用於超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬的製作方法

2023-04-25 21:20:41 1

專利名稱：用於超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種常壓等離子體拋光設備。
背景技術：
現代短波光學、強光光學、電子學及薄膜科學的發展對表面的要求非常苛刻，其明顯特性是表面粗糙度小於1nm Ra。這類表面用作光學元件時，為獲得最高反射率，特別強調表面低散射特性或極低粗糙度值；用作功能元件時，因多為晶體材料，相對於表面粗糙度而言，更注重表面的晶格完整性。我們統稱這兩類表面為超光滑表面(ultra smooth surface)。超光滑光學零件加工多採用金剛石超精密切削加工或各種傳統的磨削、拋光加工。超精密金剛石切削本身可以達到極高的加工精度，但是不適合於加工碳化矽、光學玻璃等硬脆性材料，同時，金剛石超精密工具機設計複雜，價格昂貴，對材料、測量、控制、環境等方面的要求都非常苛刻，這都限制了它的廣泛使用。目前，光學零件加工中最常用的加工方法是在精密磨削的基礎上進行傳統的拋光加工，如浴法拋光、浮法拋光等。此類加工方法固然可以得到極高的表面粗糙度，但其材料去除率太低，即加工效率過低。而且，拋光加工不適合非球曲面零件的加工，很難對零件的表面形狀誤差進行修正。特別是當光學零件採用碳化矽等極難加工材料時，由於碳化矽材料的高硬度，在對其進行拋光時，拋光壓力至少是拋光玻璃陶瓷時的4倍，這在加工非常薄的輕質反射鏡鏡片時，可能引起災難性的後果。此外，不管是超精密金剛石切削還是各種磨削、拋光加工，都不可避免地存在傳統機械接觸式加工所固有的缺陷。機械式的研拋工藝帶來的另外一個問題是拋光後超光滑表面的清洗問題，表面存在的難以清洗的殘留物將直接影響到後續的納米級薄膜的成膜質量或微電子器件的線寬、集成度和可靠性。下面對已有相關技術存在的缺點進行簡單的闡述傳統機械式拋光加工目前，在光學零件的加工中，在精密磨削的基礎上進行傳統的拋光加工方法應用非常普遍，但這種方法也存在著非常多的問題，如加工效率過低，容易產生表層及亞表層損傷，拋光後超光滑表面的難以清洗；不適合於加工碳化矽、光學玻璃等硬脆性材料，不適合非球曲面零件的加工，很難對零件的表面形狀誤差進行修正等。RIE(反應離子刻蝕)RIE可以實現超光滑表面的加工，但它的缺點包括①材料去除速率過低，不適合需要大量材料去除的反射鏡形面誤差修整；②RIE的精密光整加工必須在真空環境中進行，為機電系統的設計、維護和操作均提出了很高的要求；③離子濺射作用的存在破壞表面的晶格結構，甚至降低表面粗糙度。PACE(等離子體輔助拋光技術)該方法的主要不足之處在於它要求被加工工件是導體或工件厚度不大於10mm。當工件為厚度大於10mm的絕緣體時，其加工效率將低到讓該方法失去正常的使用價值。而且PACE必須在真空環境中完成。離子束濺射或中性離子銑它的主要缺點是1、由於異種載能離子轟擊，離子束濺射會破壞晶格的完整性，在亞表面產生缺陷；2、在使用中存在設備及維護費用高、被處理物體的尺度受真空室腔體限制，操作不方便和時間長等缺點。目前，世界上只有日本大阪大學和美國Lawrence Livermore國家實驗室在從事常壓等離子體拋光技術的研究。大阪大學是最早從事這方面研究的單位，他們開發了一種叫做化學蒸發加工(CVM)的方法，該方法採用旋轉平行電極來產生等離子體。據報導，大阪大學已經可以在加工半導體用矽片時實現1.4nm的表面粗糙度，材料去除速率最高可達每分鐘數百微米，與常規的研磨效率相當，而其表面缺陷密度僅為常規機械拋光和氬離子濺射加工方法的1/100。另據報導，採用此種技術加工90mm直徑的光學反射鏡，面型精度達到了3nm(PV)，約相當於20個原子的高度。但是，他們採用的加工方法存在的不足是由於等離子體是在旋轉電極和工件之間產生，它會受很多因素如RF功率、氣體流速等的影響，很難實現等離子體區的建模和控制，從而使得加工痕跡的可重複性控制和預測變得非常困難，很難保證加工精度。美國Lawrence Livermore實驗室近年來對常壓等離子體拋光技術也表現出了極大的興趣，他們開發了叫做反應原子等離子體拋光(RAP)的方法，採用商品化的電感耦合等離子體炬來產生穩定的等離子體，很好地解決了大阪大學遇到的加工重複性問題，使活性原子常壓等離子體拋光精度的預測成為可能。但是，該等離子體炬存在著內炬管易腐蝕的問題，成本高，系統的維護性不好。因此，在國防和尖端科學研究的眾多領域，迫切需要開發一種不會造成表面損傷的、高效的、超精密光學零件加工設備，以滿足對大型或大批量超精密光學零件的需求。
實用新型內容本實用新型的目的是為解決常規的機械式研拋方法在碳化矽等硬脆性難加工材料的超光滑表面加工中存在的效率低、容易產生表層及亞表層損傷、表面清洗困難以及針對其在大型輕質反射鏡加工中存在的問題以及等離子體炬存在著內炬管易腐蝕，成本高，系統的維護性不好，等離子體火焰的外形不易控制的問題，提供一種用於超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬。本實用新型具有拋光效率高、常壓等離子體密度高、適用範圍大、無需真空室、成本低、等離子體火焰的外形容易控制的特點。本實用新型由陽極水冷導管1、進氣接頭3、陰極水冷接頭一4、陽極5、陰極6、陰極水冷接頭二8、外套9、陶瓷螺母10、連接體11、密封座12、端蓋20、螺釘24和密封圈25組成，陰極6與外套9固定連接，陰極6的外壁與外套9的內壁之間形成水冷環形空間13，陰極水冷接頭一4固定在外套9一側的外壁上並與水冷環形空間13相連通，陰極水冷接頭二8固定在外套9另一側的外壁上並與水冷環形空間13相連通，陶瓷螺母10的右端與陰極6的左端固定連接，連接體11的右端與陶瓷螺母10的左端固定連接，陽極5的左端通過螺紋及陽極5中間的臺肩固定在連接體11和陶瓷螺母10內，陽極5的右端設置在陰極6內，陽極5的外壁與陰極6的內壁之間形成工作腔15，進氣接頭3固定在陶瓷螺母10的外壁上並與陶瓷螺母10內的進氣通道14相連通，陶瓷螺母10內的進氣通道14與陽極5和陰極6之間的工作腔15相連通，陽極水冷導管1設置在陽極5的內腔16內，密封座12固定在陽極5的左埠內，陽極水冷導管1的左端固定在密封座12的中心處並與外界相通，連接體11內設有冷卻水通道2，冷卻水通道2的裡端與陽極5的內腔16相連通，冷卻水通道2的外端與外界相通，端蓋20與外套9的右端通過螺釘24固定連接，端蓋20與陰極6之間設有密封圈25，端蓋20的中部開有出口27。本實用新型與現有真空氣體放電拋光技術相比，有以下主要優勢一、能夠在一個大氣壓下產生大面積均勻的低溫等離子體，不需要真空室，可大大降低設備成本並擴大其使用範圍；二、常壓等離子體具有很高的等離子體密度，其電子密度最高能夠達到1×1014～1×1015cm-3之間，比真空等離子體要高4-6個數量級。常規條件下，等離子體中活性粒子密度比等離子體密度高1到2個數量級，因此採用常壓等離子體可以保證很高的化學反應速度，加工效率約是傳統拋光方法的10倍。採用常壓射頻冷等離子體進行拋光，由於是在大氣中進行，等離子體中粒子之間的碰撞自由程很小，所以等離子體中幾乎沒有高能離子存在，不會像真空等離子體那樣對超光滑表面造成表面損傷、亞表層損傷和表面汙染，從而實現了光學零件的高效率高質量加工。同時，通過更換不同的端部結構，可以實現等離子體外形的控制，有利於對加工軌跡的重複性進行控制。


圖1是本實用新型的整體結構示意圖，圖2是圖1中出口27處的放大圖，圖3是具體實施方式
三的結構示意圖，圖4是具體實施方式
四的結構示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一(參見圖1)本實施方式由陽極水冷導管1、進氣接頭3、陰極水冷接頭一4、陽極5、陰極6、陰極水冷接頭二8、外套9、陶瓷螺母10、連接體11、密封座12、端蓋20、螺釘24和密封圈25組成，陰極6與外套9固定連接，陰極6的外壁與外套9的內壁之間形成水冷環形空間13，陰極水冷接頭一4固定在外套9一側的外壁上並與水冷環形空間13相連通，陰極水冷接頭二8固定在外套9另一側的外壁上並與水冷環形空間13相連通，陶瓷螺母10的右端與陰極6的左端固定連接，連接體11的右端與陶瓷螺母10的左端固定連接，陽極5的左端通過螺紋及陽極5中間的臺肩固定在連接體11和陶瓷螺母10內，陽極5的右端設置在陰極6內，陽極5的外壁與陰極6的內壁之間形成工作腔15，進氣接頭3固定在陶瓷螺母10的外壁上並與陶瓷螺母10內的進氣通道14相連通，陶瓷螺母10內的進氣通道14與陽極5和陰極6之間的工作腔15相連通，陽極水冷導管1設置在陽極5的內腔16內，密封座12固定在陽極5的左埠內，陽極水冷導管1的左端固定在密封座12的中心處並與外界相通，連接體11內設有冷卻水通道2，冷卻水通道2的裡端與陽極5的內腔16相連通，冷卻水通道2的外端與外界相通，端蓋20與外套9的右端通過螺釘24固定連接，端蓋20與陰極6之間設有密封圈25，端蓋20的中部開有出口27。陰極6和陽極5的基體材料均為鋁，在陽極5的外表面上氧化有一層Al2O3薄膜。
具體實施方式
二(參見圖2)本實施方式端蓋20的出口27為內口大外口小的圓錐臺形21，陽極5的右端與端蓋20的出口27的圓錐臺形21相對應。其它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三(參見圖3)本實施方式端蓋20的出口27為直口形22，陽極5的右端與端蓋20的出口27的直口形22相對應。其它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四(參見圖4)本實施方式端蓋20的出口27為外口大內口小的喇叭形23，陽極5的右端與端蓋20的出口27的喇叭形23相對應。其它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。
工作原理在常壓下，等離子體氣體(如氦氣、氬氣等)在射頻電場的作用下被電離，形成非熱平衡等離子體，在等離子體的作用下，反應氣體(如CF4、SF6等)被離解，形成大量高活性的激發態粒子。在拋光過程中，活性粒子將被光學零件表面原子所吸附並與之反應，從而實現原子級的材料去除，同時又不會在工件表面產生表層或亞表層損傷。以採用CF4作為反應氣體，加工SiC為例，相關化學反應方程式如下
SiC+4F*+2O→SiF4↑+CO2↑利用射頻放電產生的常壓等離子體中的高密度高能活性激發態F*原子，與工件表面SiC原子層發生化學反應，達到原子級的材料去除，並生成容易回收的SiF4和CO2氣體。特點(1)此電容耦合式射頻常壓等離子體炬適用於超光滑表面的等離子體拋光加工，採用了基於電容耦合原理的同軸電極炬體結構，內(陽極)外(陰極)電極均採用水冷，其中，內電極接射頻電源，外電極接地。內外電極之間採用絕緣材料良好的隔離結構。這種結構的等離子體炬克服了CVM方法中的旋轉電極等離子體源和RAP方法中的電感耦合玻璃管等離子體炬的缺點，等離子體形狀易於控制，免維護。氣體輸入採用流量計精確控制，多路氣體可以同時輸入。(2)工作腔15為等離子體發生區域，出口為等離子體引出區域。通過優化等離子體炬的結構，可以得到穩定可控的等離子體外形。採用圓錐臺形、直口形或喇叭形的出口形狀，利用氣流流動帶動等離子體運動，由出口吹出，從而不用更換電極形狀就可以得到特定形狀的等離子體焰，因此，系統具有使用方便、易於維護的特點。(3)陽極水冷導管1和冷卻水通道2為陽極水冷系統的入口和出口，冷水從陽極水冷導管1進入陽極內部的空腔16，由冷卻水通道2流出，帶走熱量。陰極水冷接頭一4和陰極水冷接頭二8為陰極水冷系統的入口和出口，冷水由其中一口流入陰極外的空腔13中，帶走熱量，由另外一口流出。電容耦合等離子體炬採用循環水冷結構，保證了在加工過程中常壓等離子體的穩定性。以上水冷裝置也可以用於油冷或氣體冷卻。(4)陰極陽極的基體材料均為鋁，在其安裝定位上，採用了可加工陶瓷製作的螺母，它不但絕緣性好，而且耐高壓。同時，還通過微弧氧化的方法，在陽極5的外表面形成有一層Al2O3薄膜，有效地抑制了電極間的拉弧現象，極大地提高了等離子體炬的整體性能。(5)採用射頻電源及配套的射頻匹配器。此電容耦合式常壓等離子體炬的結構決定了通過射頻電源放電產生非熱平衡常壓等離子體，從而激發出高能活性粒子為最佳方案。通過射頻電源放電產生非熱平衡常壓等離子體(Non-thermalatmospheric pressure plasma)。針對Si，SiC等材料的加工，反應氣體根據化學反應熱力學的原理選擇。在保證化學反應可進行的同時，反應生成物應當易於排出，不會對加工表面造成新的汙染。本例中，工作氣體主要包括He和少量的反應氣體，如CF4等。反應氣體成份與比例，反應氣體流速等參數對等離子體中活性粒子密度和能量均有較大影響，反應氣體配比的微小變化都會對等離子體放電狀態產生顯著影響，甚至可能造成等離子體放電過程的終止，因此應精確控制。工作氣體由進氣接頭3進入兩電極間的腔體(工作腔15)。在工作狀態下，通過流量控制器實現參與反應的各氣體成分的精確控制。在等離子體的作用下，這些反應氣體形成大量高活性的激發態粒子，並由出口27吹向工件表面。在拋光過程中，活性粒子將被光學零件表面原子所吸附並與之反應，反應產物隨不斷流動的常壓等離子體排走，從而實現原子級的材料去除。
權利要求1.一種用於超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，它由陽極水冷導管(1)、進氣接頭(3)、陰極水冷接頭一(4)、陽極(5)、陰極(6)、陰極水冷接頭二(8)、外套(9)、陶瓷螺母(10)、連接體(11)、密封座(12)、端蓋(20)、螺釘(24)和密封圈(25)組成，其特徵在於陰極(6)與外套(9)固定連接，陰極(6)的外壁與外套(9)的內壁之間形成水冷環形空間(13)，陰極水冷接頭一(4)固定在外套(9)一側的外壁上並與水冷環形空間(13)相連通，陰極水冷接頭二(8)固定在外套(9)另一側的外壁上並與水冷環形空間(13)相連通，陶瓷螺母(10)的右端與陰極(6)的左端固定連接，連接體(11)的右端與陶瓷螺母(10)的左端固定連接，陽極(5)的左端通過螺紋及陽極(5)中間的臺肩固定在連接體(11)和陶瓷螺母(10)內，陽極(5)的右端設置在陰極(6)內，陽極(5)的外壁與陰極(6)的內壁之間形成工作腔(15)，進氣接頭(3)固定在陶瓷螺母(10)的外壁上並與陶瓷螺母(10)內的進氣通道(14)相連通，陶瓷螺母(10)內的進氣通道(14)與陽極(5)和陰極(6)之間的工作腔(15)相連通，陽極水冷導管(1)設置在陽極(5)的內腔(16)內，密封座(12)固定在陽極(5)的左埠內，陽極水冷導管(1)的左端固定在密封座(12)的中心處並與外界相通，連接體(11)內設有冷卻水通道(2)，冷卻水通道(2)的裡端與陽極(5)的內腔(16)相連通，冷卻水通道(2)的外端與外界相通，端蓋(20)與外套(9)的右端通過螺釘(24)固定連接，端蓋(20)與陰極(6)之間設有密封圈(25)，端蓋(20)的中部開有出口(27)。
2.根據權利要求1所述的用於超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特徵在於端蓋(20)的出口(27)為內口大外口小的圓錐臺形(21)，陽極(5)的右端與端蓋(20)的出口(27)的圓錐臺形(21)相對應。
3.根據權利要求1所述的用於超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特徵在於端蓋(20)的出口(27)為直口形(22)，陽極(5)的右端與端蓋(20)的出口(27)的直口形(22)相對應。
4.根據權利要求1所述的用於超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特徵在於端蓋(20)的出口(27)為外口大內口小的喇叭形(23)，陽極(5)的右端與端蓋(20)的出口(27)的喇叭形(23)相對應。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的用於超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，其特徵在於在陽極(5)的外表面上氧化有一層Al2O3薄膜。
專利摘要用於超光滑表面加工的電容耦合式射頻常壓等離子體炬，它涉及一種常壓等離子體拋光設備。本實用新型的目的是為解決常規的機械式研拋方法在碳化矽等硬脆性難加工材料的超光滑表面加工中存在的效率低、容易產生表層及亞表層損傷和內炬管易腐蝕，成本高，系統的維護性不好，等離子體火焰外形難以控制等問題。本實用新型陰極(6)的外壁與外套(9)的內壁之間形成水冷環形空間(13)，陽極水冷導管(1)設置在陽極(5)的內腔(16)內。本實用新型不需要真空室，其等離子體火焰的外形可根據需要更換不同的端部蓋板加以控制，有利於控制加工軌跡的重複性。不會像真空等離子體那樣對超光滑表面造成表面損傷、亞表層損傷和表面汙染，實現了光學零件的高效率高質量加工。
文檔編號B24B1/00GK2917929SQ200620021020
公開日2007年7月4日 申請日期2006年6月14日 優先權日2006年6月14日
發明者張巨帆, 王波, 張龍江, 董申 申請人:哈爾濱工業大學