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第六章 电子束和离子束加工 6.1 电子束加工 一. 电子束加工原理和特点 （一）加工原理 ? 电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图6-1所示。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。 控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。 （二）电子束加工特点 (1) 可进行微细加工。 (2) 非接触式加工。 (3) 电子束的能量密度高，加工效率高。 （4） 整个加工过程便于实现自动化。 (5)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 （6）电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵。 二. 电子束加工装置 （二）．真空系统 只有在高真空中，电子才能高速运动，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B9f地把加工中生产的金属蒸汽抽出去。 抽真空时，先用机械旋转泵把真空室抽至1.4一0.14Pa，然后由油扩散泵或祸轮分子泵抽至0.014—0.00014Pa的高真空度。 （三）．控制系统和电源 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、束流强度控制以及工作台位移控制等。 工作台位移控制是为了在加工过程中控制工作台的位置。 三.电子束加工的应用 （一）高速打孔 电子束打孔已在生产中实际应用，目前最小直径可达0.003mm左右。例如喷气发动机套上的冷却孔，机翼上的孔，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。高速打孔可在工件运动中进行，例如在0.1mm厚的不锈钢上加工直径为0.2mm的孔，速度为每秒3000孔。 在人造革、塑料上用电子束订大量微孔，可使其具有如真皮革那样的透气性。现在生产上已出现了专用塑料打孔机，将电子枪发射的片状电子束分成数百条小电子束同时打孔，其速度可达每秒50 000孔，孔径120—40微米可调。 （二）加工型孔及特殊表面 图电子束加工的喷丝头异型孔截面的一些实例。出丝口的窄缝宽度为0.03-0.07mm，长度为0.80 mm，喷丝板厚度0.6mm。为了使人造纤维具有光泽、松软有弹性、透气性好，喷丝头的异型孔那是特殊形状的。 （三）刻蚀 在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，可利用电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔来，如在硅片上刻出宽2.5微米、深0.25微米的细槽，在混合电路电阻的金属镀层上刻出40 微米宽的线条。 （四）焊接 电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。由于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊接的焊缝深而窄，热影响区小，变形小。电子束焊接一般不用焊条，焊接过程在真空中进行，因此焊缝化学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。 电子束焊接可以焊接难熔金属如钽、铌、钼等，也可焊接钛、锆、铀等化学性能活泼的金属。它可焊接很薄工件，也可焊接几百毫米厚的工件。 电子束焊接还能完成一般焊接方法难以实现的异种金属焊接。如铜和不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接， （五）热处理 电子束热处理也是把电子束作为热源．但适当控制电子束的功率密度．使金属表面加热而不熔化，达到热处理的目的。 电子束热处理在真空中进行，可以防止材料氧化。 （六）光刻 电子束光刻先利用低功率的电子束照射高分子材料，由入射电子束与高分子相碰撞，经电子曝光后，在高分子材料中留下潜像。 6.2 离子束加工（ion beam machining，IBM） 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。 1离子刻蚀 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，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子（或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐个溅射出来，以达到加工目的。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。 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度图形。 2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。 3）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