電子束加工和離子束加工是近年來(lái)得到較大發(fā)展的新型特種加工.他們?cè)诰芪⒓?xì)加工方面,尤其是在微電子學(xué)領(lǐng)域中得到較多的應(yīng)用.通常來(lái)說(shuō),電子束加工主要用于打孔、焊接等熱加工和電子束光刻化學(xué)加工,而離子束加工則主要用于離子刻蝕、離子鍍膜和離子注入等加工。
電子束加工原理
電子束加工(Electron Beam Machining 簡(jiǎn)稱EBM)起源于德國(guó).1948年德國(guó)科學(xué)家斯特格瓦發(fā)明了第一臺(tái)電子束加工設(shè)備.它是一種利用高能量密度的電子束對(duì)材料進(jìn)行工藝處理的方法。
在真空條件下,利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦后能量密度為106~109w/cm2的極細(xì)束流高速?zèng)_擊到工件表面上極小的部位,并在幾分之一微秒時(shí)間內(nèi),其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能,使工件被沖擊部位的材料達(dá)到幾千攝氏度,致使材料局部熔化或蒸發(fā),來(lái)去除材料。
控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間,就可以達(dá)到不同的加工目的:
1、只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理;
2、使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接;
3、提高電子束能量密度,使材料熔化和汽化,就可進(jìn)行打孔、切割等加工;
4、利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理,即可進(jìn)行電子束光刻加工。
電子束主要加工裝置
電子束加工裝置主要由以下幾部分組成:
電子槍
獲得電子束的裝置,它包括:
1、電子發(fā)射陰極-用鎢或鉭制成,在加熱狀態(tài)下發(fā)射電子.
2、控制柵極-既控制電子束的強(qiáng)弱,又有初步的聚焦作用.
3、加速陽(yáng)極-通常接地,由于陰極為很高的負(fù)壓,所以能驅(qū)使電子加速.
真空系統(tǒng)
保證電子加工時(shí)所需要的真空度.一般電子束加工的的真空度維持在1.33×10-2~ 1.33×10-4 Pa.
控制系統(tǒng)和電源
控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流強(qiáng)度控制以及工作臺(tái)位移控制.
束流聚焦控制:提高電子束的能量密度,它決定加工點(diǎn)的孔徑或縫寬.
聚焦方法:一是利用高壓靜電場(chǎng)是電子流聚焦成細(xì)束;另一種方法是利用"電磁透鏡"靠磁場(chǎng)聚焦.
束流位置控制:改變電子的方向.
工作臺(tái)位移控制:加工時(shí)控制工作臺(tái)的位置.
電源:對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求較高,常用穩(wěn)壓電源.
電子束加工工藝的特點(diǎn)
電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)l~0.1 μm),故可進(jìn)行微細(xì)加工.
加工材料的范圍廣.能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料.
加工效率很高.
加工在真空中進(jìn)行,污染少,加工表面不易被氧化。
電子束加工需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng),價(jià)格較貴,故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制.
離子束加工原理
在真空條件下,將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速、聚焦后投射到工件表面.由于離子帶正電荷,其質(zhì)量數(shù)比電子大數(shù)千倍甚至上萬(wàn)倍,它撞擊工件時(shí)具有很大撞擊動(dòng)能,通過(guò)微觀的機(jī)械撞擊作用從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工。
離子束與電子束加工原理基本相同.主要是不同是離子帶正電荷,其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬(wàn)倍,故在電場(chǎng)中加速較慢,但一旦加至較高速度,就比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能.
電子束加工是靠電能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行加工的.離子束加工是靠電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能進(jìn)行加工的.
離子束加工的分類
離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng).通常分以下四類:
離子刻蝕
采用能量為0.1~5keV、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟擊工件表面時(shí),此高能離子所傳遞的能量超過(guò)工件表面原子(或分子)間鍵合力時(shí),材料表面的原子(或分子)被逐個(gè)濺射出來(lái),以達(dá)到加工目的.這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度的切削加工,通常又稱為離子銑削.
離子刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡,還可用于刻蝕集成電路等的高精度圖形.
離子濺射沉積
采用能量為0.1~5keV的氬離子轟擊某種材料制成的靶材,將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜.實(shí)際上此法為一種鍍膜工藝 .
離子鍍膜
離子鍍膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉積,另一方面還有高速中性粒子打擊工件表面以增強(qiáng)鍍層與基材之間的結(jié)合力(可達(dá)10~20MPa).
該方法適應(yīng)性強(qiáng)、膜層均勻致密、韌性好、沉積速度快,目前已獲得廣泛應(yīng)用.
離子注入
用5~500keV能量的離子束,直接轟擊工件表面,由于離子能量相當(dāng)大,可使離子鉆進(jìn)被加工工件材料表面層,改變其表面層的化學(xué)成分,從而改變工件表面層的機(jī)械物理性能.
該方法不受溫度及注入何種元素及粒量限制,可根據(jù)不同需求注入不同離子(如磷、氮、碳等).注入表面元素的均勻性好,純度高,其注入的粒量及深度可控制,但設(shè)備費(fèi)用大、成本高、生產(chǎn)率較低.
離子束加工工藝的特點(diǎn):
加工精度高
離子束加工是目前最精密、最微細(xì)的加工工藝.離子刻蝕可達(dá)納米級(jí)精度,離子鍍膜可控制在亞微米級(jí)精度,離子注入的深度和濃度亦可精確地控制.
環(huán)境污染少
離子束加工在真空中進(jìn)行,特別適宜于對(duì)易氧化的金屬、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工.
加工質(zhì)量高
離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的,加工應(yīng)力和變形極小,適宜于對(duì)各種材料和低剛件零件進(jìn)行加工.
電子束加工與離子束加工工藝比較
原理比較
電子束加工是在真空條件下,利用聚焦后能量密度極高的電子束,以極高的速度沖擊到工件表面極小面積上,在極短的時(shí)間(幾分之一微秒)內(nèi),其能量的大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?使被沖擊部分的工件材料達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫,從而引起材料的局部熔化和氣化,被真空系統(tǒng)抽走.控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間,就可以達(dá)到不同的加工目的.如只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理;使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接;提高電子束能量密度,使材料熔化和氣化,就可以進(jìn)行打孔、切割等加工;利用較低能量密度的電子束轟擊高分子光敏材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理,即可以進(jìn)行電子束光刻加工.
離子束加工的原理和電子束加工基本類似,也是在真空條件下,將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過(guò)加速聚焦,使之撞擊到工件表面.不同的是離子帶正電荷,其質(zhì)量比電子大數(shù)千、數(shù)萬(wàn)倍,如氬離子的質(zhì)量是電子的7.2萬(wàn)倍,所以一旦離子加速到較高速度時(shí),離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能,它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量,而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)加工的.離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng).具有一定動(dòng)能的離子斜射到工件材料表面時(shí),可以將表面的原子撞擊出來(lái),這就是離子的撞擊效應(yīng)和濺射效應(yīng);如果將工件直接作為離子轟擊的靶材,工件表面就會(huì)受到離子刻蝕;如果將工件放置在靶材附近,靶材原子就會(huì)濺射到工件表面而被濺射沉積吸附,使工件表面鍍上一層靶材原子的鍍膜;如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時(shí),離子就會(huì)鉆進(jìn)工件表面,這就是離子的注入效應(yīng).
特點(diǎn)比較
電子束加工的特點(diǎn):
①由于電子束能夠極其細(xì)微地聚焦,甚至能聚焦到0.1μm,所以加工面積和切縫可以很小,是一種精密微細(xì)的加工方法.
②電子束能量密度很高,使照射部分的溫度超過(guò)材料的熔化和氣化溫度,去除材料主要靠瞬間蒸發(fā),是一種非接觸式加工.工件不受機(jī)械力作用,不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形.加工材料范圍很廣,對(duì)脆性、韌性、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料都可以加工.
③電子束的能量密度高,因而加工生產(chǎn)效率很高,例如,每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個(gè)直徑為0.4mm的孔.
④可以通過(guò)磁場(chǎng)或電子對(duì)電子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制,所以整個(gè)加工過(guò)程便于是先自動(dòng)化.特別是在電子束曝光中,從加工位置找準(zhǔn)到加工圖形的掃描.都可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化.在電子束打孔和切割時(shí),可以通過(guò)電氣控制加工異型孔,實(shí)現(xiàn)曲面弧形切割等.
⑤由于電子束加工是在真空中進(jìn)行,因而污染少,加工表面不會(huì)氧化,特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料,一級(jí)純度要求極高的半導(dǎo)體材料.
⑥電子束加工需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng),價(jià)格較貴,生產(chǎn)應(yīng)用有一定的局限性.
離子束加工的特點(diǎn):
①由于離子束可以通過(guò)電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描,離子束轟擊材料是逐層去除原子,離子束流密度及離子能量可以精確控制,所以離子刻蝕可以達(dá)到納米(0.001μm)級(jí)的加工精度.離子鍍膜可以控制在亞微米級(jí)精度,離子注入的深度和濃度也可極精確地控制.因此,離子束是所有特種加工方法中最精密、最微細(xì)的加工方法,是當(dāng)代納米加工技術(shù)的基礎(chǔ).
②由于離子束加工是在高真空中進(jìn)行,所以污染少,特別適用于對(duì)易氧化的金屬、合金材料和高純度半導(dǎo)體材料的加工.
③離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的.它是一種微觀作用,宏觀壓力很小,所以加工應(yīng)力、熱變形等極小,加工質(zhì)量高,適合于對(duì)各種材料和低剛度零件的加工.
④離子束加工設(shè)備費(fèi)用貴、成本高,加工效率低,因此應(yīng)用范圍受到一定限制.
應(yīng)用比較
總體而言,電子束加工的加工效率更高,適用范圍更廣;而離子束加工的加工精度更大,是所有特種加工之中最精密、最細(xì)微的一種加工方式.
電子束加工根據(jù)其功率密度和能量注入時(shí)間的不同,可以用于打孔、切割、蝕刻、焊接、熱處理和光刻等各種類型的加工.
離子束加工的應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大、不斷創(chuàng)新.目前用于改變零件尺寸和表面物理力學(xué)性能的離子束加工有:用于從工件上作去除加工的離子刻蝕加工;用于給工件表面涂覆的離子鍍膜加工;用于表面改性的離子注入加工等.
電子束與離子束的加工裝置都有真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分.主要不同的是電子束加工用的是電子槍,離子束加工用的是離子源系統(tǒng).電子束加工相對(duì)于離子束加工,加工效率更高,使用范圍也更廣;離子束加工的加工精度更高,是所有特種加工方法中最精密、最微細(xì)的加工方法.
近年來(lái),隨著納米科技和半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,具有多功能、高分辨率的電子束加工和聚焦離子束加工技術(shù)受到人們空前的重視,它們已成為當(dāng)前微米納米加工的重要手段。
