CN101289285A - 等离子体加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非接触法抛光技术领域，具体涉及一种等离子体加工装置。本发明的目的是要解决现有技术存在的抛光表面会引入外来元素，污染抛光表面，并且会因反应气体元素吸附在抛光表面，破坏抛光表面晶格完整性，易造成亚表面损伤的问题。为解决现有技术存在的问题，所提供的技术方案是：一种等离子体加工装置，包括工作室和其内部的电容耦合等离子体发生器，所述的电容耦合等离子体发生器包括进气口、射频接头和内套，所述的工作室为真空室，所述电容耦合等离子体发生器的内套外侧还依次设置有绝缘层和屏蔽层，内套、绝缘层和屏蔽层以过盈配合方式连接，在屏蔽层的外侧环设有环形磁铁，该环形磁铁通过直线移动机构联接于屏蔽层上。

Description

等离子体加工装置

所属技术领域：

本发明涉及非接触法抛光技术领域，具体涉及一种等离子体加工装置。

背景技术：

等离子体抛光技术是等离子体源与化学气相处理设备相结合的新技术，属于非接触法抛光技术。其工作原理基于在等离子体作用下的化学反应，利用等离子体与工件表层材料发生化学作用去除材料。采用这种方法可以进行大面积平面抛光、局部抛光、非球面抛光等。采用此方法进行光学零件的抛光，可以避免亚表面损伤层的出现，提高光学零件表面加工等级，实现高精密抛光。

等离子体抛光技术中所使用的是等离子体加工装置，其主要部件包括：工作室、电容耦合等离子体发生器、工件夹具组件、配气组件、排气组件和射频组件。其中的关键部件是等离子体发生器。

ICP是一种电感耦合等离子体发生器，被广泛使用于微电子领域的等离子体刻蚀中，其工作环境为真空，刻蚀效率很高，由于其刻蚀速度的原因，在抛光时无法降低其速度，达不到抛光降低表面粗糙度的目的，不能有效进行抛光作业；同时由于采用电感耦合线圈，导致其结构复杂，体积大且笨重。因此并未得到广泛的应用。

哈尔滨工业大学采用了电容耦合等离子体发生器(CCP)，它是由进气口、射频接头和内套组成，其工作室为与外界相通的常压室，抛光机理主要是化学反应，但它存在的问题是：由于在大气环境下工作，抛光表面会引入外来元素(氧元素和碳元素)，对抛光表面造成污染，并且化学反应造成了反应气体元素吸附在抛光表面，必然会破坏抛光表面晶格完整性，造成亚表面损伤。

发明内容：

本发明的目的是提供一种等离子体加工装置，以解决现有技术存在的抛光表面会引入外来元素，污染抛光表面，并且会因反应气体元素吸附在抛光表面，破坏抛光表面晶格完整性，易造成亚表面损伤的问题。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种等离子体加工装置，包括工作室和其内部的电容耦合等离子体发生器，所述的电容耦合等离子体发生器包括进气口、射频接头和内套，其特殊之处在于：所述的工作室为真空室，所述电容耦合等离子体发生器的内套外侧还依次设置有绝缘层和屏蔽层，内套、绝缘层和屏蔽层以过盈配合方式连接，在屏蔽层的外侧环设有环形磁铁，该环形磁铁通过直线移动机构联接于屏蔽层上。

上述内套的开口端联接有内小、外大锥形的均匀器。只要能与内套配合的方式均可采用。

上述直线移动机构由屏蔽层外侧设置的条状滑槽和嵌设于滑槽内的支架组成，支架与环形磁铁固定联接。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、有效提高加工效率：附加磁场后，电子的运动路径增加，和反应气体碰撞次数增加，可以成数倍地提高光学加工的效率；

2、抛光效果好：由于磁场的引入，提高了反应气体的离化率，比不加磁场的电容耦合等离子体离子密度提高2到3个数量级；同时限制了离子和加工表面的直接轰击作用，从而避免了亚表面损伤，可以获得无表面污染、晶格完整、无亚表面损伤的超光滑光学表面；

3、能有效控制等离子体出口的均匀性：等离子体出口均匀器的可以采用不同的锥度设计，以配合磁场位置以及大小的调节，可以有效控制等离子体出口的均匀性。

附图说明：

图1是等离子体加工装置的结构示意图；

图2是电容耦合等离子体发生器的结构示意图。

附图标记如下：

1-进气口，2-射频接头，3-内套，4-绝缘层，5-屏蔽层，6-均匀器，7-直线移动机构，8-环形磁铁，9-真空室，10-电容耦合等离子体发生器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作详细说明。

参见图1和图2，一种等离子体加工装置，包括真空室9和其内部的电容耦合等离子体发生器10，所说的电容耦合等离子体发生器包括进气口1、射频接头2、内套3、绝缘层4、屏蔽层5、均匀器6、直线移动机构7和环形磁铁8。所说的电容耦合等离子体发生器的内套3外侧依次设置有绝缘层4和屏蔽层5，内套3、绝缘层4和屏蔽层5之间以过盈配合方式联接，在屏蔽层5的外侧环设有环形磁铁8，该环形磁铁8通过直线移动机构7联接于屏蔽层5上，所说的直线移动机构由屏蔽层5外侧设置的条状滑槽和嵌设于滑槽内的支架组成，支架与环形磁铁8固定联接。所说内套3的开口端上联接有内小、外大锥形的均匀器6。

工作原理：在真空室的低气压下(0.1Pa～100Pa)，工作气体(氩气、氦气、六氟化硫、四氟化碳、氧气)在射频电场的作用下电离，形成非平衡的低温等离子体，等离子体带有大量的活性基。磁场的存在进一步增加了电子的自由程，增加了电子和反应气体碰撞的几率，提高活性基的数量；同时配合等离子体发生器中均匀器的出口形状，使工件表面的活性基分布均匀；在加工表面和工件发生反应，实现材料的去除，由于不存在机械力的作用和外来元素的干扰，不会产生亚表面损伤层。

实施例1：

石英玻璃的抛光速率实验：

步骤1：对待抛光的石英工件清洗，清洗主要采用的标准的RCE工艺。打开真空室，放置工件在工件台上；运用排气系统，使真空室内真空下降到10^-3Pa。

步骤2：充入工作气体，氩气(10％～90％)、氧气(0％～90％)六氟化硫(1％～90％)，真空度到达0.1Pa～100Pa之间；打开射频组件的电源，调节功率在10瓦到200瓦之间。

步骤3：调节磁场大小和位置，在不加磁场和加磁场下，分别加工获得两个样片。

步骤4：加工1个小时左右，关闭电源，关闭工作气体。取出工件，测试工件的表面粗糙度和刻蚀深度。

对比两个加工样片，发现加磁场的样片表面粗糙度有较大的降低，并且加工的速度提高了5倍以上。

实施例2：

步骤1：对待抛光的石英工件清洗，清洗主要采用的标准的RCE工艺。打开真空室，放置工件在工件台上；运用排气系统，使真空室内真空下降到10^-3Pa。

步骤2：充入工作气体，氩气(10％～90％)、氧气(0％～90％)六氟化硫(1％～90％)，真空度到达0.1Pa～100Pa之间；打开射频组件的电源，调节功率在10瓦到200瓦之间。

步骤3：固定磁场位置。调节磁场强度分别为：200毫特斯拉、400毫特斯拉、和600毫特斯拉，分别加工获得3个样片。

步骤4：加工相同(1个小时)，关闭电源，关闭工作气体。取出工件，分别测试工件的表面粗糙度和刻蚀深度，计算刻蚀速率。

结果表明，随着磁场强度的增加，工件表面粗糙度呈下降趋势，和没有加磁场时对比，刻蚀速率分别上升2倍、4倍、8倍。

实施例3：

步骤1：对待抛光的石英工件清洗，清洗主要采用的标准的RCE工艺。打开真空室，放置工件在工件台上；运用排气系统，使真空室内真空下降到10^-3Pa。

步骤2：充入工作气体，氩气(10％～90％)、氧气(0％～90％)六氟化硫(1％～90％)，真空度到达为0.1Pa～100Pa之间；打开射频组件的电源，调节功率在10瓦到200瓦之间。

步骤3：固定磁场位置、大小，分别采用不用圆锥度(三个)的均匀器。

步骤4：加工时间相同(1个小时)，分别在三种不同圆锥度下加工三个样片，关闭射频电源，关闭工作气体，取出工件。

在每一个工件上取多个点测试刻蚀深度，来反应等离子体在工作表面的均匀度。测试的结果表明，在圆锥度为45度的情况下，可以获得更为均匀的等离子体。

Claims (3)

1、一种等离子体加工装置，包括工作室和其内部的电容耦合等离子体发生器(10)，所述的电容耦合等离子体发生器(10)包括进气口(1)、射频接头(2)和内套(3)，其特征在于：所述的工作室为真空室(9)，所述电容耦合等离子体发生器的内套(3)外侧还依次设置有绝缘层(4)和屏蔽层(5)，内套(3)、绝缘层(4)和屏蔽层(5)以过盈配合方式连接，在屏蔽层(5)的外侧环设有环形磁铁(8)，该环形磁铁(8)通过直线移动机构(7)联接于屏蔽层(5)上。

2、如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于：所述内套(3)的开口端联接有内小、外大锥形的均匀器(6)。

3、如权利要求1或2所述的等离子体加工装置，其特征在于：所述直线移动机构(7)由屏蔽层(5)外侧设置的条状滑槽和嵌设于滑槽内的支架组成，支架与环形磁铁(8)固定联接。

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