电子束加工原理与主要加工装置的区别_电子束加工原理与主要加工装置

电子束加工和离子束加工是近年来得到极大发展的新型特种加工。它们广泛应用于精密微加工，尤其是微电子领域。一般来说，电子束加工主要用于钻焊等热加工和电子束光刻化学加工，而离子束加工主要用于离子刻蚀、离子镀和离子注入。

电子束加工原理

电子束加工起源于德国。1948年，德国科学家斯特格瓦发明了第一台电子束加工设备。它是一种利用高能量密度电子束加工材料的方法。

在真空条件下，电子枪中产生的电子被加速聚焦，能量密度为106 ~ 109 W/cm2的超细束高速撞击在工件表面的微小部位，其大部分能量在几分之一微秒内转化为热能，使工件被撞击部位的材料达到几千摄氏度，导致材料局部熔化或蒸发以去除材料。

通过控制电子束能量密度和能量注入时间，可以实现不同的加工目的：

1、电子束热处理可以仅通过局部加热材料来进行；

2、电子束焊接可以通过局部熔化材料来进行；

3、提高电子束的能量密度使材料熔化汽化，从而可以进行钻孔和切割；

4、电子束光刻可以根据低能量密度的电子束轰击高分子材料时发生化学变化的原理进行。

电子束主加工装置

电子束加工装置主要由以下部分组成：

电子枪

一种用于获得电子束的装置，包括：

1、电子发射阴极-由钨或钽制成，加热时发射电子。

2、控制栅极——不仅控制电子束的强度，还具有初步的聚焦效果。

3、加速阳极——通常接地，因为阴极有非常高的负压，可以带动电子加速。

真空系统

确保电子加工所需的真空。电子束加工的真空度一般保持在1.3310-2~ 1.3310-4 Pa。

控制系统和电源

控制系统包括光束聚焦控制、光束位置控制、光束强度控制和工作台位移控制。

束聚焦控制：提高电子束的能量密度，它决定了加工点的孔径或狭缝宽度。

聚焦方法：一是利用高压静电场将电子流聚焦成细束；另一种方法是用“电磁透镜”通过磁场聚焦。

电子束位置控制：改变电子的方向。

工作台位移控制：在加工过程中控制工作台的位置。

电源：要求电压稳定性高，常用稳压电源。

电子束加工技术的特点

电子束可以非常精细地聚焦(可达1 ~ 0.1微米)，因此可以进行微加工。

加工材料范围广。可以加工具有各种机械性能的导体、半导体和非导体材料。

加工效率很高。

加工在真空中进行，污染小，加工表面不易氧化。

电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格昂贵，所以在一定程度上限制了生产。

离子束加工原理

在真空条件下，离子源产生的离子束被加速、聚焦并投射到工件表面。由于离子带正电，其质量比电子大几千倍甚至上万倍，撞击工件时具有很大的冲击动能，从而可以通过微观的机械冲击对工件进行加工。

离子束和电子束加工的原理基本相同。主要区别是离子带正电，质量比电子大几千倍甚至上万倍，所以在电场中加速慢，但一旦加到更高的速度，就比电子束有更大的冲击动能。

电子束加工是通过将电能转换成热能来进行的。离子束加工是通过将电能转换成动能来进行的。

分类

当用能量为0.1 ~ 5 kev、直径为几十纳米的氩离子轰击工件表面时，当高能离子传递的能量超过工件表面原子(或分子)之间的结合力时，材料表面的原子(或分子)被逐一溅射，达到加工目的。这种加工本质上是原子尺度的切削加工，通常称为离子铣削。

离子刻蚀可用于加工空气轴承槽、冲孔、加工极薄材料和超高精度非球面透镜，也可用于刻蚀集成电路等高精度图形。

离子溅射沉积

用能量为0.1 ~ 5 kev的氩离子轰击由某种材料制成的靶，靶原子被敲出，沉积在工件表面形成薄膜。实际上，这种方法是一种涂层工艺。

离子电镀法

离子镀一方面是将靶材发射的原子沉积在工件表面，另一方面有高速中性粒子撞击工件表面，增强涂层与基体的结合力(可达10 ~ 20 MPa)。

这种方法适应性强，薄膜均匀致密，韧性好，沉积速度快，目前已得到广泛应用。

离子注入

能量为5 ~ 500 kev的离子束直接轰击工件表面。由于离子能量相当大，离子可以钻入工件材料的表层，改变其化学成分，从而改变工件表层的机械和物理性能。

这种方法不受温度、注入哪些元素和粒子量、不同离子(如磷、氮、碳等)的限制。)可根据不同需求植入。注入的表面元素均匀性好，纯度高，注入粒子的量和深度可以控制，但设备成本高，成本高，生产率低。

离子束加工过程的特点；

高加工精度

离子束加工是目前最精密和精细的加工技术。离子刻蚀可以达到纳米精度，离子镀膜可以控制在亚微米精度，离子注入的深度和浓度也可以精确控制。

环境污染少

离子束加工是在真空中进行的，特别适合于加工易氧化的金属、合金和半导体材料。

高加工质量

离子束加工是通过离子轰击材料表面的原子来实现的，加工应力和变形最小，适用于加工各种材料和低硬度零件。

电子束加工和离子束加工工艺的比较

原理比较

电子束加工是利用能量密度极高的聚焦电子束，以非常高的速度冲击工件表面非常小的区域。在极短的时间内(几分之一微秒)，其大部分能量转化为热能，使被冲击部位的材料达到几千摄氏度的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。通过控制电子束的能量密度和能量注入时间，可以达到不同的加工目的。例如，电子束热处理可以只对材料进行局部加热；电子束焊接可以通过局部熔化材料来进行；通过增加电子束的能量密度，使材料熔化气化，从而进行钻孔和切割；基于低能量密度的电子束轰击聚合物光敏材料时发生化学变化的原理，可以进行电子束光刻。

离子束加工的原理与电子束加工基本相似，即在真空条件下，将离子源产生的离子束加速聚焦，使其撞击工件表面。不同的是，离子带正电，质量是电子的几千倍或几万倍。比如氩离子的质量是电子的72000倍，所以一旦离子被加速到更高的速度，离子束比电子束具有更大的冲击动能，它们被微观的机械冲击能量处理，而不是将动能转化为热能。离子束加工的物理基础是离子束撞击材料表面时的撞击效应、溅射效应和注入效应。当具有一定动能的离子斜入射到工件材料表面时，可以将表面的原子敲出，这就是离子的撞击效应和溅射效应；如果直接将工件作为离子轰击的靶，工件表面会被离子刻蚀；如果将工件放在靶材附近，靶材原子会溅射到工件表面，被溅射沉积所吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的涂层；如果离子能量足够大，垂直撞击工件表面，离子就会钻入工件表面，这就是离子注入效应。

特性比较

电子束加工的特点；

由于电子束可以非常精细地聚焦，甚至可以聚焦到0.1m，所以加工面积和切口可以非常小，是一种精密而精细的加工方法。

(2)电子束的能量密度很高，使被照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，材料主要靠瞬间蒸发去除，这是一种非接触式加工。工件不受机械力的影响，不产生宏观应力和变形。可加工的材料范围很广，包括脆性、延展性、导电性、非导电性和半导体材料。

(3)电子束具有高能量密度，因此加工效率非常高。例如，每秒钟可以在2.5毫米厚的钢板上钻50个直径为0.4毫米的孔。

电子束的强度、位置和焦点可由磁场或电子直接控制，因此整个加工过程易于首先实现自动化。特别是在电子束曝光中，需要找到加工位置并扫描加工图案。可以自动化。在电子束钻孔和切割过程中，可以通过电气控制加工异形孔，实现曲面电弧切割。

由于电子束加工是在真空中进行的，污染小，加工表面不会氧化，特别适合加工易氧化的金属及合金材料和一级纯度要求极高的半导体材料。

电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格昂贵，在生产和应用中有一定的局限性。

离子束加工的特点；

由于离子束可以被电子光学系统聚焦扫描，离子束轰击材料逐层去除原子，离子束电流密度和离子能量可以精确控制，因此离子刻蚀的加工精度可以达到纳米(0.001m)级。离子镀可以控制在亚微米精度，离子注入的深度和浓度也可以控制得非常精确。因此，离子束是所有特种加工方法中最精密、最精细的加工方法，是当代纳米加工技术的基础。

(2)由于离子束加工是在高真空下进行的，因此污染少，特别适合于加工易氧化金属、合金材料和高纯度半导体材料。

离子束加工是通过离子轰击材料表面的原子来实现的。它是一个微动作，宏观压力很小，所以加工应力和热变形很小，加工质量高，适合加工各种材料和低刚度零件。

离子束加工设备昂贵，成本高，加工效率低，应用范围有限。

应用比较

一般来说，电子束加工的加工效率更高，适用范围更广；离子束加工具有较高的加工精度，是特种加工中最精密、最精细的加工方法

离子束加工的应用范围日益扩大和创新。目前，用于改变零件尺寸和表面物理机械性能的离子束加工包括：用于从工件上去除的离子刻蚀；用于涂覆工件表面的离子镀工艺；用于表面改性的离子注入等。

电子束和离子束加工装置都有真空系统、控制系统和电源。主要区别在于电子束加工使用电子枪，而离子束加工使用离子源系统。与离子束加工相比，电子束加工具有更高的加工效率和更广的应用范围。离子束加工具有较高的加工精度，是所有特种加工方法中最精密、最精细的加工方法。

近年来，随着纳米技术和半导体集成电路产业的快速发展，多功能、高分辨率的电子束加工和聚焦离子束加工技术受到了前所未有的关注，成为微米和纳米加工的重要手段。