现代加工技术-09电子束、离子束加工

现代加工技术-09电子束、离子束加工第一页，共61页。课程内容大纲♥1绪论♥2电火花加工♥3电火花线切割加工♥4电化学加工♥5超声波加工♥6磨料与水喷射加工♥7激光加工♥8快速原型制造♥9电子束、离子束加工♥10化学加工、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨2第二页，共61页。7.1电子束加工一、电子束加工的原理和特点二、电子束的加工装置三、电子束加工应用3第三页，共61页。概述利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处理的一切方法统称为电子束加工。电子束加工（ElectronBeamMachining简称EBM）起源于德国。1948年德国科学家斯特格瓦发明了第一台电子束加工设备。经过几十年的发展，目前电子束加工技术已在核工业、航空宇航、精密制造等工业部门广泛应用。电子束加工应用于：电子束焊接、打孔、表面处理、熔炼、镀膜、物理气相沉积、雕刻、铣切、切割以及电子束曝光等。目前，世界上电子束加工技术较先进的国家：德国、日本、美国、俄罗斯以及法国等。۝电子束加工3分45.mp44第四页，共61页。EB-Generator

vonpro-beam阴极支撑阴极控制栅极阳极围绕线圈Stigmatoren光阑电磁透镜聚焦线圈偏转线圈第五页，共61页。6第六页，共61页。电子束加工原理图控制栅极加速阳极电子束斑点旁热阴极聚焦系统工件工作台7第七页，共61页。一、电子束加工的原理和特点1.加工原理在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为106～109w/cm2的极细束流，高速冲击到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。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。8第八页，共61页。2.电子束加工特点1.电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1μm)，故可进行微细加工。2.加工材料的范围广。能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。非接触加工，工件不产生宏观应力和变形。3.电子束的能量密度高，加工效率很高。4.加工过程便于自动化。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。5.加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。6.设备投资高。电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。9第九页，共61页。二、电子束的加工装置

电子束加工装置主要由以下几部分组成。（1）电子枪。获得电子束的装置。它包括：电子发射阴极—用钨或钽制成，在加热状态下发射电子。控制栅极—既控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。加速阳极—通常接地，由于阴极为很高的负压，所以能驱使电子加速。图6-2电子束加工装置示意图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10第十页，共61页。二、电子束的加工装置图6-2电子束加工装置示意图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（2）真空系统

保证电子加工时所需要的真空度。一般电子束加工的的真空度维持在1.33×10-2~1.33×10-4Pa。（3）控制系统和电源。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。11第十一页，共61页。控制系统和电源束流聚焦控制：提高电子束的能量密度，它决定加工点的孔径或缝宽。聚焦方法：一是利用高压静电场是电子流聚焦成细束；另一种方法是利用“电磁透镜”靠磁场聚焦。束流位置控制：改变电子的方向。工作台位移控制：加工时控制工作台的位置。电源：对电压的稳定性要求较高，常用稳压电源。12第十二页，共61页。三、电子束加工应用1-淬火硬化；2-熔炼；3-焊接；4-打孔；5-钻、切削；6-刻蚀；7-升华；8-塑料聚合；9-电子抗蚀剂；10-塑料打孔13第十三页，共61页。1.电子束打孔电子束打到材料表面电子束贯穿材料电子束打到辅助材料产生喷射电子束打到材料内部材料表面受到电子束冲击开始熔化，气化材料气化形成气泡，破裂后随着蒸汽溢出，形成空穴电子束冲击到工件下面的辅助材料，产生喷射，将空穴周围熔化材料吹出，完成打孔过程

继续受到电子束作用14第十四页，共61页。1.电子束打孔高速打孔高速打孔在生产中实际应用最多，目前最小直径可达Φ3μm左右，最大深径比可达10，其深度亦可达10cm以上。1.生产效率高。机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类孔数量巨大（高达数百万），且孔径微小，密度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔。15第十五页，共61页。1.电子束打孔2.加工材料范围广。可加工不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃、塑料和人造革等各种材料上的小孔、深孔。能加工各种孔，包括异形孔、斜孔、锥孔和弯孔。孔的密度可连续变化，其孔径大小可随时调整。加工质量好，无毛刺和再铸层等缺陷。精度：孔径误差在±5％以内。16第十六页，共61页。绝缘行业：玻璃棉挡油环造纸和纸浆行业：过滤器发动机:散热孔电子束打孔第十七页，共61页。2．加工型孔及特殊表面电子束加工的喷丝头异形孔18第十八页，共61页。电子束加工弯曲的孔加工弯孔：利用电子束在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内偏转方向。控制电子速度和磁场强度，就可控制曲率半径，加工出弯曲的孔。19第十九页，共61页。3.电子束切割可对各种材料进行切割，切口宽度仅有3～6μm。利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面。电子束加工曲面20第二十页，共61页。电子束加工样品第二十一页，共61页。4.电子束刻蚀利用电子束的热加工原理，对工件进行类似铣削的加工。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2.5μm，深0.25μm的细槽。电子束刻蚀还可用于制版，在铜制印刷筒上按色调深浅刻出大小、深浅不一的沟槽或凹坑，大坑代表深色，小坑代表浅色。22第二十二页，共61页。5.电子束焊接利用电子束作为热源的焊接工艺。特点：电子束焊接具有焊缝深宽比大；焊接速度快，焊缝深而窄，焊件变形小；不用焊条，接头机械性能好；可进行异种金属焊接；可在精加工后焊接等等。应用：应用范围极为广泛，尤其在焊接大型铝合金零件中，具有极大的优势，并且可用于不同金属之间的连接。如美国和日本采用电子束焊接工艺加工发电厂汽轮机的定子部件；美国还将电子束焊接工艺广泛应用于飞机制造中。23第二十三页，共61页。电子束焊接的实例图片第二十四页，共61页。6.电子束表面处理电子束将工件表面加热到相变温度以上，再快速冷却，从而达到表面热处理的目的。特点：

A）快速加热淬火，可得到超微细组织，提高材料的强韧性；

B）处理过程在真空中进行，减少了氧化等影响，可以获得纯净的表面强化层；

C）电子束功率参数可控，可以控制材料表面改性的位置、深度和性能指标。25第二十五页，共61页。6.电子束表面处理应用：表面淬火、表面熔凝、表面合金化、表面熔覆和制造表面非晶态层。经表面改性的表层一般具有较高的硬度、强度以及优良的耐腐蚀和耐磨性能。26第二十六页，共61页。7.电子束光刻先利用低功率密度的电子束照射电致抗蚀剂的高分子材料，由于入射电子与高分子相碰撞，使高分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化，称为电子束曝光。如果按规定图形进行电子束曝光，会在电致抗蚀剂中留下潜像；然后将曝光后的潜像浸入适当的溶剂中，则由于分子量不同而溶解度不一样，就会使潜像显影出来——显影；将光刻与离子束刻蚀或蒸镀工艺结合就能在金属掩模或材料表面上制出图形来。电子束曝光可以获得比可见光曝光更高分辨率的图像。电子束可达到最佳0.25μm的线条宽度>可见光波长27第二十七页，共61页。电子束曝光加工过程图6-7电子束曝光加工过程A-电子束曝光；B-显影；C-蒸镀；D—离子刻蚀；E、F-去掉抗蚀剂，留下图形1-电子束；2-电致抗蚀剂；3-基板；4-金属蒸汽；5-离子束；6-金属28第二十八页，共61页。离子束4.刻蚀（形成沟槽）5.沉积（形成电路）6.剥膜（去除光致抗蚀剂）3.显影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或扫描）掩膜电子束图24

电子束光刻大规模集成电路加工过程1.涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片电子束光刻大规模集成电路第二十九页，共61页。电子束刻蚀图案30第三十页，共61页。电子束加工END电子束加工END31第三十一页，共61页。AutomatischeStrahlpositionierung.Elektronenstrahl-Prozesskontrolle

Ablenk-Verstärker

Verstärker

Bild-verarbeitungNC-SteuerungXY-Tisch

Ablenk-steuerung

AbtastenderNahtPositions-korrekturStufe1Stufe2

AbtastenderNahtundPositions-korrektur第三十二页，共61页。EB-DeflectionTechnicsElektronenstrahl-Technologien

OneBathTechnics

MultiPoolTechnicsDynamicMultiPoolTechnicsNonFocusFlashTechnicsFieldTechnicsLineScanMultiBathTechnics

第三十三页，共61页。EB-DeflectionTechnics:MultiProcessTechnicsElektronenstrahl-TechnologienEB-Hardening/EB-AnneallingEB-Pre-heating/EB-RemeltingEB-Pre-heating/EB-Welding/EB-GladdingEB-Positioning/EB-Welding/EB-After-heating第三十四页，共61页。2-KammerschleusenanlagezumEB-SchweißenvonRaumfahrtkomponenten.Elektronenstrahl-Anlagentechnik第三十五页，共61页。EB-Umschmelzen(EBU)vonNockenwellen.Elektronenstrahl-Umschmelzen(EBU)EB-UmgeschmolzeneNockenwellenEB-UmgeschmolzeneNockenmitMehrbahntechnik

第三十六页，共61页。EB-HärtenvonNockenwellen.Elektronenstrahl-HärtenNockenGGG60,Schliffbild

Material: GGG60mod./cf53Ziel: HärtenderLaufflächenRht: 0,5mmHärtewert: 50HRCTaktzeit: 35sbis45sEB-Anlage: 10kW/60kV第三十七页，共61页。7.2离子束加工一、离子束加工原理、分类和特点二、离子束加工装置三、离子束加工的应用۝离子束加工8分02.mp438第三十八页，共61页。在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面。由于离子带正电荷，其质量数比电子大数千倍甚至上万倍，它撞击工件时具有很大撞击动能，通过微观的机械撞击作用从而实现对工件的加工。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撞击效应、溅射效应和注入效应。1.离子束加工的原理和物理基础39第三十九页，共61页。相同点：加工原理基本相同。不同点：离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。

电子束加工是靠电能转化为热能进行加工的。

离子束加工是靠电能转化为动能进行加工的。

离子束加工与电子束加工的比较40第四十页，共61页。2.离子束加工分类按所利用的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，以及利用注入效应的离子注入.41第四十一页，共61页。采用能量为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。（1）离子刻蚀42第四十二页，共61页。样品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。第四十三页，共61页。

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。（2）离子溅射沉积第四十四页，共61页。离子镀也称离子溅射辅助沉积。在镀膜时，用0.5—5kev的氩离子，同时轰击靶材和工件表面，以增强膜材与工件基材之间的结合力（可达10～20MPa）。也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。

该方法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。（3）离子镀膜第四十五页，共61页。样品第四十六页，共61页。用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻入被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。该方法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如磷、氮、碳等）。注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。（4）离子注入第四十七页，共61页。加工精度高。离子束加工是目前最精密、最微细的加工工艺，是当代毫微米级加工技术的基础。离子束轰击工件的材料时，其束流密度和能量可以精确控制。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。环境污染少。离子束加工在真空中进行，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。加工质量高。离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率低，因此应用范围受到一定限制。3.特点第四十八页，共61页。二、离子束加工装置离子束加工装置与电子束加工装置类似，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系统。离子源(又称离子枪)，作用是产生离子束流。基本工作原理是将气态原子注入离子室，然后使气体原子经受高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击被电离成等离子体，并在电场作用下将正离子从离子源出口引出而成为离子束。根据离子产生的方式和用途离子源有多种型式。常用的有考夫曼型离子源、双等离子体离子源。۝离子束加工8分02.mp449第四十九页，共61页。1.考夫曼型离子源其结构原理如图所示，由热阴极灯丝发射电子，在阳极的吸引力下向下方的阴极移动，同时受线圈磁场的偏转作用，作螺旋运动前进。惰性气体由注入口进入电离室，并在高速电子的撞击下被电离成为离子。阴、阳极上各有几百个直径为0.3mm的小孔，上下位置严格对齐。在引出电极的作用下，将离子吸出，形成几百条离子束，均匀分布在直径为50～300mm的面积上。考夫曼型离子源50第五十页，共61页。2.双等离子体型离子源双等离子体型离子源，是利用阴极和阳极之间低气压直流电弧放电，将惰性气体在阳极小孔上方的低真空中等离子体化。中间电极的电位一般比阳极的低，它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向磁场，使电弧放电局限在其中间，在阳极小孔附近产生强聚焦高密度的等离子体。引出电极将正离子导向阳极小孔以下的高真空区，再通过静电透镜形成密度很高的离子束去轰击工件表面。惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束静电透镜摆动装置工件三坐标工作台双等离子体型离子源51第五十一页，共61页。三、离子束加工的应用1.刻蚀加工2.镀膜加工3.离子注入加工4.离子束曝光52第五十二页，共61页。

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。惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束静电透镜摆动装置工件三坐标工作台离子束去除加工装置

加工装置如图示。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摆动和绕垂直轴转动。

离子束刻蚀加工可用于非球面透镜成形，金刚石刀具和冲头的刃磨，大规模集成电路芯片刻蚀等。1.刻蚀加工53第五十三页，共61页。刻蚀加工非球面透镜离子束加工非球面透镜原理

1、6—回转轴2、4—离子束

3—工件5—摆动轴加工原理如图所示。透镜加工时，不仅绕自身轴线1、6回转，而且还要摆动一个角度θ，并用光学干涉仪对加工表面形状进行检测，用电子计算机控制整个加工过程，现已加工出直径为61cm的抛物镜面，其精度是其他加工方法无法达到的。54第五十四页，共61页。刻蚀加工金刚石离子束加工金刚石压头和刀具离子束离子束r=0.01μm预加工终加工a)压头r=0.01μm离子束离子束预加工终加工b)刀具55第五十五页，共61页。蚀刻微细槽线离子束精密蚀刻微细槽线实例a)动压马达止推板上