电子束与离子束加工原理及应用

电子束加工

1、电子束加工原理及特点

(1)因为电子束可以非常细致地聚焦(束径可以达到微米级)，并且在细小区域达到很大的功率密度，所以在轰击点的瞬时温度可以达到1000多度的高温，足以熔化或蒸发任何材料。因此，电子束可用于加工任何材料的微孔或狭窄接缝、半导体电路等。它是一种精密的微加工方法

(2)加工位置的热影响区很小，因为电子束的瞬时热能作用在极小的面积上；加工过程中没有机械力，处理后不会产生受力变形；此外，电子束加工中没有工具消耗问题。因此，它的加工尖度高，表面质量好。

(3)电子束的强度、位置和聚焦可以通过磁场或电场直接控制。位置控制的准确性可以达到0.15m左右，强度和束斑的大小控制偏差也可以轻松达到1%以下。电子束几乎可以通过磁场或电场无惯性、无功率地控制，便于计算机控制，实现加工过程的自动化。

(4)由于电子束加工是在真空中进行的，所以污染很少.加工点可以保持原材料的纯度：适用于加工易级金属及合金制品，特别是对纯度要求极高的半导体材料。

电子束加工需要一套昂贵的专业设备，加工中心成本高，

2、应用电子束加工

可以分为两种类型的电子束加工；一种叫‘.热型”.也就是说，使用电子束将材料的局部加热到熔化或蒸汽点进行加工，例如打孔、切割、焊接等；另一种叫做“非热”.也就是说，利用电子束的化学效应，如电子束的光刻等蚀刻技术。

(1)电子束的热效应加工。对于电子束的热效应加工，可以通过调节功率密度来实现淬火、冶炼、切割、打孔等不同的加工目标。

(2)电子束化学效应加工。虽然低功率密度的电子束直射工件表面不会引起表面温度上升，但入射电子与聚合物材料的碰撞会导致其分子链断开或重新聚合，从而改变聚合物材料的化学性质和含量。这种情况被称为电子束的化学效应。加工这种效果的方法叫做电子束光刻。由于电子束曝光系统柔软，可以连续扫描和绘制，不仅是精密的微图形绘制设备，也是现阶段的大规模(IST)及超大规模(VLST)掩膜或基片光刻的关键设备.此外，电子束还可以作为灯源进行图形复印等工作。

离子束加工

1、离子束加工原理及特点

使用离子源产生的离子，通过加速真空中的聚焦，产生高速高能的束状离子流，从而打击工件表面，然后加工工件的方法称为离子束加工。离子束加工与电离子束加工的区别在于，在离子束加工过程中，加速的物质是带正电的离子，而不是电子，因为离子质量远大于电子质量(例如，Ar离子质量是电子质量的7.2万倍).因此，离子一旦加速到高速，离子束的碰撞能量就比电子束多；其次，电子束的加工主要依靠热效应，而离子束的加工主要是通过离子覆盖工件材料造成的破坏、分离或直接加工离子注入表面等机械功能。离子束加工具有以下特点:

(1)易于精确控制。工艺能力普遍，是目前最有前途的精密、微加工技术；

(2)离子束采用机械冲击能量加工，因此可以应用于金属、非金属：

(3)由于是通过撞击清除或注射材料，而且这个过程是在极小的面积.卜进行的，所以产生的热量很小，加工的表面质量最好；

(4)自动化容易实现；

设备成本高，成本高，效率低。

2、应用于离子束加工

离子束加工是一种新的加工工艺，其应用范围日益扩大。离子束加工可以分为三类:离子溅射粘附加工、离子蚀刻加工和离子注射。

(1)离子溅射粘附加工。离子溅射粘附加工有两种:溅射沉积加工和离子镀。离子溅射沉积加工是一种由能量为0.1-5keV的离子束轰击某种材料制成的靶材。离子束轰击靶材的原子，使其沉积在靶材附近的工件上，从而在工件表面沉积一层薄膜，提高了工件表面的性能。离子镀不仅接受靶材溅射的原子，而且工件表面也受到离子的轰击。离子的轰击可以增强靶材原子与工件基材的结合。

(2)离子蚀刻加工。离子蚀刻加工依赖于工件表面的0.1-5keV离子束。当高速运动离子束传递到材料表面的能量超过工件表面原子(或分子)之间的结合时，材料表面的原子(分子)会溅出来，达到加工的目的。利用上述原理，可以直接加工工件上的平面或异形表面。所谓离子铣削、离子磨削、离子抛光、离子薄化等。都属于离子蚀刻加工范围。

(3)离子注射器。用10-60keV能量的离子束对工件表面进行轰击，使离子钻入加工材料表面层，改变表面层特性的方法称为离子注射加工。离子注射器的应用范围很广。例如，强制离子注射金属表面可以改变表面层的性能，注射人的元素类型和数量不受合金系统平衡图中固溶度的限制，因此可以获得一般冶金工艺无法获得的各种表面合金。此外，离子注射器还可以用于光通信的玻璃纤维加工，使纤维表面的光折率达到最佳值，并将其混合在一半。

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