第六章 电子束和离子束加工

6.1 电子束加工 一. 电子束加工原理和特点 （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。

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子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；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。

(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。 （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。

二. 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。

（一）电子枪 电子枪是获得电子束的装置。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。

（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0.014—0.00014Pa的高真空度。 （三）．控制系统和电源 电子束加工装置的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。

三.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50 000孔，孔径120—40微米可调。

（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0.80 mm，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。

（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。

（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。 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。它可焊接很薄工件，也可焊接几百毫米厚的工件。 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。如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接，

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，经电子曝光后，在高分子材料中留下潜像。 （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 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，经电子曝光后，在高分子材料中留下潜像。

6.2 离子束加工（ion beam machining，IBM） 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。

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。

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。 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图形。

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）离子镀膜 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）， 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。

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。 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。

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。

(3) 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。

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，常有考夫曼型离子源和双等离子管型离子源。

三、离子束加工的应用 （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。

（三）离子注入加工 （二）镀膜加工 包括溅射沉积和离子镀。 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 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。