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微观领域的较量——电子束和离子束加工大比拼

电子束加工和离子束加工都是在真空中,将带电粒子加速到极高速度,然后用其冲击工件表面,从而获得巨大能量的加工技术。

那么,二者之间又存在哪些共性和不同之处呢,本文将为读者总结一二。

加工原理比较

电子束加工使用的是电子,而离子束加工使用的是正离子。

相比于前者,正离子除了电性相反之外,质量要比电子大得多,达到几千甚至几万倍,在撞击工件表面时,能够获得大得多的撞击动能,可以注入工件材料内部,并将工件表面的原子撞出来。

离子束注入工件材料内部的效应称为注入效应,将工件表面原子撞出来的效应称为撞击效应和溅射效应。

因此,离子束加工是通过离子对工件表面的机械撞击能量来进行加工的技术,而不是像电子束加工那样,主要通过将高能电子束聚焦在一个很小的面积上,从而产生大量热能使材料熔化来进行加工。

加工特点比较

由于电子束加工能够将电子束聚焦在极其细微的面积上,甚至能够聚焦在直径为微米的范围内,因此加工面积和切缝可以非常微小,是一种精密微细的加工方法。

由于聚焦面积小,这种加工方法形成的电子束能量密度很大,可以在瞬间产生极高的温度,使材料熔化甚至气化,对各种导体、绝缘体、金属、非金属材料均可使用,而且加工效率较高。

因此电子束加工是一种非接触性的加工方式,不产生机械变形,热变形也很小,不仅可以保护设备,而且对脆性材料而言是也一种理想的加工方式。

通过电场和磁场的作用,可以很方便地对电子束进行控制,自动化程度高、可加工异形面。由于是在真空中完成加工的,电子束加工不会对加工表面的材料性质产生破坏。

离子束加工通过电子光学系统的聚焦扫描逐层去除原子,能量也可以得到精确的控制。

利用离子束进行蚀刻,加工精度可以达到纳米数量级;

镀膜加工,精度可以达到亚微米数量级;

离子注入加工,注入的深度和浓度也可以得到精确的控制。

所以离子束加工是一种精度最高的加工方式,也是当代纳米加工技术的基础,但是它的加工效率不及电子束加工。

离子束加工与电子束加工一样,机械变形和热变形很小,适用于各种不同材质、不同刚度和脆性的材料。

另外,这二者还有一个重要的共同之处,那就是设备比较昂贵、成本很高。

加工应用比较

总体而言,电子束加工的加工效率更高,适用范围更广;而离子束加工的加工精度更大,是所有特种加工之中最精密、最细微的一种加工方式。

电子束加工根据其功率密度和能量注入时间的不同,可以用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻等各种类型的加工。

相比而言,离子束使用的加工类型要少一些,包括用于从工件上去除材料的离子刻蚀加工,用于给工件表面涂覆的离子镀膜加工以及用于表面改性的离子注入加工等。

这些加工类型本质上都是用来改变零件尺寸和表面物理力学性能的。

随着人们对离子束加工的研究日益深入,这项技术能够应用的范围也必将日益扩大。

近年来,随着纳米科技和半导体集成电路产业的飞速发展,具有多功能、高分辨率的电子束加工和聚焦离子束加工技术受到人们空前的重视,它们已成为当前微米纳米加工的重要手段。

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