章电子束和离子束加工.ppt

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1、 电电子子束束加加工工（简简称称EBMEBM）和和离离子子束束加加工工（简简称称IBMIBM）是是近近年年来来得得到到高高速速发发展展的的新新兴兴特特种种加加工工。这这两两种种加加工工主主要要用用于精细加工领域，尤其是微电子领域。于精细加工领域，尤其是微电子领域。第六章第六章 电子束和离子束加工电子束和离子束加工 利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使 材料熔化、气化的特种加工方法材料熔化、气化的特种加工方法,简称为简称为EBMEBM。电子束加工。电子束加工是由德国的科学家是由德国的科学家K.H.K.H.施泰格瓦尔特于施泰格瓦尔特于1948

2、1948年发明的。年发明的。第一节第一节 电子束加工电子束加工 1、电子束加工的基本原理：、电子束加工的基本原理：在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间内，其能量大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料内，其能量大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。气化，被真空系统抽走。2 2、电子束加工的特点、电子束加工的特点 优点：

3、优点：电子束能聚焦成很小的斑点电子束能聚焦成很小的斑点(直径一般为直径一般为 0.010.010.050.05毫米毫米)，是一种精，是一种精密微细加工；密微细加工；功率密度高功率密度高,能加工任何材料；能加工任何材料；无机械接触作用，无工具损耗问题；无机械接触作用，无工具损耗问题；加工速度快加工速度快,如在如在0.10.1毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达30003000个；个；整个加工过程便于实现自动化；整个加工过程便于实现自动化；加工表面不会氧化。加工表面不会氧化。由于使用高电压，会产生较强由于使用高电压，会产生较强 X射线，必须采取相射线，必须采取相应的

4、安全措施；应的安全措施；需要在真空装置中进行加工；需要在真空装置中进行加工；设备造价高等。设备造价高等。主要缺点主要缺点:二、电子束加工装置二、电子束加工装置 电子枪 真空系统 控制系统和电源 电子枪电子枪电子枪是获得电子的装置。包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。阴极经电流加热发射电子，经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。发射阴极：钨或钽 小功率：丝状 大功率：块状真空系统真空系统真空系统作用真空系统作用：保证在电子束加工时维持1.331021.33104Pa的真 空度，只有在高真空中，电子才能高速运动。不断地把加工中产生的金属蒸汽抽出去 加工时的金属蒸汽会影响电子发

5、射，产生不稳定现象。真空系统的组成：真空系统的组成：机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成。机械旋转泵把真空室抽至1.40.14Pa，油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.0140.00014Pa的高真空度。控制系统和电源控制系统和电源（1）控制系统：控制系统：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。束流聚焦控制束流聚焦控制：提高电子束的能量密度，使电子束聚焦成很小的束斑，它基本上决定着加工点的孔径或缝宽。聚焦方法有两种：一种是利用高高压压静静电电场场使电子流聚焦成细束；另一种是利用“电磁透镜电磁透镜”靠磁场聚焦。后者比较安全可靠。束束流流位位置置控控制制：改变电子束的方向，常用电

6、磁偏转来控制电子束焦点的位置。工作台位移控制工作台位移控制：在加工过程中控制工作台的位置。因为电子束的偏转距离只能在数毫米之内，过大将增加像差和影响线性，因此在大面积加工时需要用伺服电动机控制工作台移动，并与电子束的偏转相配合。（2）电源：）电源：电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常需稳压设备，这是因为电子束聚焦以及阴极的发射强度与电压波动有密切关系。三、电子束加工的应用三、电子束加工的应用电子束加工按其功率密度和能量注入时间的不同，可用于打孔、切割、蚀刻焊接、热处理光刻加工等。1、高速、高速打孔打孔目前电子束打孔的最小直径可0.003mm左右。每秒可打3000孔甚至更多。电子束打孔还

7、能加工小深孔，如在叶片上打深度5mm、直径0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。Dmmstoffindustrie:Schleuderscheibe zur Glaswollherstellung图图2 电子束加工的异形孔电子束加工的异形孔n2、加工型孔及特殊表面、加工型孔及特殊表面n 图图3 电子束加工曲面、穿孔电子束加工曲面、穿孔利用电子束在磁场中偏转的原理，可使电子束在工件内部偏转。n3、刻蚀、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。如在硅片上刻出宽2.5m，深0.25m的细槽。EB-Hardening/EB-Annealli

8、ngEB-Pre-heating/EB-Remelting EB-Pre-heating/EB-Welding/EB-Gladding EB-Positioning/EB-Welding/EB-After-heating4、焊接、焊接 电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。当高能电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。当高能量密度的电子束轰击焊件表面时，使焊件接头处的金属熔量密度的电子束轰击焊件表面时，使焊件接头处的金属熔融，在电子束连续不断地轰击下，形成一个被熔融金属环融，在电子束连续不断地轰击下，形成一个被熔融金属环绕着的毛细管状的熔池，如果焊件按一定速度沿着焊件接绕着的毛细

9、管状的熔池，如果焊件按一定速度沿着焊件接缝与电子束作相对移动，则接缝上的熔池由于电子束的离缝与电子束作相对移动，则接缝上的熔池由于电子束的离开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成一条焊缝。开而重新凝固，使焊件的整个接缝形成一条焊缝。优点：优点：焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形；焊缝深而窄，焊件热影响区小，变形；焊缝化焊缝化学成分纯净，强度高于母材；学成分纯净，强度高于母材；焊接材料范围广；焊接材料范围广；可可实现异种金属焊接；实现异种金属焊接；工件精加工后进行焊接。工件精加工后进行焊接。焊接热影响小、变形小焊接热影响小、变形小n主要缺点：主要缺点：n1.设备比较复杂、费用比较昂贵。设备比较复杂、费

10、用比较昂贵。n2.焊接前对接头加工、装配要求严格。焊接前对接头加工、装配要求严格。n3.被焊工件尺寸和形状受到工作室的限制。被焊工件尺寸和形状受到工作室的限制。n4.电子束易受电磁场的干扰，影响焊接质量。电子束易受电磁场的干扰，影响焊接质量。n5.电子束焊接时会产生电子束焊接时会产生X射线，对操作人员的健射线，对操作人员的健康和安全会造成威胁。康和安全会造成威胁。5、热处理、热处理n 电子束电子束热处理的加热速度和冷却速度都很高，热处理的加热速度和冷却速度都很高，在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一在相变过程中，奥氏体化时间很短，只有几分之一秒乃至千分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而

11、秒乃至千分之一秒，奥氏体晶粒来不及长大，从而能获得一种超细晶粒组织，可使工件获得用常规热能获得一种超细晶粒组织，可使工件获得用常规热处理不能达到的硬度，硬化深度可达处理不能达到的硬度，硬化深度可达0.30.30.8mm0.8mm。6.电子束光刻电子束光刻 电子束光刻是先利用低功率密度的电子束电子束光刻是先利用低功率密度的电子束照射称为电致抗蚀剂的高分子材料，由入射电照射称为电致抗蚀剂的高分子材料，由入射电子与高分子相碰撞，使分子的链接被切断或重子与高分子相碰撞，使分子的链接被切断或重新聚合而引起的分子量的变化，这一步骤称为新聚合而引起的分子量的变化，这一步骤称为电子曝光电子曝光。6.6.电子束

12、光刻电子束光刻第二节第二节 离子束加工离子束加工一、离子束加工原理、分类和特点一、离子束加工原理、分类和特点1.离子束加工的原理离子束加工的原理n在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚在真空条件下，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。所不同焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工。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比电子束具有更大的撞击动能。离子束加工是

13、靠微观机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能加工的。机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能加工的。2.2.离子束加工分类离子束加工分类1 1、离子刻蚀：、离子刻蚀：0.5-5KeV 0.5-5KeV 氩离子氩离子 倾斜倾斜 原子剥离，（纳原子剥离，（纳米加工）米加工）2 2、离子溅射沉积：、离子溅射沉积：0.5-5KeV 0.5-5KeV 氩离子氩离子 倾斜轰击出靶材倾斜轰击出靶材原子，垂直沉积在工件上。原子，垂直沉积在工件上。3 3、离子镀：、离子镀：0.5-5KeV 0.5-5KeV 氩离子氩离子 同时轰击靶材和工件表同时轰击靶材和工件表面。目的：面。目的：4 4、离子注入：、离子注入：5-5

14、00KeV5-500KeV离子束离子束 垂直轰击工件，离子注垂直轰击工件，离子注入表层，改变表层性质。入表层，改变表层性质。离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生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。的撞击效应、溅射效应和注入效应。3.3.离子束加工的特点离子束加工的特点n1.加工的精度非常高。加工的精度非常高。n2.污染少。污染少。n3.加工应力、热变形等极小、加工质量高。加工应力、热变形等极小、加工质量高。n4.离子束加工设备费用高、成本贵、加工效离子束加工设备费用高、成本贵、加工效率低。率低。二、二、离子束加工装置离子束加工装置 离子束

15、加工装置：离子源、真空系统、控制系统和电源等部分组成。与电子束加工装置类似，主要的不同部分是离子源系统。离子源离子源：（1）离子源的作用：产生离子束流。（2）离子束流产生的基本原理：使原子电离。（3）离子束流产生的方法：把要电离的气态原子(如氩等惰性气体或金属蒸气)注入电离室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击，使气态原子电离为等离子体(即正离子数和负电子数相等的混合体)。用一个相对于等离子体为负电位的电极(吸极)，就可从等离子体中引出正离子束流。二、离子束加工装置 （4）离子源的型式 根据离子束产生的方式和用途的不同，离子源有很多型式，常用的有：考夫曼型离子源 双等离子管型离子源

16、考夫曼型离子源：图6-9为考夫曼型离子源示意图，它由灼热的灯丝2发射电子，在阳极9的作用下向下方移动，同时受线圈4磁场的偏转作用，作螺旋运动前进。惰性气体氩在注入口3注入电离室10，在电子的撞击下被电离成等离子体，阳极9和引出电极(吸极)8上各有300个直径为0.3mm的小孔，上下位置对齐。在引出电极8的作用下，将离子吸出，形成300条准直的离子束，再向下则均匀分布在直径为5的圆面积上。双等离子体型离子源 如图6-10所示的双等离子体型离子源是利用阴极和阳极之间低气压直流电弧放电，将氪或氙等惰性气体在阳极小孔上方的低真空中(0.10.01Pa)等离子体化。中间电极的电位一般比阳极电位低，它和阳

17、极都用软铁制成，因此在这两个电极之间形成很强的轴向磁场，使电弧放电局限在这中间，在阳极小孔附近产生强聚焦高密度的等离子体。引出电极将正离子导向阳极小孔以下的高真空区(1.3310-51.3310-6Pa)，再通过静电透镜形成密度很高的离子束去轰击工件表面。三、三、离离子束加工的应用子束加工的应用 1.离子刻蚀加工离子刻蚀加工 离子镀膜加工离子镀膜加工 离子注入加工离子注入加工 刻蚀加工刻蚀加工 离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面的原子，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，达到刻蚀的目的。加工参数控制加工参数控

18、制 离离子子入入射射能能量量、束束流流大大小小、离离子子入入射射到到工工件件上上的的角角度度、工工作作室室气气压压等等都都能能分分别别调调节节控控制制，根根据据不不同同加加工工需需要要选选择择参参数数。用用氩氩离离子子轰轰击击被被加加工工表面时，其效率取决于离子能量、入射角度。表面时，其效率取决于离子能量、入射角度。离子束刻蚀应用离子束刻蚀应用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。动压马达上的沟槽 镀膜加工镀膜加工 离子镀膜加工有离子镀膜加工有溅射沉积溅射沉积和和离子镀离子镀两种。离子两种。离子镀时工件不仅接受靶材溅射来的原子，还同时镀时工件不仅接受靶材溅射来的原子，还同时受到离子的轰击，这使离子镀具有许多独特的受到离子的轰击，这使离子镀具有许多独特的优点。优点。离子注入加工离子注入加工 离子注入是向工件表面直接注入离子，它不受离子注入是向工件表面直接注入离子，它不受热力学限制，可以注入任何离子，且注入量可热力学限制，可以注入任何离子，且注入量可以精确控制，注入的离子是固溶在工件材料中，以精确控制，注入的离子是固溶在工件材料中，含量可达含量可达10-40，注入深度可达，注入深度可达1um甚至甚至更深。更深。