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1、第7章 电子束和离子束加工,电子束加工（Electron Beam Machining,简称EBM）和离子束加工（Ion Beam Machining，简称IBM）是近几年得到较大发展的新兴特种加工方法。应用于精密微细加工，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。,7.1电子束加工,电子束加工（electron beam machining，EBM）是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106109w/cm2的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。,
2、1-发射阴极 2-控制栅极 3-加速阳极 4-聚焦系统 5-电子束斑点 6-工件 7-工作台,7.1.1电子束加工的原理及特点,1）高功率密度 属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生宏观应力变形，同时也不存在工具损耗问题。 2）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，电子束通过磁场和电场可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。 3）环境污染少 适合加工纯度要求很高的半导体材料及易氧化的金属材料。,7.1.3.电子束加工的应用,1）电子束打孔 不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达0.003mm，最大深径比可达10。 像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔
3、，此类孔数量巨大（高达数百万），且孔径微小，密度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔， 塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。 一些合成纤维为增加透气性和弹性，其喷丝头型孔往往制成异形孔截面，可利用脉冲电子束对图形扫描制出。 还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向加工出弯曲的孔，,利用电子束的可控偏转特性加工曲面和斜孔,电子束加工曲面、弯孔,2）电子束切割 可对各种材料进行切割，切口宽度仅有36m。 利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面,3）光刻 当使用低能量密度的电子束照射高分子材料时，将使材料分子链被切断或重新组合，引起分子量的变化即产生潜象，再将
4、其浸入溶剂中将潜象显影出来。 把这种方法与其它处理工艺结合使用，可实现在金属掩膜或材料表面上刻槽。,电子束光刻系统,电子束制版机,电子束曝光系统,4）其它应用 用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材料进行电子刻蚀加工；异种金属焊接；电子束热处理等。,离子束加工的原理和电子束加工的原理类似，也是在真空条件下，将离子源产生的 离子束经过加速聚焦，使之打到工件表面。不同的是离子束带正电荷，其质量比电子大数千倍、数万倍。,7.2.1.离子束加工原理及特点,离子束加工（ion beam machining，IBM）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
5、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。,2.离子束加工特点,1）加工精度高。因离子束流密度和能量可得到精确控制。 2）在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。 3）加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。,3.离子束加工的应用范围,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0.15keV、直径为
6、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0.15keV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1020MPa）， 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5500keV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。,