离子束加工原理_范文大全网

范文一：离子束加工原理

离子束加工原理离子束加工原理与电子束加工类似，也是在真空条件下，将Ar、Kr、Xe等情性气体通过离子源电离产生离子束，并经过加速、集束、聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以实现去除加工。所不同的是离子的质量比电子的质量大成千上万倍，例如最小的氢离子，其质量是电子质量的1840倍，氖离子的质量是电子质量的7.2万倍。由于离子的质量大，故在同样的速度下，离子束比电子束具有更大的能量。

高速电子撞击工件材料时，因电子质量小速度大，动能几乎全部转化为热能，使工件材料局部熔化、气化，通过热效应进行加工。而离子本身质量较大，速度较低，撞击工件材料时，将引起变形、分离、破坏等机械作用。离子加速到几十电子伏到几千电子伏时，主要用于离子溅射加工;如果加速到一万到几万电子伏，且离子入射方向与被加工表面成25?,30?角时，则离子可将工件表面的原子或分子撞击出去，以实现离子铣削、离子蚀刻或离子抛光等，当加速到几十万电子伏或更高时，离子可穿入被加工材料内部，称为离子注入。

离子束加工具有下列的特点:

1)易于精确控制由于离子束可以通过离子光学系统

进行扫描，使离子束可以聚焦到光班直径1μm以内进行加工，同时离子束流密度和离子的能量可以精确控制，因此能精确控制加工效果，如控制注入深度和浓度。抛光时，可以一层层地把工件表面的原子抛掉，从而加工出没有缺陷的光整表面。此外，借助于掩膜技术可以在半导体上刻出小于1μm宽的沟槽。

2)加工洁净因加工是在真空中进行，离子的纯度比较高，因此特别适合于加工易氧化的金属、合金和半导体材料等。

3)加工应力变形小离子束加工是靠离子撞击工件表面的原子而实现的，这是一种微观作用，宏观作用力很小，不会引起工件产生应力和变形，对脆性、半导体、高分子等材料都可以加工。

范文二：离子束加工原理

离子束加工原理

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离子束加工(ion beam machining，IBM)是在真空条件下利用离子源(离子枪)产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。

因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。

2.离子束加工特点

加工精度高。因离子束流密度和能量可得到精确控制。

在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。

加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。

3.离子束加工的应用范围

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的结合力(可达10,20MPa)，此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。 4)离子注入

用5,500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。

此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子(如磷、氮、碳等)。

注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。

范文三：离子束加工原理特点

电子束加工原理特点:

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(106109W/cm2)，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短时间内，其能量大部分转化为热能，使得工件材料局部熔化气化被真空系统抽走。

电子束加工特点:

1)电子束能极微细地聚焦0.1um，是一种精密微细加工方法;2)工件不产生宏观应力和变形，可对脆性、导体半导体材料进行加工;3)可对电子束强度位置聚焦等精密控制，加工过程便于实现自动化;4)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易氧化，适于加工易氧化金属合金，及纯度要求极高的半导体材料;5)整套设备价格昂贵，应用受到一定限制。二、电子束加工装置

电子枪:阴极经过电流加热发射出电子高速飞向阳极,经过加速极加速电磁透镜聚焦到达工件

真空系统、控制系统

三、电子束加工的应用

1.高速打孔，可加工孔径φ1um如喷气发动机套上的冷却孔,人造革上打微孔。2.加工型孔及特殊表面;3.电子束刻蚀;4.焊接;5.热处理;6.光刻

一、离子束加工原理

利用离子束对材料进行成型或改性的加工方法，在真空条件下，离子源产生的离子经过电场加速和聚焦，获得一定速度投射到材料表面，产生溅射效应或注入效应。对于工件的不同要求，离子束加工可分为以下四类:a.离子刻蚀;b.离子溅射沉积;c.离子镀;d.离子注入。二、离子束加工装置

灼热灯丝发射电子，在阳极作用下移动，同时受线圈磁力作用偏转，惰性气体注入电离室在

电子撞击下被电离成等离子体。阴极和引出电极上各有300个φ0.3mm小孔，在引出电极

作用下将离子吸出，经聚焦打到工件上。

范文四：离子束去除加工原理探讨

离子束去除加工原理探讨《电加工与模具)2001年第1期设计?研究

离子束去除Jj~-r原理探讨

广东工业大学赵葛霄李扬郑莹娜

摘要从离子束溅射的微观力效应出发,介绍了离子束击除加工的原理,分析了影响加工效率的因

素,井对加工装置的结构l厦工作原理进行了探讨.

AbstractBasedonthesplashingmechanicsmicroeffect,thispaperintroducedtheprincipleof

ionbeam

removalmachining.Itanalysedtheinfluencedfactorsofproductionefficiency,studiedthestr

uctureandworking

principleofthedeviceofionbeamrel~ovalmachining

关键词离子柬溅射去除加工

1前言

离子柬加工是在真空条件下,将氩(Ax),氪

(Kr),氙(Xe)等惰性气体通过离子源产生离子柬,

经加速,集柬,聚焦后,射到被加工表面上以实现各

种加工的方法.根据所利用的物理效应和达到的目

的,可分为离子柬溅射去除加工,离子柬溅射镀膜加

工,离子柬注入加工和离子柬曝光等几种.其特点

可归纳如下:

(1)加工精度和表面质量高.离子柬轰击材料

是逐层去除原子或分子,离子柬流密度及离子能量

可以精确控制,其an:i:精度可达纳米级(0.001/xm). 由于加工时被/in:I:表面层不产生热量,不引起机械

应力和损伤,故加工质量高.

(2)加工材料广泛.由于离子柬加工原理是力

收稿日期:2000—08一盯

运动速度加快,造成对线电极表面的轰击加重,电极损耗增大.如果电流上升率选择偏小,能量不够大, 击穿极问绝缘的时问就会延长,an:i:效率明显下降. 由于火花间隙击穿时问不同,实际上脉冲电流的宽度是变化的.因为脉冲电流的宽度决定加工工艺指标,所以,有效地控制脉冲波形,使火花间隙击穿后脉冲电流宽度相等,即每个加工脉冲的能量相等,切割速度,表面粗糙度和电极丝损耗等加工工艺指标将进一步改善.

5结论

有效地控制脉冲电源的脉冲波形前后沿,电火一

26一

效应,故对臆性,半导体,高分子等材料都可加工. 且an:i:在真空下进行,故也适用于加工易氧化的金属,合金等材料.

(3)加工方法丰富离子柬加工可进行去除, 镀膜,注入,曝光等多种加工方法.

(4)控制性能好,易于实现自动化.

离子束加工被认为是最有前途的超精密加工和微细加工方法,是当代纳米加工技术的基础L1J.目前,离子柬加工尚处于不断发展中.本文从离子柬溅射的力学原理出发,对离子柬溅射去除加工的有关问题进行了研究.

2离子柬溅射去除加工的力效应

原子是由原子核和绕核运动的电子组成.原子电离后成为离子,失去外层电子的原子变成带正电的阳离子,获得电子的原子变成带负电的阴离子.

与电子柬加工相比,由于离子的质量远远大于电子 ,,…?.0?一.……??…一………??…一…0,…一0 花线切割加工在损耗,稳定性,加工速度和精度等方面将获得良好的综合效果.

参考文献

1州晋春.陆纪培.特种加工吉林:吉林人民出版社.1981 2韩烈恩邢嶷峰等.高速走丝线切割机多扶切害I放电啦形的检测和分析.电加工,1998(6)

3杨建国.电火花线切窨I加工脉冲电源介绍电加工.1997(1) 4伍傻.李明辉.电火花线切割加工参散优化技术与实现.电子工艺技术,2?0(3】

5朱小中刘正埙曹锦昌电火花加工微纽孔赦能电振的研制电加工.1993(2)

6胡建华.汪炜等模糊控制技术在电火花成形加工过程中的应用.电加工与模具.20?(1)

设计?研究<电加工与模具)2o01年第1期

(如氩离子的质量是电子质量的7.2万倍),因此离子束比电子束具有更大的撞击动能例如氲离子加速后其动能可达10keV量级.所以离子束加工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.

质量大,动能高的离子冲击工件表面时,产生弹

性碰撞并将能量传递给工件材料的原子,分子,其中一

部分能量使原子,分子产生溅射,被抛出工件表

面,称为离子束溅射现象,其余能量将转变为材料晶格的振动.

离子束溅射中离子碰撞的过程可用图l所示模

型来说明,有以下几种情况:

(1)一次溅射:由离子直接碰撞使工件表面层材料中的原(分)子分离出来;

(2)二次溅射:由离子碰撞材料中的原(分)子. 这个原(分)子又去碰撞别的原(分)子.而使后来被撞的原(分)子分离出工件表面;

(3)排斥溅射:有些离子在碰撞原(分)子时.自己反弹出工件表面.成为被排斥的离子.这种情况下没有溅射去除作用;

(4)回弹溅射:有些受到离子碰撞的原(分)子, 又去碰撞别的原(分)子.而自己却被反弹出工件表面外,为回弹溅射.

(1)以最简单的直线弹性碰撞为例.设离子的^ 射速度为l0,碰撞后离子和材料原(分)子的速度分别为l,2.离子和材料原(分)子的质量分别为ml,

故有: m2,由于碰撞过程中动量和动能均守恒,m1zs1om1口lm2zs2(1)

?l=?l}+?2口;(2)

联立(1)和(2)式.可得碰撞后离子及材料原 (分)子的速度分别为;

;—篆t.,z.?一了?一_干-.

碰撞中所传递的动能

E:i1z;=m1m2

{t2口'1_J一'

盟2_E】(3(

l2)

由式(3)可知,当1?2时,E2E1,碰撞所传

递的动能最大,溅射效果最好.例如.若用原子量分别为4o,89,131的Ar,,作为加工用的离子,对玻璃材料so2进行溅射加/2,由于s的原子量为28,Q的分子量为32,那么,如果以s原子和形式溅射去除. 则选用Ar的加工效率将最好,因为的原子量与的原子量和的分子量比较接近.

(2)溅射率显然还与^射离子的能量大小有直圈1离子柬溅射中的离子碰撞过程模型如果将工件直接作为离子轰击的靶材,就会从工件表面打出原子或分子来,这样就能进行原子,分子加工单位的去除加工;如果将工件放置在靶材附近,靶材原子就会溅射到工件表面进行沉积吸附,此即溅射镀膜加工;如果离子能量足够大,离子便打人工件表面并被留于工件中,这就是离子注入. 3溅射率的影响因素

溅射率是指被一个入射离子去隙的原子或分子数.溅射率越高,则去除加工的效率越高.下面从三个方面讨论影响溅射率的因素.

豆子

真空

工件寰面

工件

接关系.图2表示了加工玻璃材料

的例子中三种离子的能量与溅射率

的关系[2/o可以看出,Ar的溅射率

最高.Kr次之,Xe最低.同时可看

到.随着离子能量的增加.溅射率可

以达到饱和.甚至还有下降的趋势.

这是由于当离子能量较小时,^射

离子与工件表面原子,分子的碰撞.

以直接弹性碰撞为主,处于溅射去

除为主的状态.离子能量越大,则溅射率越高.但当离子能量超过一定值后,^射离子会深入到工件材寂

譬

芝

簧

蔫

离子瞻量/key

圈2离子能量与溉射率

(电加工与模具)2oot年第i期设计?研究

料内部一定深度进行能量交换,速度有所降低,碰撞的几率增加,由此而产生的非弹性碰撞增加,所以溅射率达到饱和状态.如果离子的能量继续增加,则打进材料中的离子的电荷可能被中和,变成置换原子或成为晶格间的填晾原子,而被残留在工件表层材料中,这就是离子注入的情况,这时的溅射率可能会有所下降.

(3)离子束的入射角与溅射率也有关系.当^ 射角为0(即离子束与工件表面垂直)时,溅射率最低,随着入射角的增加,溅射率逐渐增大,但^射角的增大会使工件表面的有效离子束流减小,因此,一般在入射角=40--60时去除加工的效率最高j. 可以看出,在实际加工时,首先应根据被加工材料选择合适的离子,然后确定离子的入射能量,即确定离子的入射速度,同时,还应根据工件的形状选择

合适的入射角,尽可能提高加工效率.

的轴向磁场,所以以中间电极为界,在阴极和中间电极,中问电极和阳极之间形成两个等离子体区.前者的等离子体密度较低,后者在非均匀磁场的压缩下,在阳极孔处形成了高密度的等离子体.经过控制电极7和引出电极8,只将正离子拉出呈束状并加速,从阳极小孔进入高真空区,再通过静电透镜所构成的聚焦装置10聚成高密度细束的离子束,轰击工件表面.工件装于工作台上的摆动装置或回转装置上,可进行双坐标直线移动,绕垂直轴的转动和绕水平轴的摆动.

离子束溅射去除加工可用于非球面透镜的成形,金刚石刀具和压头的刃磨,大规模集成电路芯片的刻蚀等,可加工金属和非金属材料,相应的具体加工方法有离子铣,离子磨,离子抛光,离子刻蚀等. 但是由于加工设备复杂,成本高,加工效率低,故其应用受到一定的限制.

4离子束去除加工装置5结论

离子束去除加工主要是利用离子一次溅射和二次溅射,将工件表面原子或分子撞击溅射出来,达到去除加工的目的.图3是离子束去除加工装置的结构原理图J.它由离子源,双真空室,电极,聚焦装置,工作台,电源等组成.首先把Ax,Kr,Xe等惰性气体充入低真空的离子室中,通过阴极2与阳极5 之问的低气压直流电弧放电,使之在阳极以J.的空问被电离,成为等离子体.中间电极3的电位比阳极5低,两者都由软铁制成,和电磁线圈4形成很强图3离子束去除加工装置结构示意图

1.惰性气体人口2.阴极3.中问电极4电盛线圈5阳极

6绝缘子7控制电极8引出电极9.离子柬10.聚焦装置 l1工件12.接动装置13.工作台l4.回转装置一

28一

离子束去除加工是一种典型的原子,分子加工单位的徽细加工方法和超精密加工方法,在微电子工业中有广泛的应用前景,在微机械的制造中已成为不可缺少的工艺手段.随着科学技术的发展和研究的深A,离子束加工技术将会在成本,可拉性及生产效率等方面得到改善,其应用范围将不断扩大. 参考文献

1王先逢.机械制造工艺学.北京:清华大学出版杜.1994. 2袁哲俊.王先逢.精密和超精密加工技术北京:机械工业出版杜.1999.

3宴鼍晋春,赵家齐.特种加工(第2版).北京:机械工业出版社 1995.

国内外公开发行.广大读 ?刊,

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范文五：离子束加工原理.doc

离子束加工原理

2.离子束加工特点

加工精度高。因离子束流密度和能量可得到精确控制。

在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。

加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。

3.离子束加工的应用范围

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

3.离子束加工的应用范围

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

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

此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子(如

磷、氮、碳等)。

注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。

3 离子束及等离子体加工技术

3.1 现状

表面功能涂层具有高硬度、耐磨、抗蚀功能，可显著提高零件的寿命，在工业上具有广泛用途。

美国及欧洲国家目前多数用微波ECR等离子体源来制备各种功能涂层。等离子体热喷涂技术已经进入工程化应用，已广泛应用在航空、航天、船舶等领域的产品关键零部件耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护层等方面。

等离子焊接已成功应用于18mm铝合金的储箱焊接。配有机器人和焊缝跟踪系统的等离子体焊在空间复杂焊缝的焊接也已实用化。微束等离子体焊在精密零部件的焊接中应用广泛。我国等离子体喷涂已应用于武器装备的研制，主要用于耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护涂层等。

真空等离子体喷涂技术和全方位离子注入技术已开始研究，与国外尚有较大差距。等离子体焊接在生产中虽有应用，但焊接质量不稳定。 3.2 发展趋势

离子束及等离子体加工技术今后应结合已取得的成果，针对需求，重点开展热障涂层及离子注入表面改性的新技术研究，同时，在已取得初步成果的基础上，进一步开展等离子体焊接技术研究。

1)复杂零件“保形”离子注入与混合沉积技术研究，获得高密度等离子体方法研究;

2)空间结构焊接工艺参数自适应控制及焊缝自动跟踪系统研究，以及等离子弧焊过程中变形控制技术研究;

3)等离子喷涂陶瓷热障涂层结构、工艺及工程化研究;

4)层流湍流自动转换技术及轴向送粉、三维喷涂技术研究; 5)层流等离子体喷涂系统的研制及其喷涂技术的研究。

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