电子束与离子束加工课件.ppt
太太空空中中看看到到的的南南北北极极光光极光弧极光带极光片极光幔极光芒电视机成像原理电视机成像原理屏幕屏幕电子束电子束电视机成像原理电视显象管电视显象管 电子束电子束 电视屏幕电视屏幕 图像图像电视显像管用电子束电视显像管用电子束击中涂有发光物质的击中涂有发光物质的电视屏幕电视屏幕,显示出图像显示出图像 磁层将太阳风粒子流磁层将太阳风粒子流 汇聚成束汇聚成束,聚焦到极区聚焦到极区 大气中大气中,激发大气中分激发大气中分 子和原子子和原子,形成极光形成极光 极光显示原理 磁层磁层 太阳风粒子流太阳风粒子流 极区大气极区大气 极光极光l阴极射线管(CRT)组成组成包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏工作原理工作原理电子枪发射电子束电子枪发射电子束经过聚焦系统、加速电极、偏转系统经过聚焦系统、加速电极、偏转系统轰击到荧光屏的不同部位轰击到荧光屏的不同部位被其内表面的荧光物质吸收被其内表面的荧光物质吸收发光产生可见的图形发光产生可见的图形结构结构电子枪电子枪电灯丝的组成电灯丝的组成阴极阴极由灯丝加热发出电子束由灯丝加热发出电子束控制栅控制栅加加上上负负电电压压后后，能能够够控控制制通通过过其其中中小小孔孔的的带带负负电电的的电子束的强弱电子束的强弱通过调节负电压高低来控制电子数量通过调节负电压高低来控制电子数量即控制荧光屏上相应点的亮度即控制荧光屏上相应点的亮度聚焦系统聚焦系统通过电场和磁场控制电子束变细，保证亮点足够小，提通过电场和磁场控制电子束变细，保证亮点足够小，提高分辩率高分辩率 加速电极 加正的高压电（几万伏）加正的高压电（几万伏）使电子束高速运动使电子束高速运动 控控制制静静电电场场或或磁磁场场，使使电电子子束束产产生生偏偏转转，最最大大偏偏转转角角是是衡衡量量系系统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。统性能的最重要的指标，显示器长短与此有关。偏转系统荧光屏荧光屏 荧光物质：吸收电子束而发光荧光物质：吸收电子束而发光l余辉时间：持续发光时间，电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始余辉时间：持续发光时间，电子束离开某点后，该点的亮度值衰减到初始值值l刷新刷新(Refresh)：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值：为了让荧光物质保持一个稳定的亮度值l刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数l像素像素(Pixel)：构成屏幕（图像）的最小元素：构成屏幕（图像）的最小元素l分辨率分辨率(Resolution)：CRT在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像在水平或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数素个数 单位通常为单位通常为dpi（dots per inch)。在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能容纳的像素个数描述数描述 如如640*480，800*600，1024*768，1280*1024等等等等某种某种CRT产生稳定图像所需要的最小刷新频率产生稳定图像所需要的最小刷新频率=1秒秒/荧光物质的持续发光时间荧光物质的持续发光时间（例如）（例如）=1000/40=25Hz彩色彩色CRT渗透型渗透型常用于随机扫描显示器常用于随机扫描显示器射线穿透法射线穿透法多枪型多枪型常用于光栅扫描显示器常用于光栅扫描显示器影孔板法影孔板法彩色阴极射线管彩色阴极射线管射线穿透法（beam penetration）原理：原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色度电子束穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色电子束电子束荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色低速电子束低速电子束较低速电子束较低速电子束较高速电子束较高速电子束高速电子束高速电子束应用：主要用于画线显示器应用：主要用于画线显示器优点：成本低优点：成本低缺点：只能产生有限几种颜色缺点：只能产生有限几种颜色影孔板法原理：原理：影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置置外层玻璃外层玻璃荧光涂层荧光涂层影孔板影孔板荫罩式（点状）影孔板工作原理红、绿、兰三基色红、绿、兰三基色三色荧光点（很小并充分靠近三色荧光点（很小并充分靠近-像素）像素）三支电子枪三支电子枪电子枪、影孔板中的一个电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线小孔和荧光点呈一直线每个小孔与一个像素（即每个小孔与一个像素（即三个荧光点）对应三个荧光点）对应16第第6章章 电子束与离子束加工技术电子束与离子束加工技术6.1 电子束加工1.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7-20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。图6-20 电子束加工原理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。2特点与应用电子束加工的特点如下：(1)电子束能够极其微细地聚焦(可达l0.1 m)，故可进行微细加工。(2)加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。(3)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。(4)电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。电子枪：发射高速电子流，进行初步聚焦，并使电子加速。它由电子发射阴极、控制栅极和加速阳极组成。真空系统：真空泵和抽气装置，因为在真空下电子才能高速运动，发射阴极不会在高温下被氧化，同时也防止被加工表面和金属蒸汽氧化。开式真空系统。控制系统：由聚焦装置、偏转装置和工作台位移装置等组成，控制电子束的束径大小和方向，按照加工要求控制工作台在水平面上的两坐标位移。电源系统：提供稳压电源、各种控制电压及加速电压。二、电子束加工装置三、电子束加工应用三、电子束加工应用热型：利用电子束将材料的局部加热至熔化或气化点进行加工的，比较适合打孔、切割槽缝、焊接及其他深结构的微细加工。非热型：利用电子束的化学效应进行刻蚀、大面积薄层等微细加工。2023/1/123电子束加工的应用范围电子束加工的应用范围电子束打孔电子束打孔 加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性材料时，需用加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性材料时，需用电阻炉或电子束预热。电阻炉或电子束预热。电子束焊接电子束焊接 化学成份纯净，热影响区小，高的机械强度化学成份纯净，热影响区小，高的机械强度，变形小，速度快，变形小，速度快.电子束刻蚀电子束刻蚀 对半导体材料或陶瓷刻蚀微细沟槽和小孔对半导体材料或陶瓷刻蚀微细沟槽和小孔 热处理热处理 细晶细晶光刻光刻 爆光出任意图形爆光出任意图形 电子束加工常应用于加工微细小孔、异型孔(如图7-21所示)及特殊曲面。图7-22所示为电子束加工弯曲的型面。其原理为：电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲，工件同时移动，即可加工曲面；随后改变磁场极性，即可加工曲面；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽；当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即可得到一个入口、两个出口的弯孔。拉制电子束速度和磁场强度，即可控制曲率半径。图7-21 电子束加工的喷丝头异形孔图6-22 电子束加工曲面、穿孔离子束4.刻蚀（形成沟槽）5.沉积（形成电路）6.剥膜（去除光致抗蚀剂）3.显影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或扫描）掩膜电子束图 电子束光刻大规模集成电路加工过程光刻加工1.涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片6.2 离子束加工1加工原理离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，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。离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。2、离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。1)离子刻蚀 离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。2)离子溅射沉积 离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。3)离子镀(又称离子溅射辅助沉积)离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。4)离子注入离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后，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。3特点及应用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。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。离子束加工装置由离子源系统、真空系统、控制系统和电源组成，如下页图所示。离子源又称离子枪，其工作原理是将气态原子注入离子室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击等方法被电离成等离子体，并在电场作用下使离子从离子源出口孔引出而成为离子束。如图所示为双等离子体离子束加工的基本原理图，首先利用阴极与阳极之间的低气压直流电弧放电，将氩、氪、氖等惰性气体在阳极小孔以上的低真空（1.3 Pa）中离子化。二、离子束加工装置图 双等离子体离子束加工的基本原理图 中间电极的电位一般比阳极低些，两者都由软铁制成，和电磁线圈形成很强的轴向磁场，由于中间电极和这个强磁场的作用，使电弧放电局限在其中间，在阳极小孔附近产生高密度强聚焦的等离子体。经过控制电极和引出电极，将正离子引出到阳极小孔以下的高真空区（1.3105Pa），再通过静电透镜所构成的聚焦装置形成高密度离子束，轰击工件表面，工件装夹在工作台上，工作台可作双坐标移动及绕立轴转动。利用氩（Ar）离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。图 离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空离子束加工将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。1.1.离子束溅射去除加工离子束溅射去除加工 四种工作方式惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台图 离子束去除加工装置加工装置见图.三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。三、离子束加工的应用三、离子束加工的应用离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨，大规模集成电路芯片刻蚀等。图 离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01m预加工终加工a)金刚石压头r=0.01m离子束离子束预加工终加工b)金刚石刀具离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。2.2.离子束溅射镀膜加工离子束溅射镀膜加工用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”（图）离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空图 离子束溅射镀膜加工离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。3.3.离子束溅射注入加工离子束溅射注入加工 4.4.离子束曝光离子束曝光用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。在真空条件下，将氩（Ar）、氪（Kr）、氖（Xe）等惰性气体，通过离子源电离形成带有 10 keV数量级动能的惰性气体离子，并形成离子束，在电场中加速，经集束、聚焦后，射到被加工表面上。对加工表面进行轰击，这种方法称之为“溅射”。由于离子本身质量较大，因此比电子束有更大的能量，当冲击工件材料时，如果能量大，会从被加工表面分离出原子和分子，这就是离子束溅射去除加工；离子束溅射离子束溅射如果用被加速了的离子从靶材上打出原子或分子，并将它们附着到工件表面上形成镀膜，则为离子束溅射镀膜加工（如图所示）；用数十万电子伏特的高能离子轰击工件表面，离子将打入工件表层内，其电荷被中和，成为置换原子或晶格间原子，留于工件表层中，从而改变了工件表层的材料成分和性能，这就是离子束溅射注入加工。图 离子束溅射镀膜加工原理 离子束加工与电子束加工不同，离子束加工时，离子质量比电子质量大千倍甚至万倍，但速度较低，因此主要通过力效应进行加工。而电子束加工时，由于电子质量小，速度高，动能几乎全部转化为热能，使工件材料局部熔化、汽化，因此主要是通过热效应进行加工。2023/1/145
