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第六章 电子束和离子束加工
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。
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第六章 电子束和离子束加工
1离子刻蚀
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，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子 （或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐个 溅射出来，以达到加工目的。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。 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料 及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度 图形。
第六章 电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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第六章 电子束和离子束加工
6.1 电子束加工
一. 电子束加工原理和特点
（一）加工原理 电子束加工是利用高速电子的 冲击动能来加工工件的，如图6-1 所示。在真空条件下，将具有很高
速度和能量的电子束聚焦到被加工
材料上，电子的动能绝大部分转变 为热能，使材料局部瞬时熔融、汽
行电子束光刻加工。
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第六章 电子束和离子束加工
（二）电子束加工特点 (1) 可进行微细加工。
(2) 非接触式加工。
(3) 电子束的能量密度高，加工效率高。
（4）整个加工过程便于实现自动化。
(5)加工在真空中进行，污染ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，加工表面不易被氧化。
（6）电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价
格较贵。
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2离子溅射沉积
第六章 电子束和离子束加工
采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将 靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。
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第六章 电子束和离子束加工 3）离子镀膜
离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速 中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达10～ 20MPa）， 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应 用。
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。
工作台位移控制是为了在加工过程中控制工作台的位 置。
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三.电子束加工的应用
（一）高速打孔 电子束打孔已在生产中实际应用，目前最小直径可达 0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼上的孔， 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。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0.2mm的孔，速度为每秒3000孔。 在人造革、塑料上用电子束订大量微孔，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50 000孔，孔径120—40微米可调。
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第六章 电子束和离子束加工
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6.2
离子束加工（ion beam machining，IBM）
一、原理、分类和特点 离子束加工是在真空条件下利 用离子源（离子枪）产生的 离子经加速聚焦形成高能的 离子束流投射到工件表面， 使材料变形、破坏、分离以 达到加工目的。 因为离子带正电荷且质量是电 子的千万倍，且加速到较高 速度时，具有比电子束大得 多的撞击动能，因此，离子 束撞击工件将引起变形、分 离、破坏等机械作用，而不 像电子束是通过热效应进行 加工。
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二. 电子束加工装置
电子束加工装置的基本结 构如图所示，它主要由电 子枪、真空系统、控制系 统和电源等部分组成。
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（一）电子枪 电子枪是获得电子 束的装置。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， 经过加速电极加速， 又通过电磁透镜把电 子束聚焦成很小的束 斑。
第六章 电子束和离子束加工
（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2.5微米、深0.25微米的细槽，在混 合电路电阻的金属镀层上刻出40 微米宽的线条。
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（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。由 于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊 接的焊缝深而窄，热影响区小，变形小。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。它可焊接很薄工 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，
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（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。 电子束热处理在真空中进行，可以防 止材料氧化。 （六）光刻
电子束光刻先利用低功率的电子束照射高分子材
料，由入射电子束与高分子相碰撞，经电子曝
光后，在高分子材料中留下潜像。
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（二）加工型孔及特殊表面
图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 0.80 mm，喷丝板厚度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
的异型孔那是特殊形状的。
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第六章 电子束和离子束加工
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化蒸发而去除。
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第六章 电子束和离子束加工
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以进行电子
束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化， 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
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第六章 电子束和离子束加工
（二）．真空系统 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， 需要不B9f地把加工中生产的金属蒸汽抽出去。 抽真 空时，先用机械旋转泵把真空室抽至1.4一0.14Pa，然 后由油扩散泵或祸轮分子泵抽至0.014—0.00014Pa的高 真空度。 （三）．控制系统和电源