离子束加工原理特点及其应用研究.docx

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离子束加工原理特点及其应用研究

本科课程论文

题目离子束加工原理特点及其应用研究

学院

专业机械设计制造及其自动化

年级2012

学号

XX

指导教师

成绩

2014年12月10日

离子束加工原理特点及其应用研究

摘要:

本文分析离子束加工的原理特点，阐述了离子束加工作为加工精度最高的特种加工方法在微电子学领域中特别是纳米加工的重要性。

离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的不同，可以分为四类，即离子蚀刻、离子溅射沉积和离子镀，离子注入。

离子束加工作为最近几年才发展起来的特种加工方法，极大的拓宽了人类对微细材料领域的探索；但是离子束加工的潜力还有待继续挖掘；目前因为加工设备费用贵，成本搞，加工效率低，一些技术还处于研发阶段等问题，离子束加工还未能普及。

但我们相信未来离子束加工必将被广泛应用，为人类发展带来更多的贡献。

关键词：

离子束加工原理分类现状

1前言

特种加工是现代先进制造工程技术中较为重要和实用的新技术之一，而且获得了较为广泛的应用，它是我国从制造大国过渡到制造强国的重要技术手段之一。

经过最近十几年的迅猛发展，各种特种加工方法在生产中的应用日益广泛，无论是在国内还是国外电加工机床年产量的年平均增长率均打打高于金属切削机床的增长率。

作为近年来获得较大发展的新兴特种加工方式，离子加工极高的加工精度和加工质量在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到了较多的应用，比如亚微米加工和纳米加工技术。

纳米科技作为一种极具潜力的前沿科技，其未来发展必定对人类生活有着极大的影响，而作为操作纳米级材料的手段，对离子束加工的研究也极具意义。

本文就离子束加工的原理特点进行归纳总结，并详细阐述离子束加工的应用前景及未来发展趋势。

2离子束加工的原理

离子束加工技术是利用离子束对材料进行成形或改性的加工方法，其加工原理和电子束加工类似，也是在真空条件下进行，把先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满惰性气体之电离室中，使低压惰性气体离子化。

由负极引出阳离子又经加速、集束等步骤，最后射入工件表面，以达到加工处理的目的。

与电子束加工不同的是离子带正电荷，其质量比电子的质量大干万倍。

由于离子质量较大，故在同样的电场中加速较慢，速度较低，然而一旦加速到较高速度，用离子束加速轰击工件表面，将比电子束具有更大的能量。

电子束加工主要通过热效应来蚀除材料，而离子束加工，由于离子本身质量较大，撞击工件材料时，能引起材料的变形、分离、破坏等机械作用，从而达到去除材料的目的。

3离子束加工的优缺点

3.1离子束加工的优点

3.1.1加工精度高由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击材料是逐层去除原子，离子束流密度及离子能量可以精确控制，所以离子蚀刻可以达到纳米级的加工精度。

离子镀膜可以控制在亚微米级精度离子注入的深度和浓度也可以精确地控制。

因此，离子束加工是所有特种加工中最精密、最细微的加工方法，是当代纳米加工技术的基础。

3.1.2污染少、无氧化由于离子束加是在高真空中进行的，所以污染少，特别适用于易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。

3.1.3对材料影响小离子束加工是靠轰击材料表层原子来实现的。

它是一种微观作用，宏观压力很小，故加工应力、热变形等极小，加工质量高，适用于各种材料和低刚度零件的加工。

3.2离子束加工的缺点

离子束加工设备费用高，成本高，加工效率低，因此应用X围受到一定限制。

4离子束加工的分类

离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的不同，可以分为四类，即利用离子撞击和溅射效应的离子蚀刻、离子溅射沉积和离子镀，以及利用离子注入效应的离子注入。

4.1离子蚀刻

离子蚀刻使用能量为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。

、其实质是一种原子尺度的切削加工，所以又称离子铣削。

4.2离子溅射沉积

离子溅射沉积也是利用能量为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。

所以溅射沉积史一种镀膜工艺。

4.3离子镀

离子镀也称离子溅射辅助沉积么，也是利用能量为0.5~5keV的氩离子，不同的是镀膜是离子束同时轰击靶材和工件表面。

目的是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。

4.4离子注入

离子注入5~500V较高能量的离子束，直接垂直轰击被加工材料，由于离子能量巨大离子就钻进被加工材料的表面层。

工件表面层含有注入离子后，化学成分就发生改变，从而改变了工件表面层的物理、化学和力学性能。

5离子束加工的主要应用

离子束加工的应用领域正在日益扩大、不断创新。

目前用于改变零件表面尺寸和表面物理、力学性能的离子束加工有：

刻蚀加工、离子镀膜加工和离子注入加工等。

5.1刻蚀加工的定义及具体应用领域

5.1.1刻蚀加工的定义离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击过程。

离子束刻蚀工艺的一个很重要的物理参数是刻蚀速率，它表征着每一个入射离子打出的原子数。

刻蚀速率与离子束能量、束流大小、离子束轰击表面的入射角以及被加工材料的原子结构、晶向等许多因素有关。

离子束能量、束流越大，刻蚀速率越大。

5.1.2刻蚀加工的应用领域刻蚀加工一方面可用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达的沟槽，分辨率高，精度、重复一致性好。

也可用于加工费球面镜。

离子束刻蚀加工应用的另一方面是刻蚀高精度的图形，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。

离子束刻蚀系统的优点在于：

分辨率高，可得小于10nm的特征尺寸；课修复光学掩膜；直接离子移植。

5.2离子镀膜加工的定义及具体应用

5.2.1离子镀膜加工的定义离子镀是在真空蒸发镀和溅射镀膜的基础上发展起来的一种镀膜新技术，将各种气体放电方式引入到气相沉积领域，整个气相沉积过程都是在等离子体中进行的。

镀膜时，工件（基片）带负偏压，工件始终受高能离子的轰击。

具有形成膜层与膜基结合力好、膜层的绕镀性好、膜层组织可控参数多、膜层粒子总体能量高，容易进行反应沉积，可以在较低温度下获得化合物膜层等优点。

5.2.2离子镀膜加工的具体应用离子镀可镀材料X围广泛，不论金属、非金属表面上均可镀制金属或非金属薄膜，各种合金、化合物、或某些合成材料、半导体材料、高熔点材料亦均可镀覆。

离子束镀膜技术可用于镀制润滑膜、耐热膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等。

离子束装饰膜。

离子束镀膜代替镀铬硬膜，可减少镀铬公害。

提高刀具的寿命。

5.3离子注入加工的定义及具体应用

5.3.1离子注入加工的定义离子注入加工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，且注入量可以精确地控制。

注入离子是固溶在工件材料中的，注入深度可达1μm，甚至更深。

5.3.2离子注入加工的具体应用离子注入加工主要应用在半导体领域，在国内外应用都很普遍；另外在光学领域和改善工件的润滑性、耐磨性、硬度等方面也有着较多的应用。

6离子束加工应用现状

离子束技术在欧洲已广泛应用于机械制造业，并且由于欧美国家在离子束应用方面发展较早，在技术方面领先我们不少；虽然我国也很重视离子束技术的开发和应用，研究成果很先进，也有少量应用。

但由于投资力度小。

一般仅能维持研究用经费。

无力将科技成果推广到太规模生产中去。

我认为极有必要不失时机地加速离子束技术产业化的进程，这方面有一些历史经验教训值得吸取，如前苏联因一直未重视硅而仅重视锗的研究，从而使得在集成电路发展方面始终处于落后地位，今天赶超起来就显得十分吃力。

7结语

虽然我国家是制造业大国，但是在机床设备领域我国一直比较落后，在我国新一轮的制造业转型中，作为先进特种加工方法中极具代表性的离子束加工必定会获得深远的发展。

传统的机械加工方法和其他特种加工方法都不能达到离子束加工的精度，在未来的微纳米以及纳米级加工中，离子束必将发挥其巨大的作用，但现在离子束加工未能普及是因为其加工设备费用贵，成本搞，加工效率低，一些技术还处于研发阶段。

但我相信未来离子束加工必将被广泛应用，为人类发展带来更多的贡献。

参考文献

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机械工业2013.P163

[2]赵万生等.实用电加工技术[M].：

机械工业2002.P184

[3]余承业.特种加工新技术[M].：

国防工业1995.P78

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P4-7

[5]武建芬.离子束加工技术研究[D].：

中国科学院研究生院，2010.

[6]邹育鹏..汽轮机工作原理及节能潜力研究[J]..技术与市场，2014，第14期：

P85