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1、第六章 电子束和离子束加工,电子束加工（Electron Beam Machining，EBM）离子束加工（Ion Beam Machining，IBM）精密微细加工，微电子学领域中得到较多的应用电子束加工：打孔、焊接等热加工、光刻化学加工 离子束加工：离子刻蚀、离子镀膜、离子注入,第一节 电子束加工,电子束加工的原理：电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（106109W/2）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（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料局部熔化和气化，被真空系统抽走。,第一节
2、电子束加工,第一节 电子束加工,控制电子束能量密度的大小和能量注入，就可以达到不同的加工目的。电子束热处理：只使材料局部加热就可进行电子束热处理电子束热焊接：使材料局部熔化就可进行电子束热焊接电子束打孔、切割等加工：提高电子束能量密度，使材料熔化和气化就可进行电子束打孔、切割等加工电子束光刻加工：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。,第一节 电子束加工,电子束加工的特点：加工面积很小，是一种精密微细的加工方法。电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1m。非接触式加工。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。脆性、韧性、导体、非导体及半导体材
3、料都可加工。照射部分的温度超过材料的融化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发。加工生产率很高能量密度高，每秒钟可以在2.5厚的钢板上加工50个直径为0.4的孔。,第一节 电子束加工,电子束加工的特点：整个加工过程便于实现自动化 可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制。加工表面不会氧化，特别适用于加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。电子束加工是在真空中进行，污染少。价格较贵，生产应用有一定局限性。电子束加工需要一套专用设备和真空系统。,第一节 电子束加工,3.电子束加工装置：电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。（1）电子枪（2）真空系统（3）控制系
4、统和电源,第一节 电子束加工,4.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。,第一节 电子束加工,（1）高速打孔（2）加工型孔及特殊表面（3）电子束曝光,4.电子束加工的应用,第一节 电子束加工,第一节 电子束加工,第一节 电子束加工,第二节 离子束加工,离子束加工：利用离子束对材料进行成形和改性的加工方法。一 离子束加工原理、分类和特点 二 离子束加工装置 三 离子束加工的应用,第二节 离子束加工,一 离子束加工原理、分类和特点,离子束加工的原理和物理基础 离子束加工的原理：离子束加工的原理是在真空条件下，将离子源产生的离子束 经过加
5、速聚焦，使之撞击到工件表面，靠微观的机械撞击 能量来加工的。与电子束相比：1)相同点：在真空条件中进行 粒子束加工 2)不同点：带正电荷的离子。质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2 万倍。靠微观的机械撞击能量来加工的。离子束比电子束具有更大的撞击动能。,第二节 离子束加工,一 离子束加工原理、分类和特点,离子束加工的原理和物理基础离子束加工的物理基础：离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应、注入效应1)离子的撞击效应和溅射效应：具有一定动能的离子斜射到工件材料(或靶材)表面时，可以将表面的原子撞击出 来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。离子刻蚀(离子铣削)、离子溅射沉
6、积和离子镀 离子刻蚀(离子铣削)：如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀(也称离子 铣削)。离子溅射沉积和离子镀：如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。2)注入效应：如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面-离子的注入效应。,第二节 离子束加工,离子束加工分类 离子束加工按照其所利用的物理效应和达到目的的不同，可以分为四类：离子刻蚀 离子溅射沉积 离子镀 离子注入离子刻蚀，离子溅射沉积和离子镀：利用离子撞击和溅射效应 离子注入：利用注入效应的离子注入。,一 离子束加工原理、分类和特点,第二
7、节 离子束加工,第二节 离子束加工,离子束加工的特点离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是纳米加工技术的基础。污染少，特别适用于对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率低，应用范围受到一定限制。,一 离子束加工原理、分类和特点,第二节 离子束加工,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。,二 离子束加工装置,离子刻蚀加工：用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工；离子镀膜加工：用于给工件表面涂覆的离子镀膜加
8、工；离子注入加工：用于表面改性的离子注入加工。,第二节 离子束加工,三 离子束加工的应用,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。,第二节 离子束加工,三 离子束加工的应用,第二节 离子束加工,第二节 离子束加工,第二节 离子束加工,刻蚀加工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。加工非球面透镜能达到其他方法不能达到的精度。刻蚀高精度的图形，如集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图形。用来致薄材料，用于致薄石英晶体振荡器和压电传感器。,三 离子束加工的应用,第二节 离子束加工,镀膜加工 离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子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，具有许多独特的优点。,三 离子束加工的应用,第二节 离子束加工,第二节 离子束加工,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，含量可达10-40，注入深度可达1um甚至更深。,三 离子束加工的应用,第二节 离子束加工,
