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1、1 1第第7章章 电子束和离子束加工电子束和离子束加工电子束加工（Electron Beam Machining,简称EBM）和离子束加工（Ion Beam Machining，简称IBM）是近几年得到较大发展的新兴特种加工方法。应用于精密微细加工，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。岭姨证疤锥皿雷昔芍蚜准栓治旁勾载峦坟吨锗瞳腐惹跪零纤呕含酬梦奶闺第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工2 27.17.1电子束加工电子束加工电子束加工（电子束加工（电子束加工（电子束加工（electron beam electron beam electron beam electron beam m
2、achiningmachiningmachiningmachining，EBMEBMEBMEBM）是在真空条）是在真空条）是在真空条）是在真空条件下，利用电子枪中产生的电件下，利用电子枪中产生的电件下，利用电子枪中产生的电件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为子经加速、聚焦后能量密度为子经加速、聚焦后能量密度为子经加速、聚焦后能量密度为101010106 6 6 6101010109 9 9 9w/cmw/cmw/cmw/cm2 2 2 2的极细束流高速的极细束流高速的极细束流高速的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位，冲击到工件表面上极小的部位，冲击到工件表面上极小的部位，冲
3、击到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其并在几分之一微秒时间内，其并在几分之一微秒时间内，其并在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工能量大部分转换为热能，使工能量大部分转换为热能，使工能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千件被冲击部位的材料达到几千件被冲击部位的材料达到几千件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或摄氏度，致使材料局部熔化或摄氏度，致使材料局部熔化或摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。蒸发，来去除材料。蒸发，来去除材料。蒸发，来去除材料。 1-1-发射阴极发射阴极 2- 2-控制栅极控制栅极 3- 3-加速加速阳极阳极 4
4、- 4-聚焦系统聚焦系统 5- 5-电子束斑点电子束斑点 6-6-工件工件 7- 7-工作台工作台佛镜搔龚佣戚像虱尊军纂琢该岔器驾随所放浇殖后痒患啮诧伤寐隐缀叭狞第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工3 37.1.17.1.1电子束加工的原理及特点电子束加工的原理及特点 1 1）高功率密度）高功率密度 属非接触式加工，工件不属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生宏观应力变形，受机械力作用，很少产生宏观应力变形，同时也不存在工具损耗问题。同时也不存在工具损耗问题。2 2）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何电子
5、束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。速度行进，便于自动化控制。3 3）环境污染少）环境污染少 适合加工纯度要求很高的适合加工纯度要求很高的半导体材料及易氧化的金属材料。半导体材料及易氧化的金属材料。憎枝朵重脓诅签募茬贿彝暗箍巢喀辉嘶主侄惦仗恢裸伍裸腹达词枣佯砷肺第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工4 47.1.3.7.1.3.电子束加工的应用电子束加工的应用 1 1 1 1）电子束打孔）电子束打孔）电子束打孔）电子束打孔 不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深玻
6、璃等各种材料上的小孔、深玻璃等各种材料上的小孔、深玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达孔。最小加工直径可达孔。最小加工直径可达孔。最小加工直径可达0.003mm0.003mm0.003mm0.003mm，最大深径比可达，最大深径比可达，最大深径比可达，最大深径比可达10101010。像机翼吸附屏的孔、喷气发动像机翼吸附屏的孔、喷气发动像机翼吸附屏的孔、喷气发动像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类孔数量机套上的冷却孔，此类孔数量机套上的冷却孔，此类孔数量机套上的冷却孔，此类孔数量巨大（高达数百万），且孔径巨大（高达数百万），且孔径巨大（高达数百万），且孔径巨大（高达数百万），
7、且孔径微小，密度连续分布而孔径也微小，密度连续分布而孔径也微小，密度连续分布而孔径也微小，密度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔，有变化，非常适合电子束打孔，有变化，非常适合电子束打孔，有变化，非常适合电子束打孔，塑料和人造革上打许多微孔，塑料和人造革上打许多微孔，塑料和人造革上打许多微孔，塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。令其象真皮一样具有透气性。令其象真皮一样具有透气性。令其象真皮一样具有透气性。一些合成纤维为增加透气性和一些合成纤维为增加透气性和一些合成纤维为增加透气性和一些合成纤维为增加透气性和弹性，其喷丝头型孔往往制成弹性，其喷丝头型孔往往制成弹性，其喷丝头
8、型孔往往制成弹性，其喷丝头型孔往往制成异形孔截面，可利用脉冲电子异形孔截面，可利用脉冲电子异形孔截面，可利用脉冲电子异形孔截面，可利用脉冲电子束对图形扫描制出。束对图形扫描制出。束对图形扫描制出。束对图形扫描制出。还可凭借偏转磁场的变化使电还可凭借偏转磁场的变化使电还可凭借偏转磁场的变化使电还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向加工出子束在工件内偏转方向加工出子束在工件内偏转方向加工出子束在工件内偏转方向加工出弯曲的孔，弯曲的孔，弯曲的孔，弯曲的孔，鲜唇蒂斤尚唐肥我凭提绚榴费暗阑侗弘息忍沈灸哨淬何纸豢残社案第全亮第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工5 5利用电子束的可控偏转
9、特性加工曲面和斜孔利用电子束的可控偏转特性加工曲面和斜孔电子束加工曲面、弯孔电子束加工曲面、弯孔驹灯社元署继理屯貉躬邦撮钉桌剑焊只褐岂训坎实凡酱霓建铱接撩官沃屋第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工6 62 2）电子束切割）电子束切割 可对各种材料进行切割，切口宽度仅有可对各种材料进行切割，切口宽度仅有3 36m6m。利用电子束再配合工件的相对运动，可加利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面工所需要的曲面 铅默瓢忧耍晚鄂屈剃堰瞬寇珍荡榷马馈森实事硒匡且疽匣渣酞制鼠奉搬刑第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工7 73 3）光刻）光刻 当使用低能量密度的电子束照射高
10、分子材当使用低能量密度的电子束照射高分子材料时，将使材料分子链被切断或重新组合，料时，将使材料分子链被切断或重新组合，引起分子量的变化即产生潜象，再将其浸引起分子量的变化即产生潜象，再将其浸入溶剂中将潜象显影出来。入溶剂中将潜象显影出来。把这种方法与其它处理工艺结合使用，可把这种方法与其它处理工艺结合使用，可实现在金属掩膜或材料表面上刻槽。实现在金属掩膜或材料表面上刻槽。电子束光刻系统电子束光刻系统电子束制版机电子束制版机电子束曝光系统电子束曝光系统器蜡菏晃滴枣显鼻沮晾枷尘狈码鳖建爹亨吹毫着逊范痊验闷和胆血储孜陆第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工8 84 4）其它应用）其它应用
11、用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材料进行电子刻蚀加工；料进行电子刻蚀加工；异种金属焊接异种金属焊接；电；电子束热处理等。子束热处理等。碉瑞宦画建仅绅错衫崭靳修谐癣锤就钟陈乳蚁昧脖刀咙准窟拼执胞报暮暴第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工9 97.2离子束加工离子束加工离子束加工的原理和电子束加工的原理类似，离子束加工的原理和电子束加工的原理类似，也是在真空条件下，将离子源产生的也是在真空条件下，将离子源产生的 离子束经离子束经过加速聚焦，使之打到工件表面。不同的是离过加速聚焦，使之打到工件表面。不同的是离子束带正电荷，其质量比电子大数千倍子束带正
12、电荷，其质量比电子大数千倍、数万数万倍。倍。腕肢舞蛤檬巍虞抛悟彪裔早求睫烷壮见粮壕付匆番龙侥了架狗攻执朋涝点第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工10107.2.1.7.2.1.离子束加工原理及特点离子束加工原理及特点离子束加工离子束加工离子束加工离子束加工（ion beam ion beam ion beam ion beam machiningmachiningmachiningmachining，IBMIBMIBMIBM）是在是在是在是在真空条件下利用离子源（离真空条件下利用离子源（离真空条件下利用离子源（离真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚子枪）产生的离子经加速
13、聚子枪）产生的离子经加速聚子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射焦形成高能的离子束流投射焦形成高能的离子束流投射焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、到工件表面，使材料变形、到工件表面，使材料变形、到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。破坏、分离以达到加工目的。破坏、分离以达到加工目的。破坏、分离以达到加工目的。因为离子带正电荷且质量是因为离子带正电荷且质量是因为离子带正电荷且质量是因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较电子的千万倍，且加速到较电子的千万倍，且加速到较电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大高速度时，具有比电子束大高速度时，具有
14、比电子束大高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离得多的撞击动能，因此，离得多的撞击动能，因此，离得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、子束撞击工件将引起变形、子束撞击工件将引起变形、子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而分离、破坏等机械作用，而分离、破坏等机械作用，而分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进不像电子束是通过热效应进不像电子束是通过热效应进不像电子束是通过热效应进行加工。行加工。行加工。行加工。 抡琐坊妓薯死年价披富侣拽推沪侠姓客鼠喝矾雕灼捧挪增剿今躬芹缝肮司第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工11112.2.离子束加工特点离子束
15、加工特点1 1）加工精度高。因离子束流密度和能量可）加工精度高。因离子束流密度和能量可得到精确控制。得到精确控制。2 2）在较高真空度下进行加工，环境污染少。）在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。化的金属材料。3 3）加工应力小，变形极微小，加工表面质）加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。工。篆栅瓷粳惜第空念药厄奥乖怪卉鼓扼哆狼窒惩糯使誊蹋陈睁错驾耘杏靛悠第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工12123.3.离子束加工的应用范
16、围离子束加工的应用范围离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。及离子溅射沉积和离子注入等。怨零但夷搬茧他沿液朋练下娟淖擞巾己剿发育恼匀难柱频蓑发粥茅韭然掏第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工13131 1）离子刻蚀）离子刻蚀当所带能量为当所带能量为当所带能量为当所带能量为0.10.10.10.15keV5keV5keV5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子、直径为十分之几纳米的的氩离子、直径为十分之几纳米的的氩离子、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原轰击工件表面时，此高能离子所
17、传递的能量超过工件表面原轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子（或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐子（或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐子（或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐子（或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐个溅射出来，以达到加工目的个溅射出来，以达到加工目的个溅射出来，以达到加工目的个溅射出来，以达到加工目的这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为这种
18、加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。离子铣削。离子铣削。离子铣削。离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形。度图形。度图形。度图形。叫萌让鲤吭爵铰扬姓八彝冉监转视康疑病痹讲叙幂骚浆寡钮焊润颖殆拷凤
19、第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工14142 2）离子溅射沉积）离子溅射沉积采用能量为采用能量为0.10.15keV5keV的氩离子轰击某种材料的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。工件表面上并形成一层薄膜。实际上此法为一种镀膜工艺。实际上此法为一种镀膜工艺。懂滨火匣诡伞作史今耶翱众谐打僚涎兽眯笔雅谈阉融增尿扔沥佯飞畅网扬第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工1515紧龙堪苔砂润吃抡惯囱捞脖甫门蔡逗由彦谆潞揍涯伺痹践桂俱狂压土世庄第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工16163
20、 3）离子镀膜）离子镀膜离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达强镀层与基材之间的结合力（可达强镀层与基材之间的结合力（可达强镀层与基材之间的结合力（可达1010101020MPa20MPa20MPa20MPa），），），），此法适应性强、膜层均匀致密、韧性
21、好、沉积速度此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。快，目前已获得广泛应用。快，目前已获得广泛应用。快，目前已获得广泛应用。矮娇茂肤巴羚眯撞淮街喂驰衍稼界赎例列鹤滥隋披权解刘涎呛茶变民炎殴第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工1717拙综替弃凤赔舍妙苞箔箍员丙渝片寝瓦苛颗炎净裳丰府析藉厚锗李如扬咖第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工18184 4）离子注入）离子注入用用用用5 5 5 5500keV500keV500keV500keV能量的离子束，直接轰击工
22、件表面，由于离子能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同
23、需求此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如磷、氮、碳等）。注入不同离子（如磷、氮、碳等）。注入不同离子（如磷、氮、碳等）。注入不同离子（如磷、氮、碳等）。注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。休窖诚浙宵鹰同扮悔匪之樊赃略吃弄泛饵惋腮吱疼浚宾嚏贫开贿脸乔澳筛第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工1919跪贮籍鳞聪晰是桌顽州向矿蹄罩惜鸵幼壕透眼勉乳楚啊迅癌溢荒莽嘿格靴第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工2020畏勃掂认粤定痕襄跳鸵厕虱货堰追累艺榜挣爷裳芬浅瘩灰雍纯转区蟹邀霓第7章电子束和离子束加工第7章电子束和离子束加工
