电子束和离子束加工

1第六章电子束和离子束加工电子束加工(ElectronBeamMachining简称EBM)和离子束加工(IonBeamMachining简称IBM)是近年来得到较大发展的新兴特种加工。它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工。离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工。近期发展起来的亚微米加工和毫微米(纳米)加工技术，主要是用电子束加工和离子束加工。第一节电子束加工一、电子束加工的原理和特点(一)电子束加工的原理如图6-1所示，电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106~109W／cm2)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，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。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进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，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。(二)电子束加工的特点1)由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0．1µm。所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。2)电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形，加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。3)电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，例如，每秒钟可以在2。5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。4)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，所以整个加工过程便于实现自动化。特别是在电子束曝光中，从加工位置找准到加工图形的扫描，都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异形孔，实现曲面弧形切割等。5)由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，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。6)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。二、电子束加工装置电子束加工装置的基本结构如图6—2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。(一)电子枪电子枪是获得电子束的装置。它包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等，如图6-2所示。阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的阳极，在飞向阳极的过程中，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。2发射阴极一般用钨或钽制成，在加热状态下发射大量电子。小功率时用钨或钽做成丝状阴极，如图6-3a所示，大功率时用钽做成块状阴极，如图6-3b所示。控制栅极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用加速阳极通常接地，而阴极为很高的负电压，所以能驱使电子加速。(二)真空系统真空系统是为了保证在电子束加工时维持1.33×10-2~1.33×10-4Pa的真空度。因为只有在高真空中，电子才能高速运动。此外，加工时的金属蒸汽会影响电子发射，产生不稳定现象，因此，也需要不断地把加工中生产的金属蒸汽抽出去。真空系统一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮分子泵两级组成，先用机械旋转泵把真空室抽至1.4~0.14Pa，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.014～0.00014Pa的高真空度。(三)控制系统和电源电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制以及工作台位移控制等。束流聚焦控制是为了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，一种是利用高压静电场使电子流聚焦成细束；另一种是利用“电磁透镜”靠磁场聚焦。后者比较安全可靠。所谓电磁透镜，实际上为—电磁线圈，通电后它产生的轴向磁场与电子束中心线相平行，端面的径向磁场则与中心线相垂直。根据左手定则，电子束在前进运动中切割径向磁场时将产生圆周运动，而在圆周运动时在轴向磁场中又将产生径向运动，所以实际上每个电子的合成运动为一半径愈来愈小的空间螺旋线而聚焦交于一点。根据电子光学的原理，为了消除像差和获得更细的焦点，常再进行第二次聚焦。束流位置控制是为了改变电子束的方向，常用电磁偏转来控制电子束焦点的位置，如果使偏转电压或电流按一定程序变化，电子束焦点便按预定的轨迹运动。工作台位移控制是为了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。电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常用稳压设备，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、热处理和光刻加工等。图6-4是电子束应用范围；，下面就其主要加工应用加以说明：(一)高速打孔电子速打孔已在生产中实际应用，目前昀小直径可达3Ø0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔，不仅孔的密度可以连续变化，孔数达数百万个，而且有时还可改变孔径，昀宜用电子束高速打孔，高速打孔可在工件运动中进行，例如在0.1mm厚的不锈钢上加工直径为声Ø0.2mm的孔，速度为每秒3000孔，在人造革、塑料上用电子束打大量微孔，可使其具有如真皮革那样的透气性。现在生产上已出现了专用塑料打孔机，将电子枪发射的片状电子束分成数百条小电子束同时打孔，其速度可达每秒50000孔，孔径120～40μm可调。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片上打深度5mm、直径Ø0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。用电子束加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性材料时，由于在加工部位的附近有很大温差，容易引起变形甚至破裂，所以在加工前或加工时，需用电阻炉或电子束进行预热。(二)加工型孔及特殊表面图6-5为电子束加工的喷丝头异型孔截面的一些实例。出丝口的窄缝宽度为0.03~0.07mm，长度为0.80mm，喷丝板厚度为0.6mm。为了使人造纤维具有光泽、松软有弹性、透气性好，喷丝头的异型孔都是特殊形状的。电子束可以用来切割各种复杂型面，切口宽度为6-3μm，边缘表面粗糙度可控制在Rmax0．5μm左右。离心过滤机、造纸化工过滤设备中钢板上的小孔为锥孔(上小下大)，这样可防止堵塞，并便于反冲清洗。用电子束在1mm厚不锈钢板上打Ø0.13mm的锥孔，每秒可打400孔，在3mm厚的不锈钢板上打Ø1mm锥形孔，每秒可打20孔。燃烧室混气板及某些透平叶片需要大量的不同方向的斜孔，使叶片容易散热，从而提高发动机的输出功率。如某种叶片需要打斜孔30000个，使用电子束加工能廉价地实现，燃气轮机上的叶片、混气板和蜂房消音器等三个重要部件已用电子束打孔代替电火花打孔，电子束不仅可以加工各种直的型孔和型面，而且也可以加工弯孔和曲面。利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转。控制电子速度和磁场强度，即可控制曲率半径，加工出弯曲的孔。如果同时改变电子束和工件的相对位置，就可进行切割和开槽；图6-6a是对长方形工件1施加磁场之后，若一面用电子束3轰击，—面依箭头2方向移动工件，就可获得如实线所示的曲面。经图6-6a所示的加工后，改变磁场极性再进行加工就可获得图6-6b所示的工件。同样原理，可加工出图6-6c所示的弯缝。如果工件不移动，只改变偏转磁场的极性进行加工，则可获得图6-6d所示的入口为—个而出口有两个的弯孔。(三)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来，如在硅片上刻出宽2.5μm，深0.25μm的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻出40μm宽的线条。还可在加工过程中对电阻值进行测量校准，这些都可用计算机自动控制完成。电子束刻蚀还可用于制板，在铜制印刷滚筒上按色调深浅刻出许多大小与深浅不—的沟槽或凹坑，其直径为70～120μm，深度为5~40μm，小坑代表浅色，大坑代表深色，(四)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厂，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。由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深山窄，焊件热影响区小，变形小。4电子束焊接一般不用焊条，焊接过程在真空中进行，因此焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。电子束焊接可以焊接难熔金属如钽、铌、钼等。也可焊接钛、锆、铀等化学性能活泼的金属。对于普通碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝等各种金属也能用电子束焊接它可焊接很薄的工件，也可焊接几百毫米厚的工件。电子束焊接还能完成一般焊接方法难以实现的异种金属焊接。如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接，铬、镍和钼的焊接等。由于电子束焊接对焊件的热影响小、变形小，可以在工件精加工后进行焊接。又由于她能够实现异种金属焊接，所以就有可能将复杂的工件分成几个零件，这些零件可以单独地使用昀合适的材料，采用合适的方法来加工制造，昀后利用电子束焊接成一个完整的零部件，从而可以获得理想的技术性能和显著的经济效益。(五)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，奥氏体化时间很缩，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电子束热处理与激光热处理类同，但电子束的电热转换效率高，可达90％。而激光的转换效率只有7％~10％。电子束热处理在真空中进行，可以防止材料氧化，电子束设备的功率可以做得比激光功率大，所以电子束热处理工艺很有发展前途，如果用电子束加热金属达到表面熔化，可在熔化区加入添加元素，使金属表面形成一层很薄的新的合金层，从而获得更好的物理力学性能。铸铁的熔化处理可以产生非常细的莱氏体结构，其优点是抗滑动磨损。铝、钛、镍的各种合金几乎全可进行添加元素处理，从而得到很好的耐磨性能。(六)光刻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，由入射电子与高分子相碰撞，使分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化，这一步骤称为电子束曝光，如图6-7a所示。如果按规定图形进行电子束曝光，就会在电致抗蚀剂中留下潜像，然后将它浸入适当的溶剂中，则由于分子量不同而溶解度不一样，就会使潜像显影出来，如图6-7b所示。将光刻与离子束刻蚀或蒸镀工艺结合，见图6-7c、d，就能在金属掩模或材料表面上制出图形来，见图6-7e、f。由于可见光的波长大于0.4µm，故曝光的分辨率较难小于1µm，用电子束光刻曝光昀佳可达到0.25µm的线条宽度的图形分辨率。电子束曝光可以用电子束扫描，即将聚焦到小于lµm的电子束斑在大约0.5～5mm的范围内按程序扫描，可曝光出任意图形。另一种“面曝光”的方法是使电子束先通过原版，这种原版是用别的方法制成的比加工目标的图形大几倍的模板。再以l／5～1／10的比例缩小投影到电子抗蚀剂上进行大规模集成电路图形的曝光，它可以在几毫米见方的硅片上安排十万个晶体管或类似的元件。5第二节离子束加工一、离子束加工原理、分类和特点(一)离子束加工的原理和物理基础离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，所以，