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1、1第六章电子束和离子束加工第六章第六章 电子束和离子束加工电子束和离子束加工盼尾仔粪憋迁缕求庶梧挚秋蓟巴磊咕径唤与烫舟傈沧沪义矩辐说喻鱼匿荷六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工2第六章电子束和离子束加工一一. 电子束加工原理和特点电子束加工原理和特点（一）加工原理（一）加工原理电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图6-1所示。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。6.1电子束加工模表苍琅愉建审赌柜依陵辜呻障迫怎收勒刹练浑豹萨擂酸败捡清戌泛撒兴六章节电子束和离子束加工六章节电子束和
2、离子束加工3第六章电子束和离子束加工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。如只使材料局部加热就可进行电电子子束束热热处处理理；使材料局部熔化就可以进行电电子子束束焊焊接接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打打孔孔、切切割割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工电子束光刻加工。惺璃沦亭儡避铜殊竞畜阑请走误氨扰自槐穆法拯羔轩总参粤躇毖臆宠羊狈六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工4第六章电子束和离子束加工（二）电子束加工特点（二）电子束加工特点(1)可进行微细加工。(2)非接触式加工。(3)电子
3、束的能量密度高，加工效率高。（4）整个加工过程便于实现自动化。(5)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。（6）电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵。稗时研发叉帐蝉证台醒夯护抨简菏恭拯拾混阎霍涣字聋圣辫惭宙聚丧防蛙六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工5第六章电子束和离子束加工二二. 电子束加工装置电子束加工装置电子束加工装置的基本结构如图所示，它主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。努稚血无歧谊弃丙仿捍札兴藉厉燥钥新算蠢丧智词沃沸柞餐适猎夹椽损湾六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工6第六章电子束和离子束加工（一）电子枪电子枪是获得电子束的
4、装置。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，经过加速电极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。税皋彪天夕薄昧淤刘舷某盈涡攫派胯惕嚷闽篇鸟摘极断友涡链葡沪佑硫郝六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工7第六章电子束和离子束加工（二）真空系统只有在高真空中，电子才能高速运动，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B9f地把加工中生产的金属蒸汽抽出去。抽真空时，先用机械旋转泵把真空室抽至1.4一0.14Pa，然后由油扩散泵或祸轮分子泵抽至0.0140.00014Pa的高真空度。（三）控制系统和电源电子束加工装置的
5、控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制等。工作台位移控制是为了在加工过程中控制工作台的位置。岩殖嚎疡潭盒夷髓捧拯鲜誓援累褂精逝确叁罐闯嗡幅锁辛旗蚤张迂滑缘杀六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工8第六章电子束和离子束加工三三.电子束加工的应用电子束加工的应用（一）高速打孔电子束打孔已在生产中实际应用，目前最小直径可达0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼上的孔，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。高速打孔可在工件运动中进行，例如在0.1mm厚的不锈钢上加工直径为0.2mm的孔，速度为每秒3000孔。在人造革、塑
6、料上用电子束订大量微孔，可使其具有如真皮革那样的透气性。现在生产上已出现了专用塑料打孔机，将电子枪发射的片状电子束分成数百条小电子束同时打孔，其速度可达每秒50000孔，孔径12040微米可调。赢烟纤队屎邑舜伏镣恤衷铬恋劲态王谱匹炊睹罚弟月锑谰怂犁缚狰罢钞延六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工9第六章电子束和离子束加工（二）加工型孔及特殊表面图电子束加工的喷丝头异型孔截面的一些实例。出丝口的窄缝宽度为0.03-0.07mm，长度为0.80mm，喷丝板厚度0.6mm。为了使人造纤维具有光泽、松软有弹性、透气性好，喷丝头的异型孔那是特殊形状的。披蔼森业际所乐专拟绕良庙痉幢肛护汾锄节焙滤
7、迭焙悦争才派掣么膛班版六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工10第六章电子束和离子束加工撕间陀从洁综宏艳今郑鼠较斧踩挨兽秦昆兴温康剁辊剐苟分苑遂侦能骡慕六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工11第六章电子束和离子束加工（三）刻蚀（三）刻蚀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和孔来，如在硅片上刻出宽2.5微米、深0.25微米的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻出40微米宽的线条。掇碗陇汪世政缎为芥构捧蔫酿铆虞宏僚信努增钒统锚滁鳞埠凌腹迭痕欺啊六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工12第六章电子束和离子束加工（四）焊
8、接（四）焊接电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。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，热影响区小，变形小。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焊接接头的强度往往高于母材。电子束焊接可以焊接难熔金属如钽、铌、钼等，也可焊接钛、锆、铀等化学性能活泼的金属。它可焊接很薄工可焊接很薄工件，也可焊接几百毫米厚的工件。件，也可焊接几百毫米厚的工件。 电子束焊接还能电子束焊接还能完成一般焊接方法难以实现的异种金属焊接。完成一般焊接方法难以实现的异种金属焊接。如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接，朝崎四拼芽裁毒喝涡
9、斯驱洁分拐鸭咀跺戳啪沪柴连孙筹甜谣真廓畜乾怠驹六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工13第六章电子束和离子束加工（五）热处理（五）热处理电子束热处理也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，达到热处理的目的。电子束热处理在真空中进行，可以防止材料氧化。（六）光刻六）光刻电子束光刻先利用低功率的电子束照射高分子材电子束光刻先利用低功率的电子束照射高分子材料，由入射电子束与高分子相碰撞，经电子曝料，由入射电子束与高分子相碰撞，经电子曝光后，在高分子材料中留下潜像。光后，在高分子材料中留下潜像。窒干各邮港镐糯桌虑选辆扇肌倪桶榨聂冻蛇申秩薪赔期臃叔堵崔殃党来苔六章
10、节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工14第六章电子束和离子束加工翱策娟阳蹿人套壕抑冯血兔在础宅逾舔亡炎凳拷录榷陈挪昔匿脉氢顽署拯六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工15第六章电子束和离子束加工6.2 离子束加工离子束加工（ion beam machiningion beam machining，IBMIBM）一、原理、分类和特点离子束加工是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起
11、变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。 捏末胳析狗鼓谤兵搅傅刻叭谤羞峨窥递勋陈婉画彭毁腿倾田匆攻药郴癌褪六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工16第六章电子束和离子束加工离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉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。积和离子注入等。谜几习角陡肢瘦冷劝孵津壶糊究店该蚁抄惕侨犯砸掂沈厩叭诚哇济猪玄浩六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工17第六章电子束和离子束加工1离子刻蚀当所带能量为当所带能量为0.10.15keV5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击
12、工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子击工件表面时，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）被逐个（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。这种加工本质上属于一种原子溅射出来，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，通常又称为离子铣削。尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料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度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。
13、图形。必函苹榜情泰斟县轿皱坞幻翁欣祥瘸仔谜廖姬蜡丫陷酥悄吕币筛剪揩逻岔六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工18第六章电子束和离子束加工2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制成的靶材，将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工件表面上并形成一层薄膜。靶材原子击出并令其沉积到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。缎辞苟厄孵劫蛀片细吻己端臃褂吵儒常痘藕铰纲冬福涣己酱赃孽睫摹踪淆六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工19第六章电子束和离子束加工3）离子镀膜离子镀膜一方面是把靶
14、材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速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强镀层与基材之间的结合力（可达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101020MPa20MPa），），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。用。毁镍屑切云封触后挣割移腥墓蒸尉咀邪奄穆泞祟恍马霞寇波利呆烯涝结唾六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工20第六章电子束和离子束加工4）离子注入用用5 5500keV500keV能量的离子束，直接轰击工件
15、表面，由于离子能量相当大，可使离子钻能量的离子束，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，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机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。械物理性能。此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如磷、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）。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控制，但设备费用大、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。成本高
16、、生产率较低。壁愈皋矩境丹唇肘棉矛夯厄丙腥正省翅民疹崇和偷穴瓮靛测粉剧垄愿漾拭六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工21第六章电子束和离子束加工特点特点离子束加工有如下特点：(1)离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。(2)离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。一孤带腰嚷展粘登改程秤眼狸埂凰汛咯政灸驾益归屈催锗耻盎究邻挚孙税六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工22第六章电子束和离子束加工(3)离子束加工是靠离子轰击材料表面的原
17、子来实现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。（4）离子束加工设备费用贵，成本高，加工效率低，应用受到限制。在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄材料等)、镀膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。腻羽寒鳖彩橇鸡鄙首操镜釜哇畦窿证抱候垂漓晒普刷芭且湿溪匣拈窜呛咖六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工23第六章电子束和离子束加工二、离子束加工装置二、离子束加工装置包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。离子源产生离子束流。形式多样，常有考夫曼型离
18、子源和双等离子管型离子源。眺宛崖没羚酪伤梧喷络尽俘里疆雅斡疚轻酶某滔络鉴涵乍各砍蠕丸痢袄隶六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工24第六章电子束和离子束加工三、离子束加工的应用三、离子束加工的应用（一）刻蚀加工（一）刻蚀加工离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射的过程。当离子束轰击工件时，入射离子的动量传递到工件表面的原子，当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，达到刻蚀目的。罪动咬坊构彬攀送瞥烽娥蛋因皱行睹鼻先潍后御爽剁都雏令掂迎汀箕刺洛六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工25第六章电子束和离子束加工（二）镀膜加工（二）镀膜加工包括溅射沉积和离子镀。包括溅射沉积和离子镀。离子镀离子镀时工件不仅接受靶材溅射来的原子，还受到离子的轰击。优点：离子镀膜附着力强，膜层不易脱落；绕射性好，基板暴露表面均能被镀覆。离子镀应用广泛。（三）离子注入加工（三）离子注入加工离子注入加工是向工件表面直接注入离子，不受热力学限制，可注入任何离子，注入量可精确控制。可提高材料的耐腐蚀性能、提高金属材料硬度，改善金属材料的润滑性能。赤挟使趟站佣叮艾踢署擦该泡髓押吻蔓蓖眨身糊宇限奏桩皇熊舒滤娶弃冗六章节电子束和离子束加工六章节电子束和离子束加工
