数控特种加工技术第二版课件教学ppt作者 丛文龙 张祥兰第9章 离子束加工.ppt

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1、第9章离子束加工主编：丛文龙张祥兰学习目标与要求：1.了解离子束加工的原理及特点；2.了解离子束加工装置的组成及各部分的功用；3.了解离子束加工的应用。9.1离子束加工的原理及特点一、离子束加工的原理离子束加工的原理和电子束加工类似，同样是在真空条件下，利用高能束流撞击工件表面进行加工的。不同的是离子束加工使用的高能束流为离子束，由于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），所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，离子束加工是靠微观的机械撞击能量，而不是靠动能

2、转化为热能来加工工件的。调整入射离子束与工件表面的相对角度，即可实现不同的加工目的。当入射离子束垂直于工件表面撞击且能量足够大时，离子将直接进入工件表面层，从而改变表面层的化学成分，进而改变表面层的性能；当入射离子束斜射向工件表面且入射离子传递给工件原子的能量超过了原子间的键合力时，工件表面的原子将被挤出，从而实现了加工。二、离子束加工的特点离子束加工具有如下特点：由于离子束可以通过光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击材料是逐层击除原子，其流密度及离子能量可以精确控制，所以，离子束加工能够达到极高的加工精度（纳

3、米级或亚微米级），是最有前途的超精密和微细加工方法，是纳米加工技术的基础。（2）由于是靠离子轰击材料表面来去除或注入材料，是一种微观作用，作用面积微小，所以，产生的加工应力、热变形等极小，加工表面质量好。（3）由于离子束加工是在高真空中进行，所以污染少，特别适用于易氧化的金属、合金材料及半导体材料的加工。（4）加工设备费用高、成本高、加工效率低，因此应用范围受到一定限制。9.2离子束加工装置离子束加工装置与电子束加工装置类似，由离子源、真空系统、控制系统和电源等部分组成。主要的不同部分是离子源系统。离子源用

4、原子电离的方法产生离子束流。具体来说是把要电离的气态原子注入电离室，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），就可以从等离子体中引出离子束流。根据离子束产生的方式和用途的不同，离子源有很多形式。常用的有考夫曼型离子源和双等离子体型离子源。一、考夫曼型离子源考夫曼型离子源如图9-1所示。它由热阴极灯丝2发射电子，在阳极6的吸引下向下方移动，同时受电磁线圈4磁场的偏转作用，做螺旋运动前进。氩、氪或氙等惰

5、性气体由注入口3进入电离室5，并在高速电子的撞击下被电离成离子。阳极和引出电极（吸极）7上各有几百个直径为φ0.3mm的小孔，上下位置严格对齐，位置误差小于0.01mm。在引出电极的作用下将离子吸出，形成几百条准直的离子束，再向下均匀地分布在直径为50mm的圆面积上。考夫曼型离子源结构简单、尺寸紧凑、束流均匀且直径很大，已成功用于离子推进器和离子束微细加工领域。图9-1考夫曼型离子源l—真空抽气口2—灯丝3—惰性气体注入口4—电磁线圈5—电离室6—阳极7—引出电极8—离子束流9—工件10—阴极二、双等离子体

6、型离子源双等离子体型离子源如图9-2所示，它是利用阴极3和阳极6之间低气压直流电弧放电，将氩、氪或氙等惰性气体在阳极小孔上方的低真空中（0．l～0．01Pa）等离子体化。中间电极4的电位一般比阳极电位低，它和阳极都用软铁制成，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8将正离子导向阳极小孔以下的高真空区（1.33×10-5～1.33×10-6Pa），再通过静电透镜10形成密度很高的离子束去轰击工件11表面。图9-2双等离子体型离子源l—

7、加工室2—离子枪3—阴极4—中间电极5—电磁铁6—阳极7—控制电极8—引出电极9—离子束10—静电透镜11—工件9.3离子束加工的应用离子束加工的应用日趋广泛。目前的主要应用包括：从工件上去除材料的离子刻蚀加工；给工件表面添加材料的离子镀膜加工；用于材料表面改性的离子注入加工。一、离子刻蚀离子刻蚀是用能量为0.5～5keV的氩离子斜射轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，如图9-3a所示。这是一种原子尺度的切削加工，速度很低，又称离子铣削。为了避免入射离子与工件材料发生化学反应，必须用惰性元素的离子。氩气的原

8、子序数高，而且价格便宜，所以，通常用氩离子进行轰击刻蚀。离子刻蚀的速率主要取决于离子能量和入射角。离子能量从0.1keV增加到1keV时，刻蚀率随能量增加而增加，而后增加速率逐渐减慢。当入射角θ=40°～60°时刻蚀率最高。离子刻蚀有极高的分辨率。在半导体工艺中已能刻出0.l的线条；在光学工业中已能刻蚀出间距为0.13的光栅。离子刻蚀有极高的加工精度。一般加工误差可以控制到5nm以下，可作为最终的精加工工序。离子