电子束与离子束加工
电子束加工和离子束加工是利用高能粒子束进行精密微细加工的先进技术，尤其在微电子学领域内已成为半导体（特别是超大规模集成电路制作）加工的重要工艺手段。电子束加工主要用于打孔、切槽、焊接及电子束光刻；离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜、离子注入等。目前的纳米加工技术（能实现原子、分子为加工单位的超微细加工）就是采用这种高能粒子束的加工技术。
（一）电子束加工
1.电子束加工原理和特点
（1）电子束加工原理。在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高（106～109 W/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走，达到加工目的。其原理如图6-7所示。
（2）电子束加工的特点。
图6-7 电子束加工原理示意图
1—电动机；2—工作台；3—工件；4—电子束；5—更换工件用截止阀；6—偏转器；7—束流聚集控制；8—控制栅极；9—发射阴极；10—观察孔；11—换件盖
其一，由于在极小的面积上具有高能量（能量密度可达106～109 W/cm2），故可加工微孔、窄缝等，其生产率比电火花加工高数十倍至数百倍。此外，还可利用电子束焊接高熔点金属和用其他方法难以焊接的金属，以及用电子束炉生产高熔点、高质量的合金及金属。
其二，加工中电子束的压力很微小，主要是靠瞬时蒸发，所以工件产生的应力及应变均甚小。
其三，电子束加工是在真空度为1．33×10－4～1．33×10－2 Pa的真空加工室中进行的，加工表面无杂质渗入，不氧化，加工材料范围广泛，特别是适宜加工易氧化的金属和合金材料以及纯度要求高的半导体材料。
其四，电子束的强度和位置比较容易用电、磁的方法实现控制，加工过程易实现自动化，可进行程序控制和仿形加工。
电子束加工也有一定的局限性，一般只用于加工微孔、窄缝及微小的异形表面，而且因为它需要有真空设施及数万伏的高压系统，设备较贵。(https://www.daowen.com)
2.电子束加工装置
电子束加工装置的基本结构由电子枪、真空系统、控制系统和电源等部分组成。
（1）电子枪。它是获得电子束的核心部件。由电子发射阴极、控制栅极和加速阳极等组成。发射阴极用钨或钽制成，在加热状态下可发射大量电子。控制栅极为一中间有孔的圆筒件，其上加以较阴极为负的偏压，既能控制电子束的强度，又具有初步聚焦作用。加速阳极通常接地，为了使电子流得到更大的加速运动，常在阴极上施加很高的负电压。
（2）真空系统。只有在高真空室内才能实现电子的高速运动，防止发射阴极及工件表面被氧化，需要真空系统保证电子束加工系统的高真空度要求。
（3）控制系统。其主要作用是控制电子束聚焦直径、束流强度、束流位置和工作台位置。电子束经过聚焦而成为很细的束斑，它决定着加工点的孔径或缝宽大小。聚焦方法有利用高压静电场聚焦和“电磁透镜”聚焦两种方法。束流位置控制可采用磁偏转和静电偏转，但偏转距离只能在数毫米范围内，所以在加工大面积工件时，还需要控制工作台精密位移与电子束偏转运动相配合来实现加工位置控制。
（二）离子束加工
1.离子束加工原理
离子束加工原理与电子束加工类似，也是在真空条件下，把氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xr）等惰性气体，通过离子源产生离子束并经过加速、集束、聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以实现去除加工。所不同的是离子的质量比电子的质量大千倍甚至万倍，例如最小的氢离子，其质量是电子质量的1 840倍，氩离子的质量是电子质量的7．2万倍。由于离子的质量大，故离子束加速轰击工件表面，能比电子束产生更大的能量。
高速电子撞击工件材料时，因电子质量小、速度大，动能几乎全部转化为热能，使工件材料局部熔化、汽化，通过热效应进行加工。而离子本身质量较大，速度较低，撞击工件材料时，将引起变形、分离、破坏等机械作用。例如加速到几十电子伏到几千电子伏时，主要是用于离子溅射加工；如果加速到一万到几万电子伏，且离子入射方向与被加工表面成25°～30°角时，则离子可将工件表面的原子或分子撞击出去，以实现离子铣削、离子蚀刻或离子抛光等；当加速到几十万电子伏或更高时，离子可穿入被加工材料内部，称为离子注入。产生离子束的方法是将要电离的气态元素注入电离室，利用电弧放电或电子轰击等方法，使气态原子电离为等离子体（即正离子数和负离子数相等的混合体）。用一个相对于等离子体为负电位的电极（吸极），从等离子体中吸出离子束流，再通过磁场作用或聚焦，形成密度很高的离子束去轰击工件表面。
2.离子束加工的特点
（1）易于精确控制。由于离子束可以通过离子光学系统进行扫描，使微离子束可以聚焦到光斑直径1μm 以内进行加工，同时离子束流密度和离子的能量可以精确控制，因此能精确控制加工效果，如控制注入深度和浓度。抛光时可以一层层地把工件表面的原子清除，从而加工出没有缺陷的光整表面。此外，借助于掩膜技术可以在半导体上刻出1μm 宽的沟槽。
（2）加工所产生的污染少。离子束加工是在较高的真空中进行，离子的纯度比较高，因此特别适合于加工易氧化的金属、合金和半导体材料等。
（3）加工应力变形小。离子束加工是靠离子撞击工件表面的原子而实现的，这是一种微观作用，宏观作用很小，所以对脆性、半导体、高分子等材料都可以加工。
