电子束和离子束的加工技术

1.电子束加工

(1)电子束加工的基本原理　如图12－36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的电子束(106～109W/cm2)，以极高的速度冲击到工件表面的极小面积(直径为5～10μm的斑点)上，在极短时间内(几分之一微秒)内，将大部分动能转变成热能，使工件被冲击部分材料达到几千摄氏度以上，热量还来不及向周围扩散。就已把局部材料瞬时熔化、气化，被真空系统抽走，实现加工。

(2)电子束加工的特点及应用　电子束由于能量密度高，聚焦点范围小，加工速度快，电子束强度和位置可控制，自动化程度高，属于精密微细加工。而且加工过程无法宏观切削力，工件不产生宏观应力与变形。可加工材料范围广，对各种硬脆性、韧性、导体、非导体、热敏性、易氧化材料，金属和非金属材料都可以加工。而且在真空室内进行加工，工件表面不氧化，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。

由于电子束能量大小及能量注入时间的可控制，电子束加工可用于电子束热处理、电子束焊接、打孔、切割及高分子材料进行电子束光刻加工等。

图12－36　电子束加工原理及设备组成

图12－37所示为电子束加工的喷丝头异形孔截面，出丝口的窄缝宽度为0.03～0.07mm，长度为0.80mm，喷丝厚为0.6mm。(www.xing528.com)

图12－37　电子束加工的喷丝头异形孔

2.离子束加工

(1)离子束加工的基本原理　离子束加工的基本原理与电子束加工相似，也是在真空条件下，把氩、氪、氙等惰性气体，通过离子源产生离子束，并经过加速、聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以实现去除加工。与电子束加工不同的是，离子带正电荷，其质量比电子大很多，如氩离子的质量是电子质量的7.2万倍。所以一旦离子被加速到较高的速度时，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。它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。如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，即离子的注入效应。

(2)离子束加工的特点及应用　由于离子束可通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以精确控制。所以离子刻蚀可达到纳米(0.001μm)级的加工精度。离子镀膜可以控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度也可极精确地控制。因此离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代纳米加工技术的基础。

由于离子束加工是在高真空中进行，污染少，特别适用于对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。

目前，离子束加工主要应用于从工件上去除加工的离子刻蚀加工，如在半导体刻出小于0.1μm宽度的沟槽；用于给工件表面添加的离子镀膜加工，如在高束钢刀具上离子镀氮化钛，使刀具耐用度提高1～2倍；用于表面改性的离子输入加工等。