1.离子束加工技术的基本原理和特点

离子束加工指在真空条件下，将氩气（Ar），氪气（Kr）或氙气（Xe）等惰性气体通过离子源产生离子束，经加速、集束和聚焦后，射到被加工表面以实现各种加工的方法。离子的质量远远大于电子，其在电场中的加速过程比电子慢得多，速度也较慢，但一旦加速后，却具有远远高于电子的动能。因此，离子束加工是通过弹性碰撞，轰击工件表面，加工时被加工表面层不产生热量，这一点与电子束加工截然不同。

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射到材料（靶材）表面时，可以将靶材表面的原子击出，这就是离子的撞击效应。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。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，进行溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层薄膜，这就是离子的溅射效应。如果离子能量足够大时，射到靶材的离子，就会钻进靶材表面，这就是离子的注入效应。因此，离子束加工按照其所利用的物理效应和目的不同，可以分为四种，即离子刻蚀、离子溅射沉积、离子镀及离子注入。前两种属于成形加工，后两种属于特殊表面层制备。

离子束加工技术具有如下特点：

1）可进行超精密加工。由于离子束可以通过光学系统进行聚焦扫描（聚焦光斑可达1μm），其束流密度及离子能量可以精确控制；同时由于离子束轰击材料是逐层击除原子，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以精确地控制。可见，离子束加工是一种超精密的微细加工方法。

2）加工表面质量高。离子束加工是一种原子级或分子级的微细加工，其宏观作用力很小，加工应力小，热变形小，因此适用于各类金属、非金属材料的高表面质量加工。

3）污染少，环境友好性强。由于离子束加工是在高真空中进行，因此污染少，并且特别适用于加工易氧化的金属、合金及半导体材料，这一点与电子束加工相似。

4）加工效率较低。离子束加工的效率较低，同时由于离子束设备费用及成本较高，因此必将限制其应用和推广。

2.离子束加工技术的应用

（1）离子刻蚀 离子刻蚀指通过用能量为0.5～5keV的离子轰击工件，将工件材料原子从工件表面去除的工艺过程，是一个撞击溅射过程。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进行轰击刻蚀。离子刻蚀加工可达到很高的分辨率，在高精度加工、表面抛光、图形刻蚀、石英晶体振荡器以及各种传感器件的制作等方面应用较为广泛。进行离子刻蚀加工时，对离子入射能量、束流大小、离子入射角度以及工作室气压等应分别调节控制。大多数材料在离子能量为300～500eV，入射角为40°～60°时的刻蚀效率最高。用离子束轰击已被机械磨光的玻璃时，玻璃表面1μm左右被剥离并形成极光滑的表面。若将机械研磨与离子抛光结合起来制造非球面透镜，则其透明度将显著提高。用离子束轰击厚度为0.2mm的玻璃，能改变其折射率分布，使之具有偏光作用。(www.daowen.com)

离子刻蚀用于减薄石英晶体时，用能量为500eV的Ar离子、束流密度0.7mA/cm²，有效束径为8mm的离子束，入射角为35°，可以加工出3.3μm厚的石英晶体薄片。离子刻蚀可用于加工各种材料，如金属、半导体、橡胶、塑料或陶瓷等。离子刻蚀在真空中进行，所以对被加工材料的污染少。此外，还可以消除普通方法抛光产生的表面应力。

（2）离子溅射沉积 离子溅射沉积是一种基于溅射效应的镀膜工艺，适用于合金膜和化合物膜等的镀制。在各种镀膜技术中，溅射沉积最适合于镀制合金膜，包括多靶溅射、镶嵌靶溅射和合金靶溅射等三种方法。这些方法均采用直流溅射，且只适合于导电的靶材。化合物膜通常指由金属元素的化合物镀成薄膜，镀膜方法包括直流溅射、射频溅射和反应溅射等三种。

用磁控溅射在高速钢刀具上镀氮化钛（TiN）硬质膜，可以显著延长刀具的寿命。由于氮化钛具有良好的导电性，可以采用直流溅射，直流磁控溅射的镀膜速率可达300mm/min。在齿轮的齿面和轴承上，采用离子溅射镀制0.2～0.6μm的二硫化钼润滑膜，摩擦因数可减至0.04。溅射时，采用直流溅射或射频溅射，靶材用二硫化钼粉末压制成形。

（3）离子镀 离子镀是在真空蒸镀和溅射镀膜的基础上发展起来的一种镀膜技术。离子镀时，工件不仅接受靶材溅射来的原子，还同时接受离子的轰击，这种轰击使界面和膜层的性质发生某些变化，如膜层对基片的附着力、覆盖情况、密度以及内应力等，从而使离子镀具有许多优点。离子镀附着力强、膜层不易脱落。这首先是由于离子以很高的动能冲击基体表面，对表面的沾污和氧化层起到了清洗作用；其次是镀膜刚开始时，由工件表面溅射出来的基材原子，有一部分会与工件周围气氛中的原子和离子发生碰撞后返回工件，形成了膜材原子和基材原子的共混膜层，而后逐渐过渡到单纯由膜材原子构成的膜层混合过渡层，增强了两者的结合力。

离子镀的可镀材料相当广泛。在金属或非金属表面上可以镀制金属或非金属材料，各种合金、化合物、某些合成材料、半导体材料及高熔点材料均可镀覆。离子镀技术已广泛用于镀制耐磨膜、耐热膜、耐蚀膜、润滑膜和装饰膜等。

离子镀除用于在切削工具表面镀覆TiN、TiC等硬质材料外，手表带、表壳、装饰品和餐具等也大量使用离子镀所得到的TiN、TaN、TaC及VN等膜层，不仅美观而且耐磨、耐蚀。离子镀得到的钨、钼、钽、铌、铍以及氧化铝等镀膜，可显著提高机体的耐热、耐蚀能力。如在不锈钢上镀一层氧化铝，可提高基体在980℃介质中的抗热循环和耐蚀能力。

（4）离子注入 离子注入指将工件放在离子注入机的真空靶中，在几十至几百千伏的电压下，把所需元素的离子注入工件表层。离子注入工艺不受任何热力学限制，而且可注入任何离子，注入量也可以精确控制。注入的离子固溶于工件材料中，含量可高达10%～40%，可获得一般冶金工艺无法得到的各种合金表面。

离子注入技术主要应用在半导体掺杂方面，即把磷（P）或硼（B）等“杂质”注入单晶硅中规定的的区域及深度后，可以得到不同导电型的P型或N型及P-N结；也可用来制造一些通常用热扩散难以获得的各种特殊要求的半导体器件。离子注入已成为制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段。

离子注入表面改性是离子注入加工技术应用的另一个重要领域。例如，在低碳钢中注入N、B、Mo等元素以后，由于在磨损过程中，材料表面局部温升使注入离子向机体扩散，不断在表面形成硬化层，从而可提高材料的耐磨性能。此外，离子注入还可用以改变金属表面的耐蚀性能、抗疲劳性能和润滑性能等。