1、第八章 离子束加工,离子束加工：利用离子束对材料进行成形和改性的加工方法。第一节 离子束加工原理、分类和特点 第二节 离子束加工装置 第三节 离子束加工的应用,第一节 离子束加工原理、分类和特点,离子束加工的原理和物理基础 离子束加工分类 离子束加工的特点,第一节 离子束加工原理、分类和特点,离子束加工的原理和物理基础 ：离子束加工的原理：离子束加工的原理是在真空条件下，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，靠微观的机械撞击能量来加工的。 与电子束相比： 1)相同点：在真空条件中进行粒子束加工2)不同点：带正电荷的离子。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
2、。靠微观的机械撞击能量来加工的。离子束比电子束具有更大的撞击动能。,第一节 离子束加工原理、分类和特点,离子束加工的物理基础：离子束射到材料表面时所发生的撞击效应溅射效应注入效应 1)离子的撞击效应和溅射效应：具有一定动能的离子斜射到工件材料(或靶材)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。离子刻蚀(离子铣削) 、离子溅射沉积和离子镀离子刻蚀(离子铣削) ：如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀(也称离子 铣削)。离子溅射沉积和离子镀 ：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而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。 2)注
3、入效应：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，这就是离子的注入效应。,第一节 离子束加工原理、分类和特点,离子束加工分类离子束加工按照其所利用的物理效应和达到目的的不同，可以分为四类：离子刻蚀离子溅射沉积离子镀离子注入1)离子刻蚀，离子溅射沉积和离子镀：利用离子撞击和溅射效应的离子刻蚀，离子溅射沉积和离子镀。2)离子注入：利用注入效应的离子注入。,第一节 离子束加工原理、分类和特点,离子刻蚀： 用能量为0.5-5keV的氩离子倾斜轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离。 如图6-8a所示。其实质是一种原子尺度的切削加工，所以又称离子铣削。 这就是近代发展起来的毫微米（纳米）
4、加工工艺。 离子溅射沉积： 采用能量为0.5-5keV的氩离子，倾斜轰击某种材料制成的靶，离子将靶 材原子击出，垂直沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。 如图6-8b所示，溅射沉积是一种镀膜工艺。 离子镀(离子溅射辅助沉积) ： 用0.5-5keV的氩离子，同时轰击靶材和工件表面。 如图6-8c所示。轰击工件表面的目的是为了增强膜材与工件基材之间的 结合力。也可将靶材高温蒸发，同时进行离子撞击镀膜。 离子注入： 采用5500keV较高能量的离子束，直接垂直轰击被加工材料，离子就钻 进被加工材料的表面层，使工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成 分，从而改变了工件表面层的机械物理和
5、化学性能。 如图6-8d所示。根据不同的目的选用不同的注入离子，如磷、硼、碳、 氮等。,第一节 离子束加工原理、分类和特点,第一节 离子束加工原理、分类和特点,离子束加工的特点 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，是纳米加工技术的基础。 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。 加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。 离子束加工设备费用贵、成本高，加工效率低，应用范围受到一定限制。,第二节 离子束加工装置,离子束加工装置：离子源、真空系统、控制系统和电源等部分组成。离子源真空系统控制系统和电源与电子束加工装置类似
6、。主要的不同部分是离子源系统。,第二节 离子束加工装置,离子源：离子源的作用：用以产生离子束流。离子束流产生的基本原理和方法：离子束流产生的基本原理：使原子电离。离子束流产生的方法：把要电离的气态原子(如氩等惰性气体或金属蒸气)注入电离室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击，使气态原子电离为等离子体(即正离子数和负电子数相等的混合体)。用一个相对于等离子体为负电位的电极(吸极)，就可从等离子体中引出正离子束流。离子源的型式：根据离子束产生的方式和用途的不同，离子源有很多型式，常用的有：考夫曼型离子源双等离子管型离子源,第二节 离子束加工装置,考夫曼型离子源： 图6-9为考夫曼型离子源
7、示意图，它由灼热的灯丝2发射电子，在阳极9的作用下向下方移动，同时受线圈4磁场的偏转作用，作螺旋运动前进。惰性气体氩在注入口3注入电离室10，在电子的撞击下被电离成等离子体，阳极9和引出电极(吸极)8上各有300个直径为0.3mm的小孔，上下位置对齐。在引出电极8的作用下，将离子吸出，形成300条准直的离子束，再向下则均匀分布在直径为声5的圆面。,第二节 离子束加工装置,双等离子体型离子源：如图6-10所示的双等离子体型离子源是利用阴极和阳极之间低气压直流电弧放电，将氪或氙等惰性气体在阳极小孔上方的低真空中(0.10.01Pa)等离子体化。中间电极的电位一般比阳极电位低，它和阳极都用软铁制成，
8、因此在这两个电极之间形成很强的轴向磁场，使电弧放电局限在这中间，在阳极小孔附近产生强聚焦高密度的等离子体。引出电极将正离子导向阳极小孔以下的高真空区(1.3310-51.3310-6Pa)，再通过静电透镜形成密度很高的离子束去轰击工件表面。,第三节 离子束加工的应用,离子刻蚀加工：用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工； 离子镀膜加工：用于给工件表面涂覆的离子镀膜加工； 离子注入加工：用于表面改性的离子注入加工。,第三节 离子束加工的应用,刻蚀加工离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量超过了原子间的键合力时，原子就从工件表面
9、撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。,第三节 离子束加工的应用,第三节 离子束加工的应用,第三节 离子束加工的应用,加工参数控制： 对离子入射能量 束流大小 离子入射到工件上的角度 工作室气压等 都能分别调节控制。 根据不同加工需要选择参数，用氩离子轰击被加工表面时， 其效率取决于 离子能量 入射角度。 离子能量从lOOeV增加到1000eV时，刻蚀率随能量增加而迅速增加，而后增加速率逐渐减慢。离子刻蚀率随入射角增加而增加，但入射角增大会使表面有效束流减小，一般在入射角=40-60时刻蚀效率最高。,第三节 离子束加工的应用,离子束刻蚀应用： 离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高
10、，精度、重复一致性好。,离子刻蚀加工动压马达上的沟槽,第三节 离子束加工的应用,离子刻蚀加工陀螺仪空气轴承上的沟槽,第三节 离子束加工的应用,加工非球面透镜能达到其他方法不能达到的精度。 刻蚀高精度的图形，如集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器件和光集成器件等微电子学器件亚微米图形。 用来致薄材料，用于致薄石英晶体振荡器和压电传感器。,第三节 离子束加工的应用,镀膜加工离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀时工件不仅接受靶材溅射来的原子，还同时受到离子的轰击，这使离子镀具有许多独特的优点。,第三节 离子束加工的应用,第三节 离子束加工的应用,离子注入加工离子注入是向工件表面直接注入离子，它不受热力学限制，可以注入任何离子，且注入量可以精确控制，注入的离子是固溶在工件材料中，含量可达10-40，注入深度可达1um甚至更深。,第三节 离子束加工的应用,
