先进制造技术3-2(1).ppt

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1、 3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.1 概述概述 特种加工技术是指区别于传统切削加工方法，特种加工技术是指区别于传统切削加工方法，利用化学、物理（电、声、光、热、磁）或电化学利用化学、物理（电、声、光、热、磁）或电化学方法对工件材料进行加工的一系列加工方法的总称方法对工件材料进行加工的一系列加工方法的总称。这些加工方法包括：化学加工（这些加工方法包括：化学加工（CHM）、电化学加）、电化学加工（工（ECM）、电化学机械加工（）、电化学机械加工（ECMM）、电火花）、电火花加工（加工（EDM）、电接触加工（）、电接触加工（RHM）、超声波加工）、超声波加工（USM）、激光加工（）、激光加工

2、（LBM）、离子束加工）、离子束加工（IBM）、电子束加工（）、电子束加工（EBM）、等离子体加工）、等离子体加工（PAM）、电液加工（）、电液加工（EHM）、磨料流加工）、磨料流加工（AFM）、磨料喷射加工（）、磨料喷射加工（AJM）、液体喷射加工）、液体喷射加工（HDM）及各类复合加工等。）及各类复合加工等。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.1 概述 特种加工的特点：1）不用机械能，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀

3、、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.1 概述特种加工的特点：2）非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。3）微细加工，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.1 概述特种加工的特点：4）不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度，其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较

4、小，尺寸稳定性好。5）两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工，其综合加工效果明显，且便于推广使用。6）特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.1 概述 目前常用特种加工方法的性能与适用范围见下表。加工方法可加工材料尺寸精度/mm（平均/最高）表面粗糙度Ra/m（平均/最高）主要适用范围电火花加工任何导电的金属材料，如硬质合金、不锈钢、淬火钢、钛合金0.03/0.00310/0.04从数微米的孔、槽到数米的超大型模具、工件等，如圆孔、方孔、异形孔、微孔、弯孔、深孔及各种模具；还可以刻字、表面强化、涂覆加工

5、电火花线切割加工0.02/0.0025/0.32切割各种模具及零件，各种样板等；也常用于钼、钨、半导体材料或贵重金属的切割电解加工0.1/0.011.25/0.16从细小零件到上吨重的超大型工件及模具，如仪表微型轴、蜗轮叶片、炮管膛线等电解磨削0.02/0.0011.25/0.04硬质合金等难加工材料的磨削以及超精光整研磨、珩磨超声波加工任何脆性材料0.03/0.0050.63/0.16加工、切割脆硬材料，如玻璃、石英、宝石、金刚石、半导体等激光加工任何材料0.01/0.00110/1.25精密加工小孔、窄缝及成形加工、蚀刻；还可焊接、热处理电子束加工0.01/0.00110/1.25在各种难

6、加工材料上打微孔、切缝、蚀刻、焊接等，常用于中、大规模集成电路微电子器件离子束加工/0.01/0.01对零件表面进行超精密加工、超微量加工、抛光、蚀刻、镀覆等 3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.1 激光加工的主要特点 激光也是一种光，其除了具有光的一般物性（如反射、折射、绕射及干涉等）外，还具有四大特点：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，这四大优异特性是普通光源望尘莫及的。因此，就给激光加工带来了如下一些其它方法所不具备的可贵特点：3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工激光加工3.2.2.1 激光加工的主要特点激光加工的主要特点 （1）加工方法多

7、、适应性强。在同一台设备上可完成）加工方法多、适应性强。在同一台设备上可完成切割、焊接、表面处理、打孔等多种加工；即可分步加工，切割、焊接、表面处理、打孔等多种加工；即可分步加工，又可在几个工位同时进行加工。可加工各种材料，包括高又可在几个工位同时进行加工。可加工各种材料，包括高硬度、高熔点、高强度及脆性、柔性材料。即可在大气中，硬度、高熔点、高强度及脆性、柔性材料。即可在大气中，也可在真空中进行加工。也可在真空中进行加工。（2）加工精度，高质量好。由于高能量密度和非接触）加工精度，高质量好。由于高能量密度和非接触式加工，以及作用时间短，即能量注入速率高。工件热变式加工，以及作用时间短，即能量

8、注入速率高。工件热变形小，且无机械变形，对精密小零件的加工非常有利。形小，且无机械变形，对精密小零件的加工非常有利。3）加工效率高，经济效益好。在某些情况下，用激）加工效率高，经济效益好。在某些情况下，用激光切割可提高效率光切割可提高效率810倍；用激光进行深溶焊接的倍；用激光进行深溶焊接的生产效率比传统方式提高生产效率比传统方式提高30倍。用激光微调薄膜电倍。用激光微调薄膜电阻，提高工效阻，提高工效1000倍，提高精度倍，提高精度12个量级。用激个量级。用激光强化电镀，其金属沉积率可提高光强化电镀，其金属沉积率可提高1000倍。金刚石倍。金刚石拉丝模用机械方法打孔需要拉丝模用机械方法打孔需要

9、24h，用，用YAG激器打孔，激器打孔，只需只需2s,提高工效提高工效43200倍。与其它打孔方法相比，倍。与其它打孔方法相比，激光打孔的费用节省激光打孔的费用节省25%75%，间接加工费用节省，间接加工费用节省50%75%。与其它切割方法相比，激光切割钢材降。与其它切割方法相比，激光切割钢材降低费用低费用70%90%。（4）节约能源与材料，无公害与污染。激光束）节约能源与材料，无公害与污染。激光束的能量利用率为常规热加工工艺的的能量利用率为常规热加工工艺的101000倍。激倍。激光切割可节省光切割可节省15%30%。激光束不产生像电子束那。激光束不产生像电子束那样的射线，无加工污染。样的射线

10、，无加工污染。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.1 激光加工的主要特点 （5）加工用的是激光束，无“刀具”磨损及切削力影响的问题。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行及微加工等的加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围一般可分为：激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统；激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.2 现状及国内外发展趋势 （1）目前激光加工

11、技术研究开发的重点 可归纳为：新一代工业激光器研究，目前处在技术上的更新时期，其标志是二极管泵浦全固态激光器的发展及应用；精细激光加工，在激光加工应用统计中微细加工1996年只占6，1997年翻了一倍达12，1998年已增加到19；加工系统智能化，系统集成不仅是加工本身，而是带有实时检测、反馈处理，随着专家系统的建立，加工系统智能化已成为必然的发展趋势。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.2 现状及国内外发展趋势 激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解

12、决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90以上。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.2 现状及国内外发展趋势 （2）存在的主要问题 科研成果转化为商品的能力差，许多有市场前景的成果停留在实验室的样机阶段；激光加工系统的核心部件激光器的品种少、技术落后、可靠性差；对加工技术的研究少，尤其对精细加工技术的研究更为薄弱，对紫外波激光进行加工的研究进行的极少。激光加工设备的可靠性、安全性、可维修性、配套性较差，难以满足工业生产的需要

13、。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 （1）激光 物质由原子等微观粒子组成，而原子由一个带正电荷的原子核和若干个带负电荷的电子组成。原子核所带的正电荷与各电子所带的负电荷之和在数量上是相等的。各个电子围绕原子核作轨迹运动。电子的每一种运动状态对应着原子的一个内部能量值，原子的内能值一般是不连续的，称为原子的能级。原子的最低能级称为基态，能量比基态高的能级均称为激发态。光和物质的相互作用可归纳为光和原子的相互作用，这些作用会引起原子所处能级状态的变化。其过程有以下三种主要情况：光的自发发射、光的受激吸收和光的受激发射。3.2 特种加工技术特种加

14、工技术3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 光的自发发射和受激发射都是原子从高能级跃迁到低能级而发射光子，但它们有很大差别。自发发射的光子射向四面八方，各光子之间的位相、偏振方向都是独立的，没有联系。普通光源的发射都是自发发射。受激发射的光子与外来光子不但具有完全相同的发射方向和频率，而且位相和偏振态也完全相同。这样受激发射过程就起到了增强入射光强度的作用。激光正是利用了受激发射的这一特性，实现了光放大的目的，也就是说，激光就是由于受激发射而放大的光。激光和普通光在本质上都是一种电磁波，但因其产生方法与普通光不同，因而与普通光相比，具有方向性强（几乎是一束平行准直的光束）、单

15、色性好（光的频率单一）、亮度非常高（比太阳表面的亮度还高1010倍）、能量高度集中、相干性好及闪光时间可以极短等特点。3.8.1 3.8.1 激光加工激光加工激激光光加加工工原原理理 激光是一种受激辐射产生的加强光，当激光照射到工件表面，光能被工件迅速吸收并转化为热能，工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用达到加工的目的。固体激光器结构示意图 3.2 特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 （2）激光器 光和物质体系相互作用时，总是同时存在着自发发射、受激吸收和受激发射三个过程。在正常情况下，物质体系中处于低能级的原子数总比处于高能级的原子数多，这样，吸收

16、过程总是胜过受激过程。要使受激发射过程胜过吸收过程，实现光放大，就必须以外界激励来破坏原来粒子数分布，使处于低能级的粒子吸收外界能量跃迁到高能级，实现粒子数的反转，即使高能级上的原子数多于低能级上的原子数，这个过程称为激励。激励过程是所有激光器工作的基础和核心。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 激光器一般有三个基本组成部分，下图为红宝石激光器结构示意图。1、11-冷却水人口 2-工作物质 3、9-冷却水出口 4-部分反射镜 5-透镜 6-工件7-激光束 8-聚光器 10-氙灯 12-玻璃套管 13-电源（含电容组和触发器）14-全反射镜1、

17、11-冷却水人口冷却水人口 2-工作物质工作物质 3、9-冷却水出口冷却水出口 4-部分反射镜部分反射镜 5-透镜透镜 6-工件工件7-激光束激光束 8-聚光器聚光器 10-氙灯氙灯 12-玻璃套管玻璃套管 13-电源（含电容组和触发器）电源（含电容组和触发器）14-全全反射镜反射镜 3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 激光器工作时，从电源的脉冲氙灯发出的光经椭圆柱内表面反射后聚到晶体棒上，工作物质受到激励能源的作用后，接收了外界能量，许多原子从基态跃迁到激发态，但它们很快会回到基态。在这个过程中有一个中间激发态存在，即原子先跃迁到这一状态，

18、然后跃迁回基态。原子在中间状态停留的时间比在激发态要长得多，因此又称这一状态为亚稳态。亚稳态的存在，使得处于这一状态的原子数有可能比处于基态的多。原子从亚稳态跃迁回基态时自发发射光子，这些光子射向四面八方，其大部分光子很快逸出谐振腔，只有方向沿工作物质轴向的光子因受到两块反射镜的作用而来回反射，并且感应出其他处于亚稳态的原子受激发射。因为激励能源的作用，工作物质已经实现了粒子数反转，所有受激发射过程使光波得到放大，放大的光波与起始的光波具有完全相同的性质。当放大到一定程度，腔内光波的放大与损耗保持平衡，形成稳定的振荡状态，这时强大的光波就从谐振腔的部分反射镜一端透射出来，这便是激光。3.2 特

19、种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 自从1960年制成第一台激光器以来，激光器发展到今天已不下数百种，如按工作物质可分为固体、气体、液体、半导体、化学激光器等；按工作方式可分为连续、脉冲、突变、超短脉冲激光器等等。激光加工常用固体激光器。表3-2是按工作物质分类的情况。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 激光器固体激光器气体激光器液体激光器化学激光器半导体激光器优点功率大，体积小，使用方便单色性、相干性、频率稳定性好，操作方便，波长丰富价格低廉，设备简单，输出波长连续可调体积小，重量轻，效率高，结构简

20、单紧凑不需外加激励源，适合于野外使用缺点相干性和频率稳定性不够，能量转换效率低输出功率低激光特性易受环境温度影响，进入稳定工作状态时间长输出功率较低，发散角较大目前功率较低，但有希望获得巨大功率应用范围工业加工、雷达、测距、制导、医疗、光谱分析、通信与科研等应用最广泛，几乎遍及各行各业医疗、农业和各种科学研究通信、测距、信息存储与处理等测距、军事、科研等常用类型红宝石激光器氦氖激光器染料激光器砷化镓激光器氟氢激光器 3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 （3）激光加工的基本原理 激光加工就是利用激光器发射出来的具有高方向性和高亮度的激光，通过光

21、学系统把激光束聚焦成一个极小的光斑（直径仅有几微米或几十微米），使光斑处获得极高的能量密度（1071011W/cm2），达到上万摄氏度的高温，从而能在很短的时间内使各种物质熔化和汽化，达到蚀除工件材料的目的。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.3 激光加工的基本原理 激光加工是一个高温过程，就其机理而言，一般认为，当能量密度极高的激光照射在被加工表面时，光能被加工表面吸收并转换成热能，使照射斑点的局部区域迅速熔化甚至汽化蒸发，并形成小凹坑，同时也开始了热扩散，结果使斑点周围金属熔化，随着激光能量的继续吸收，凹坑中金属蒸气迅速膨胀，压力突然增加，熔融物被爆炸性地高速喷

22、射出来。其喷射所产生的反冲压力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波。这样，工件材料就在高温熔融和冲击波作用下，蚀除了部分物质，从而打出一个具有一定锥度的小孔。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本规律 尽管激光是具有高方向性并近似平行光束，但它们仍具有一定的发散角（约为10-3rad），这使得激光经聚焦物镜聚集在焦面上后形成仍有一定直径的小斑点，且在小斑点其能量的分布是不均匀的，而是按贝赛函数分布（如图所示）。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本规律 在光斑中心处光强度I0最大，相应能量密度最高，远离中

23、心点的地方就逐渐减弱。而激光的波长和焦距直接影响光斑面积大小，即影响焦点中心处最大光强。同时，激光加工是一种热加工，加工过程中有热传导损失，因此，增大激光束的功率也是增大焦点中心强度的主要措施。可见，影响激光加工的因素主要有激光器的输出功率、焦距和焦点位置、光斑内能量分布及工件吸光特性等。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本规律 激光的输出功率大、照射时间长时，工件所获得的激光能量也大。但当激光能量一定时，照射时间太长会使热散失增多，时间太短则因功率密度过高而使蚀除物质以高温气体喷出，这都会降低能量的使用效率，因此激光照射时间一般为几分之一毫秒到几

24、毫秒。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本规律 激光束发散角越小，聚焦物镜焦距越短时，在焦面上可以获得更小的光斑及更高的功率密度。所以加工时，一般尽可能减小激光束发散角和采用短焦距（20mm左右）物镜，只有在一些特殊的情况下才选用较长的焦距。同时，焦点位置对于孔的形状和深度都有很大影响。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本规律 焦点位置对孔剖面形状的影响如下图所示 3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本规律 光斑内的能量分布状态也是影响激光加工的重要因素。当能

25、量分布以焦点为轴心越对称（如图a）时，加工出的孔效果越好；越不对称，效果越差(图b)。光的强度分布与工作物质的光学均匀性及谐振腔调整精度直接相关。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.4 激光加工的基本规律 用激光加工时，照射一次的加工深度仅为孔径的五倍左右，而且锥度较大，因此，常用激光多次照射来扩大深度和减小锥度，而孔径几乎不变。但孔深并不与照射次数成正比，因孔加工到一定深度后，由于孔内壁的反射、透射以及激光的散射或吸收、抛出力减小、排屑困难等原因，使孔的前端能量密度不断减小，加工量逐渐减小，以致不能继续打下去。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3

26、.2.2.4 激光加工的基本规律 激光加工时其能量不可能全部被吸收，有相当部分将被反射或透射而散失掉，其吸收效率与工件材料的吸收光谱及激光波长有关。生产实际中，应由工件材料的吸收光谱的性能去合理选择激光器。对于高反射率和透射率的工件应在加工前作适当处理，如打毛或黑化，以增大其对激光的吸收效率。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.5 激光加工的应用 在激光加工中利用激光能量高度集中的特点，可以打孔、切割、雕刻及表面处理。利用激光的单色性还可以进行精密测量。（1）激光打孔 激光打孔是激光加工中应用最早和应用最广泛的一种加工方法。利用凸镜将激光在工件上聚焦，焦点处的高温使

27、材料瞬时熔化、汽化、蒸发，好像一个微型爆炸。汽化物质以超音速喷射出来，它的反冲击力在工件内部形成一个向后的冲击波，在此作用下将孔打出。激光打孔速度极快，效率极高。如用激光给手表的红宝石轴承打孔，每秒钟可加工1416个，合格率达99。目前常用于微细孔和超硬材料打孔，如柴油机喷嘴、金刚石拉丝模、化纤喷丝头、卷烟机上用的集流管等。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.5 激光加工的应用 （2）激光切割 与激光打孔原理基本相同，也是将激光能量聚集到很微小的范围内把工件烧穿，但切割时需移动工件或激光束（一般移动工件），沿切口连续打一排小孔即可把工件割开。激光可以切割金属、陶瓷、

28、半导体、布、纸、橡胶、木材等，切缝窄、效率高、操作方便。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工激光加工3.2.2.5 激光加工的应用激光加工的应用 （3）激光焊接）激光焊接 激光焊接与激光打孔原理稍有激光焊接与激光打孔原理稍有不同，焊接时不需要那么高的能量密度使工件材料不同，焊接时不需要那么高的能量密度使工件材料汽化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔，使其粘合汽化蚀除，而只要将工件的加工区烧熔，使其粘合在一起。因此所需能量密度较低，可用小功率激光在一起。因此所需能量密度较低，可用小功率激光器。与其他焊接相比，具有焊接时间短、效率高、器。与其他焊接相比，具有焊接时间短、效率高、无喷渣、

29、被焊材料不易氧化、热影响区小等特点。无喷渣、被焊材料不易氧化、热影响区小等特点。不仅能焊接同种材料，而且可以焊接不同种类的材不仅能焊接同种材料，而且可以焊接不同种类的材料，甚至可以焊接金属与非金属材料。料，甚至可以焊接金属与非金属材料。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.5 激光加工的应用 （4）激光的表面热处理 利用激光对金属工件表面进行扫描，从而引起工件表面金相组织发生变化进而对工件表面进行表面淬火、粉末粘合等。用激光进行表面淬火，工件表层的加热速度极快，内部受热极少，工件不产生热变形。特别适合于对齿轮、汽缸筒等形状复杂的零件进行表面淬火。国外已应用于自动线上对

30、齿轮进行表面淬火。同时由于不必用加热炉，是开式的，故也适合于大型零件的表面淬火。粉末粘合是在工件表层上用激光加热后熔入其他元素，可提高和改善工件的综合力学性能。此外，还可以利用激光除锈、激光消除工件表面的沉积物等。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.6 激光加工技术的发展趋势 （1）优化激光工作参数。建立加工作业标准和相应的数据库，通过控制激光照射的能量密度和照射时间可以实现多种类型的加工。为了充分发挥激光加工的优点，需针对不同加工对象和加工类型进一步优化激光工作参数，以便能获得高的效率和加工质量。（2）发展激光多工位分时综合加工。根据激光加工的特点，利用同一激光源

31、，通过灵活地控制能量密度和照射时间，在不同工位上分时实现多种方式加工，使一些工件的切割、打孔、刻划、焊接和表面处理等可在一台设备上集成地进行综合加工。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.2 激光加工3.2.2.6 激光加工技术的发展趋势 （3）研究大功率、高寿命和小型化的激光装置 提高激光功率需解决以下一系列问题如：l）研制适用于大功率激光的光学器件材料。由于大功率激光束透过的窗口材料和透镜等光学器件时，它们要承受高压的击穿力，并因吸收激光使温度上升而引起破坏。因此应根据不同的激光波长研制适用的光学器件材料。2）提高电源的稳定性和寿命，对于CO2气体激光要解决大功率激光器的放电稳定性；对于

32、YAG固体激光器要研制大容量、长寿命的光泵激励光源，如采用半导体光泵可使能量效率大幅度地增长。3）大功率激光装置的小型化。同轴型CO2激光器结构简单，增益大而均匀，放电稳定，为了加大输出功率需增大长度，虽可对激光管采用折叠式和应用高速鼓风机来加速气流进行改善，但功率增大仍受限制。双轴直交型增大了放电截面积，可以采用折叠式射束通道使外型缩小，但需超高速送风（50m/s150m/s）的鼓风机，并要求反射镜结构稳定和防止光损失等。3.3 特种加工技术特种加工技术3.2.3 光刻蚀技术 光刻蚀加工又称光刻加工或刻蚀加工，简称刻蚀。目前，光刻蚀加工又称光刻加工或刻蚀加工，简称刻蚀。目前，光刻加工技术主要

33、是针对集成电路制作中得到高精度微细线光刻加工技术主要是针对集成电路制作中得到高精度微细线条所构成的高密度微细复杂图形。条所构成的高密度微细复杂图形。是对薄膜表面及金属板表是对薄膜表面及金属板表面进行精密、微小和复杂图形加工的技术面进行精密、微小和复杂图形加工的技术，用它制造的零件，用它制造的零件有：刻线尺、微电机转子、电路印刷板和细孔金属网板等。有：刻线尺、微电机转子、电路印刷板和细孔金属网板等。据有关资料说明，集成电路图形的最小线条宽度W若减小为原来的1/n，它的电流、电压和电路工作的延迟时间也将减小为原来的1/n，耗电量下降为原来的1/n2，单元芯（模）片上的集成元件数可望增加到n2倍。所

34、以精密光刻技术是集成电路微型化制作工艺中的重要课题。统计说明，精密光刻的图形最小线宽大体上以每年减少80的速度缩小。3.3 特种加工技术特种加工技术3.2.3 光刻蚀技术 1.光刻原理 所谓光刻蚀就是使用电磁波频谱中的光束或电子、X射线和离子等射线，将光致抗蚀剂（光刻胶）形成规定图形的微细加工方法。现代光刻技术是对古老的光刻技术的革新。光刻技术早已为印刷行业用来完成照相制版工作。采用光束作曝光光源的集成电路的精密光刻工艺的基本原理与照相制版原理相似，但它要求高、工艺过程复杂。下图所示为集成电路一次光刻的工艺过程原理图。3.3 特种加工技术特种加工技术3.2.3 光刻蚀技术 目前在集成电路制作中

35、，光刻工艺是制取掩膜和基片上精细图形的主要工艺方法。为了VLSI电路的制作，其光刻工艺比上述过程又有更多革新。利用图形发生器，用光束或电子束、离子束在抗蚀剂上绘制图形的曝光方法称为写图（Writing），它主要用于掩膜或基片图形制作工序。用掩膜图形形成的光强图形，使基片上的光刻胶曝光获取基片（或掩膜）图形的光刻工艺，称为复印技术（Printing）。3.3 特种加工技术特种加工技术3.2.3 光刻蚀技术2.集成电路光刻工艺的一般过程 光刻工艺过程一般有两大工序，即掩膜制造和光刻蚀加工。（1）掩膜制造。根据集成电路设计布局图，用绘图机、精缩照像机，经放大绘制、分步重复缩小照像，缩到和元件尺寸相同

36、的掩膜（称之为母掩膜），母掩膜经翻拍复印成工作（光刻）掩膜，制作电路时只用工作掩膜。（2）光刻蚀加工。光刻工艺过程包括以下几个步骤：1）涂胶。4）腐（刻）蚀。2）曝光。5）剥膜与检查。3）显影与烘片。2、光刻加工光刻加工氧化氧化 硅晶片表面形成一层氧硅晶片表面形成一层氧化层；化层；涂胶涂胶 涂光致抗蚀剂；涂光致抗蚀剂；曝光曝光 通过掩模曝光；通过掩模曝光；显影显影 曝光部分溶解去除；曝光部分溶解去除；腐蚀腐蚀 未被覆盖部分腐蚀掉；未被覆盖部分腐蚀掉；去胶去胶 将光致抗蚀剂去除；将光致抗蚀剂去除；扩散扩散-向需要杂质的部分扩向需要杂质的部分扩散杂质，以完成整个光刻加工散杂质，以完成整个光刻加工过

37、程。过程。光刻加工工艺示例 3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.4 电子束加工1.电子束加工的基本原理 电子束加工是利用电子束的高能量密度进行钻孔、切槽、光刻等工作。电子是一个非常小的粒子（半径为2.810-12mm），质量很小（2.810-29g），但其能量很高，可达几百万电子伏（eV）。电子束可以聚焦到直径为1 2m，因此有很高的能量密度，可达106109W/cm2。高速高能量密度的电子束冲击到工件材料上时，在几分之一微秒的瞬时，入射电子与原子相互作用（碰撞），在发生能量变换的同时，有一些向材料内部深入，有些电子发生弹性碰撞被反射出去，成为反射电子。3.2 特种加工技术特种加工技术3.

38、2.4 电子束加工1.电子束加工的基本原理 在电子与原子的碰撞中，使原子振动产生发热现象，虽然还产生二次电子、荧光、X射线等，占有了一部分能量，但可以认为几乎所有的能量都变成了热能。由于电子束的能量密度高、作用时间短，所产生的热量来不及传导扩散就将工件被冲击部分局部熔化、气化、蒸发成为雾状粒子而飞散，这是电子束的热效应。电子束加工就是靠电子束的热效应现象。高能电子束具有很强的穿透能力，穿透深度为几微米甚至几十微米，如工作电压为50KV时加工铝的穿透深度为10m，而且以热的形式传输到相当大的区域。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.4 电子束加工1.电子束加工的基本原理 通过控制电子束能量密

39、度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如果只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化或汽化，便可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，进行电子束光刻加工。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.4 电子束加工2.电子束加工的特点 1）电子束加工是一种精密细微的加工方法。电子束能够极细微聚焦（聚焦直径一般可达0.1100m），加工面积可以很小，能够加工细微深孔、窄缝、半导体集成电路等。2）加工材料的范围较广。对脆性、韧性、导体与非导体及半导体材料都可以加工。特别适合加工易氧化的金属及

40、合金材料，以及纯度要求极高的半导体材料，因为是在真空中加工，不易被氧化，而且污染少。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.4 电子束加工2.电子束加工的特点 3）加工速度快、效率高。例如，每秒钟可以在2.5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。4）加工工件不易产生宏观应力和变形。因为电子束加工是非接触式加工，不受机械力作用。5）可以通过磁场和电场对电子束强度、位置、聚焦等进行直接控制，位置精度可达0.1m左右，而且便于计算机自动控制。6）设备价格较贵，成本高，同时应考虑X射线的防护问题。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.4 电子束加工电子束加工3.电子束加工装置 电子束加工装置的

41、基本结构如图所示，它主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。1-移动工作台 2-带窗真空室门窗3-观察筒 4-抽气 5-电子枪6-加速电压控制 7-束流强度控制板8-束流聚焦控制 9-束流位置控制10-更换工件用载止阀 11-电子束12-工件 13-驱动电动机 14-抽气 3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.4 电子束加工3.电子束加工装置 电子束加工装置的基本结构如图所示，它主要由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。（1）电子枪 电子枪是获得电子束的装置，它包括电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等。如图所示，阴极经电流加热发射电子，带负电荷的电子高速飞向带高电位的正极，在

42、飞向正极的过程中，经过加速极加速，又通过电磁透镜把电子束聚焦成很小的束流。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.4 电子束加工3.电子束加工装置 （2）真空系统 真空系统是为了保证在电子束加工时达到1.3310-21.3310-4Pa的真空度。因为只有在只有在高真空时，电子才能高速运动。为了消除加工时的金属高真空时，电子才能高速运动。为了消除加工时的金属蒸气影响电子发射而使其产生不稳定现象，需要不断地蒸气影响电子发射而使其产生不稳定现象，需要不断地把加工中产生的金属蒸气抽去。把加工中产生的金属蒸气抽去。（3）控制系统和电源 电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位置控制、束流强度控制

43、以及工作台位移控制等部分。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.4 电子束加工4.电子束加工的应用 如图所示。（1）高速打孔 （2）加工型孔和 特殊表面 （3）焊接 （4）刻蚀 （5）热处理 3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.5 离子束加工1.离子束加工原理、分类和特点 （1）离子束加工的原理和物理基础 离子束加工的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之打到工件表面。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍，所以一旦离子加速到较高速度时，离子束比电子束具有更大的撞击动能，它是靠微观的机械撞击能量、而不

44、是靠动能转化为热能来加工的。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.5 离子束加工1.离子束加工原理、分类和特点 离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。具有一定动能的离子斜射到工件材料（靶材）表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀（也称离子铣削）。如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，这就是离子的注入效应。3.2 特种加工技术特种加工技术3.

45、2.5 离子束加工1.离子束加工原理、分类和特点 （2）离子束加工分类 1）离子刻蚀是用能量为0.55keV的氩离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离。如图a所示。其实质是一种原子尺度的切削加工，所以又称离子铣削。这就是近代发展起来的毫微米加工工艺。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.5 离子束加工1.离子束加工原理、分类和特点 2）离子溅射沉积也是采用能量为0.55keV的氩离子，轰击某种材料制成的靶，离子将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜，如图3-13b所示。所以溅射沉积是一种镀膜工艺。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.5 离子束加工1.离子束加工原理

46、、分类和特点 3）离子镀也称离子溅射辅助沉积，是用0.55keV的氩离子，在镀膜时，同时轰击靶材和工件表面，如图3-13c所示。目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。也可将靶材高温蒸发，同时进行离子镀。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.5 离子束加工1.离子束加工原理、分类和特点 4）离子注入是采用5500keV能量的离子束，直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻进被加工材料的表面层，如图3-13d所示。工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。根据不同的目的选用不同的注入离子，如磷、硼、碳、氮等。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2

47、.5 离子束加工1.离子束加工原理、分类和特点 （3）离子束加工的特点 1）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，所以离子刻蚀可以达到毫微米（0.00lm）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极精确地控制。因此，离子束加工是所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法，是当代毫微米加工（纳米加工）技术的基础。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.5 离子束加工1.离子束加工原理、分类和特点 2）由于离子束加工是在高真空中进行，所以污染少，特别适用于对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料

48、的加工。3）离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的。它是一种微观作用，宏观压力很小，所以加工应力、热变形等极小，加工质量高，适合于对各种材料和低刚度零件的加工。4）离子束加工设备费用昂贵、成本高，加工效率低，因此应用范围受到一定限制。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.5 离子束加工2.离子束加工装置 （1）考夫曼型离子源l真空抽气口 2灯丝3惰性气体注入口 4电磁线圈 5离子束流 6工件 7阴极8引出电极 9阳极 10电离室 3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.5 离子束加工2.离子束加工装置 （2）双等离子体型离子源1-加工室 2-至第一真空泵 3-离子枪 4-氩气 5-阴极

49、 6-中间电极 7-电磁铁 8-阳极9-控制电极 10-引出电极 11-离子束 12-静电透镜 13-工件 14-至第二真空泵 3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.5 离子束加工3.离子束加工的应用 离子束加工的应用范围正在日益扩大、不断创新。目前用于改变零件尺寸和表面物理力学性能的离子束加工有：用于从工件上作去除加工的离子刻蚀加工，用于给工件表面添加的离子镀膜加工，用于表面改性的离子注入加工等。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.5 离子束加工3.离子束加工的应用 （1）刻蚀加工 离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。当离子束轰击工件，入射离子的动量传递到工件表面的原子，传

50、递能量超过了原子间的键合力时，原子就从工件表面撞击溅射出来，达到刻蚀的目的。为了避免入射离子与工件材料发生化学反应，必须用惰性元素的离子。氩气的原子序数高，而且价格便宜，所以通常用氩离子进行轰击刻蚀。由于离子直径很小（约十分之几个纳米），可以认为离子刻蚀的过程是逐个原子剥离的，刻蚀的分辨率可达微米甚至亚微米级，但刻蚀速度很低，剥离速度大约每秒一层到几十层原子。3.2 特种加工技术特种加工技术3.2.5 离子束加工3.离子束加工的应用 （2）镀膜加工 离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀时工件不仅接受靶材溅射来的原子，还同时受到离子的轰击，这使离子镀具有许多独特的优点。离子镀的种类有很多，