特种加工技术---第六章：电子束和离子束加工.pptVIP

第六章 电子束和离子束加工 电子束加工-----Electron Beam Machining 离子束加工-----Ion Beam Machining 电子束加工主要用于打孔、焊接、切割、刻蚀、热处理和光刻 加工等方面。 离子束加工主要用于离子刻蚀、离子镀膜加工以及离子注入 加工等方面。 第一节 电子束加工 一 电子束加工的原理及特点 1 电子束加工原理 电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高 （106-108w/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件 表面极小的面积上，在极短的时间内（几分之一微秒） ，其大部分能量（动能）转化为热能，使被冲击部分工 件材料达到几千摄氏度的高温，从而引起材料的局部熔 化和气化，被真空系统抽走。 二 电子束加工的特点 1 电子束能够实现极细微的聚焦，所以加工面积很小，是一种 微细加工的方法。 2 电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料熔化和 气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式的加 工方式，没有宏观切削力和变形，材料加工范围广泛，对脆 性、韧性、导体、非导体和半导体都能加工。 3 电子束的能量密度高，因而加工生产率高。 4 可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行 直接控制，整个加工过程易于实现自动化。 由于电子束加工是在真空环境下进行，因而污染少，加工 表面不会氧化，特别适于加工易氧化的金属及合金，以及纯度 要求极高的半导体材料。 6 电子束加工需要一套专用的设备和真空系统，价格较贵，生 产应用有一定的局限性。 三 电子束加工装置 一般说来，一套典型的电子束加工装置主要包括以下几个 主要组成部分 电子枪 真空系统 控制系统 电源 1 电子枪 作用：发射电子束 组成：发射阴极，控制栅极、加速阳极 2 真空系统 真空系统的主要作用是保证电子束加工时维持1.33×10-2- 1.33×10-4Pa的真空度，因为只有在真空中，电子才能高 速运动。此外，加工时产生的金属蒸汽会影响电子的发射 和运动，因此也需要不断地把加工中产生的金属蒸汽不断 抽走。 3 控制系统和电源 电子束加工设备控制系统主要包括：束流聚焦控制、束流位置 控制和束流强度控制。 束流的位置控制是为了改变电子束的方向，常用电磁偏转来控制 电子束焦点的位置。 电子束加工设备对电源电压的稳压性要求较高，因为电压波动 会影响电子束聚焦的稳定性。 四 电子束加工的应用 1 电子束打孔 1）高速打孔。目前电子束可以加工出最小直径3微米的微孔。 例如在0.1mm厚的不锈钢板上加工直径0.2mm的孔，加工速度 为3000个/秒。 2）在人造皮革、塑料上打大量微孔。 3）加工玻璃、宝石、陶瓷等脆硬材料。但加工前脆硬材料需 要用电阻炉或电子束进行预加热。 2 加工型孔及特殊表面 电子束加工的喷丝头异型孔截面 补充图形 3 电子束光刻 此外，电子束还可以进行焊接、切割和热处理等。 第二节 离子束加工 一 离子束加工的基本原理 离子束加工和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子 源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是 离子带正电，其质量比电子大数千、数万倍，所以一旦离子加速 到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微 观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。 二 离子束加工的分类 根据离子束加工所利用的物理效应和应用目的，将其分为 1 离子刻蚀加工 2 离子溅射沉积加工 3 离子镀 4 离子注入加工 1 离子刻蚀加工 Ar 工件 离子束 离子刻蚀是利用能量为0.5-5000ev的氩离子倾斜轰击工件表面， 将工件表面的原子逐个剥离，其实质是一种原子尺度的加工，所 以又称为离子铣削。 2 离子溅射沉积 Ar 靶材 离子束 工件 离子溅射沉积也是采用能量为0.5-5000ev的氩离子倾斜轰击靶材 表面，氩离子将靶材表面的原子击出，垂直沉积在靶材附近的工 件上，使工件表面镀上一层靶材薄膜，所以离子溅射沉积是一种 典型的镀膜工艺。 3 离子镀 Ar 靶材 离子束 工件 离子镀也是采用能量为0.5-5000ev的氩离子，跟离子溅射沉积不同 的是，在镀膜时离子束同时轰击靶材和工件表面，其目的是为了增 强膜材和工件基材之间的结合力。 4 离子注入加工 Ar 工件 离子束 离子注入加工采用能量为5-500Kev的较高能量的离子束，直接 垂直轰击工件材料表面，由于离子的能量相当大，离子就钻进 被加工工件材料表面层。工件材料表面含有注入的离子成分后， 就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理和化学 性能。可根据不同目的选用不同的离子注入（可注入任何离子）。 离子注入改善金属表面性能的应用正在形成一个新兴的领域，利 用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，可以制得新