5.1 离子束加工
4.离子束加工的分类和应用
可以实现精密、微细及光整加工，尤其是亚微米
至纳米级精度的加工，可将材料的原子一层层地铣
削下来，使工件加工的精度、表面粗糙度的控制近
乎极限。可以较好地实现材料的表面改性处理，使
用离子束还可以向工件表面进行离子溅射沉积和离 子镀膜加工。 一台设备离子束加工，既可用于加工，又可用于 蚀刻、熔化、热处理、焊接等。
预加工
终加工
预加工
终加工
a) 金刚石压头
b) 金刚石刀具
图 离子束加工金刚石制品
◎离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。
5.1 离子束加工
离子蚀刻加工
• 当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子 轰击工件表面时，此入射离子的动量传递到工件表面的原子， 传递能量超过了工件表面原子（或分子）间的镀合力时，材 料表面的原子（或分子）就从工件表面撞击逐个溅射出来， 以达到刻蚀加工目的。 • 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。
使其加速射向工件或者靶
材。
等离子体：多种离子的集合
体。
5.1 离子束加工
•
•
3.离子束加工的特点
⑴是一种精密微细的加工方法。可控性好，是所 有现代加工方法中最精密、最微细的加工方法。 • ⑵在高真空中进行，污染少，尤其适宜对易氧化 的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。材 料加工表面不氧化. • ⑶非接触式加工，不会产生应力和变形,宏观压力 小，加工中产生应力、变形也小，不但加工工件表 面质量高，而且对材料适应性强。 • (4)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统， 设备成本高，加工效率低，应用范围受限。
5.1 离子束加工
在离子源中，惰性气体氩（压 强为1～10帕）被电离而形成 等离子体，引出加速系统是一 组具有不同电位的多孔栅极， 用来抑制电子并引出离子束。 在引出加速系统和靶面之间有 一个热灯丝中和器，它发射电 子使离子束中和，从而避免正 离子轰击绝缘体表面产生电荷 积累，减小正离子空间电荷的 发散作用，使离子束的均匀性 得到改善。
5.2 离子束加工
5.2 离子束加 工加工
5.1 离子束加工
• 1.离子束加工的基本原理 • 在真空条件下，将惰性气体由离子经过 电场加速, 获得具有一定速度的离子束在 经过聚束和聚焦投射到材料表面 , 以其动 能轰击工件表面，产生撞击效应、溅射 和注入效应 , 这就是离子束加工的物理基 础.
5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1 离子束加工
5.1 离子束加工
4.2离子束工加工的应用：
离子束溅射去除加工
◎将被加速的离子聚焦 成细束，射到被加工表 面上。被加工表面受 “轰击”后，打出原子 或分子，实现分子级去 除加工。 ◎加工装置见右图。三 坐标工作台可实现三坐 标直线运动，摆动装置 可实现绕水平轴的摆动 和绕垂直轴的转动。
阴极
阳极 惰性气体入口
5.1 离子束加工
• 4.1离子束加工的分类 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。
离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。 蚀刻又可在分为溅散蚀刻和离子蚀刻两种。 离子在电浆产生室中即对工件进行撞击蚀刻，为 溅散蚀刻。
产生电子使以加速之离子还原为原子而撞击材料
进行蚀刻为离子蚀刻。
5.1 离子束加工
2. 加工设备
离子束加工设备主要有： 离子源（离子枪）、真空系 统、控制系统和电源系统。
离子源的工作原理：气体被 注入到电离室、然后使其放 电，电子与气体原子发生碰 撞使其电离，从而得到等离 子体。
5.1 离子束加工
采用一个相对等离子体为
负电位的电极，将正离子
由等离子体中引出，而后
一次溅射原子 二次溅射原子 Ar离子
被排斥Ar离子 回弹溅射原子 真空 Ar离子
工件表面 工件 位移原子
格点间停留离子
格点置换离子
位移原子
离子碰撞过程模型图
5.1 离子束加工
碰撞效果 离子束加工与经过聚焦加速后，靠离子打 击加工件的动能，或将工件的原子撞击出来 (撞击 效应)，或将靶材的原子撞出后飞溅沉积到工件表 面上（溅射效应），或直接将离子束中的离子打 入工件表层之内 ( 注入效应 ) 。可实现对材料的 “毫微米级”或“原子级加工”。
物理过程 离子碰撞过程：当入射离子碰到工件表面时，
撞击原子、分子发生能量交换。离子失去的部分
能量传给工件表面的原子、分子，当能量足够大
时，使它们从基体材料中分离出来，由此产生工
件材料的溅射。剩余的能量转变为材料晶格的振
动。同时入射离子与原子、分子进行能量交换，
可以是一次或者多次碰撞。
5.1 离子束加工
第5章
• 激光加工
高能束加工
基本内容
激光加工的原理和特点； 激光加工的基本设备; 加工工艺及应用. 电子束加工的基本原理; 设备及其应用. 加工的基本原理; 设备及应用
• 电子束加工 • 离子束加工
5.1 概述
激 光 加 工 （ Laser Beam Machining ， 简 称 LBM）、离子束加工（Ion Beam Machining，简称 IBM）、电子束加工（Electron Beam Machining， 简称EBM）是新兴发展起来的特种加工技术。1949 年德国首次在0.5mm不锈钢板上加工出0.2mm的小 孔； 1957 年法国研究出第一台电子束加工设备； 1960年美国第一台固体激光器。1961年我国在长春 研究成功红宝石激光器。
中间电极 电磁线圈 控制电极
绝缘子 引出电极 离子束 聚焦装置
工件
摆动装置 三坐标 工作台 图 离子束去除加工装置
5.1 离子束加工
◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标 运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（见下图），大规模集成 电路芯片刻蚀等。
离子束 离子束 r = 0.01μm 离子束 离子束 r = 0.01μm
5.1 离子束加工
靶可以倾斜和旋转。靶的
倾斜是为了改变离子束轰击基 片的角度，以控制刻蚀图形侧 壁的倾斜角度和改变刻蚀速率。 靶的旋转则可以改善刻蚀的均 匀性。在离子束刻蚀机中，决 定刻蚀特性的主要参量是离子
束的电流密度，离子能量和离
子束轰击基片的角度。
5.1 离子束加工
• 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，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。 离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟 槽、加工极薄材料及超高精度非球面透镜。分辨率高，精 度、重复一致性好。 离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如 集成电路、光电器件和光集成器件等征电子学构件。太阳 能电池表面具有非反射纹理表面。 离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电子显微 镜试片。