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1、电子束和离子束加工电子束和离子束加工1.1电子束加工电子束加工1.加工原理加工原理电电子子束束加加工工是是利利用用高高速速电电子子的的冲冲击击动动能能来来加加工工工工件件的的，如如图图1所所示示。在在真真空空条条件件下下，将将具具有有很很高高速速度度和和能能量量的的电电子子束束聚聚焦焦到到被被加加工工材材料料上上，电电子子的的动动能能绝绝大大部部分分转转变变为为热热能能，使使材材料料局局部部瞬瞬时时熔熔融融、汽汽化化蒸蒸发发而而去除。去除。图图1电子束加工原理电子束加工原理控控制制电电子子束束能能量量密密度度的的大大小小和和能能量量注注入入时时间间，就就可可以以达达到到不不同同的的加加工工目目
2、的的。如如只只使使材材料料局局部部加加热热就就可可进进行行电电子子束束热热处处理理；使使材材料料局局部部熔熔化化就就可可以以进进行行电电子子束束焊焊接接；提提高高电电子子束束能能量量密密度度，使使材材料料熔熔化化和和汽汽化化，就就可可进进行行打打孔孔、切切割割等等加加工工；利利用用较较低低能能量量密密度度的的电电子子束束轰轰击击高高分分子子材材料料时时产产生生化化学学变变化化的的原原理理，即即可可进进行电子束光刻加工。行电子束光刻加工。2特点与应用特点与应用电子束加工的特点如下：电子束加工的特点如下：(1)电电子子束束能能够够极极其其微微细细地地聚聚焦焦(可可达达l0.1m)，故可进行微细加工
3、。故可进行微细加工。(2)加加工工材材料料的的范范围围广广。由由于于电电子子束束能能量量密密度度高高，可可使使任任何何材材料料瞬瞬时时熔熔化化、汽汽化化且且机机械械力力的的作作用用极极小小，不不易易产产生生变变形形和和应应力力，故故能能加加工工各各种种力力学学性性能能的的导导体体、半半导导体体和和非非导导体体材料。材料。(3)可可通通过过磁磁场场或或电电场场对对电电子子束束的的强强度度、位位置置、聚聚焦焦等等进行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。进行控制，所以整个加工过程便于实现自动化。(4)电子束的能量密度高，加工效率很高。电子束的能量密度高，加工效率很高。(5)加工在真空中进行，污染少
4、，加工表面不易被氧化。加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。(6)电电子子束束加加工工需需要要整整套套的的专专用用设设备备和和真真空空系系统统，价价格格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。较贵，故在生产中受到一定程度的限制。3电子束加工的应用电子束加工的应用1）高速打孔）高速打孔目前电子束打孔的最小直径可达目前电子束打孔的最小直径可达0.003mm左右。左右。例如例如喷喷气气发动发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用在人造革、塑料上用电电子束打大量微孔，可使其具有子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那如真皮革那样样的透气性。的透气性。电
5、电子束打孔子束打孔还还能加工小深孔，能加工小深孔，如在叶片上打深度如在叶片上打深度5mm、直径、直径0.4mm的孔，孔的深的孔，孔的深径比大于径比大于10：1。图图2电子束加工的异形孔电子束加工的异形孔2）加工型孔及特殊表面）加工型孔及特殊表面 图图3电子束加工曲面、穿孔电子束加工曲面、穿孔3）刻蚀）刻蚀在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔。如在硅片上刻出宽和孔。如在硅片上刻出宽2.5m，深，深0.25m的的细细槽，槽，在混合在混合电电路路电电阻的金属
6、阻的金属镀层镀层上刻出上刻出40m宽宽的的线线条。条。电电子束刻子束刻蚀还蚀还可用于刻板，在可用于刻板，在铜铜制印刷制印刷滚滚筒上按色筒上按色调调深深浅刻出浅刻出许许多大小与深浅不一多大小与深浅不一样样的沟槽或凹坑，其直径的沟槽或凹坑，其直径为为70120m，深度，深度为为540m，小坑代表浅色，大，小坑代表浅色，大坑代表深色。坑代表深色。4）焊接）焊接电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工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轰击焊件表面时，使焊件艺。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，在电子束连续不断地轰击下，形接头处的金属熔融，在电
7、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。的整个接缝形成一条焊缝。由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。子束焊接的焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形小。 5）热处理）热处理电子束热处理也是把电子束作为热源，但适当控电子束热处理也
8、是把电子束作为热源，但适当控制电子束的功率密度，使金属表面加热而不熔化，达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，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，硬化深度可达热处理不能达到的硬度，硬化深度可达0.30.8mm。 1.2离子束加工离子
9、束加工1加工原理加工原理离离子子束束加加工工也也是是一一种种新新兴兴的的特特种种加加工工，它它的的加加工工原原理理与与电电子子束束加加工工原原理理基基本本类类似似，也也是是在在真真空空条条件件下下，将将离离子子源源产产生生的的离离子子束束经经过过加加速速、聚聚焦焦后后投投射射到到工工件件表表面面的的加加工工部部位位以以实实现现加加工工的的。所所不不同同的的是是离离子子带带正正电电荷荷，其其质质量量比比电电子子大大数数千千倍倍乃乃至至数数万万倍倍，故故在在电电场场中中加加速速较较慢慢，但但一一旦旦加加至至较较高高速速度度，就就比比电电子子束束具具有有更更大大的的撞撞击击动动能能。离离子子束束加工
10、是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。离离子子束束加加工工的的物物理理基基础础是是离离子子束束射射到到材材料料表表面面时时所所发发生生的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。1)离子刻蚀离子刻蚀离离子子轰轰击击工工件件，将将工工件件表表面面的的原原子子逐逐个个剥剥离离，又又称称离离子子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。2)离子溅射沉积离子溅射沉积离离子子轰轰击击靶靶材材，将将靶靶材材原原子子击击出出，沉沉积积在在靶靶材材附附近近的的工件上，使工
11、件表面镀上一层薄膜。工件上，使工件表面镀上一层薄膜。3)离子镀离子镀(又称离子溅射辅助沉积又称离子溅射辅助沉积)离离子子同同时时轰轰击击靶靶材材和和工工件件表表面面，目目的的是是为为了了增增强强膜膜材材与与工件基材之间的结合力。工件基材之间的结合力。4)离子注入离子注入离离子子束束直直接接轰轰击击被被加加工工材材料料，由由于于离离子子能能量量相相当当大大，离离子子就就钻钻入入被被加加工工材材料料的的表表层层。工工件件表表面面层层含含有有注注入入离离子子后后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。2特点及应用特点及应用离子束加
12、工有如下特点：离子束加工有如下特点：(1)离离子子束束加加工工是是目目前前特特种种加加工工中中最最精精密密、最最微微细细的的加加工工。离离子子刻刻蚀蚀可可达达纳纳米米级级精精度度，离离子子镀镀膜膜可可控控制制在在亚亚微微米米级级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。(2)离离子子束束加加工工在在高高真真空空中中进进行行，污污染染少少，特特别别适适宜宜于于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。加工设备加工设备离子枪：将气体注入电离室并使其放电，电子与气体原子发生碰撞使其被电离，等到等离子体，在负电位引导下
13、将正离子引出，经过加速射向靶材或工件。真空系统控制系统电源系统(3)离离子子束束加加工工是是靠靠离离子子轰轰击击材材料料表表面面的的原原子子来来实实现现的的，是是一一种种微微观观作作用用，所所以以加加工工应应力力和和变变形形极极小小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。在在目目前前的的工工业业生生产产中中，离离子子束束加加工工主主要要应应用用于于刻刻蚀蚀加加工工(如如加加工工空空气气轴轴承承的的沟沟槽槽，加加工工极极薄薄材材料料等等)、镀镀膜膜加加工工(如如在在金金属属或或非非金金属属材材料料上上镀镀制制金金属属或或非非金金属属材材料料)、注入加工、注入
14、加工(如某些特殊的半导体器件如某些特殊的半导体器件)等。等。1)刻蚀加工刻蚀加工离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时，件表面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时，原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。离子束刻的沟槽，分辨率高，精度、重复一
15、致性好。离子束刻蚀应用的另一个方面是刻蚀高精度的图形，如集成电蚀应用的另一个方面是刻蚀高精度的图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图路、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图形。形。2)镀膜加工镀膜加工离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀膜附着离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀膜附着力强、膜层不易脱落。这首先是由于镀膜前离子以足够高的力强、膜层不易脱落。这首先是由于镀膜前离子以足够高的动能冲击基体表面，清洗掉表面的占污和氧化物，从而提高动能冲击基体表面，清洗掉表面的占污和氧化物，从而提高了工件表面的附着力。其次是镀膜刚开始时，由工件表面溅了工件表面的附着
16、力。其次是镀膜刚开始时，由工件表面溅射出来的基材原子，有一部分会与工件周围气氛中的原子和射出来的基材原子，有一部分会与工件周围气氛中的原子和离子发生碰撞而返回工件。这些返回工件的原子与镀膜的膜离子发生碰撞而返回工件。这些返回工件的原子与镀膜的膜材原子同时到达工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共材原子同时到达工件表面，形成了膜材原子和基材原子的共混膜层。而后，随膜层的增厚，逐渐过渡到单纯由膜材原子混膜层。而后，随膜层的增厚，逐渐过渡到单纯由膜材原子构成的膜层。混合过渡层的存在，可以减少由于膜材与基材构成的膜层。混合过渡层的存在，可以减少由于膜材与基材两者膨胀系数不同而产生的热应力，增强了两者的
17、结合力，两者膨胀系数不同而产生的热应力，增强了两者的结合力，是膜层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。是膜层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，各种合金、化合物、某些合镀制金属或非金属材料，各种合金、化合物、某些合成材料、半导体材料、高熔点材料等。成材料、半导体材料、高熔点材料等。离子镀已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨离子镀已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。用离子镀方法在切削工具表膜、装饰膜和电气膜等。用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，
18、可以提高刀具的耐用面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具的耐用度。度。3)离子注入加工离子注入加工离子注入加工是将所要注入的元素进行电离，并离子注入加工是将所要注入的元素进行电离，并将正离子分离和加速，形成具有数十万电子伏特的高将正离子分离和加速，形成具有数十万电子伏特的高能离子流，轰击工件表面，离子因动能很大，被打入能离子流，轰击工件表面，离子因动能很大，被打入表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间的填表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间的填隙原子，被留于表层中，使材料的化学成分、结构、隙原子，被留于表层中，使材料的化学成分、结构、性能产生变化。性能产生变化。离子注入可提高材料的耐腐离子注入可提高材料的耐腐蚀蚀性能，改善金属材性能，改善金属材料的耐磨性能，提高金属材料的硬度，改善金属材料料的耐磨性能，提高金属材料的硬度，改善金属材料的的润润滑性能等。滑性能等。
