《特种加工技术》课程第9章 离子束加工.pptVIP

 第9章 离子束加工(IBM) 9.1.1 加工原理 离子束加工（Ion beam machining，IBM）是一种精密、细微的非传统加工方法，它的加工原理与电子束加工原理基本类似，离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满惰性气体之电离室中，使低压惰性气体离子化,成为等离子体。由负极引出阳离子又经加速、集束等步骤，获得具有一定速度的离子投射到工件材料表面，产生溅射效应和注入效应，从而实现离子束加工。所不同的是离子带正电荷，其质量比电子大上千倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、嵌入、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。 9.1 离子束加工原理及特点 撞击效应、溅射效应和注入效应。 离子束加工可分为四类(图9.1)： 1. 离子刻蚀 ：当所带能量为0.1～5keV、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。 2. 离子溅射沉积： 采用能量为0.1～5keV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，实际上此法为一种镀膜工艺。 3. 离子镀(又称离子溅射辅助沉积)：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10～20MPa），适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，已获得广泛应用。 4. 离子注入：用5～500keV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械物理性能。 9.1.2 特点 ①加工精度高：因离子束流密度和能量可得到精确控制，离子束加工是目前非传统加工工艺方法中最精密、最微细的加工方法。离子刻蚀可达纳米级或原子级精度，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洁净加工： 在较高真空度下进行加工，工作环境污染少。特别适合加工易氧化的金属、合金和高纯度的半导体材料。 ③工件无变形：离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小，适宜于对各种薄弱材料和低刚度零件进行加工。 ④成本高：需要一整套专用设备和真空系统，设备昂贵、加工成本较高，效率低下。 离子束加工主要应用于刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，太阳能电池表面具有非反射纹理表面、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以及材料表面改性处理)等。 9.2.1 离子束刻蚀/切割 刻蚀又可在分为溅散刻蚀和离子刻蚀两种，离子在电浆产生室中对工件进行撞击蚀刻，为溅散刻蚀。产生电子并与加速离子还原为原子而撞击材料进行刻蚀为离子刻蚀。当刻蚀的深度超过工件厚度时便成了离子束切割。 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。离子束刻蚀应用的另一个方面是刻蚀高精度图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等微电子学元(器)件，太阳能电池表面具有非反射纹理表面，离子束刻蚀还应用于减薄材料，制作穿透式电子显微镜试片。 9.2 离子束加工工艺与装置 聚焦离子束(Focused Ion Beam, FIB)的系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的细微切割装置，目前商用系统的离子束多为液相金属离子源(Liquid Metal Ion Source, LMIS)，金属材质为镓(Gallium, Ga)，因为镓元素具有低熔点、低蒸气压及良好的抗氧化力。如图9.2所示为典型的离子束蚀刻装置包括：离子源、电极、聚焦透镜、可调节的小孔板、真空系统、定向器及支座、离子束监控器、离子束偏转器、物镜和工件试件工作台。 当外加电场于液相金属离子源可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的镓，而导出镓离子束，在一般工作电压下，尖端电流密度约为1埃（10-10） A/cm2，经过透镜聚焦，再输入一系列变化孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA)可决定离子束的大小，再经过二次偏转聚焦至工件试件表面，利用物理碰撞来达到刻蚀、切割之目的。 气体的差异，离子刻蚀主要有两种类型： 第一种类型是仅使用氩气、氙气、氖或氪等惰性气体的离子束蚀刻（Ion beam etching IBE）。IBE属于