電子束加工原理

 

電子束加工（Electron Beam Machining 簡(jiǎn)稱EBM）起源于德國(guó)。1948年德國(guó)科學(xué)家斯特格瓦發(fā)明了首臺(tái)電子束加工設(shè)備。它是一種利用高能量密度的電子束對(duì)材料進(jìn)行工藝處理的方法統(tǒng)。

 

在真空條件下，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后能量密度為106～109w/cm2的極細(xì)束流高速?zèng)_擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時(shí)間內(nèi)，其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，使工件被沖擊部位的材料達(dá)到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，來(lái)去除材料。 







控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，就可以達(dá)到不同的加工目的：

 

1、只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；

 

2、使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接；

 

3、提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可進(jìn)行打孔、切割等加工；

 

4、利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可進(jìn)行電子束光刻加工。

 

電子束主要加工裝置







電子束加工裝置主要由以下幾部分組成：

 

電子槍

 

獲得電子束的裝置，它包括：

 

1、電子發(fā)射陰極—用鎢或鉭制成，在加熱狀態(tài)下發(fā)射電子。

 

2、控制柵極—既控制電子束的強(qiáng)弱，又有初步的聚焦作用。

 

3、加速陽(yáng)極—通常接地，由于陰極為很高的負(fù)壓，所以能驅(qū)使電子加速。

 





真空系統(tǒng)

 

保證電子加工時(shí)所需要的真空度。一般電子束加工的的真空度維持在1.33×10-2~ 1.33×10-4 Pa。

 

控制系統(tǒng)和電源

 

控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強(qiáng)度控制以及工作臺(tái)位移控制。

 

束流聚焦控制：提高電子束的能量密度，它決定加工點(diǎn)的孔徑或縫寬。    

 

聚焦方法：一是利用高壓靜電場(chǎng)是電子流聚焦成細(xì)束；另一種方法是利用“電磁透鏡”靠磁場(chǎng)聚焦。

 

束流位置控制：改變電子的方向。

 

工作臺(tái)位移控制：加工時(shí)控制工作臺(tái)的位置。

 

電源：對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求較高，常用穩(wěn)壓電源。

 

電子束加工工藝的特點(diǎn)

 

電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)l～0.1 μm)，故可進(jìn)行微細(xì)加工。

 

加工材料的范圍廣。能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。

 

加工效率很高。

 

加工在真空中進(jìn)行，污染少，加工表面不易被氧化。

 

電子束加工需要整套的專業(yè)設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制。

 

離子束加工原理

 

在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速、聚焦后投射到工件表面。由于離子帶正電荷，其質(zhì)量數(shù)比電子大數(shù)千倍甚至上萬(wàn)倍，它撞擊工件時(shí)具有很大撞擊動(dòng)能，通過(guò)微觀的機(jī)械撞擊作用從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工。







離子束與電子束加工原理基本相同。主要是不同是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬(wàn)倍，故在電場(chǎng)中加速較慢，但一旦加至較高速度，就比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能。

 

電子束加工是靠電能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行加工的。離子束加工是靠電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能進(jìn)行加工的。

 

離子束加工的分類

 

離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。通常分以下四類：



離子刻蝕  

 

采用能量為0.1～5keV、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟擊工件表面時(shí)，此高能離子所傳遞的能量超過(guò)工件表面原子（或分子）間鍵合力時(shí)，材料表面的原子（或分子）被逐個(gè)濺射出來(lái)，以達(dá)到加工目的。這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度的切削加工，通常又稱為離子銑削。







離子刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡，還可用于刻蝕集成電路等的高精度圖形。

 

離子濺射沉積

 

采用能量為0.1～5keV的氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜。實(shí)際上此法為一種鍍膜工藝 。







離子鍍膜

 

離子鍍膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉積，另一方面還有高速中性粒子打擊工件表面以增強(qiáng)鍍層與基材之間的結(jié)合力（可達(dá)10～20MPa）。







該方法適應(yīng)性強(qiáng)、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快，目前已獲得廣泛應(yīng)用。

 

離子注入

 

用5～500keV能量的離子束，直接轟擊工件表面，由于離子能量相當(dāng)大，可使離子鉆進(jìn)被加工工件材料表面層，改變其表面層的化學(xué)成分，從而改變工件表面層的機(jī)械物理性能。







該方法不受溫度及注入何種元素及粒量限制，可根據(jù)不同需求注入不同離子（如磷、氮、碳等）。注入表面元素的均勻性好，純度高，其注入的粒量及深度可控制，但設(shè)備費(fèi)用大、成本高、生產(chǎn)率較低。

 

離子束加工工藝的特點(diǎn)：

 

加工精度高

 

離子束加工是目前較精密、較微細(xì)的加工工藝。離子刻蝕可達(dá)納米級(jí)精度，離子鍍膜可控制在亞微米級(jí)精度，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。

 

環(huán)境污染少

 

離子束加工在真空中進(jìn)行，特別適宜于對(duì)易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。

 

加工質(zhì)量高

 

離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，加工應(yīng)力和變形極小，適宜于對(duì)各種材料和低剛件零件進(jìn)行加工。

 

電子束加工與離子束加工工藝比較

 

原理比較

 

電子束加工是在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上，在極短的時(shí)間（幾分之一微秒）內(nèi)，其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽贡粵_擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，從而引起材料的局部熔化和氣化，被真空系統(tǒng)抽走。控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間，就可以達(dá)到不同的加工目的。如只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接；提高電子束能量密度，使材料熔化和氣化，就可以進(jìn)行打孔、切割等加工；利用較低能量密度的電子束轟擊高分子光敏材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理，即可以進(jìn)行電子束光刻加工。

 

離子束加工的原理和電子束加工基本類似，也是在真空條件下，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速聚焦，使之撞擊到工件表面。不同的是離子帶正電荷，其質(zhì)量比電子大數(shù)千、數(shù)萬(wàn)倍，如氬離子的質(zhì)量是電子的7.2萬(wàn)倍，所以一旦離子加速到較高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量，而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)加工的。離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。具有一定動(dòng)能的離子斜射到工件材料表面時(shí)，可以將表面的原子撞擊出來(lái)，這就是離子的撞擊效應(yīng)和濺射效應(yīng)；如果將工件直接作為離子轟擊的靶材，工件表面就會(huì)受到離子刻蝕；如果將工件放置在靶材附近，靶材原子就會(huì)濺射到工件表面而被濺射沉積吸附，使工件表面鍍上一層靶材原子的鍍膜；如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時(shí)，離子就會(huì)鉆進(jìn)工件表面，這就是離子的注入效應(yīng)。







特點(diǎn)比較

 

電子束加工的特點(diǎn)：



①由于電子束能夠極其細(xì)微地聚焦，甚至能聚焦到0.1μm，所以加工面積和切縫可以很小，是一種精密微細(xì)的加工方法。



②電子束能量密度很高，使照射部分的溫度超過(guò)材料的熔化和氣化溫度，去除材料主要靠瞬間蒸發(fā)，是一種非接觸式加工。工件不受機(jī)械力作用，不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形。加工材料范圍很廣，對(duì)脆性、韌性、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料都可以加工。



③電子束的能量密度高，因而加工生產(chǎn)效率很高，例如，每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個(gè)直徑為0.4mm的孔。



④可以通過(guò)磁場(chǎng)或電子對(duì)電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制，所以整個(gè)加工過(guò)程便于是先自動(dòng)化。特別是在電子束曝光中，從加工位置找準(zhǔn)到加工圖形的掃描。都可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在電子束打孔和切割時(shí)，可以通過(guò)電氣控制加工異型孔，實(shí)現(xiàn)曲面弧形切割等。



⑤由于電子束加工是在真空中進(jìn)行，因而污染少，加工表面不會(huì)氧化，特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料，一級(jí)純度要求極高的半導(dǎo)體材料。



⑥電子束加工需要一整套專業(yè)設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用有一定的局限性。

 

離子束加工的特點(diǎn)：



①由于離子束可以通過(guò)電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，離子束轟擊材料是逐層去除原子，離子束流密度及離子能量可以精確控制，所以離子刻蝕可以達(dá)到納米（0.001μm）級(jí)的加工精度。離子鍍膜可以控制在亞微米級(jí)精度，離子注入的深度和濃度也可極精確地控制。因此，離子束是所有特種加工方法中較精密、較微細(xì)的加工方法，是當(dāng)代納米加工技術(shù)的基礎(chǔ)。



②由于離子束加工是在高真空中進(jìn)行，所以污染少，特別適用于對(duì)易氧化的金屬、合金材料和高純度半導(dǎo)體材料的加工。



③離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它是一種微觀作用，宏觀壓力很小，所以加工應(yīng)力、熱變形等極小，加工質(zhì)量高，適合于對(duì)各種材料和低剛度零件的加工。



④離子束加工設(shè)備費(fèi)用貴、成本高，加工效率低，因此應(yīng)用范圍受到一定限制。

 

應(yīng)用比較

 

總體而言，電子束加工的加工效率更高，適用范圍更廣；而離子束加工的加工精度更大，是所有特種加工之中較精密、較細(xì)微的一種加工方式。

 

電子束加工根據(jù)其功率密度和能量注入時(shí)間的不同，可以用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和光刻等各種類型的加工。

 

離子束加工的應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大、不斷創(chuàng)新。目前用于改變零件尺寸和表面物理力學(xué)性能的離子束加工有：用于從工件上作去除加工的離子刻蝕加工；用于給工件表面涂覆的離子鍍膜加工；用于表面改性的離子注入加工等。

 

電子束與離子束的加工裝置都有真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分。主要不同的是電子束加工用的是電子槍，離子束加工用的是離子源系統(tǒng)。電子束加工相對(duì)于離子束加工，加工效率更高，使用范圍也更廣;離子束加工的加工精度更高，是所有特種加工方法中較精密、較微細(xì)的加工方法。







近年來(lái)，隨著納米科技和半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，具有多功能、高分辨率的電子束加工和聚焦離子束加工技術(shù)受到人們空前的重視，它們已成為當(dāng)前微米納米加工的重要手段。
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