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⒈离子束加工的原理和物理基础
⒉离子束加工分类
⒊离子束加工的特点
第一节离子束加工原理、分类和特点⒈离子束加工的原理和物理基础：
⑴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：
①在真空条件中进行
②粒子束加工
2)不同点：
①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⑵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
①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)。
②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⒉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：⑴离子刻蚀
⑵离子溅射沉积
⑶离子镀
⑷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⑴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）加工工艺。
⑵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。
⑶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。
⑷离子注入：
采用5—500keV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⒊离子束加工的特点
⑴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。⑵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。
⑶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。
⑷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
⒈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。
⑴离子源
⑵真空系统
⑶控制系统和电源
与电子束加工装置类似。主要的不同部分是离子源系统。
第二节离子束加工装置
⒉离子源：
⑴离子源的作用：
用以产生离子束流。
⑵离子束流产生的基本原理和方法：
①离子束流产生的基本原理：
使原子电离。
②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。
⑶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：①考夫曼型离子源
②双等离子管型离子源
第二节离子束加工装置
①考夫曼型离子源：
图6-9为考夫曼型离子源示
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φ0.3mm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
②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(0.1—0.01Pa)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，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(1.33×10-5—1.33×10-
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
⒈离子刻蚀加工：
用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工；⒉离子镀膜加工：
用于给工件表面涂覆的离子镀膜加工；
⒊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
⒈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
⑴加工参数控制：
①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，②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θ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θ=40°-60°时刻蚀效率最高。
⑵离子束刻蚀应用：
①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，精度、重复一致性好。
离子刻蚀加工动压马达上的沟槽
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
②加工非球面透镜能达到其他方法不能达到的精度。
③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。④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
⒉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
⒊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
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⒈离子束加工的原理和物理基础
⒉离子束加工分类
⒊离子束加工的特点
第一节离子束加工原理、分类和特点⒈离子束加工的原理和物理基础：
⑴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：
①在真空条件中进行
②粒子束加工
2)不同点：
①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⑵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
①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)。
②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⒉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：⑴离子刻蚀
⑵离子溅射沉积
⑶离子镀
⑷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⑴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）加工工艺。
⑵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。
⑶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。
⑷离子注入：
采用5—500keV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⒊离子束加工的特点
⑴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。⑵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。
⑶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。
⑷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
⒈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。
⑴离子源
⑵真空系统
⑶控制系统和电源
与电子束加工装置类似。主要的不同部分是离子源系统。
第二节离子束加工装置
⒉离子源：
⑴离子源的作用：
用以产生离子束流。
⑵离子束流产生的基本原理和方法：
①离子束流产生的基本原理：
使原子电离。
②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。
⑶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：①考夫曼型离子源
②双等离子管型离子源
第二节离子束加工装置
①考夫曼型离子源：
图6-9为考夫曼型离子源示
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φ0.3mm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
②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(0.1—0.01Pa)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，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(1.33×10-5—1.33×10-
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
⒈离子刻蚀加工：
用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工；⒉离子镀膜加工：
用于给工件表面涂覆的离子镀膜加工；
⒊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
⒈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
⑴加工参数控制：
①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，②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θ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θ=40°-60°时刻蚀效率最高。
⑵离子束刻蚀应用：
①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，精度、重复一致性好。
离子刻蚀加工动压马达上的沟槽
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
②加工非球面透镜能达到其他方法不能达到的精度。
③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。④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
⒉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
⒊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