电子束加工原理与主要加工装置的区别（电子束加工原理与主要加工装置）

电子束加工和离子束加工是近年来发展起来的新型特种加工。它们广泛用于精密微加工，尤其是微电子领域。一般来说，电子束加工主要用于钻焊等热处理和电子束光刻的化学加工，而离子束加工主要用于离子刻蚀、离子镀和离子注入。

电子束加工原理

电子束加工起源于德国。1948年，德国科学家斯特格瓦发明了第一台电子束加工设备。它是一种利用高能量密度电子束加工材料的方法体系。

在真空条件下，电子枪中产生的电子被加速聚焦，能量密度为106 ~ 109 W/cm2的极细束高速撞击工件表面极小的部分。在几分之一微秒内，其大部分能量转化为热能，使工件受冲击部位的材料达到几千摄氏度，导致材料局部熔化或蒸发，从而去除材料。

通过控制电子束能量密度和能量注入时间，可以实现不同的加工目的：

1、电子束热处理可以仅通过局部加热材料来进行；

可通过局部熔化材料来进行电子束焊接；

3、通过提高电子束的能量密度，使材料熔化汽化，可以进行打孔、切割等加工；

4、利用低能量密度电子束轰击高分子材料时的化学变化原理，可以进行电子束光刻。

主电子束处理装置

电子束加工装置主要由以下部分组成：

电子枪

一种用于获得电子束的装置，包括：

1、电子发射阴极——由钨或钽制成，加热时发射电子。

2、控制栅极—它不仅控制电子束的强度，还具有初步聚焦功能。

3、加速阳极—通常接地，因为阴极有很高的负压，可以带动电子加速。

真空系统

确保电子加工过程中所需的真空度。电子束加工的真空度一般保持在1.3310-2~ 1.3310-4 Pa。

控制系统和电源

控制系统包括光束聚焦控制、光束位置控制、光束强度控制和工作台位移控制。

电子束聚焦控制：提高电子束的能量密度，它决定了加工点的孔径或狭缝宽度。

聚焦方法：首先，利用高压静电场将电子流聚焦成细束；另一种方法是使用电磁透镜。

电子束位置控制：改变电子的方向。

工作台位移控制：控制加工过程中工作台的位置。

电源：要求电压稳定性高，常用稳压电源。

电子束加工技术的特点

电子束可以非常精细地聚焦(高达10.1微米)，因此可以用微机械加工。

加工的材料范围很广。它可以加工具有各种机械性能的导体、半导体和非导体材料。

加工效率很高。

真空加工，污染少，加工表面不易被氧化。

电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格昂贵，因此在生产中受到一定的限制。

离子束加工原理

在真空条件下，离子源产生的离子束被加速和聚焦，然后投射到工件表面。由于离子带正电，其质量数比电子高几千倍甚至上万倍。当它撞击工件时，具有很大的冲击动能，通过微观的机械冲击可以对工件进行加工。

和离子束加工的原理基本相同。主要区别是离子带正电，质量比电子大几千倍甚至上万倍，所以在电场中加速比较慢，但一旦加到更高的速度，就比电子束有更大的冲击动能。

电子束是通过将电能转换成热能来加工的。通过将电能转换成动能来处理离子束

当用能量为0.1 ~ 5 kev、直径为几十纳米的氩离子轰击工件表面时，当高能离子传递的能量超过工件表面原子(或分子)之间的结合力时，材料表面的原子(或分子)被一个个溅射出来，达到加工目的。这种加工本质上是原子尺度的加工，通常称为离子铣削。

离子刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料和超高精度非球面透镜，也可用于刻蚀集成电路等高精度图形。

离子溅射沉积

用能量为0.1 ~ 5 kev的氩离子轰击由某种材料制成的靶，靶原子被敲出，沉积在工件表面形成薄膜。其实这种方法是一种涂层工艺。

离子电镀法

离子镀一方面将靶材发射的原子沉积在工件表面，另一方面高速中性粒子撞击工件表面，增强涂层与基体的结合力(可达10 ~ 20 MPa)。

这种方法适应性强，薄膜均匀致密，韧性好，沉积速度快，目前已得到广泛应用。

离子注入

能量为5 ~ 500 kev的离子束直接轰击工件表面。由于离子能量相当大，离子可以钻入工件材料表层，改变表层的化学成分，从而改变工件表层的机械和物理性能。

该方法不受温度、要注入的元素和粒子的种类以及不同离子(如磷、氮、碳等)的限制。)可根据不同要求注入。注入表面元素的均匀性和纯度好，注入粒子的量和深度可以控制，但设备成本高，成本高，生产率低。

离子束加工技术的特点：

加工精度高

离子束加工是目前最精密的微细加工工艺。离子刻蚀可以达到纳米精度，离子镀可以控制在亚微米精度，离子注入的深度和浓度可以精确控制。

环境污染少。

离子束加工是在真空中进行的，特别适合于加工易氧化的金属、合金和半导体材料。

高加工质量

离子束加工是通过离子轰击材料表面的原子来实现的，加工应力和变形最小，适用于加工各种材料和低刚度零件。

电子束加工与离子束加工的比较

原理比较

在真空中，电子束加工使用具有极高能量密度的聚焦电子束以非常高的速度撞击工件表面的非常小的区域。在极短的时间内(几分之一微秒)，其大部分能量转化为热能，工件被冲击部分的材料达到几千摄氏度甚至更高的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。通过控制电子束的能量密度和能量注入时间，可以实现不同的加工目的。如果只对材料进行局部加热，可以进行电子束热处理。电子束焊接可以通过局部熔化材料来进行；通过增加电子束的能量密度并熔化和气化材料，可以进行钻孔和切割。利用低能量密度电子束轰击聚合物感光材料时的化学变化原理，可以进行电子束光刻。

离子束加工的原理与电子束加工的原理基本相似。在真空中，由离子源产生的离子束被加速并聚焦，从而撞击工件表面。不同的是，离子带正电，质量比电子大几千倍或者几万倍。比如氩离子的质量是电子的72000倍，所以一旦离子加速到更高的速度，离子束的撞击动能就比电子束大。它是通过微观的机械冲击能量来处理的，而不是将动能转化为热能。离子束加工的物理基础是离子束撞击材料表面时的撞击效应、溅射效应和注入效应。当具有一定动能的离子倾斜撞击工件材料表面时，可以将表面的原子敲出，这就是离子的撞击效应和溅射效应。如果直接将工件作为离子轰击的靶，工件表面会被离子刻蚀。如果将工件放在靶材附近，靶材原子会被溅射到工件表面，并被溅射沉积所吸附，使工件表面被镀上一层靶材原子的涂层；如果离子能量足够大，垂直撞击工件表面，离子就会钻入工件表面，这就是离子注入效应。

特性比较

电子束加工的特点：

由于电子束可以极其精细地聚焦，甚至可以聚焦到0.1m，所以加工面积和狭缝可以非常小，是一种精密精细的加工方法。

电子束的能量密度很高，使被照射部位的温度超过材料的熔化和气化温度。材料的去除主要依靠瞬时蒸发，这是一种非接触式加工。工件不受机械力的影响，不产生宏观应力和变形。材料的加工范围很广。脆性，韧性，导体，非导体和半导体材料都可以加工。

电子束的能量密度高，所以加工效率很高。例如，每秒钟可以在2.5毫米厚的钢板上钻出50个直径为0.4毫米的孔。

电子束的强度、位置和焦点可由磁场或电子直接控制，因此整个加工过程易于首先实现自动化。特别是在电子束曝光中，从加工位置的对准到加工图案的扫描。可以实现自动化。在电子束钻孔和切割过程中，可以通过电气控制加工异形孔，实现曲面电弧切割。

由于电子束加工是在真空中进行的，所以污染少，加工表面不会被氧化。特别适用于加工易氧化的金属和合金材料，以及一级纯度要求极高的半导体材料。

电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，价格昂贵，在生产和应用中有一定的局限性。

离子束加工的特性；

由于离子束可以被电子光学系统聚焦扫描，离子束轰击材料逐层去除原子，离子束电流密度和离子能量可以精确控制，因此离子刻蚀的加工精度可以达到纳米(0.001m)级。离子镀可以控制在亚微米精度，离子注入的深度和浓度也可以控制得非常精确。因此，离子束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下进行的，所以污染少，特别适合加工易氧化的金属、合金材料和高纯度的半导体材料。

离子束加工是通过离子轰击材料表面的原子来实现的。它是一种微动作，宏观压力很小，所以加工应力和热变形极小，加工质量高，适用于加工各种材料和低刚度零件。

离子束加工设备价格昂贵，成本高，加工效率低，应用范围有限。

应用比较

一般来说，电子束加工的加工效率更高，应用范围更广；然而，离子束加工是所有特种加工中最精密、最精细的加工方法。

电子束

离子束加工的应用范围不断扩大和创新。目前，用于改变零件尺寸和表面物理机械性能的离子束加工包括：从工件上去除的离子刻蚀；用于涂覆工件表面的离子涂覆处理；用于表面改性的离子注入处理等。

电子束和离子束加工装置都有真空系统、控制系统和电源。主要区别是电子束加工用的是电子枪，离子束加工用的是离子源系统。与离子束加工相比，电子束加工具有更高的加工效率和更广的应用范围。离子束加工的加工精度较高，是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法。

近年来，随着纳米技术和半导体集成电路产业的快速发展，多功能、高分辨率的电子束加工和聚焦离子束加工技术受到了前所未有的关注，成为目前微纳加工的重要手段。