第八章 电子束和离子束加工

2020/5/161第八章电子束和离子束加工•教学提示：本章介绍了电子束加工和离子束加工的基本原理、加工设备组成、特点以及应用。•教学要求：本章要求学生理解电子束加工和离子束加工的基本原理，掌握电子束加工和离子束加工的特点和应用场合，以及对材料结构性和工艺性的影响。2020/5/162电子束加工和离子束加工是近年来得到较大发展的新兴特种加工，它们在精密加工方面，尤其是在微电子学领域得到较多的应用。1949年德国首次在0.5mm的不锈钢板上加工出直径为0.2mm的小孔，1957年法国原子能委员会萨克来核子研究中心研制成功世界上第一台用于生产的电子束加工的研究，研制出各种电子束加工设备。20世纪60年代初期已经成功地将电子束打孔、铣切、焊接、镀膜、熔炼等工艺技术应用到各工业部门中，促进了先进制造技术的发展。目前已在仪器仪表、微电子工业、航空航天部门和化纤等工业中得到应用。电子束打孔、切槽、焊接、电子束曝光、电子束热处理等方面陆续进入生产。离子束加工是将情性气体电离，并使正离子加速、集束和聚焦到处于一定真空条件下的工件加工部位上，依靠机械冲击作用去除材料的高能束加工，随着核物理和空间科学技术的发展，离子束加工应运而生，并已成为—项大有前途的微细加工技术。其应用范围正在不断拓宽、不断创新。2020/5/1638.1电子束加工•8.1.1电子束加工的基本原理、加工过程和特点•8.1.1.1电子束加工的原理•如图8.1所示，电子的产生是通过加热发射材料，在发射效应下，电子飞离材料表面，热发射电子在强电场作用下，经过加速和聚焦，沿电场强度相反方向运动，形成高束电子束流。例如，加速电压为150V时，电子速度可达160000km/s（约为光速的一半）。电子束流通过一极或多极汇聚形成高能束流。当高能束流冲击工件表面极小面积时，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），而获得极高的功率密度，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，使材料局部快速气化、蒸发而实现加工目的，这种利用电子束热效应的加工，称之为电子束热加工。2020/5/164•电子束加工的另一种是利用电子束流的非热效应即化学效应。功率密度小的电子束流和电子胶（又称电子抗蚀剂）相互作用，电能转化为化学能，产生辐射化学或物理效应，使电子胶的分子被切断或重新组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。这种方法与其他后续工艺方法结合，可以在材料表面进行刻蚀细微槽及其它几何形状。2020/5/1658.1.1.2电子束的热效应过程电子束加工是利用电子束的高能量密度进行打孔、切槽、光刻等工作。电子是一个非常小的粒子(半径为2.8×10-12mm)，质量很小(9×10-29kg)，但其能量很高，可达几千电子伏。电子束可以聚焦到直径为1～2，因此有很高的能量密度，可109W/cm2。高速高能量密度的电子束冲击到工件上时，在几分之一微秒的瞬时，入射电子与原子相互作用(碰撞)，在发生能量变换的同时，有些电子向材料内部深入，有些电子发生弹性碰撞被反射出去，成为反射电子。在电子与原子的碰撞中，使原子振动产生发热现象，虽然还产生二次电子、荧光、x射线等，占用了一部分能量，但可以认为几乎所有的能量都变成了热能。由于电子束的能量密度高、作用时间短，所产生的热量来不及传导扩散就将工件被冲击部分局部熔化、气化、蒸发成为雾状粒子而飞散，这是电子束的热效应，电子束加工就是靠电子束的热效应现象。高能电子束具有很强的穿透能力，穿透深度为几微米甚至几十微米，如工作电压为如50kV时，加工铝的穿透深度为10，而且以热的形式传输到相当大的区域。2020/5/166图8.1电子束加工原理例如：设＝150kV，＝10mA，＝0.01cm，则电子束照射在工件表面的功率密度约为5×106W/cm2，足以使任何材料的热效应气化和蒸发，如钨的熔化温度达3410，气化的所需功率密度为1.0×105W/cm2，可见电子束的能量是非常高的。2020/5/167利用电子束的热效应可进行打孔、切槽、焊接、淬火等工作。要说明电子束的这些加工方法，就必须分析在照射时材料表面的温度分布(如图8.2所示)。设工件为半无限大物体，热学常数为定值，在电子束连续照射无限长时，其中心部分达到热平衡温度，称饱和温度，其关系式为(8-2)式中——饱和温度（）；——电子束输入热流量（W）；——材料导热率（）；——电子束斑半径（m）。式(8-2)中，的温度单位是表示温度差和温度间隔，故1K=1。从温度分布图8.2中可以看出，经过时间后，工件被照中心部分的温度将上升到饱和温度的84％，而在离中心两倍束斑半径的地方，温度上升甚少，只有饱和温度的8％，这样就可以做到只使电子束照射区(2r)蒸发，而其他地方保持较低的温度。时间称之为基准时间，其关系式为(8-3)式中——电子束照射基准时间（s）；——材料密度（kg/m3）；——材料比热容（），该单位可以转换为。r/00rCOKmW//2crtcctctctcKkgJ/)/(KkgsW2020/5/168电子束加工所需的功率密度和基准时间与工件材料有关，如设电子束斑半径为0.01cm，则加工铜时要求功率密度为1.4×106，照射基准时间为0.3ms；加工玻璃时要求功率密度为3.6×106，照射基准时间为0.55ms。图8.2电子束照射下材料表面的温度分布a)工件模型b）温度分布—饱和温度—基准时间图8.3利用电子束热效应的加工a)低功率密度照射b)中等功率密度照射c)高功率密度照射2/cmW2/cmWct2020/5/169图8.3表示了利用电子束热效应进行的各种加工。在低功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度在熔化温度附近，这时蒸发缓慢且熔化坑较大，可作电子束熔凝处理，提高表层的硬度和强度，是一种表面改性技术。用中等功率密度照射时，出现熔化、气化和蒸发，如果材料是透明的，可以看到一些气泡状的东西，这些气泡在照射完后会保持原状固化，中等功率密度照射可用于电子束焊接。用高功率密度照射时，电子束中心部分的饱和温度远远超过蒸发温度，由于气泡内的压力大于熔化层表面张力，使材料从电子束的入口处排除出去，并有效地向深度方向加工，这就是电子束打孔的情况，对于一般金属材料，功率密度需要106～109。高功率密度电子束除打孔、切槽外，在集成电路薄膜元件制作中，利用蒸发可获得高纯度的沉积薄膜。2020/5/16108.1.1.3电子束加工的特点（1）束斑极小由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至聚焦到，所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。微型机械中的光刻技术（电子束曝光）可达到亚微米级宽度。（2）能量密度很高在极微小束斑上能达到107～109W/cm2，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以加工。2020/5/1611（3）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。例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上加工出50个直径为0.4mm的孔。厚度达200mm的钢板，电子束可以4mm/s的速度一次焊透，这是目前其它加工方法难以达到的。•（4）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，所以整个加工过程便于实现自动化。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。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，到可以实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电器控制加工异形控，实现曲面弧形切割等。•（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）电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格较贵，生产应用有一定局限性。2020/5/16128.1.2电子束加工设备图8.4电子束加工装置结构示意图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2020/5/1613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。阴极经过加工电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向高电位的阳极，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。发射阳极一般用钨或钽制成，在加热状态下发射大量电子。小功率时做成丝状阴极，如图8.5（a）所示，大功率时做成块状阴极，如图8.5(b)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，所以能驱使电子的加速。真空系统是为了保证在电子束加工时维持的1.33×10-2～1.33×10-4真空度，以避免电子与气体分子之间的碰撞，确保电子的高速运动。此外加工时金属蒸气会影响电子发射，产生不稳定现象，因此需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽出去。真空系统一般由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。真空系统还包括真空测量系统。2020/5/1614电子束加工装置的控制系统包括束流通断时间控制、束流强度的控制、束流聚焦控制、束流位置控制、束流电流强度控制、束流偏转控制、电磁透镜控制，以及工作台位置控制等。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。图8.5电子枪1－发射电子的阴极；2－控制栅极；3－加速阳极；4－工件2020/5/16158.1.3电子束加工应用•电子束可以用于打孔、焊接、热处理、刻蚀等多方面。8.1.3.1电子束打孔•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。在厚度0.3mm的材料上加工出0.1mm的孔，其孔径公差为9。打孔的速度主要取决于板厚和孔径，孔的形状复杂时还取决于电子束扫描速度（或偏转速度）以及工件的移动速度。通常每秒可加工几十至几万个孔。例如，板厚0.1mm、孔径0.1mm时，打孔效率为15孔。随着电子束精微加工机性能的提高，打孔速度还会提高。•将工件置于磁场中，适当控制磁场的变化使束流偏移，即可用电子束加工出斜孔。斜孔的倾角在350～900之间，甚至可以加工出螺旋孔。2020/5/1616•电子束打孔在航空航天工业、电子工业、化纤工业及制革工业中得到应用，现举例如下：•（1）喷气发动机燃烧室罩孔。某喷气发动机燃烧室罩，其材料为CrNiCoMoW，厚度为1.1mm。共有3478个直径为0.81mm的圆孔分布在外侧球面上，孔径公差±0.03mm，所有孔中心轴与零件底面垂直。用K12-Q11P型电子束打孔机加工，零件置于真空室中，安装在夹具上作连续转动。加工时以200ms的单脉冲方式工作，脉冲频率1Hz。•（2）化纤喷丝头孔。零件材料为钴基耐热合金，厚度4.3～6.3mm。共有11766个直径为0.81mm的圆孔通孔，孔径公差±0.03mm。零件置于真空室中，安装在夹具上作连续转动。加工时以16ms的单脉冲方式工作，脉冲频率5Hz。打孔过程中电子束随工件同步偏转，每打一个孔，电子束跳回原位。加工一件只需要40min，而用电火花加工则需要30h，用激光加工也要3h才能完成，而且公差要优于激光加工，且无喇叭孔。2020/5/1617图8.6电子束加工的喷丝头异形孔图8.6为电子束加工的喷丝头异形孔截面的一些实例。出丝口的窄缝宽度为0.03～0.07mm，长度0.80mm，喷丝板厚度0.60mm。为了使人造纤维具有光泽、松软有弹性、透气性好，喷丝头的异形孔都是特殊形状。电子束切割复杂