电子束离子束加工讲解ppt课件.ppt
电子束加工,一、电子束加工原理,高能高速电子束冲击工件局部熔化气化 控制束流能量密度大小和注入时间,达到不同目的，切割打孔焊接等,二、电子束加工特点,1. 进行精密微细加工 光斑聚焦到0.1m，加工微孔、窄缝、集成电路等,2. 能量密度高，生产率高、热影响区小变形小 105107W/mm2, 加工微孔窄缝效率比电火花高几十倍,3. 加工任何材料，真空无污染，无氧化 特别是易氧化材料及纯度要求高半导体材料,4. 可控性好，易实现自动化 通过磁场或电场对电子束强度、位置、聚焦等直接控制,5. 需专用设备和真空系统，价格较贵 主要用于精密微细加工，应用有一定局限性,电子枪真空系统控制系统电源等,三、电子束加工设备,阴极、控制栅极、加速阳极,避免电子与气体分子碰撞减速,束流强度、速度、聚焦、位置以及工作台位移控制等,电源电压稳定性要求较高,四、电子束加工应用,钻、切割,刻蚀,升华,电子抗蚀剂,塑料聚合,塑料打孔,控制束流能量密度和注入时间的不同,可用于切割、打孔、刻蚀、焊接、热处理、曝光等。,可用于加工耐热钢、不锈钢、宝石、陶瓷、 塑料、人造革等材料,1. 高速打孔,最小孔径或缝宽m，深孔的深径比大于15,加工速度快，变形小，每秒几千到几万个， 取决于板厚孔径及复杂程度，EDM的50倍，LBM的5倍,专用塑料皮革打孔机将片状电子束分割成数 百条细束，速度达每秒万孔,. 加工异型孔及特殊表面（切割）,切割复杂型面切口宽度可达m，边缘表面粗糙度控制在0.5 m,. 加工异型孔及特殊表面（切割）,也可加工锥孔、弯孔、曲面及螺旋槽等利用电子束在磁场中偏转原理，将工件置磁场中，控制电子速度和磁场强度，电子束在工件内部偏转加工弯孔,. 电子束焊接,工艺特点 能量密度高，焊速快，焊缝窄深，变形小，质量好 焊缝化学成分纯净，强度高 除焊碳钢、合金钢、不锈钢外，更适于难熔金属、活 泼金属焊接，异种材料、半导体材料及陶瓷石英等,主要应用 航空航天工业：发动机转子、高压涡轮机匣、导向叶 片、仪表微型电机轴与齿轮、登月仓框架及制动引擎 其它工业：大型齿轮组件、压力容器、造船工业等高 性能、高精度、细微零件焊接。,. 刻蚀,用于集成电路 、微电子器件等刻蚀微槽 硅片上刻宽2.5m深0.25m的细槽集成电路光栅 金属镀层上刻混合电路电阻，自动测量校准电阻值,用于印刷制版 在铜制滚筒上按色调深浅刻出深浅不一的凹坑，直径 70120 m ，深度540 m ，小坑为浅色，大坑 为深色,. 电子束光刻（曝光）,是获取各种复杂精细图形的主要方法，通常 将曝光处理作为刻蚀的前置工序,用光束电子束照射电子抗蚀剂使分子链被切 断或重聚引起分子量变化留下潜影，在适当 溶剂中显影固化。,一般紫外光曝光分辩率难小于m，新型曝 光源和抗蚀剂的研制，最小线宽0.1 m以下,电子束曝光分为扫描(线)曝光和投影(面)曝光,0.55mm,柔性好速度慢成本高,电子束投影(面)曝光,接触式曝光 利用掩膜（金属薄膜图形样板）复制,投影曝光 利用放大的原版缩小投影曝光,离子束加工,一、离子束加工原理,与电子束加工类似，在真空条件下，将离子束 经加速和聚焦后冲击到工件表面上实现加工。,不同的是离子质量是电子的数千数万倍，在同 电场中加速慢，而一旦加到高速，具有更大动 能，撞击材料引起原子分子分离溅射或注入。,所利用的是离子束微观的机械撞击作用（弹性 碰撞、微观力效应），而不是热效应。,离子束加工分类,离子刻蚀又称离子铣削用能量为0.55keV的氩离子轰击工件，将工件表面原子逐个剥离。其实质是一种原子尺度的切削加工，纳米级的加工工艺。,溅射沉积（镀膜工艺）用能量为0.55keV的氩离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，镀上薄膜。,离子束加工分类,离子镀又称离子溅射辅助沉积用能量为0.55keV氩离子同时轰击靶材和工件，形成镀膜，增强膜材与工件基材的结合力。也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。,离子注入用能量55 0 0 keV离子束，直接轰击工件材料，离子钻进工件表面，改变其化学成分及性能。根据不同目的选用不同注入离子如C、N、B、Cr,二、离子束加工的特点,1. 进行精密微细加工 聚焦扫描逐层去除原子，蚀刻精度达纳米级，离子镀 达亚微米级，离子注入可极精确地控制,2. 微观撞击原子去除材料，应力变形小，质量高 适于各种材料和低刚度零件的加工,3. 真空加工无污染，无氧化 特别适于易氧化材料及高纯度半导体材料,4. 设备费用贵，成本高，加工效率低 主要用于精密微细加工，应用受一定局限性,三、离子束加工设备,离子源真空系统控制系统电源等,气态原子电离为等离子体，用引出电极引出离子束流,束流密度、聚焦、位置等离子注入深度、浓度等,利用阴极5和阳极8之间电弧放电，将氩氪等惰性气体电离为等离子体 引出电极10将正离子导出 静电透镜12聚焦形成高密度离子束,三、离子束加工设备,四、离子束加工的应用,1. 精微加工 加工非球面透镜, 金刚石刀具刃磨 精微打孔，玻璃、镍铂上打几微米孔，孔壁光滑 高精度图形刻蚀，集成电路、微电子元件、硬掩膜等 抛光致薄压电晶体,四、离子束加工的应用,2. 离子镀膜 镀超硬膜 工具上镀TiN、 TiC等 镀润滑膜 飞机转动部件镀铬银固体润滑膜无油润滑、防腐 镀抗蚀膜 镀钛、镍铬、铝等 镀耐热膜 镀钨、钼钽、铌等，抗高温氧化 镀装饰膜 TiN、 TaN,（电离）,接负极,四、离子束加工的应用,3. 离子注入 表面改性 形成确定成分表面合金，与溶解度和扩散 性无关，无显著尺寸变化 控制参数 真空度、束流强度、离子种类、注入时间、 工件温度等,半导体方面 单晶硅中注入磷、硼杂质，制造P-N结、 大规模集成电路等。制造发光器件、红外探测器等 耐磨耐蚀润滑性 注入B、 C、N、 Mo、Cr、S等离子 离子注入石英玻璃增加折射率，制造光波导,四、离子束加工的应用,4. 离子束曝光 具有高分辩率和灵敏度，能对线宽小于0.1m 的精密微细图形曝光，在相同抗蚀剂时，离子 束曝光的灵敏度比电子束曝光高一个数量级以 上，曝光时间大为缩短。 离子束将成为微细图形写图和复印的重要手段， 但目前电子束曝光技术比较成熟。,作业与思考题,问答题:1.快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？具有什么特点？ 2.电子束加工、离子束加工和激光加工各自的工作原理和应用范围如何？各有什么优缺点？,1.快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？具有什么特点？答：快速成形是一种基于离散堆积成形原理的新型成形技术，材料在计算机控制下逐渐累加成形，零件是逐渐生长出来的。在工艺原理上是“增材法”，与常规切削加工、电火花蚀除、电化学阳极溶解等“减材法”不同。其特点是整个工艺过程建立在激光断层扫描、数控技术、计算机CAD技术、高分子材料等高科技基础上，可以成形任意复杂形状的零件，而无需刀具夹具等生产准备活动，因此工艺先进，柔性好，生产周期短。,2.答：三者都适合于精密、微细加工，但电子束、离子束加工需在真空中进行，因此加工表面不会被氧化、污染，特别适合于“洁净”加工。电子束加工是基于电能使电子加速转换成动能，在撞击工件时动能转换成热能使材料熔化、气化而被蚀除，主要用于打孔、切割、焊接、热处理、电子束曝光等。而离子束加工是电能使质量较大的正离子加速后打到工件表面，靠机械撞击能量使工件表面的原子层变形、破坏或切除分离，并不发热，主要用于精微表面工程，有离子刻蚀、溅射沉积、离子镀、离子注入等形式。激光加工是靠高能量密度的光能转换成热能使材料熔化、气化而被蚀除，可在空气中加工，不受空间结构的限制，也可用于大型工件的切割、焊接、热处理等工艺。,
