1、电子束微细加工技术
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(106～ 109W/cm2)的电子束，以极高的 速度冲击到工件表面极小的面 积上，在很短的时间(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。
微细加工的特点
微细加工作为精密加工领域中的一个极重要的关键技术， 目前有如下的几个特点： 1. 微细加工和超微细加工是多学科的制造系统工程； 2. 微细加工和超微细加工是多学科的综合高新技术； 3. 平面工艺是微细加工的工艺基础； 4. 微细加工技术和精密加工技术互补； 5. 微细加工和超微细加工与自动化技术联系紧密； 6.微细加工检测一体化。
所谓微细加工技术就是指能够制造微小尺寸零件 的加工技术的总称。 • 广义地讲，微细加工技术包含了各种传统精密加 工方法和与其原理截然不同的新方法，如微细切削 磨料加工、微细特种加工、半导体工艺等； • 狭义地讲，微细加工技术是在半导体集成电路制 造技术的基础上发展起来的，微细加工技术主要是 指半导体集成电路的微细制造技术，如气相沉积、 热氧化、光刻、离子束溅射、真空蒸镀等。
电子束切割
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，还可以利用电子束加工弯孔和曲面。
电子束微细焊接
电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺，在 焊接不同的金属和高熔点金属方面显示了很大的优越性， 已成为工业生产中的重要特种工艺之一。 电子束焊接具有以下的工艺特点： (1)焊接深宽比高。 (2)焊接速度高，易于实现高速自动化。 (3)热变形小。 (4)焊缝物理性能好。 (5)工艺适应性强。 (6)焊接材料范围广。
应用二：电子束化学微细加工
第二类为电子束化学微细加工，电子束的能量较小， 一般小于30keV，主要用于大规模集成电路(LSI)和超大 规模集成电路(VLSI)复杂图形的制备以及光刻掩膜图形 的制备。 它利用电子束流的非热效应，功率密度较小的电子 束流与电子胶(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，使电子胶的分子链 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。包括电子束扫描曝光和电子束投影曝光。 电子束曝光微细加工技术，已经成为生产集成电路 元件的关键性加工手段。
微小机械学发展
微机械或微电子机械系统(MEMS)是20 世纪80年代后期发展起来的一门新兴学 科。它给国民经济、人民生活和国防、 军事等带来了深远的影响，被列为21世 纪关键技术之一。
微小机械学发展
随着微/纳米科学与技术的发展，以形状尺寸 微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人 们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新 技术。 微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业 而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航 天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应 用潜力，受到世界各国的高度重视。
二、微细加工的概念及其特点
微细加工技术的产生和发展一方面是加工技 术自身发展的必然，同时也是新兴的微型机械 技术发展对加工技术需求的促进。超精加工在 20世纪的科技发展中做出了巨大的贡献。 东京工业大学的谷口纪男教授首先提出了纳 米技术术语，明确提出以纳米精度为超精密加 工的奋斗目标。
微细加工的概念
微细加工机理
1．切削厚度与材料剪切应力关系 在微切削时，切削往往在晶粒内 进行，切削力一定要超过晶体内 部的分子、原子结合力，其单位 面积的切削阻力(N／mm2)急剧 增大，刀刃上所承受的剪切应力 变得非常大，从而在单位面积上 会产生很大的热量，使刀刃尖端 局部区域的温度极高，因此要求 采用耐热性高、高温硬度高、耐 磨性强、高温强度好的刀刃材料， 即超高硬度材料，最常用的是金 刚石等。
三、微细加工机理
微细切削加工为微量切削，又可称之为极薄切削。机 理与一般普通切削有的很大区别。 在微细切削时，由于工件尺寸很小，从强度和刚度上 不允许有大的吃刀量，同时为保证工件尺寸精度的要求， 最终精加工的表面切除层厚度必须小于其精度值，因此切 屑极小，吃刀量可能小于晶粒的大小，切削就在晶粒内进 行，晶粒就被作为一个一个的不连续体来进行切削，这时 切削不是晶粒之间的破坏，切削力一定要超过急速 地增加。
四、高能束流微细特种加工技术
高能束流
高能束流加工是利用能量密度很高的电子束、 激光束或离子束等去除工件材料的特种加工方 法的总称。
高能束流微细特种加工技术
特点与应用：属于非接触加工，无成形工具， 而且几乎可以加工任何材料，在精微加工、航 空航天、电子、化工等领域中应用极广。 多学科交叉：其研究内容极为丰富，涉及光学、 电学、热力学、冶金学、金属物理、流体力学、 材料科学、真空学、机械设计和自动控制以及 计算机技术等多种学科，是一种典型的多学科 交叉技术。
微细加工机理
不同微细加工方法的加工机理
根据各种方法的加工机理的不同，微细加工可大致分为3大类： 分离加工将材料的某一部分分离出去的加工方式，如切削、分 解、刻蚀、溅射等。大致可分为切削加工、磨料加工、特种加 工及复合加工等。 结合加工同种或不同种材料的附加或相互结合的加工方式，如 蒸镀、沉积、生长、渗入等。可分为附着、注入和接合三类。 附着是指在材料基体上附加一层材料；注入是指材料表层经处 理后产生物理、化学、力学性能的改变，也可称之为表面改性； 接合则是指焊接、粘接等。 变形加工使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、 流体变形加工等。
电子束加工装置
1)电子枪
电子枪是获得电子束的装置。它主要包括电子发 射阴极、控制栅极和加速阳极等。发射阴极一般用 钨或钽制成。小功率时用钨或钽做成丝状阴极；大 功率时用钽做成块状阴极。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，而阴极接很高的负电压。
电子束打孔
目前电子束打孔的最小直径已经可达 φ0.001mm左右，而且还能进行深小孔加工， 如孔径在0.5-0.9mm时，其最大孔深已超过 10mm，即孔的深径比大于15：1。 与其它微孔加工方法相比，电子束的打 孔效率极高，通常每秒可加工几十至几万个 孔。利用电子束打孔速度快的特点，可以实 现在薄板零件上快速加工高密度孔，这是电 子束微细加工的一个非常重要的特点。电子 束打孔已在航空航天、电子、化纤以及制革 等工业生产中得到实际应用。
微细加工的概念
微细加工与常规尺寸的加工的机理是截然不同的。微 细加工与一般尺度加工的主要区别体现在： 1. 加工精度的表示方法不同。在一般尺度加工中，加 工精度常用相对精度表示；而在微细加工中，其加工 精度则用绝对精度表示。加工单位概念的引入。 2. 加工机理存在很大的差异。由于在微细加工中加工 单位的急剧减小，此时必须考虑晶粒在加工中的作用。 3.加工特征明显不同。一般加工以尺寸、形状、位置 精度为特征；微细加工则由于其加工对象的微小型化， 目前多以分离或结合原子、分子为特征。
电子束加工装置
电子束加工装置主要由 电子枪、真空系统、控制系 统和电源等部分组成。 阴极经电流加热发射电 子，带负电荷的电子高速飞 向阳极，在飞向阳极的过程 中，经过加速极加速，又通 过电磁透镜聚焦而在工件表 面形成很小的电子束束斑， 完成加工任务。
1、工作台系统 2、偏转线圈 3、电磁透镜 4、光阑 5、加速阳极 6、发射电子的阴极 7、控制栅极 8、光学观察系统 9、带窗真 空室门 10、工件
微小机械学发展
• 微机械涉及的基本技术主要有：微机械 设计；微机械材料；微细加工；集成技术； 微装配和封接；微测量；微能源；微系统 控制等。 • 微机械的制造和生产离不开微细加工技 术。
机械的微型化及相关的制造技术
传统机械
微小型机械 微细制造技术 MEMS技术 纳米机械 纳米制造技术
传统制造技术
电子束加工原理
1-工件 2-电子束 3-偏转线圈 4-电磁透镜
电子束微细加工的特点
1)束径小、能量密度高。能聚焦到0.1µm，功率密度可达 109W／cm2量级。 2)可加工材料的范围广。对非加工部分的热影响小，对脆 性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。 3)加工效率高。每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直 径为0.4mm的孔。 4)控制性能好。 5)电子束加工温度容易控制。 6)污染小。 电于束加工的缺点是必须在真空中进行，需要一整套 专用设备和真空系统，价格较贵。
电子束微细加工的分类
应用一：电子束热微细加工
第一类为电子束热微细加工，电子束的能量 较大(30keV∼几百keV)，又称为高能量密度电子束 加工，它是利用电子束的热效应，将电子束的动 能在材料表面转换成热能而对材料实施加工的。
应用一：电子束热微细加工
高能量密度电子束加工因工件表面束流斑点的功率 密度的不同又分为几种不同的加工方法： 1)当束流斑点功率密度为(10∼102)w／mm2 时，工件 表面不熔化，主要用于电子束热处理； 2)当束流斑点功率密度为(102∼105)w／mm2 时，工件 表面熔化，也有少量气化，主要用于电子束焊接和熔炼； 3)当束流斑点的功率密度为(105∼108)w／mm2 时，工 件产生气化，主要用于电子束打孔、刻槽、切缝、镀膜 和雕刻。
2)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∼1.33×10-4)Pa的真空度。因为只有在高 真空中，电子才能高速运动。
3)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。 电子枪 1、发射电子的阴极 2、控制 栅极 3、加速阳极 4、工件
电子束微细加工的应用
根据其功率密度和能量注入时间的不同，电子束加工可用于打孔、 切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。归纳起来，电子束在微细 加工领域中的应用分为两大类：电子束热微细加工和电子束化学微细 加工。
电子束打孔 分离加工 焊接 热微细加工 电 子 束 微 细 加 工 化学微细加工 化学 光刻 应 电子束 光 电子束 光 电子束切割