1、 一.概述 二.离子束加工原理 三.离子束加工特点 四.离子束离子源 五.离子束应用范围 六.等离子体加工 七.等离子体加工特点 八.等离子体加工应用 九.现状与发展趋势2整 体 概 述THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, P L E A S E S U M M A R I Z E T H E C O N T E N T第一部分 一. .概述 发展史 纵观离子束技术发展史，最早可追溯到本世纪初。19061906年哥达德（GoddardGoddard）提出，在宇宙空间可借助电力方法推进空间载体运行。自此，很多空间电推进力装置的设想相继而生。开拓这个领域的
2、先驱们不约而同地发现，电场加速离子方法在实现空间飞行使命将具有极大的潜力和可行性，因为离子的高冲量无疑是最理想的推进手段。从此，解开了人类探索空间的新纪元。 1960 1960年美国航空航天局拟定了一项空间飞行计划，决定研制控制卫星姿态的电推进器系统（EBTSEBTS），由卡夫曼（KaufmanKaufman）教授主持设计宽束低束流密度的电子轰击电推进器，经过近十年完成了代号为SERTSERT、和型的飞行实验，取得了突破性的进展。从此，这种离子发动机称之为KaufmanKaufman离子源。不久，贝尔（BellBell）实验室的专家们把这种大口径均匀离子发射技术转移到地面应用，开拓了离子束刻蚀
3、（IBEIBE）工艺技术，显示出超微细结构的加工能力。从原理上看，在空间与地面应用并无本质的区别，前者需要的是发射大面积重离子（HgHg）均匀束，目的是给卫星系统提供足够大的比推；后者则采用惰性气体（ArAr）作为工质，使均匀的离子束入射到材料表面，产生预期的刻蚀效果。由于空间和地面工作环境极不相同，因此，离子发射装置的设计要求各有偏重。在地面上更关心的是满足刻蚀工艺的需要和技术商用化。 经过近3030年的发展，各技术发达国家已普遍使用这项技术于科学家研究和军事目的。其中，美国起步早，水平高，研究深入，普及广泛。其次是日本、英国、中国等。然而，从技术应用的深度和广度来看，这项技术仍然是一项年轻
4、的技术，未来发展的规模和对高科技的影响尚难估计。不过可以肯定，用这个带有能量的离子作为超微型技术炮弹，将会轰开许多科技奥秘的大门，闪烁出耀眼的科技光彩。 新闻 中国具备研发磁流变和离子束抛光装备能力世界唯一 1纳米有多长？相当于一根头发丝直径的1/80000。亚纳米有多长？小于1纳米！1月中旬，国防科大精密工程创新团队自主研制的磁流变和离子束两种超精抛光装备，创造了光学零件加工的亚纳米精度，并通过国家权威部门验收。据专家介绍，这一成果使我国成为继美国、德国之后第3个掌握高精度光学零件制造加工技术的国家，并成为世界上唯一同时具有磁流变和离子束抛光装备研发能力的国家。 纳米精度被誉为超精密加工技术
5、“皇冠上的明珠”。20世纪90年代，我国大多采用“手工+机械抛光”的传统加工技术，无法进行大口径、高精度、复杂面形的光学零件加工。国防科大精密工程创新团队在李圣怡教授率领下，经过20多年顽强拼搏，突破重重技术瓶颈，自主研制出磁流变、离子束两种超精抛光装备，创造出我国光学零件加工领域的亚纳米精度。近3年来，该团队先后与中国科学院、中国航天科技集团等单位合作，推动我国空间光学、高端装备制造发展，自主研制出两大类7个型号的磁流变和离子束抛光机床，取得了显著经济效益和社会效益。该团队先后获得科技部重大科技专项颁发的“突出贡献奖”和“突出成果奖”。离子束加工是在真空条件下，先由电子枪产生电子束，再引入已
6、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。 二. .离子束加工原理三.离子束加工特点 加工精度高。离子束加工是目前最精密、最微细的加工工艺。离子束轰击工件的材料时，其束流密度和能量可以精确控制。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精确地控制。 环境污染少。离子束加工在真空中进行，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。 加工质量高。离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。与电子束相比（1）相同点：在真空条件中
7、进行；粒子束加工（2）不同点：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;是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。加工装置：离子源、真空系统、控制系统、电源根据离子源产生的方式和用途的不同，离子源有很多形式，常用的有：（1）考夫曼型离子源 四. .离子束加工装置 （2）双等离子体型离子源11 真空系统在离子束设备中，真空系统的好坏直接影响该设备离子源寿命的长短、束流品质和离子束工作效果的优劣。真空系统的主要作用如下：1.提供产生束流环境。束斑尺寸范围从几十纳米到几百纳米，为亚微米级或纳米级，很容易受到大气分子的干扰，不能穿越空气，需要真
8、空系统给它提供一个超真空环境。2.提供束流工作环境。设备工作时，工件和离子束都需要一个非常“洁净”的环境，否则会污染工件和影响束流的工作。如果离子束通道和工作室受到污染，而污染物一般是绝缘的，这样就会产生静电积累，使束流轨迹发生偏移，直接影响离子束的工作效果，如果静电积累严重到发生放电现象，离子束设备就根本无法工作。3.真空度的高低直接影响离子源的使用寿命和发射电流稳定性的好坏。试验表明，真空系统度较高时，正常工作条件下，离子源能使用半年，但是如果真空度较低，不到一个月，就能用完一个新的离子源，大大地缩短了离子源的寿命，而且发射电流也不稳定。五.离子束应用范围离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀
9、膜及离子溅射沉积和离子注入等。（1）离子刻蚀 当所带能量为0.15keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子或分子间键合力时，材料表面的原子或分子被逐个溅射出来，以达到加工目的。这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。离子束可以刻蚀金属、半导体、绝缘体有机物等各种材料，是重要的干法加工手段，尤其适于半导体大规模集成电路和磁泡器件等的微细加工。“磁泡”是一种新的存贮、处理、恢复数据信息的方法，它对于改进通讯系统中的逻辑、存贮、运算和开关过程具有惊人的前景。磁泡信息存贮密度大于每平方英尺一百万位，而且磁泡存贮器中的信息处理速度达
10、每秒一百万位。 离子束刻蚀的影响因素 刻蚀速率与靶材料、离子束种类、离子束能量、离子束入射角以及工作室的气氛和压强等有关。1.1.靶材料各种材料由于成分和结构的不同，即使相同工艺条件，刻蚀速率差别也很大，可见表2.入射离子能量一般说在小于500ev时，刻蚀速率正比于入射离子能量E的平方。在5001000ev之间，正比于E。在10005000ev之间则正比于E的平方根。3.离子束入射角通常，溅射产额随离子束入射角而增加（法线入射时=0）。这是由于入射角增大时，轰击离子离表面更近、走的路程更长，可以使更多的受激原子离开表面。入射角大于一个临界角时，就发生了离子反射，溅射产额随之降低。也可以考合适的
11、角度控制刻蚀图形的轮廓。4.表面洁净程度实验表明，经过洁净处理的表面刻蚀速率高于未经处理的，人们普遍认为这是表面玷污的影响。油脂等表面玷污物在离子束轰击下发生碳化，会有刻蚀速率很低的碳膜覆盖表面，使刻蚀速率降低。 刻蚀加工离子刻蚀还用来制薄材料，用于制薄石英晶体振荡器和压电传感器。金刚石刀具 大规模集成电路芯片刻蚀 离子束刻蚀加工在以下方面得到应用高精度加工 离子束刻蚀可达到很高的分辨率，适合刻蚀精细图形。离子束加工小孔的优点是孔壁光滑，临近区域不产生应力和损伤，能加工出任意形状的小孔。表面抛光 离子束能完成机械加工中的最后一道工序精抛光，以消除机械加工所产生的刻痕和表面应力。加工时只要严格选
12、择溅射参数(入射离子能量、离子质量、离子入射角、样品表面温度等)，光学零件就可以获得极佳的表面质量，且散射光极小。 刻蚀的新发展反应离子束刻蚀1.离子束加强刻蚀这是在氩离子束刻蚀的同时，加入了反应气体，使其与基片起化学反应。反应气流直接对准被离子束轰击的基片表面。刻蚀铅是采用能腐蚀铅的氯气。离子束轰击可以去除腐蚀层，保证氯气的腐蚀不断进行。这种加强刻蚀有相当高的刻蚀速率，可以使铅或砷化镓的刻蚀速率达到5um/min2.反应气体离子刻蚀在氩离子束刻蚀中加入了氧反应离子束，可以改变基片表面的结合能，从而改变刻蚀速率。 （2）离子溅射沉积采用能量为0.15keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材
13、原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。离子束溅射薄膜压力传感器（3）离子镀膜离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达1020MPa） 溅射镀膜工艺 一.合金膜的镀制在各种镀膜技术中，溅射最适于镀制合金膜。溅射镀制合金膜，有三种可供选择的技术方案；多靶溅射、镶嵌靶溅射和合金靶溅射。1.多靶溅射多靶溅射是采用几个纯金属靶同时对基片进行溅射。调整各个靶的功率，就能改变膜材成分。这种方法特别适于调整合金成分，可以得到成分连续变化的膜材。2.镶嵌靶溅射镶嵌靶溅射是将各种纯金属靶材，按一定比例镶嵌在靶面上同时进行溅射。3
14、.合金靶溅射用合金靶溅射合金膜，唯一的关键问题是如何制备出合金靶材。最简单的办法是从整块合金板材或棒材上切取。 化合物膜的镀制 化合物膜，通常是指由金属元素与非金属元素（碳、氮、氧、硼、硫等）的化合物镀成的薄膜。化合物膜的镀制，有三种技术方案可供选择：直流溅射、射频溅射和反应溅射。1.直流溅射许多化合物是导电材料，其导电率甚至与金属材料相当，可以采用直流溅射。这类化合物中，有碳化物（如TaC，TiC，VC，ZrC）硼化物（如MoB，TaB）和硅化物。2.射频溅射如果化合物靶材的电阻率很高，就不能用直流溅射，而只能用射频溅射。所谓射频是指无线电波发射范围的频率。为了避免干扰电台工作，溅射所用射频
15、电源的频率，规定为13.56MHz。3.反应溅射 大规模镀制化合物膜，最适宜的方法是反应溅射。这种方法的优点在于不必用化合物靶材，而是直接用金属靶；也不必用复杂的射频电源，而是用直流溅射。 反应溅射，是在金属靶材进行溅射的同时，通入反应气体，使两者在基片上发生化学反应，得到所要求的化合物薄膜。例如，镀制TiN时，靶材为金属钛，溅射气体为Ar和氮气混合气；镀制氧化物时，用Ar和氧气混合气；碳化物用乙炔；硅化物用硅烷；硫化物用硫化氢。 镀膜加工优点精密滚珠轴承采用离子镀膜后，使用寿命延长到数千小时；刀具镀以几微米厚的涂层后，寿命提高310倍；在钛合金叶片上沉积一层贵金属（Pt、Au、Rh铑等）涂层
16、，可使疲劳强度增加30%，抗氧化与耐腐蚀能力也大大提高。（4）离子注入 离子束直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。离子注入既不是从加工表面去除基体材料，也不是在表面以外添加镀层，这种方法仅仅是改变基体表面层的成分和组织结构，从而造成表面性能变化，满足材料的使用要求。这一过程是以高速离子束将元素射入固体表面区。通常，离子能量为几万到几十万电子伏。被轰击的样品或零件装在真空室内两靶盘上。入射离子在基体材料内，与基体原子不断碰撞而损失能量，结果就停留在几到几百纳米处，形成注入层。离子注入加工优点改变金属材料
17、表面的力学性能，如提高硬度、耐磨性和抗疲劳性能、改变摩擦特性；改变金属材料的物理性能，如电性能、超导性能、光学性能及绝缘性能；改变金属表面的抗腐蚀性能，如抗化学腐蚀和抗高温氧化性能等。 离子注入金属污染当离子注入工艺因为有磁场的分析过程，一直被认为是没有任何污染的清洁制成。但很快，研究发现并不是如此，因为大量金属材料的存在，并位于离子束行进路线上，许多金属元素会受到解离或溅射作用后，以离子的形式游离到真空腔体中，它们中的一部分会顺利到达正在进行注入的晶圆表面浅层，从而影响晶圆表面器件绝缘部分的性能。由于离子束中所包含的注入离子量巨大，其所产生的金属离子量也相应的很大。一般情况下，当金属污染量为
18、实际注入离子剂量的百分之一以上时，我们认为发生了严重的金属污染。 污染来源 1.离子注入设备中与金属材料有关的解离或溅射过程导致的污染2.生产过程中因为管理不当或者人为疏失造成的前后段污染。 解决方案1.根据金属污染的离子注入工艺中发生的原理，针对工艺设备中的金属污染产生机制，对离子注入设备进行合理改造。通过增加保护层或者更换材料等方法，来消除设备组成部件中的金属材料解离或溅射过程的可能性，以及与产品接触的可能性，来抑制金属离子的产生和金属离子对晶圆产品的破坏，从而达到防治金属污染的目的。2.一部分由于硬件设计构造决定的无法根本消除的金属污染量，在生产工艺上还需要采取清洗的手段，来降低离子注入
19、加工以后的晶圆表面金属污染残留量，根据湿法清洗原理，一些特殊配方的化学溶剂能有效溶解金属离子，可以起到清洗去污染的效果。3.利用有效的测量仪器对设备进行定期的监控，使工程师能密切掌握离子注入设备的金属污染状况，对及时发现和排出金属污染可以起到重要的保障作用，同时也可以为工程师提供离子注入设备长期有效的污染数据，为关键时刻解决相关问题提供有力的支持。因此，合理运用检测手段测量金属污染的实际情况，有效的改善检测方法和日常设备测试手段，可以随时预防和监测金属污染事件的发生，并及时采取措施。 六.等离子体加工等离子体加工又称为等离子弧加工，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气
20、化去除材料。等离子体又被称为物质的第四种状态。等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，理解成带正电荷的离子和带负电的自由电子，整体的正负离子数目和正负电荷仍相等，因此称为等离子体。 等离子体是物质在高温或特定激励下的一种物质状态，是除固态、液态、气态以外，物质的第四种状态。宇宙中90物质处于等离子体态 等离子体加工原理喷嘴2接直流电源的阳极，钨电极5接阴极，使阴极钨电极5和阳极喷嘴2的内壁之间发生电弧放电，吹入的工质气体受电弧作用加热膨胀，从喷嘴喷出形成射流7，称之为等离子体射流，使放在喷嘴前面的材料9充分加热。等离子具有极高密度的原因机械压缩效应：电弧通过喷嘴通
21、道时，喷嘴对通道产生机械压缩作用。热收缩效应。喷嘴内部通有冷却水，使喷嘴内壁受到冷却，温度降低，因而靠近内壁的气体电离度差，电弧电流被迫在电弧中心高温区域通过，使电弧有效截面缩小，电流密度增加。磁收缩效应。电弧周围有磁场，迫使电弧产生收缩收缩作用，使电弧更细。 由于上述三种压缩效应的综合作用，使等离子体的能量高度集中，电流密度、等离子体电弧的温度都很高，可达1100028000摄氏度，气体的电离度也随着剧增，并以极高的速度从喷嘴孔喷出，具有很大的动能和冲击力，当到达金属表面时，可以释放出大量的热能，加热和熔化金属，并将熔化了的金属材料吹除。七.等离子体加工特点 等离子体电弧对材料直接加热，用于
22、金属材料的加工、切割以及焊接等。 等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度，以及喷射距离，可以利用一个电极加工不同厚度和多种材料。 具有小孔效应，能较好实现单面焊双面自由成形。 离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强，1012mm厚度钢材可不开坡口，能一次焊透双面成形，焊接速度快，生产率高，应力变形小。 设备比较复杂，气体耗量大，只宜于室内焊接。 加工工具简单的设备有：手持等离子切割器、小型手提式装置。 加工设备 复杂的设备有程序控制和数字程序控制的设备、多喷嘴的设备。 加工工具 在数控机床上可安装先进的等离子体切
23、割系统，并实现喷嘴的自适应控制，以自动寻找和保持喷嘴与板材的正确距离。除了平面成形切割外，还有用于车削、开槽、钻孔和刨削的等离子体加工设备。 加工工具 切割用的直流电源空载电压为300V左右。 用氩气作为工质气体时空载电压可降低为100V左右，电极材料为铈钨或钍钨。 用压缩空气作为工质气体时，电极材料为锆或铪。 使用的喷嘴材料一般为纯铜或锆铜。 八.等离子体加工应用 1.切割 等离子体加工已广泛用于切割各种金属材料特别是不锈钢、铜、铝的成形切割。已获得重要的工业应用。它可以快速而较整齐地切割软钢、合金钢、钛、铸铁、钨、钼等。切割不锈钢、铝及其合金的厚度一般为3100mm。 2.穿孔等离子体还用
24、于金属的穿孔加工。 3.热辅助加工（热切削复合加工） 这是一种机械切削和等离子弧的复合加工方法，在切削前，用等离子弧对工件待加工表面进行加热，使工件材料变软，强度降低，从而使切削加工具有切削力小、效率高、刀具寿命长等优点，已用于车削、开槽、刨削等。 4.焊接 等离子体电弧焊接已得到广泛应用，使用的气体为氩气。用直流电源可以焊接不锈钢和各种合金钢，焊接厚度一般在110mm, 1mm以下的金属材料用微束等离子弧焊接。 等离子体焊接优点 等离子焊独特的穿孔效应，可以确保从薄板至厚板都能可靠地焊透。由于高能密度的电弧和脉冲波形的应用，从而实现低能量域的焊接。由于喷嘴内的钨极受到有效的冷却，钨极的损耗降
25、低，寿命延长。5.表面处理与传统的方法相比，等离子体表面处理具有成本低、无废弃物、无污染等显著的优点，同时可以得到传统的化学方法难以达到的处理效果。 表面处理 加工应用与传统的工艺相比较，等离子体技术应用的优点包括：不会改变基体固有性能，改性作用仅仅发生在表面，约几到几十个纳米。 全程干躁的处理方式，无需溶解剂和水，不产生污染，因而节约能源，降低成本。作用时间短，反应速率高，加工对象广，能显著提高产品质量。 工艺简单、操作方便，生产可控性强，产品一致性好。 属于健康型工艺，对操作人员身体无害。 6.等离于体还用于人造器官的表面加工 采用氨和氢-氮等离子体，对人造心脏表面进行加工，使其表面生成一
26、种氨基酸，这样，人造心脏就不受人体组织排斥和血液排斥，使人造心脏植入手术更易获得成功。 7.垃圾处理 长弧等离子火矩气化技术是一种全新的垃圾焚烧方法，它没有传统的锅炉，而是模拟地层中的化工过程，将垃圾气化。简单的说，就是用高压电弧产生高温（高于太阳表面温度）焚烧垃圾。在这样的高温下，任何东西都会变成气态或者熔融电离态（实际上叫等离子体）。这时，一切垃圾都被还原成原子及小分子状态，所以，有毒有害、病菌、病毒等全部变成了无害物质。66提问与解答环节Questions and answers67结束语 感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边68感谢观看The user can demonstrate on a projector or computer, or print the presentation and make it into a film
