1042 1041 10432006000K8000K6400K2000熔化极氩弧熔化极氩弧MiGCO2气体保护焊气体保护焊10-4104 105等离子弧等离子弧电子束电子束激光
14、激光10-510-710-81.5 1051 107107 10918000K 24000K22学习园地电子束电子束加工原理及设备组成加工原理及设备组成 还原还原23学习园地厚板焊接厚板焊接 还原还原24学习园地光光化学腐蚀化学腐蚀加工加工 还原还原一、光一、光化学腐蚀化学腐蚀加工原理与工艺过程加工原理与工艺过程原图原图曝光曝光显影显影坚模坚模烘烤烘烤修正修正腐蚀腐蚀照相照相金属金属板板涂感涂感光胶光胶整理整理（去（去胶）胶）印印刷刷版版25学习园地电子束光刻与蒸镀结合电子束光刻与蒸镀结合 还原还原26学习园地电子束光刻与离子束刻蚀结合电子束光刻与离子束刻蚀结合 还原还原27学习园地电子束光刻
15、与离子束刻蚀结合电子束光刻与离子束刻蚀结合 还原还原光光化学腐蚀化学腐蚀加工加工28学习园地离子刻蚀离子刻蚀 还原还原29学习园地离子刻蚀入射角对刻蚀速率的影响离子刻蚀入射角对刻蚀速率的影响 还原还原30学习园地离子溅射沉积离子溅射沉积 还原还原31学习园地离子镀离子镀 还原还原32学习园地离子镀膜附着力强离子镀膜附着力强 还原还原击击33学习园地离子注入离子注入 还原还原34学习园地离子刻蚀精度高离子刻蚀精度高 还原还原35学习园地离子镀膜附着力强离子镀膜附着力强 还原还原击击36学习园地离子刻蚀率离子刻蚀率 还原还原工件刻蚀率nm/min工件刻蚀率nm/min工件刻蚀率nm/minSi36NI54Cr20As、Cu260Al55Zr32Ag200Fe32Nb30Au160Mo40Pt120Ti1037学习园地
