第5章_高能束加工.

第5章高能束加工基本内容•激光加工激光加工的原理和特点；激光加工的基本设备;加工工艺及应用.•电子束加工电子束加工的基本原理;设备及其应用.•离子束加工加工的基本原理;设备及应用激光加工（LaserBeamMachining，简称LBM）、离子束加工（IonBeamMachining，简称IBM）、电子束加工（ElectronBeamMachining，简称EBM）是新兴发展起来的特种加工技术。1949年德国首次在0.5mm不锈钢板上加工出0.2mm的小孔；1957年法国研究出第一台电子束加工设备；1960年美国第一台固体激光器。1961年我国在长春研究成功红宝石激光器。5.1概述5.2离子束加工5.2离子束加工加工•1.离子束加工的基本原理•在真空条件下，将惰性气体由离子经过电场加速,获得具有一定速度的离子束在经过聚束和聚焦投射到材料表面,以其动能轰击工件表面，产生撞击效应、溅射和注入效应,这就是离子束加工的物理基础.5.1离子束加工5.1离子束加工离子碰撞过程：当入射离子碰到工件表面时，撞击原子、分子发生能量交换。离子失去的部分能量传给工件表面的原子、分子，当能量足够大时，使它们从基体材料中分离出来，由此产生工件材料的溅射。剩余的能量转变为材料晶格的振动。同时入射离子与原子、分子进行能量交换，可以是一次或者多次碰撞。物理过程离子碰撞过程模型图被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空5.1离子束加工离子束加工与经过聚焦加速后，靠离子打击加工件的动能，或将工件的原子撞击出来(撞击效应)，或将靶材的原子撞出后飞溅沉积到工件表面上（溅射效应），或直接将离子束中的离子打入工件表层之内(注入效应)。可实现对材料的“毫微米级”或“原子级加工”。碰撞效果5.1离子束加工2.加工设备5.1离子束加工离子束加工设备主要有：离子源（离子枪）、真空系统、控制系统和电源系统。离子源的工作原理：气体被注入到电离室、然后使其放电，电子与气体原子发生碰撞使其电离，从而得到等离子体。采用一个相对等离子体为负电位的电极，将正离子由等离子体中引出，而后使其加速射向工件或者靶材。等离子体：多种离子的集合体。5.1离子束加工•3.离子束加工的特点•⑴是一种精密微细的加工方法。可控性好，是所有现代加工方法中最精密、最微细的加工方法。•⑵在高真空中进行，污染少，尤其适宜对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。材料加工表面不氧化.•⑶非接触式加工，不会产生应力和变形,宏观压力小，加工中产生应力、变形也小，不但加工工件表面质量高，而且对材料适应性强。•(4)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，设备成本高，加工效率低，应用范围受限。5.1离子束加工4.离子束加工的分类和应用可以实现精密、微细及光整加工，尤其是亚微米至纳米级精度的加工，可将材料的原子一层层地铣削下来，使工件加工的精度、表面粗糙度的控制近乎极限。可以较好地实现材料的表面改性处理，使用离子束还可以向工件表面进行离子溅射沉积和离子镀膜加工。一台设备离子束加工，既可用于加工，又可用于蚀刻、熔化、热处理、焊接等。5.1离子束加工•4.1离子束加工的分类离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。蚀刻又可在分为溅散蚀刻和离子蚀刻两种。离子在电浆产生室中即对工件进行撞击蚀刻，为溅散蚀刻。产生电子使以加速之离子还原为原子而撞击材料进行蚀刻为离子蚀刻。5.1离子束加工◎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。离子束溅射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聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台图离子束去除加工装置◎加工装置见右图。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的摆动和绕垂直轴的转动。4.2离子束工加工的应用：5.1离子束加工◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（见下图），大规模集成电路芯片刻蚀等。图离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01μm预加工终加工a)金刚石压头r=0.01μm离子束离子束预加工终加工b)金刚石刀具◎离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。5.1离子束加工离子蚀刻加工•当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此入射离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量超过了工件表面原子（或分子）间的镀合力时，材料表面的原子（或分子）就从工件表面撞击逐个溅射出来，以达到刻蚀加工目的。•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。5.1离子束加工在离子源中，惰性气体氩（压强为1～10帕）被电离而形成等离子体，引出加速系统是一组具有不同电位的多孔栅极，用来抑制电子并引出离子束。在引出加速系统和靶面之间有一个热灯丝中和器，它发射电子使离子束中和，从而避免正离子轰击绝缘体表面产生电荷积累，减小正离子空间电荷的发散作用，使离子束的均匀性得到改善。5.1离子束加工靶可以倾斜和旋转。靶的倾斜是为了改变离子束轰击基片的角度，以控制刻蚀图形侧壁的倾斜角度和改变刻蚀速率。靶的旋转则可以改善刻蚀的均匀性。在离子束刻蚀机中，决定刻蚀特性的主要参量是离子束的电流密度，离子能量和离子束轰击基片的角度。5.1离子束加工•该种方法是一种微细加工，可完成多种加工。如加工致薄材料镍箔，可加工出直径为20的孔；在厚度为0.04-0.3的钽、铜、金、铝、铬、银等薄膜上加工直径为30-10d的孔。离子蚀刻用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽、加工极薄材料及超高精度非球面透镜。分辨率高，精度、重复一致性好。离子束蚀刻应用的另一个方面是蚀刻高精度图形，如集成电路、光电器件和光集成器件等征电子学构件。太阳能电池表面具有非反射纹理表面。离子束蚀刻还应用于减薄材料，制作穿透式电子显微镜试片。5.1离子束加工离子束镀膜加工离子束镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种形式。A.离子溅射沉积•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。5.1离子束加工B.离子镀膜离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa），此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。5.1离子束加工离子镀覆时工件不仅接受靶材溅射来的原子，同时还受到离子的轰击，这使离子镀覆有许多独特的优点：•镀覆面积大(所有被暴露在外的表面均能被镀覆)、镀膜附着力强、膜层不易脱落、提高或改变材料的使用性能。可在金属或非金属、各种合金、化合物、某些合成材料、半导体材料、高熔点材料均可镀覆，使用广泛，如工具上覆盖高硬度的碳化钛、可以大大提高其使用寿命。钢的表面热处理，进行离子氮化，以强化表面层，可以大大提高耐磨性。•离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。•离子束装饰膜。•离子束镀膜代替镀铬硬膜，可减少镀铬公害。•提高刀具的寿命。5.1离子束加工离子注入•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，可使离子钻进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。•此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。5.1离子束加工离子注入是将所需要的元素进行电离，并进行加速，把离子直接注入工件表面，它不受热力学限制，可以注入任何离子，且注入量可以精确控制，注入的离子是固溶在工件材料中，含量可达10%-40%，注入深度可达l甚至更深。离子注入是半导体参杂的一种新工艺，在国内外都很普遍。已广泛应用于微波低噪声晶体管、雪崩管、场效应管、太阳能电池、集成电路等制造中。5.3电子束加工加工•1.电子束加工的基本原理真空条件下，由电子枪旁热阴极发射的电子，在高电压（80-200kV）强电场作用下被加速到很高的速度（1/2-1/3光速），然后通过电子透镜聚焦和加速形成高能量密度(106-109W/mm2)的沿电场强度相反方向形成高速电子束。当电子束冲击到工件时，在极短的时间内使受冲击部位的温度升高到几千摄氏度以上，使材料瞬间熔化或汽化，达到去除材料和添加材料的目的.5.3电子束加工5.3电子束加工由于高能束流冲击工件表面时，电子的动能瞬间大部分转变为热能。由于光斑直径极小(其直径在微米级或更小)，在轰击处形成局部高温，可使被冲击部分的材料在几分之一微秒内，温度升高到几千摄氏度以上，使材料局部快速汽化、蒸发而实现加工目的。所以电子束加工是通过热效应进行的。电磁透镜实质上只是一个通直流电流的多匝线圈，其作用与光学玻璃透镜相似，当线圈通过电流后形成磁场。利用磁场，可迫使电子束按照加工的需要作相应的偏转。5.3电子束加工2.电子束加工设备电子束加工设备的基本结构如下图所示，它主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。(教详细图见下页)1-发射阴极2-控制栅极3-加速阳极4-聚焦系统5-电子束斑点6-工件7-工作台5.3电子束加工电子枪、真空系统、控制系统、电源等部分。电子枪包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。阴极经过电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的阳极，在飞向阳极过程中经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束斑。真空系统是为了电子束加工时维持一定的真空度，以避免电子与气体分子之间的碰撞，确保电子的高速运动。同时金属蒸气会影响电子发射，产生不稳定现象，也需将金属蒸汽抽出。5.3电子束加工控制系统：束流通断时间控制、束流强度控制、束流聚焦控制、束流位置控制、束流偏转控制、电磁透镜控制、工作台位置控制等。5.3电子束加工3.电子束加工特点及应用电子束加工的特点:⑴加工材料范围广泛，且与材料的强度无关。⑵能量密度很高、生产率很高。能达到107-109W/cm2，使照射部分的温度超过材料的熔化和汽化温度。加工速度快，效率非常高。能量使用率可高达90％。每分钟可在0.1mm厚的钢板上加工出3000个直径为0.2mm的孔。5.3电子束加工⑶束斑极小。由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至聚焦到0.1μm，加工面积可以很小,能加工精微深孔、窄缝、半导体集成电路等，是一种精密微细的加工方法。可达到亚微米级宽度。⑷非接触加工。去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。不存在工具磨耗问题，无机械切削力作用，工件不易产生宏观应力和变形。5.3电子束加工(5)可控制性能好。亦可采用计算机进行控制。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，可加工出斜孔、弯孔及特殊表面，便于实现自动化生产。位置控制精度能准确到0.1左右，强度和斑束尺寸可达到1%的控制精度。(6)在真空腔中进行，污染少，材料加工表面不氧化。特适用加工易氧化的金属及合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料。5.3电子束加工•(7)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格较贵。又由于有一定局限性，因此除了特定需要，一般为激光加工所代替。5.3电子束加工电子束加工的应用⑴高速打孔电子束打孔已在生产中实际应用。目前，电子束打孔的最小直径已达1μm。孔径在0.5-0.9mm时，其最大孔深已超过10mm，即孔深径比大于15∶1。打孔的速度主要取决于板厚和孔径，通常每秒可加工几十至几万个孔，而且有时还可以改变孔径。电子束打孔的孔径范围为0.02-0.003mm。5.3电子束加工•不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达0.003mm，最大深径比可达10。•像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类孔数量巨大（高达数百万）