先进制造技术——高能束加工new

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1、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。特种加工——高能束加工离子束加工是利用离子束对材料进行成型或改性的加工方法。在真空条件下，将由离子源产生的离子经过电场加速，获得

2、一定速度的离子束投射到材料表面，产生溅射效应和注入效应。离子束加工基本原理离子碰撞过程：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。离子束加工物理过程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

3、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。加工设备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。中性损失：通向离子源的气体未经电离而损失的那部分流量。中性损失要小比较好。1、易于精确控制：通过离子光学聚焦。2、污染少，在真空中进行，适合易氧

4、化的金属、合金、半导体材料等。3、加工应力小、变形极小、对材料适应性强。离子束加工技术有四种：离子束刻蚀、溅射镀膜、离子镀、离子注入。加工特点◎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。◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5

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。离子束刻蚀：通过带能离子或者电子对靶轰击，将靶原子从靶面移去的工艺过程。为避免入射离子与工件材料发生化学反应，必须使用惰性元素的离子（通常是氩离子）。刻蚀速度视靶材料而异。用于：1、高精度加工，可刻蚀精细图形。2、可作为精抛光工序，消除机械加工的刻痕和表面应力。溅射镀膜：基于粒子轰

6、击靶材时的溅射效应。工艺：1、合金膜的镀制2、化合物膜的镀制应用：1、硬质膜溅射：高速钢刀具上镀氮化钛超硬膜2、固体润滑膜：齿轮齿面和轴承镀二硫化钼润滑膜。离子束溅射镀膜加工◎用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”（右图）◎离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。◎溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。◎由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空图离子束溅射镀膜加工离子镀：膜层

7、在沉积的同时又受到高能粒子束的轰击，可改变膜层与基体的附着力、膜层状态、密度及内应力等。应用：1、耐磨功能膜（刀具、模具等）。2、润滑功能膜（发动机的转动部件等）。3、抗蚀功能膜。4、耐热功能膜。5、装饰功能膜（手表带、表壳、装饰品等）。离子束注入：将工件放在离子注入机的真空靶中，在几十至几百千伏的电压下，把所需元元素的离子注入工件表面。应用：1、半导体方面：制造特殊要求的半导体器件。2、表面改性：抗蚀、抗疲劳、润滑、耐磨等。离子束注入机：离子注入是在一种叫做离子注入机的设备上进行的。离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而

8、于上世纪60年代问世。虽然有一些不同的类型，但它们一般都由以下几个主要部分组成：（1）离子源，用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头；（2）加速器，对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量；（3）离子束的质量分析（离子种类的选择）；（4）离子束的约束与控制；（5）靶室；（6）真空系