离子束加工技术的应用及发展

1.离子束加工的原理和物理基础

离子束加工（ion beam machining，IBM）的原理和电子束加工基本类似，也是在真空条件下，使离子源产生的离子束经过加速聚焦后撞击到工件表面而去除材料的加工方法。不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千，甚至数万倍，如氢离子的质量是电子的7.2万倍，所以一旦加速到较高速度，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，而不是靠动能转化为热能来加工的。

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。如果直接用离子轰击工件，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沉积，从而在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于工件表面撞击，离子就会钻进工件表面层，这就是离子的注入效应。

2.离子束加工的分类

离子束加工按照其所利用的物理效应和达到目的的不同，可以分为以下四类。

（1）离子刻蚀　离子刻蚀是用能量为0.5～5 keV（1 keV=1.602 177 33±0.000 000 49×10-16 J）的氩离子倾斜轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离（溅射效应），其实质上是一种原子尺度的“切削”加工，所以又称离子铣削。

（2）离子溅射沉积　离子溅射沉积是采用能量为0.5～5 keV的氩离子，倾斜轰击用某种材料制成的靶（而不是工件），离子将靶材原子击出，使其沉积在靶材附近的工件上，从而在工件表面镀上一层薄膜，所以溅射沉积是一种镀膜工艺。

（3）离子镀　也称离子溅射辅助沉积，它采用的也是0.5～5 keV的氩离子，不同的是在镀膜时，离子束同时轰击靶材和工件表面，这样做的目的是增强靶材与工件基材之间的结合力。也可将靶材高温蒸发，同时进行离子撞击镀膜。

（4）离子注入　离子注入是将所添加的粒子在高真空中（1×10-4 Pa）离子化，采用5～500 keV的较高能量的离子束直接垂直轰击被加工材料，离子由于能量相当大，就钻进被加工材料的表面层。工件表面层注入离子后，化学成分就会发生改变，因而其力学性能、物理和化学性能也将发生改变。加工时应根据不同的目的选用不同的离子。

3.离子束加工的特点

离子束加工有如下一些特点。

（1）由于离子束可以通过电子光学系统进行聚焦扫描，离子束轰击材料时会逐层去除原子，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纳米级的加工精度。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，是当代纳米加工技术的基础。

（2）由于离子束加工是在高真空中进行的，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。这种轰击作用是一种微观作用，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）离子束加工设备价格高、加工成本高而效率低，因此其应用受到一定限制。

4.离子束加工装置

离子束加工装置与电子束加工装置类似，它也包括离子源、真空系统、控制系统和电源等部分，二者的主要不同之处在于离子源系统。离子源又称离子枪，用以产生离子束。其基本原理和方法是使原子电离。具体办法是把要电离的气态原子（如氩等惰性气体或金属蒸气）注入电离室，经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击，使气态原子电离为等离子体（即正离子数和负电子数相等的混合体）。用一个相对等离子体为负电位的电极，就可从等离子体中引出正离子束流。根据离子束产生的方式和用途的不同，可采用不同的离子源，常用的有考夫曼型离子源和双等离子管型离子源。

5.离子束加工的应用

离子束加工正处在不断创新中，其应用范围也在日益扩大。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：用于在工件上去除微量材料的离子刻蚀加工；用于工件表面涂覆的离子镀膜加工；用于表面改性的离子注入加工等。(www.zuozong.com)

1）刻蚀加工的应用

离子刻蚀是从工件上去除材料，是一个撞击溅射过程。用离子束轰击工件时，入射离子的能量被传递给工件表面的原子，如果传递能量超过了原子间的键合力，原子就从工件表面撞击溅射出来，从而达到刻蚀的目的。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（约十分之几纳米），可以认为离子刻蚀是逐个原子剥离的过程，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。

离子刻蚀用于加工陀螺仪空气轴承和动压马达上的沟槽，分辨率高，精度、重复性和一致性好。加工非球面透镜时能达到用其他方法不能达到的精度。离子刻蚀的另一个应用是刻蚀高精度的图形，如集成电路、声表面波器件、磁泡器件、光电器件和光集成器件等微电子学器件上的亚微米图形。此外，离子刻蚀还可用于制作集成光路（由波导、耦合器和调制器等小型光学元件组合制成的光路）中的光栅和波导。

用离子束轰击已被机械磨光的玻璃时，玻璃表面厚1μm左右的材料被剥离并形成极光滑的表面；用离子束轰击厚度为0.2 mm的玻璃，能改变其折射率分布，使之具有偏光作用；玻璃纤维被离子束轰击后，变为具有不同折射率的光导材料；离子束加工还能使太阳能电池表面具有非反射纹理表面。

离子刻蚀还可用来致薄材料，如致薄石英晶体振荡器和压电传感器。用离子束刻蚀致薄探测器探头，可以大大提高探头的灵敏度，国内已用离子束加工出厚度为40μm、自支撑的高灵敏探测器头。将离子刻蚀用于致薄样品，进行表面分析，如致薄月球岩石样品，可从10μm致薄到10 nm。采用离子束刻蚀能在10 nm厚的金-钯膜上刻出8 nm深的线条来。

2）镀膜加工的应用

离子镀膜加工有溅射沉积和离子镀两种。离子镀膜时膜材原子会溅射到工件上，同时工件还会受到离子的轰击，这使离子镀膜具有许多独特的优点。

离子镀膜附着力强、膜层不易脱落。这首先是由于镀膜前离子以足够高的动能冲击工件表面，清洗掉工件表面的污物和氧化物，改善了工件表面的附着性能。其次，镀膜刚开始时，由工件表面溅射出来的基材原子有一部分会与工件周围空气中的原子和离子发生碰撞而返回工件，这些返回工件的原子与镀膜的靶材原子同时到达工件表面，形成了靶材原子和基材原子的共混膜层；之后，随着膜层的增厚，逐渐过渡到单纯由靶材原子构成的膜层。混合过渡层的存在，可以减少由于靶材与基材二者膨胀系数不同而产生的热应力，增强二者的结合力，使膜层不易脱落，镀层组织致密，针孔气泡少。

离子绕射性好，用离子镀的方法对工件镀膜时，能使基板的所有暴露的表面均被镀覆。这是因为蒸发物质或气体在等离子区离解而成为正离子，这些正离子能随电力线终止在负偏压基片的所有表面。离子镀的可镀材料广泛，可用于在金属或非金属表面上镀制金属或非金属材料，可镀覆各种合金、化合物，以及某些合成材料、半导体材料、高熔点材料。

离子镀技术已用于镀制润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜、装饰膜和电气膜等，如在表壳或表带上镀氮化钛膜。这种氮化钛膜呈金黄色，它的反射率与18K金镀膜相近，其耐磨性和耐蚀性大大优于镀金膜和不锈钢，其价格仅为黄金的1/60。离子镀还用于首饰、景泰蓝制品的制作，以及笔套、餐具等的装饰，所镀膜厚度仅1.5～2μm。

用离子镀氮化钛膜代替镀硬铬，可减少镀铬公害。2～3μm厚的氮化钛膜可代替20～25μm的硬铬镀层。航空工业中可采用离子镀铝进行飞机部件镀覆。

用离子镀方法在切削工具表面镀氮化钛、碳化钛等超硬层，可以提高刀具的耐用度。一些试验表明，在高速钢刀具上离子镀氮化钛，刀具耐用度可提高1～2倍。离子镀也可用于处理齿轮滚刀、铣刀等复杂刀具。

3）离子注入加工的应用

离子注入是向工件表面直接注入离子。离子注入加工不受热力学限制，可以注入任何离子，且注入量可以精确控制，注入的离子固溶在工件材料中，含量可达10%～40%（质量分数），注入深度可达1μm甚至更深。

将离子注入加工用在半导体方面在国内外已很普遍，具体来说，是用硼、磷等杂质离子注入半导体，用以改变半导体类型（P型或N型）和制造P-N结及一些用热扩散方法通常难以获得的各种有特殊要求的半导体器件。由于注入离子的数量、P-N结的含量、注入的区域都可以精确控制，所以离子注入加工成为制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段。

利用离子注入加工改善金属表面性能这一新兴的技术领域正在形成。利用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，制得新的合金，从而改善金属表面的耐蚀性能、耐疲劳性能、润滑性能和耐磨性能等。通过离子注入对金属表面进行掺杂是在非平衡状态下进行的，能注入互不相溶的杂质而形成采用一般冶金工艺无法制得的一些新的合金。如将钨注入低温的铜靶中，可得到钨-铜合金等。离子注入可以提高材料的耐蚀性。如将铬注入铜材，能得到一种新的亚稳态的表面相，从而改善材料的耐蚀性能。离子注入可以改善金属材料的耐磨性能。如在低碳钢中注入氮、硼、钼等后，在磨损过程中，材料表面局部温升形成温度梯度，使注入离子向衬底扩散，同时注入离子又被表面的位错网格阻挡，不能推移很深。这样，在材料磨损过程中，不断在其表面形成硬化层，从而提高材料的耐磨性。离子注入还可以提高金属材料的硬度，这是因为注入离子及其凝集物将引起材料晶格畸变。如在纯铁中注入硼，材料的显微硬度可提高20%。将硅注入铁，可形成马氏体结构的强化层。离子注入可改善金属材料的润滑性能，这是因为将离子注入表层后，在相对摩擦过程中，这些被注入的细粒会起到润滑作用，而润滑性能的改善会使材料的使用寿命增加，如把C+、N+注入碳化钨中，碳化钨的工作寿命可大大延长。离子注入还能改善金属材料的抗氧化性能。

在光学方面，利用离子注入方法可以制造光波导。例如对石英玻璃进行离子注入，可增加其折射率而形成光波导。

此外，离子注入还可用于改善磁泡材料性能、制造超导材料。