第七章 电子束和离子束加工.ppt

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1、第七章电子束和离子束加工山东大学机械工程学院张建华第一节电子束加工一、电子束加工的基本原理和特点1、基本原理电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高的电子束，以极高的速度（当加速电压为50V时，电子速度可达1.6×105km/s）冲击到工件表面的极小面积上，在极短的时间(几分之一微秒)内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，而实现加工的目的。这种利用电子束热效应的加工，称为电子束热加工。电子束加工的另一种是利用电子束流的非热效应。功率密度较小的电子束流和电子胶相互作用，电能转化为化学能

2、，产生辐射化学或物理效应，使电子胶的分子链被切断或重新组合而形成分子量的变化以实现电子束曝光。采用这种方法，可以实现材料表面微槽或其他几何形状的刻蚀加工。特征线宽:100nm对准精度：15nm定位精度：2nm刻蚀深度：0.5μm由制造运动平台的极高准确度保证大型集成电路制造2、电子束加工的特点（1)由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0.1m,所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。微型机械中的光刻技术可达到亚微米级宽度。（2）电子束能量密度很高，在极微小束斑上能达到106～109w/cm2，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料

3、主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形。加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。（3）由于电子束的能量密度高，而且能量利用率可达90%以上，因而加工生产率很高。例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。厚度为200mm的钢板，电子束可以4mm/s的速度一次焊透。（4）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，所以整个加工过程便于实现自动化。其位置精度能精确到0.1m左右，强度和束斑尺寸可达到1%的控制精度。特别是在电子束曝光中，从加工位置找准到加工图形

4、的扫描，都可实现自动化。在电子束打孔和切割时，可以通过电气控制加工异形孔，实现曲面弧形切割等。（5)由于电子束加工在真空中进行，因而污染少，加工表面不氧化，特别适用于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。（6）电子束加工需要一套专用设备和真空系统，价格较贵，因而生产应用有一定局限性。二、电子束加工设备电子束加工设备主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。电子枪是获得电子束的装置，包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的阳极。在飞向阳极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜把

5、电子束聚焦成很小的束斑。发射阴极一般用钨或钽制成，在加热状态下发射大量电子。小功率时用钨或钽做成丝状阴极；大功率时用钽做成块状阴极。控制栅极为中间有孔的圆筒形，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子束的强弱，又有初步的聚焦作用。加速阳极通常接地，而阴极为很高的负电压，所以能驱使电子加速。真空系统是为了保证在电子束加工时维持1.33×10-2～1.33×10-4Pa的真空度，以避免电子与气体分子之间的碰撞，确保电子高速运动。此外，加工时的金属蒸汽会影响电子发射，产生不稳定现象。因此，需要不断地把加工中产生的金属蒸汽抽出去。真空系统一般由机械旋转泵和油扩散泵或涡轮

6、分子泵两级组成，先用机械旋转泵把真空室抽至1.4～0.14Pa，然后由油扩散泵或涡轮分子泵抽至0.014～0.00014Pa的高真空度。电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制、工作台位移控制、束流通断时间控制、束流偏转控制以及电磁透镜控制等几个部分。电子束加工装置对电源电压的稳定性要求较高，常用稳压设备，这是因为电子束聚焦以及阴极的发射强度与电压波动有密切关系。三、电子束加工的应用电子束加工可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和曝光加工等。1、打孔电子束打孔已在航空航天、电子、化纤以及制革等工业生产中得到实际应用，目前最小直径可达

7、0.001mm左右。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。在厚度为0.3mm的材料上加工出直径为0.1mm的孔，其孔径公差为9m。打孔的速度主要取决于板厚和孔径，孔的形状复杂时还取决于电子束扫描速度（或偏转速度）以及工件的移动速度。通常每秒可加工几十到几万个孔。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼的吸附屏上的孔，不仅孔的密度可以连续变化，孔数达数百万个，而且有时还可改变孔径，最宜用电子束高速打孔。高速打孔可在工件运动中进行，例如在0.lmm厚的不锈钢上加工直径为0.2mm的孔，速度为每秒3000个孔。电子束加工的喷丝头异型

8、孔，出丝口的窄缝宽度为0.03～0.0