電子束加工和離子束加工是近年來(lái)得到較大發(fā)展的新型特種加工,。他們?cè)诰芪⒓?xì)加工方面，尤其是在微電子學(xué)領(lǐng)域中得到較多的應(yīng)用,。通常來(lái)說(shuō),，電子束加工主要用于打孔、焊接等熱加工和電子束光刻化學(xué)加工,，而離子束加工則主要用于離子刻蝕,、離子鍍膜和離子注入等加工。
電子束加工（Electron Beam Machining 簡(jiǎn)稱EBM）起源于德國(guó),。1948年德國(guó)科學(xué)家斯特格瓦發(fā)明了第一臺(tái)電子束加工設(shè)備,。它是一種利用高能量密度的電子束對(duì)材料進(jìn)行工藝處理的方法統(tǒng)稱。
在真空條件下,，利用電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速,、聚焦后能量密度為106～109w/cm2的極細(xì)束流高速?zèng)_擊到工件表面上極小的部位，并在幾分之一微秒時(shí)間內(nèi),，其能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能,，使工件被沖擊部位的材料達(dá)到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā),，來(lái)去除材料,。
控制電子束能量密度的大小和能量注入時(shí)間,，就可以達(dá)到不同的加工目的：
1,、只使材料局部加熱就可進(jìn)行電子束熱處理；
2,、使材料局部熔化就可以進(jìn)行電子束焊接,；
3、提高電子束能量密度，使材料熔化和汽化,，就可進(jìn)行打孔,、切割等加工；
4,、利用較低能量密度的電子束轟擊高分子材料時(shí)產(chǎn)生化學(xué)變化的原理,，即可進(jìn)行電子束光刻加工。
電子束主要加工裝置
電子束加工裝置主要由以下幾部分組成：
電子槍
1,、電子發(fā)射陰極—用鎢或鉭制成,，在加熱狀態(tài)下發(fā)射電子。
2,、控制柵極—既控制電子束的強(qiáng)弱,，又有初步的聚焦作用。
3,、加速陽(yáng)極—通常接地,，由于陰極為很高的負(fù)壓，所以能驅(qū)使電子加速,。
真空系統(tǒng)
保證電子加工時(shí)所需要的真空度,。一般電子束加工的的真空度維持在1.33×10-2~ 1.33×10-4 Pa。
控制系統(tǒng)和電源
控制系統(tǒng)包括束流聚焦控制,、束流位置控制,、束流強(qiáng)度控制以及工作臺(tái)位移控制。
束流聚焦控制：提高電子束的能量密度,，它決定加工點(diǎn)的孔徑或縫寬,。
聚焦方法：一是利用高壓靜電場(chǎng)是電子流聚焦成細(xì)束；另一種方法是利用“電磁透鏡”靠磁場(chǎng)聚焦,。
束流位置控制：改變電子的方向,。
工作臺(tái)位移控制：加工時(shí)控制工作臺(tái)的位置。
電源：對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求較高,，常用穩(wěn)壓電源,。
電子束加工工藝的特點(diǎn)
電子束能夠極其微細(xì)地聚焦(可達(dá)l～0.1 μm)，故可進(jìn)行微細(xì)加工,。
加工材料的范圍廣,。能加工各種力學(xué)性能的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料,。
加工效率很高,。
加工在真空中進(jìn)行，污染少,，加工表面不易被氧化,。
電子束加工需要整套的專用設(shè)備和真空系統(tǒng),，價(jià)格較貴，故在生產(chǎn)中受到一定程度的限制,。
在真空條件下,，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦后投射到工件表面,。由于離子帶正電荷,，其質(zhì)量數(shù)比電子大數(shù)千倍甚至上萬(wàn)倍，它撞擊工件時(shí)具有很大撞擊動(dòng)能,，通過微觀的機(jī)械撞擊作用從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工,。
離子束與電子束加工原理基本相同。主要是不同是離子帶正電荷,，其質(zhì)量比電子大數(shù)千倍乃至數(shù)萬(wàn)倍,，故在電場(chǎng)中加速較慢，但一旦加至較高速度,，就比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能,。
電子束加工是靠電能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行加工的。離子束加工是靠電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能進(jìn)行加工的,。
離子束加工的分類
離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng),、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)。通常分以下四類：
離子刻蝕
采用能量為0.1～5keV,、直徑為十分之幾納米的的氬離子轟擊工件表面時(shí),，此高能離子所傳遞的能量超過工件表面原子（或分子）間鍵合力時(shí)，材料表面的原子（或分子）被逐個(gè)濺射出來(lái),，以達(dá)到加工目的,。這種加工本質(zhì)上屬于一種原子尺度的切削加工，通常又稱為離子銑削,。
離子刻蝕可用于加工空氣軸承的溝槽,、打孔、加工極薄材料及超高精度非球面透鏡,，還可用于刻蝕集成電路等的高精度圖形,。
離子濺射沉積
采用能量為0.1～5keV的氬離子轟擊某種材料制成的靶材，將靶材原子擊出并令其沉積到工件表面上并形成一層薄膜,。實(shí)際上此法為一種鍍膜工藝 ,。
離子鍍膜
離子鍍膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉積，另一方面還有高速中性粒子打擊工件表面以增強(qiáng)鍍層與基材之間的結(jié)合力（可達(dá)10～20MPa）,。
該方法適應(yīng)性強(qiáng),、膜層均勻致密、韌性好,、沉積速度快,，目前已獲得廣泛應(yīng)用,。
離子注入
用5～500keV能量的離子束,，直接轟擊工件表面,，由于離子能量相當(dāng)大，可使離子鉆進(jìn)被加工工件材料表面層,，改變其表面層的化學(xué)成分,，從而改變工件表面層的機(jī)械物理性能。
該方法不受溫度及注入何種元素及粒量限制,，可根據(jù)不同需求注入不同離子（如磷,、氮、碳等）,。注入表面元素的均勻性好,，純度高，其注入的粒量及深度可控制,，但設(shè)備費(fèi)用大,、成本高、生產(chǎn)率較低,。
離子束加工工藝的特點(diǎn)：
加工精度高
離子束加工是目前最精密,、最微細(xì)的加工工藝。離子刻蝕可達(dá)納米級(jí)精度,，離子鍍膜可控制在亞微米級(jí)精度,，離子注入的深度和濃度亦可精確地控制。
環(huán)境污染少
離子束加工在真空中進(jìn)行,，特別適宜于對(duì)易氧化的金屬,、合金和半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工。
加工質(zhì)量高
離子束加工是靠離子轟擊材料表面的原子來(lái)實(shí)現(xiàn)的,，加工應(yīng)力和變形極小,，適宜于對(duì)各種材料和低剛件零件進(jìn)行加工。
電子束加工與離子束加工工藝比較
離子束加工的原理和電子束加工基本類似,，也是在真空條件下,，將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速聚焦，使之撞擊到工件表面,。不同的是離子帶正電荷,，其質(zhì)量比電子大數(shù)千、數(shù)萬(wàn)倍,，如氬離子的質(zhì)量是電子的7.2萬(wàn)倍,，所以一旦離子加速到較高速度時(shí)，離子束比電子束具有更大的撞擊動(dòng)能,，它是靠微觀的機(jī)械撞擊能量,，而不是靠動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)加工的,。離子束加工的物理基礎(chǔ)是離子束射到材料表面時(shí)所發(fā)生的撞擊效應(yīng)、濺射效應(yīng)和注入效應(yīng),。具有一定動(dòng)能的離子斜射到工件材料表面時(shí),，可以將表面的原子撞擊出來(lái)，這就是離子的撞擊效應(yīng)和濺射效應(yīng),；如果將工件直接作為離子轟擊的靶材,，工件表面就會(huì)受到離子刻蝕；如果將工件放置在靶材附近,，靶材原子就會(huì)濺射到工件表面而被濺射沉積吸附,，使工件表面鍍上一層靶材原子的鍍膜；如果離子能量足夠大并垂直工件表面撞擊時(shí),，離子就會(huì)鉆進(jìn)工件表面,，這就是離子的注入效應(yīng)。
特點(diǎn)比較
②電子束能量密度很高,，使照射部分的溫度超過材料的熔化和氣化溫度,，去除材料主要靠瞬間蒸發(fā)，是一種非接觸式加工,。工件不受機(jī)械力作用,，不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形。加工材料范圍很廣,，對(duì)脆性,、韌性、導(dǎo)體,、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料都可以加工,。
②電子束能量密度很高，使照射部分的溫度超過材料的熔化和氣化溫度,，去除材料主要靠瞬間蒸發(fā),，是一種非接觸式加工。工件不受機(jī)械力作用,，不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形,。加工材料范圍很廣，對(duì)脆性,、韌性,、導(dǎo)體、非導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料都可以加工,。
③電子束的能量密度高,，因而加工生產(chǎn)效率很高，例如,，每秒鐘可以在2.5mm厚的鋼板上鉆50個(gè)直徑為0.4mm的孔,。
④可以通過磁場(chǎng)或電場(chǎng)對(duì)電子束的強(qiáng)度,、位置、聚焦等進(jìn)行直接控制,，所以整個(gè)加工過程便于是先自動(dòng)化,。特別是在電子束曝光中，從加工位置找準(zhǔn)到加工圖形的掃描,。都可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,。在電子束打孔和切割時(shí),，可以通過電氣控制加工異型孔,，實(shí)現(xiàn)曲面弧形切割等。
⑤由于電子束加工是在真空中進(jìn)行,，因而污染少,，加工表面不會(huì)氧化，特別適用于加工易氧化的金屬及合金材料,，一級(jí)純度要求極高的半導(dǎo)體材料,。
⑥電子束加工需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價(jià)格較貴,，生產(chǎn)應(yīng)用有一定的局限性,。
離子束加工的特點(diǎn)：
①由于離子束可以通過電子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦掃描，離子束轟擊材料是逐層去除原子,，離子束流密度及離子能量可以精確控制,，所以離子刻蝕可以達(dá)到納米（0.001μm）級(jí)的加工精度。離子鍍膜可以控制在亞微米級(jí)精度,，離子注入的深度和濃度也可極精確地控制,。因此，離子束是所有特種加工方法中最精密,、最微細(xì)的加工方法,，是當(dāng)代納米加工技術(shù)的基礎(chǔ)。
④離子束加工設(shè)備費(fèi)用貴,、成本高,，加工效率低，因此應(yīng)用范圍受到一定限制,。
應(yīng)用比較
總體而言,，電子束加工的加工效率更高，適用范圍更廣,；而離子束加工的加工精度更大,，是所有特種加工之中最精密、最細(xì)微的一種加工方式,。
電子束加工根據(jù)其功率密度和能量注入時(shí)間的不同,，可以用于打孔,、切割、蝕刻,、焊接,、熱處理和光刻等各種類型的加工。
離子束加工的應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大,、不斷創(chuàng)新,。目前用于改變零件尺寸和表面物理力學(xué)性能的離子束加工有：用于從工件上作去除加工的離子刻蝕加工；用于給工件表面涂覆的離子鍍膜加工,；用于表面改性的離子注入加工等,。
電子束與離子束的加工裝置都有真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源等部分,。主要不同的是電子束加工用的是電子槍,，離子束加工用的是離子源系統(tǒng)。電子束加工相對(duì)于離子束加工,，加工效率更高,，使用范圍也更廣;離子束加工的加工精度更高，是所有特種加工方法中最精密,、最微細(xì)的加工方法,。
近年來(lái)，隨著納米科技和半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,，具有多功能,、高分辨率的電子束加工和聚焦離子束加工技術(shù)受到人們空前的重視，它們已成為當(dāng)前微米納米加工的重要手段,。