电子束与离子束加工ppt课件.ppt

太太空空中中看看到到的的南南北北极极光光极光弧极光带极光片极光幔极光辉电视机成像原理机成像原理屏幕屏幕电子束电子束　电视机成像原理　　　　　电视显象管                          　　　　　　　　　　　　　　电子束                 电视屏幕             图像电视显像管用电子束电视显像管用电子束击中涂有发光物质的击中涂有发光物质的电视屏幕电视屏幕,显示出图像显示出图像            磁层将太阳风粒子流              会聚成束,聚焦到极区              大气中, 激发大气中分              子和原子,构成极光 极光极光显显示原理示原理 磁磁层层　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 太阳太阳风风粒子流粒子流 极区大气极区大气 极光极光l阴极射线管(CRT)l组成l包括电子枪、聚焦系统、加速电极、偏转系统、荧光屏l任务原理l电子枪发射电子束l经过聚焦系统、加速电极、偏转系统l轰击到荧光屏的不同部位l被其内外表的荧光物质吸收l发光产生可见的图形l构造电子子枪电灯丝的组成阴极由灯丝加热发出电子束控制栅加上负电压后，可以控制经过其中小孔的带负电的电子束的强弱经过调理负电压高低来控制电子数量即控制荧光屏上相应点的亮度聚焦系聚焦系统经过电场和磁和磁场控制控制电子束子束变细，保，保证亮点足亮点足够小，提高分小，提高分辩率率 加速电极 加正的高压电 〔 几 万伏〕 使电子束高速运动  控控制制静静电电场场或或磁磁场场，，使使电电子子束束产产生生偏偏转转，，最最大大偏偏转转角角是是衡衡量量系系统统性性能能的的最最重重要要的的目目的的，，显显示示器器长长短短与与此此有有关。

关偏转系统荧光屏光屏 荧光物质：吸收电子束而发光荧光物质：吸收电子束而发光余辉时间：继续发光时间，电子束分开某点后，该点的亮度值衰减到余辉时间：继续发光时间，电子束分开某点后，该点的亮度值衰减到初始值初始值刷新刷新(Refresh)：为了让荧光物质坚持一个稳定的亮度值：为了让荧光物质坚持一个稳定的亮度值刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数刷新频率：每秒钟重绘屏幕的次数像素像素(Pixel)：构成屏幕〔图像〕的最小元素：构成屏幕〔图像〕的最小元素分辨率分辨率(Resolution)：：CRT在程度或竖直方向单位长度上能识别的最大在程度或竖直方向单位长度上能识别的最大像素个数像素个数 单位通常为单位通常为dpi〔〔dots per inch) 在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能包容的像在假定屏幕尺寸一定的情况下，也可用整个屏幕所能包容的像素个数描画素个数描画 如如640*480，，800*600，，1024*768，，1280*1024等等等等某种某种CRT产生稳定图像所需求的最小刷新频率产生稳定图像所需求的最小刷新频率=1秒秒/荧光物质的继续发光时间荧光物质的继续发光时间〔例如〕〔例如〕=1000/40=25Hz彩色彩色CRT浸透型浸透型常用于随机扫描显示器常用于随机扫描显示器射线穿透法射线穿透法多枪型多枪型常用于光栅扫描显示器常用于光栅扫描显示器影孔板法影孔板法彩色阴极射彩色阴极射线管管射线穿透法〔beam penetration〕原理：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，不同速度电子束穿透荧光层的深浅，决议所产生的颜色电子束电子束荧光涂层荧光涂层产生颜色产生颜色低速电子束低速电子束较低速电子束较低速电子束较高速电子束较高速电子束高速电子束高速电子束运用：主要用于画线显示器运用：主要用于画线显示器优点：本钱低优点：本钱低缺陷：只能产生有限几种颜色缺陷：只能产生有限几种颜色影孔板法原理：影孔板被安装在荧光屏的内外表，用于准确定位像素的位置外层玻璃外层玻璃荧光涂层荧光涂层影孔板影孔板荫罩式〔点状〕影孔板任务原理红、绿、兰三基色三色荧光点〔很小并充分接近--〉像素〕三支电子枪电子枪、影孔板中的一个电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈不断线小孔和荧光点呈不断线每个小孔与一个像素〔即每个小孔与一个像素〔即三个荧光点〕对应三个荧光点〕对应第第6章章 电子束与离子束加工技术电子束与离子束加工技术6.1  电子束加工1. 加工原理 电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图7-20所示。

在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工资料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使资料部分瞬时熔融、汽化蒸发而去除图6-20  电子束加工原理控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以到达不同的加工目的如只使资料部分加热就可进展电子束热处置；使资料部分熔化就可以进展电子束焊接；提高电子束能量密度，使资料熔化和汽化，就可进展打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子资料时产生化学变化的原理，即可进展电子束光刻加工2．特点与运用电子束加工的特点如下：(1) 电子束可以极其微细地聚焦(可达l～0.1 μm)，故可进展微细加工2) 加工资料的范围广由于电子束能量密度高，可使任何资料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体资料    (3) 加工在真空中进展，污染少，加工外表不易被氧化4) 电子束加工需求整套的公用设备和真空系统，价钱较贵，故在消费中遭到一定程度的限制   • 电子枪：发射高速电子流，进展初步聚焦，并使电子加速它由电子发射阴极、控制栅极和加速阳极组成• 真空系统：真空泵和抽气安装，由于在真空下电子才干高速运动， 发射阴极不会在高温下被氧化， 同时也防止被加工外表和金属蒸汽氧化。

开式真空系统• 控制系统：由聚焦安装、偏转安装和任务台位移安装等组成， 控制电子束的束径大小和方向，按照加工要求控制任务台在程度面上的两坐标位移• 电源系统：提供稳压电源、 各种控制电压及加速电压 二、电子束加工安装三、电子束加工运用三、电子束加工运用热型：利用电子束将资料的部分加热至熔化或气化点进展加工的，比较适宜打孔、切割槽缝、焊接及其他深构造的微细加工非热型：利用电子束的化学效应进展刻蚀、大面积薄层等微细加工 电子束加工的运用范子束加工的运用范围电子束打孔电子束打孔 加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性资料时，需用加工玻璃、陶瓷、宝石等脆性资料时，需用电阻炉或电子束预热电阻炉或电子束预热 电子束焊接电子束焊接 化学成份纯真，热影响区小，高的机械强度化学成份纯真，热影响区小，高的机械强度 ，变形小，速度快，变形小，速度快. 电子束刻蚀电子束刻蚀 对半导体资料或陶瓷刻蚀微细沟槽和小孔对半导体资料或陶瓷刻蚀微细沟槽和小孔 热处置热处置 细晶细晶光刻光刻 爆光出恣意图形爆光出恣意图形           电子束加工常运用于加工微细小孔、异型孔(如图7-21所示)及特殊曲面图7-22所示为电子束加工弯曲的型面。

其原理为：电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲，工件同时挪动，即可加工曲面Ⅰ；随后改动磁场极性，即可加工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽Ⅲ；当工件固定不动，先后改动磁场极性，二次加工，即可得到一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ拉制电子束速度和磁场强度，即可控制曲率半径图7-21  电子束加工的喷丝头异形孔图6-22  电子束加工曲面、穿孔离子束4. 刻蚀刻蚀〔构成沟槽〕〔构成沟槽〕5. 堆积堆积〔构成电路〕〔构成电路〕6. 剥膜剥膜〔去除光致抗蚀剂〕〔去除光致抗蚀剂〕3. 显影、烘片显影、烘片〔构成窗口〕〔构成窗口〕窗口2. 曝光曝光〔投影或扫描〕〔投影或扫描〕掩膜电子束图  电子束光刻大规模集成电路加工过程光刻加工1. 涂胶涂胶〔光致抗蚀剂〕〔光致抗蚀剂〕氧化膜光致抗蚀剂基片6.2  离子束加工1．加工原理离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理与电子束加工原理根本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件外表的加工部位以实现加工的所不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。

离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进展的2、离子束加工的物理根底是离子束射到资料外表时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应离子束加工可分为四类1) 离子刻蚀  离子轰击工件，将工件外表的原子逐个剥离，又称离子铣削，其本质是一种原子尺度的切削加工2) 离子溅射堆积  离子轰击靶材，将靶材原子击出，堆积在靶材附近的工件上，使工件外表镀上一层薄膜3) 离子镀(又称离子溅射辅助堆积)离子同时轰击靶材和工件外表，目的是为了加强膜材与工件基材之间的结合力4) 离子注入离子束直接轰击被加工资料，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工资料的表层工件外表层含有注入离子后，就改动了化学成分，从而改动了工件外表层的机械物理性能3．特点及运用离子束加工有如下特点：(1) 离子束加工是目前特种加工中最精细、最微细的加工离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可准确地控制2) 离子束加工在高真空中进展，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体资料进展加工(3) 离子束加工是靠离子轰击资料外表的原子来实现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小，适宜于对各种资料和低刚件零件进展加工。

在目前的工业消费中，离子束加工主要运用于刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄资料等)、镀膜加工(如在金属或非金属资料上镀制金属或非金属资料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等　　离子束加工安装由离子源系统、真空系统、控制系统和电源组成， 如下页图所示 离子源又称离子枪，其任务原理是将气态原子注入离子室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击等方法被电离成等离子体，并在电场作用下使离子从离子源出口孔引出而成为离子束 如下图为双等离子体离子束加工的根本原理图， 首先利用阴极与阳极之间的低气压直流电弧放电， 将氩、氪、氖等惰性气体在阳极小孔以上的低真空〔1.3 Pa〕中离子化二、离子束加工安装图     双等离子体离子束加工的根本原理图 　　中间电极的电位普通比阳极低些，两者都由软铁制成，和电磁线圈构成很强的轴向磁场，由于中间电极和这个强磁场的作用，使电弧放电局限在其中间，在阳极小孔附近产生高密度强聚焦的等离子体 经过控制电极和引出电极，将正离子引出到阳极小孔以下的高真空区〔1.3×10－5Pa〕，再经过静电透镜所构成的聚焦安装构成高密度离子束，轰击工件外表，工件装夹在任务台上，任务台可作双坐标挪动及绕立轴转动。

利用氩〔Ar〕离子或其它带有 10keV 数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击〞工件外表，进展“溅射〞加工图  离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件外表工件真空离子束加工◎◎将将被被加加速速的的离离子子聚聚焦焦成成细细束束，，射射到到被被加加工工外外表表上上被被加加工工外外表表受受““轰轰击击〞〞后后，，打打出出原原子子或或分分子子，，实实现现分分子子级级去去除除加工1. 1. 离子束溅射去除加工离子束溅射去除加工◆◆   四种任四种任务务方式方式惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦安装摆动安装工件三坐标任务台图    离子束去除加工安装◎◎加加工工安安装装见见图图. .三三坐坐标标任任务务台台可可实实现现三三坐坐标标直直线线运运动动，，摆摆动动安安装装可可实实现现绕绕程程度度轴轴的的摆摆动动和和绕绕垂直垂直轴轴的的转动转动三、离子束加工的运用三、离子束加工的运用◎◎离离子子束束溅溅射射去去除除加加工工可可用用于于非非球球面面透透镜镜成成形形〔 〔需需求求5 5坐坐标标运运动动〕 〕，，金金刚刚石石刀刀具具和和冲冲头头的的刃刃磨磨，，大大规规模模集集成成电电路路芯芯片片刻刻蚀蚀等。

等图   离子束加工金刚石制品离子束离子束r = 0.01μm预加工终加工a)  金刚石压头r = 0.01μm离子束离子束预加工终加工b)  金刚石刀具◎◎离子束离子束溅溅射去除加工可加工金属和非金属射去除加工可加工金属和非金属资资料2. 2. 离子束溅射镀膜加工离子束溅射镀膜加工◎◎用加速的离子从靶材上用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将打出原子或分子，并将这这些原子或分子附着到工件些原子或分子附着到工件上，构成上，构成“ “镀镀膜〞又被称膜〞又被称为为“ “干式干式镀镀〞〞〔 〔图图〕 〕离子束源靶溅射资料溅射粒子工件真空图 离子束溅射镀膜加工◎◎离子离子镀镀氮化氮化钛钛，即美，即美观观，又耐磨运用在刀具上可提高寿，又耐磨运用在刀具上可提高寿命命1-21-2倍◎◎溅溅射射镀镀膜可膜可镀镀金属，也金属，也可可镀镀非金属◎◎由于由于溅溅射出来的原子和射出来的原子和分子有相当大的分子有相当大的动动能，故能，故镀镀膜附着力极膜附着力极强强〔 〔与蒸与蒸镀镀、、电镀电镀相比相比〕 〕◎◎用高能离子用高能离子〔 〔数十万数十万KeVKeV〕 〕轰击轰击工件外表，离子打入工件工件外表，离子打入工件表表层层，其，其电电荷被中和，并留在工件中荷被中和，并留在工件中〔 〔置置换换原子或填隙原子原子或填隙原子〕 〕，从而改，从而改动动工件工件资资料和性料和性质质。

◎◎可用于半可用于半导导体体掺杂掺杂〔 〔在在单单晶硅内注入磷或硼等晶硅内注入磷或硼等杂质杂质，用于，用于晶体管、集成晶体管、集成电电路、太阳能路、太阳能电电池制造池制造〕 〕，金属，金属资资料改性料改性〔 〔提提高刀具刃口硬度高刀具刃口硬度〕 〕等方面 3. 3. 离子束溅射注入加工离子束溅射注入加工 4. 4. 离子束曝光离子束曝光◎◎用在大用在大规规模集成模集成电电路制造中，与路制造中，与电电子束相比有更高的灵子束相比有更高的灵敏度和分辨率敏度和分辨率在真空条件下，将氩〔Ar〕、氪〔Kr〕、氖〔Xe〕等惰性气体，经过离子源电离构成带有 10 keV数量级动能的惰性气体离子，并构成离子束，在电场中加速，经集束、 聚焦后，射到被加工外表上对加工外表进展轰击，这种方法称之为“溅射〞由于离子本身质量较大， 因此比电子束有更大的能量，当冲击工件资料时，假设能量大，会从被加工外表分别出原子和分子， 这就是离子束溅射去除加工；离子束离子束溅溅射射　　假设用被加速了的离子从靶材上打出原子或分子，并将它们附着到工件外表上构成镀膜，那么为离子束溅射镀膜加工〔如下图〕； 用数十万电子伏特的高能离子轰击工件外表，离子将打入工件表层内， 其电荷被中和，成为置换原子或晶格间原子， 留于工件表层中，从而改动了工件表层的资料成分和性能， 这就是离子束溅射注入加工。

图 离子束溅射镀膜加工原理 　　离子束加工与电子束加工不同，离子束加工时，离子质量比电子质量大千倍甚至万倍，但速度较低， 因此主要经过力效应进展加工 而电子束加工时，由于电子质量小， 速度高，动能几乎全部转化为热能，使工件资料部分熔化、 汽化， 因此主要是经过热效应进展加工。