特种加工技术讲课讲稿

1、特种加工技术电子束加工的原理电子束加工的原理 如图如图61所示，电子束加工是在真空所示，电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高条件下，利用聚焦后能量密度极高(106109Wcm2)的电子束，以极高的速的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间的时间(几分之几分之微秒微秒)内，其能量的大内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件部分转变为热能，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，被真空系引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。统抽走。控制电子束能量密度

2、的大小和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能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。目的。 如只使材料局部加热就可进行电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，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。即可进行电子束光刻加工。电子束加工的特点电子束加工的特点 1)由

3、于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1 m。所以加工面积。所以加工面积可以很小，是可以很小，是种精密微细的加工方法。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，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，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。体

4、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厚的钢板上钻厚的钢板上钻50个直径为个直径为0.4mm的孔。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，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

5、以通过电气控制加上异形孔实现曲面弧形圳割等。通过电气控制加上异形孔实现曲面弧形圳割等。 5)由于电子束加工是在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别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。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。一定局限性。电子束加工装置电子束加工装置 电子束加工装置的基本结构如图电子束加工装置的基本结构如图62所示，它主要由电

6、子枪、真空系统、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。控制系统和电源等部分组成。 电子枪是获得电子束的装置。电子枪是获得电子束的装置。它包括电子发射阴极、控制栅极它包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。和加速阳极等。 真空系统是为了保证在电子束真空系统是为了保证在电子束加工时维持加工时维持1.33X10-21.33X10-4Pa的真空度。的真空度。 电子束加工装置的控制系统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制、束流强度控制以及工作台位移控制等。移控制等。 电子束加工装置对电源电压电子束加工装置对电源

7、电压的稳定性要求较高，常用稳压设的稳定性要求较高，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极的发射强度与电压波动有密切关系关系。 电子束加工按其电子束加工按其功率密度和能量注功率密度和能量注入时间的不同，可入时间的不同，可用于打孔、切割、用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处蚀刻、焊接、热处理和光刻加工等。理和光刻加工等。图图6-4是电子束应用是电子束应用范围。范围。加工型孔及特殊表面加工型孔及特殊表面 图图66a是对长方形工件是对长方形工件1施加磁场施加磁场之后，若一面用电子束之后，若一面用电子束3轰击，一面依轰击，一面依箭头箭头2方向移动工件

8、，就可获得如实线方向移动工件，就可获得如实线所示的曲面。经图所示的曲面。经图66a所示的加工后，所示的加工后，改变磁场极性再进行加工，就可获得改变磁场极性再进行加工，就可获得图图66b所示的工件。同样原理，可加所示的工件。同样原理，可加工出图工出图66c所示的弯缝。如果工件不所示的弯缝。如果工件不移动，只改变偏转磁场的极性进行加移动，只改变偏转磁场的极性进行加工，则可获得图工，则可获得图66d所示的入口为一所示的入口为一个而出口有两个的弯孔。个而出口有两个的弯孔。 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

9、与高分子相碰撞，使分子的链被切剂的高分子材料，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，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。将光所示。将光刻与离子束刻蚀或蒸镀上艺结合，见图刻与离子束刻蚀或蒸镀上艺结合，见

10、图6-7c、d，就能在金属掩，就能在金属掩模或材料表面上制出图形来，见图模或材料表面上制出图形来，见图6-7e、f。离子束加工的原理和物理基础离子束加工的原理和物理基础 离子束加工的原理是在真空条件下，将离子源产生的离子离子束加工的原理是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之打到工件表面。一旦离子加速到较高束经过加速聚焦，使之打到工件表面。一旦离子加速到较高速度时，离子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞速度时，离子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量来加工的。击能量来加工的。 离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的离子束加工的物理基础是离子束射到材料表

11、面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。具有一定动能的离子斜射撞击效应、溅射效应和注入效应。具有一定动能的离子斜射到工件材料到工件材料(靶材靶材)表面时，可以将表面的原子撞击出来，这表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。如果将工件直接作为离子就是离子的撞击效应和溅射效应。如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀(也称离子铣削也称离子铣削)。如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。而被溅射沉积吸附，

12、使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，这就是离子的注入效应。工件表面，这就是离子的注入效应。 离子束加工按照其所利用的离子束加工按照其所利用的物理效应和达到目的的不同，可物理效应和达到目的的不同，可以分为四类，即利用离子撞击和以分为四类，即利用离子撞击和溅射效应的离子刻蚀、离子溅射溅射效应的离子刻蚀、离子溅射沉积和离子镀，以及利用注入效沉积和离子镀，以及利用注入效应的离子注入。应的离子注入。 1)由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫

13、描，离子束轰击材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以精确轰击材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以精确控制，所以离子刻蚀可以达到毫微米控制，所以离子刻蚀可以达到毫微米(0.001 m)级的加工精度。级的加工精度。离于镀膜可以控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度也离于镀膜可以控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度也可极精确地控制。可以说，离子束加工是所有特种加工方法中可极精确地控制。可以说，离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代毫微米加工最精密、最微细的加工方法，是当代毫微米加工(纳米加上纳米加上)技技术的基础。术的基础。 2)由于离子束加工是在高真

14、空中进行由于离子束加工是在高真空中进行,所以污染少，特别适所以污染少，特别适用于对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。用于对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。 3)离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的。它离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的。它是是种微观作用，宏观压力很小，所以加工应力、热变形等极种微观作用，宏观压力很小，所以加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。小，加工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。 4)离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率低，因此应离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率低，因此应用范

15、围受到一定限制。用范围受到一定限制。 离子束加工装置与电子束加工装置类似，它也包括离子源、离子束加工装置与电子束加工装置类似，它也包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分。主要的不同部分是离子源真空系统、控制系统和电源等部分。主要的不同部分是离子源系统。系统。 离子源用以产生离子束流。产生离子束流的基本原理和方离子源用以产生离子束流。产生离子束流的基本原理和方法是使原子电离。具体办法是把要电离的气态原子法是使原子电离。具体办法是把要电离的气态原子(如氩等惰如氩等惰性气体或金属蒸气性气体或金属蒸气)注入电离室，经高频放电、电弧放电等离注入电离室，经高频放电、电弧放电等离子体放电或电子轰击，使气

16、态原子电离为等离子体子体放电或电子轰击，使气态原子电离为等离子体(即正离子即正离子数和负电子数相等的混合体数和负电子数相等的混合体)。用一个相对于等离子体为负电。用一个相对于等离子体为负电位的电极位的电极(吸极吸极)，就可从等离子体中引出离子束流。，就可从等离子体中引出离子束流。 根据离子束产生的方式和用途的不同，离子源有很多型式，根据离子束产生的方式和用途的不同，离子源有很多型式，常用的有考夫曼型离子源和双等离子管型离子源。常用的有考夫曼型离子源和双等离子管型离子源。 由灼热的灯丝由灼热的灯丝2发射电子，发射电子，在阳极在阳极9的作用下向下方移的作用下向下方移动，同时受线圈动，同时受线圈4磁

17、场的偏磁场的偏转作用，作螺旋运动前进。转作用，作螺旋运动前进。惰性气体氩在注入口惰性气体氩在注入口3注入注入电离室电离室10，在电子的撞击下，在电子的撞击下被电离成等离子体，阳极被电离成等离子体，阳极9和引出电极和引出电极(吸极吸极)8上各有上各有300个直径为个直径为0.3mm的小孔，的小孔，上下位置对齐。在引出电极上下位置对齐。在引出电极8的作用下，将离子吸出，的作用下，将离子吸出，形成形成300条准直的离子束，条准直的离子束，再向下则均匀分布在直径为再向下则均匀分布在直径为 5cm的圆面积上。的圆面积上。 如图如图610所示的双等离子所示的双等离子体型离子源是利用阴极和阳极体型离子源是利

18、用阴极和阳极之间低气压直流电弧放电，将之间低气压直流电弧放电，将氩、氪或氙等惰性气体在阳极氩、氪或氙等惰性气体在阳极小孔上方的低真空中小孔上方的低真空中(0.10.01Pa)等离子体化。中间电极等离子体化。中间电极的电位一般比阳极电位低，它的电位一般比阳极电位低，它和阳极都用软铁制成，因此在和阳极都用软铁制成，因此在这两个电极之间形成很强的轴这两个电极之间形成很强的轴向磁场，使电弧放电局限在这向磁场，使电弧放电局限在这中间，在阳极小孔附近产生强中间，在阳极小孔附近产生强聚焦高密度的等离子体。引出聚焦高密度的等离子体。引出电极将正离子导向阳极小孑电极将正离子导向阳极小孑L以以下的高真空区下的高真

19、空区(1.33X10-5 1.33X10-6Pa)，再通过静电透镜，再通过静电透镜形成密度很高的离子束去轰击形成密度很高的离子束去轰击工件表面。工件表面。 目前用于改变零件尺寸和表面物理力学性能的离子束加工目前用于改变零件尺寸和表面物理力学性能的离子束加工有：用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工；有：用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工； 用于给工用于给工件表面添加的离子镀膜加工；件表面添加的离子镀膜加工； 用于表面改性的离子注入加用于表面改性的离子注入加工等。工等。刻蚀加工刻蚀加工 原理原理 离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击

20、工件，入射离子的动量传递到工件表射过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时，原子就从工面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时，原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。 应用应用1）离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马）离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。达上的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。2）刻蚀高精）刻蚀高精度的图形，如集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器度的图形，如集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图形。件和光集成器件等微电子学器件亚微米图形。3）离子束刻蚀）离子束刻蚀还用来致薄材料，用于致薄石英晶体振荡器和压电传感器。还用来致薄材料，用于致薄石英晶体振荡器和压电传感器。 离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。 用离子镀的方法对工件镀膜时，其绕射性好，使基用离子镀的方法对工件镀膜时，其绕射性好，使基板的所有暴露的表面均能被镀复。板的所有暴露的表面均能被镀复。 离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上镀离子镀的可镀材料广泛，可在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，各种合金、化合物、某些合成材制金属或非金属材料，各种合金、化合物、某些合成材料、