精密与特种加工技术 第八章 电子束加工和离子束加工

1第8章电子束加工和离子束加工28.1电子束加工8.1.1电子束加工的基本原理如下图所示，在真空条件下，电子枪射出高速运动的电子束，电子束通过一极或多极汇聚形成高能束流，经电磁透镜聚焦后轰击工件表面，由于高能束流冲击工件表面时，电子的动能瞬间大部分转变为热能。由于光斑直径极小(其直径在微米级或更小)，在轰击处形成局部高温，可使被冲击部分的材料在几分之一微秒内，温度升高到几千摄氏度以上，使材料局部快速汽化、蒸发而实现加工目的。所以电子束加工是通过热效应进行的。电磁透镜实质上只是一个通直流电流的多匝线圈，其作用与光学玻璃透镜相似，当线圈通过电流后形成磁场。利用磁场，可迫使电子束按照加工的需要作相应的偏转。3电子束加工原理示意图1—高速加压；2—电子枪；3—电子束；4—电磁透镜；5—偏转器；6—反射镜；7—加工室；8—工件；9—工作台及驱动系统；10—窗口；11—观察系统48.1.2电子束加工的特点电子束加工有如下特点：(1)束斑极小。由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至聚焦到0.1，加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。微型机械中的光刻技术，可达到亚微米级宽度。(2)能量密度很高。能达到107~109W/cm2，使照射部分的温度超过材料的熔化和汽化温度。去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。适合于加工精微深孔和狭缝等，速度快，效率高。(3)可控性好。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，可加工出斜孔、弯孔及特殊表面，便于实现自动化生产。位置控制精度能准确到0.1左右，强度和斑束尺寸可达到1%的控制精度。5(4)生产率很高。电子束的能量密度高，而且能量利用率可达90%以上，所以加工生产率很高。(5)无污染。由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，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。(6)电子束加工有一定的局限性，一般只用来加工小孔、小缝及微小的特形表面，且需要一套专用设备和数万伏的高压真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。68.1.3电子束加工设备电子束加工设备的基本结构如下图所示，它主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。电子束加工设备基本结构示意图1—移动工作台；2—带窗真空室门窗；3—观察筒；4—抽气；5—电子枪；6—加速电压控制；7—束流强度控制板；8—束流聚焦控制；9—束流位置控制；10—更换工件用截止阀；11—电子束；12—工件；13—驱动电动机；14—抽气78.1.4电子束加工应用1.打孔电子束打孔已在生产中实际应用。目前，电子束打孔的最小直径已达1。孔径在0.5~0.9mm时，其最大孔深已超过10mm，即孔深径比大于15∶1。打孔的速度主要取决于板厚和孔径，通常每秒可加工几十至几万个孔，而且有时还可以改变孔径。82.焊接电子束焊接是电子束加工技术中发展最快、应用最广的一种，已经成为工业生产中不可缺少的焊接方法。电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺，焊接过程不需要填充物(焊条)，焊接过程又是在真空中完成。因此焊缝中的化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。93.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处理不能达到的硬度，硬化深度可达0.3~0.8mm。焊接时，可以在金属熔化区加入适当的元素，使焊接区形成合金层，从而得到比原来金属更好的物理力学性能。104.刻蚀集成电子器件、集成光学器件、表面声波器以及微机械元器件的图形制作技术中，为制造多层固体组件，可用电子束刻出许多微细沟槽和孔。例如通过计算机自动控制，可以完成在硅片上加工2.5，深0.25的槽；在铜制滚筒上可以刻出直径为70~120，深度为5~40μm的凹坑。118.2离子束加工8.2.1离子束加工的基本原理离子束加工的原理与电子束加工类似，也是在真空条件下，将氩、氪、氙等隋性气体，通过离子源产生离子束并经过加速、集束、聚焦后，以其动能轰击工件表面的加工部位，实现去除材料的加工。该方法所用的是氩(Ar)离子或其他带有10keV数量级动能的惰性气体离子。128.2.2离子束加工的特点(1)易于精确控制，加工精度高。离子束可通过离子光学系统进行聚焦扫描，使微离子束的聚焦光斑直径在1以内进行加工，并能精确控制离子束流密度、深度、含量等，以获得精密的加工效果，可以对材料实行“原子级加工”或“微毫米加工”。(2)加工应力小、变形小。离子束加工是依靠离子撞击工件表面的原子而实现的，是一种微观作用，其宏观作用力极小，加工应力、变形也极小，故对脆件、极薄、半导体、高分子等各种材料、低刚度工件进行微细加工，加工的适应性好。13(3)加工所产生的污染少。因为离子束加工是在较高真空中进行的，所以污染少，特别适合易氧化的金属、合金材料及半导体材料的精密加工。但是，要增加抽真空装置，不仅投资费用较大，而且维护也麻烦。(4)离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，它是一种微观作用，宏观应力很小，所以加工应力、变形等极小，加工质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。148.2.3离子束加工装置离子束加工装置可分为离子源系统、真空系统、控制系统和电源系统。其中离子源系统与电子束加工装置不同，其余系统均类似。158.2.4离子束加工的应用1.离子刻蚀离子刻蚀是从工件上去除材的溅射过程。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镀合力时，原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。该种方法是一种微细加工，可完成多种加工。如加工致薄材料镍箔(厚度仅有10)，可加工出直径为20的孔；在厚度为0.04~0.3的钽、铜、金、铝、铬、银等薄膜上加工直径为30~10d的孔。162.离子镀覆离子镀覆时工件不仅接受靶材溅射来的原子，同时还受到离子的轰击，这使离子镀覆有许多独特的优点：镀覆面积大(所有被暴露在外的表面均能被镀覆)、镀膜附着力强、膜层不易脱落、提高或改变材料的使用性能。可在金属或非金属、各种合金、化合物、某些合成材料、半导体材料、高熔点材料均可镀覆，使用广泛，如工具上覆盖高硬度的碳化钛、可以大大提高其使用寿命。钢的表面热处理，进行离子氮化，以强化表面层，可以大大提高耐磨性。173.离子注入离子注入是将所需要的元素进行电离，并进行加速，把离子直接注入工件表面，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l甚至更深。离子注入是半导体参杂的一种新工艺，在国内外都很普遍。已广泛应用于微波低噪声晶体管、雪崩管、场效应管、太阳能电池、集成电路等制造中。