电子束和离子束加工

第六章电子束和离子束加工电子束加工(Electron Beam Machining简称EBM)和离子束加工(Ion Beam Machining简称IBM)是近年来得到较大发展的新兴特种加工。

它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。

电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工。

离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工。

近期发展起来的亚微米加工和毫微米(纳米)加工技术，主要是用电子束加工和离子束加工。

第一节电子束加工一、电子束加工的原理和特点(一)电子束加工的原理如图6-1所示，电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106~109W／cm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，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，被真空系统抽走。

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进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，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0．1µm。

所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。

2)电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，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)电子束的能量密度高，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。

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。

电子束与离子束的原理及其异同模具三班一、1.电子束与离子束的加工原理比较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，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，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，被真空系统抽走。

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，使材料熔化和气化，就可以进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子光敏材料时产生化学变化的原理，即可以进行电子束光刻加工。

离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面。

不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能转化为热能来加工的。

离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。

具有一定动能的离子斜射到工件材料表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应二、聚焦离子束聚焦式离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术。

由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓。

在离子柱顶端外加电场于液态金属离子源，可使液态金属或合金形成细小尖端，再加上负电场牵引尖端的金属或合金，从而导出离子束，然后通过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径可决定离子束的大小，而后用E ×B质量分析器筛选出所需要的离子种类，最后通过八极偏转装置及物镜将离子束聚焦在样品上并扫描，离子束轰击样品，产生的二次电子和离子被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割或研磨。

第八章电子束和离子束加工8.1 电子束加工概述电子束作为高能量密度热源，早已为人们所注意。

但直到1949年，联邦德国的斯太格瓦尔德才在0.5mm厚的不锈钢薄板上，用电子束钻出直径为0.2mm的孔。

1952年，研制出加速电压为125kV、功率为2.5kW的电子束装置，并钻出人造纤维喷丝板。

1957年，法国原子能委员会的斯托尔研制成功世界第一台用于生产的电子束焊接机。

原来用氩弧焊接的原子反应堆燃料元件锆包装封口，废品率高达30%，而采用电子束焊接后，所制产品全部合格。

这一成果显示出电子束加工的潜在前景，引起了世界各国重视。

1959年，联邦德国研制出多种用途的电子束加工机，可以用来钻孔、铣切和焊接。

20世纪60年代初，电子束打孔、铣切、焊接、镀膜、熔炼、区熔等技术，已成功地应用到原子能、航天、航空、电子和精密机械等部门中，促进了尖端技术的发展。

20世纪60年代中期，电子束加工技术又在新的领域内得到应用。

这一新技术就是电子束曝光。

随着微电子学的发展、集成度的提高，要突破常规光刻工艺所能达到的最小线宽——2μm的极限，必须探索新的光刻工艺。

受到扫描电镜高分辨率的启发，人们利用扫描电镜在光致抗蚀剂上进行曝光，终于得到了高分辨率的线条。

当时，单线条宽度可以达到45nm。

1967年，日本电子公司研制成JBX-2型扫描电子束曝光机。

此后，法国、美国等也研制出了扫描电子束曝光机。

70年代，人们开始致力于扫描电子束曝光机在电子器件生产线上的实用化研究，以提高微电子器件的生产效率和产品率。

目前扫描电子束曝光技术在微电子学工艺中制作掩膜或器件所能达到的最小线宽小于0.1μm。

我国对电子束加工技术的研究始于1960年。

最初是从电子束焊接和打孔着手。

60年代初先后研制出电子束焊接机、电子束打孔机以及人造纤维喷丝板电子束打孔机。

60年代中期，还研制出多种电子束熔炉、区域熔炼炉、镀膜机等设备。

70年代又进行了电子束曝光技术的研究，取得了许多领先的研究成果。

电子束加工和离子束技术的原理及电子束加工的应用一、电子束加工和离子束技术的原理及其比较1、电子束加工的原理电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量极高（106~109w/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微妙）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，被真空系统抽走。

下面特殊介绍一下快速扫描电子束加工技术原理，通过对电子枪偏转线圈和聚焦线圈的控制，使电子束在工件上按特定的轨迹、速率和能量快速偏转而实现快速扫描电子束加工。

由于电子束几乎没有质量和惯性，可以实现非接触的偏转，而且通过电压控制，可以在不同的位置切换时控制束流通断，这样，束流就可以在构件的不同位置以极高的频率切换。

由于材料的热惯性，通过束流与材料的相互作用，在这些位置上就会同时产生冶金效果，实现电子束的扫描加工。

总的来说，电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（105～109w/cm2）的电子束。

当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。

由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。

电子束加工机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室，以及观察装置等部分组成。

先进的电子束加工机采用计算机数控装置，对加工条件和加工操作进行控制，以实现高精度的自动化加工。

电子束加工机的功率根据用途不同而有所不同，一般为几千瓦至几十千瓦。

2、离子束技术的原理离子束加工技术是在真空条件下，将氩、氪、氙等惰性气体通过离子源产生离子束，经加速、集束、聚焦后，射到被加工表面上以实现各种加工的方法。

电子行业电子束和离子束加工简介在电子行业中，电子束和离子束加工是两种常用的微细加工技术。

它们利用高能电子束和离子束对材料进行加工，具有高精度、高效率和非接触等特点，在电子器件制造、表面改性和纳米加工等领域有广泛应用。

电子束加工基本原理电子束加工利用高速运动的电子束对材料表面进行加工。

通过控制电子束的能量和聚焦方式，可以实现在纳米到微米级别的精确加工。

其基本原理如下：•加速电子：采用电子枪将电子加速到较高能量，通常在几十千伏至几百千伏之间。

•焦点控制：利用一系列电场和磁场聚焦系统，将电子束聚焦到较小的直径，达到高分辨率的效果。

•扫描加工：通过控制电子束的位置和扫描速度，实现对材料表面的精确加工。

应用领域电子束加工在电子行业中有广泛的应用，包括但不限于以下领域：1.纳米微型器件加工：电子束加工可用于制造微型电子器件，如纳米线、纳米晶体管和MEMS器件等。

2.光刻：电子束激光刻蚀技术是集成电路制造中常用的工艺之一。

3.表面改性：通过控制电子束的能量和扫描方式，可以实现对材料表面的纹理、硬度和导电性等物理性质的改变。

4.纳米加工：电子束可以直接对纳米颗粒进行加工，制备纳米材料和纳米结构。

离子束加工基本原理离子束加工利用高能离子束对材料进行加工。

与电子束加工相比，离子束加工具有更高的穿透能力和更大的功率密度，可以实现更深入和更精确的加工效果。

其基本原理如下：•加速离子：采用离子源将离子加速到高能量，通常在几百电子伏至几千电子伏之间。

•焦点控制：通过控制电场和磁场分别作用的方式，实现对离子束的聚焦控制。

•碰撞损伤：高速离子束与材料表面相碰撞，产生碰撞损伤和表面变化。

应用领域离子束加工在电子行业中也有广泛的应用，主要应用于以下领域：1.纳米加工：离子束加工可用于纳米线、纳米颗粒和纳米薄膜的制备。

2.材料改性：通过离子束的碰撞和改变材料表面的结构，可以实现材料的硬化、改变导电性和抗腐蚀等性能。

3.表面涂层：离子束沉积技术可以实现对材料表面的镀膜、涂层和纳米颗粒的制备。

第六章电子束和离子束加工电子束加工(Electron Beam Machining简称EBM)和离子束加工(Ion Beam Machining简称IBM)是近年来得到较大发展的新兴特种加工。

它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。

电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工。

离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工。

近期发展起来的亚微米加工和毫微米(纳米)加工技术，主要是用电子束加工和离子束加工。

第一节电子束加工一、电子束加工的原理和特点(一)电子束加工的原理如图6-1所示，电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106~109W／cm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，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，被真空系统抽走。

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进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，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0．1μm。

所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。

2)电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，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)电子束的能量密度高，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。

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。

电子束加工和离子束技术的原理及电子束加工的应用一、电子束加工和离子束技术的原理及其比较1、电子束加工的原理电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量极高（106~109w/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微妙）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，被真空系统抽走。

下面特殊介绍一下快速扫描电子束加工技术原理，通过对电子枪偏转线圈和聚焦线圈的控制，使电子束在工件上按特定的轨迹、速率和能量快速偏转而实现快速扫描电子束加工。

由于电子束几乎没有质量和惯性，可以实现非接触的偏转，而且通过电压控制，可以在不同的位置切换时控制束流通断，这样，束流就可以在构件的不同位置以极高的频率切换。

由于材料的热惯性，通过束流与材料的相互作用，在这些位置上就会同时产生冶金效果，实现电子束的扫描加工。

总的来说，电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（105～109w/cm2）的电子束。

当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。

由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。

电子束加工机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室，以及观察装置等部分组成。

先进的电子束加工机采用计算机数控装置，对加工条件和加工操作进行控制，以实现高精度的自动化加工。

电子束加工机的功率根据用途不同而有所不同，一般为几千瓦至几十千瓦。

2、离子束技术的原理离子束加工技术是在真空条件下，将氩、氪、氙等惰性气体通过离子源产生离子束，经加速、集束、聚焦后，射到被加工表面上以实现各种加工的方法。