CN102503177A - 一种用于超光滑表面的等离子体加工装置 - Google Patents

Abstract

一种用于超光滑表明的等离子体加工装置，包括：真空系统、感性耦合等离子体发生系统以及水冷系统。该等离子体加工装置通过感性耦合等离子体的方式产生等离子体，并在真空状态下，将等离子体作用于物件表面形成抛光机制。与现有技术相比，本发明具有加工效率高、抛光效果好以及能有效控制等离子体均匀性的特点。

Description

一种用于超光滑表面的等离子体加工装置

技术领域

本发明涉及非接触法抛光技术领域，具体涉及一种用于超光滑表面的等离子体加工装置。

背景技术

目前除了平板玻璃、器皿玻璃、艺术玻璃应用传统的抛光技术外，先进的光学制造、IT及光电子行业的基片制作均需要超光滑和超精密抛光技术，如平板显示器(FPD)普通GenII型的粗糙度(Ra)为20nm，光盘和磁盘基片玻璃要求表面粗糙度为1～6nm，而且现代短波光学、强光光学、电子学以及薄膜科学的发展对表面的要求更加苛刻，其明显特征是表面粗糙度Ra为1nm。目前，在光学零件的加工中，在精密磨削的基础上进行传统的抛光加工方法应用非常普遍，但这种方法，容易产生表层及亚表层损伤，不适合于加工碳化硅、光学玻璃等脆性材料。

因此，传统的机械加工手段在尖锐超光滑表面加工中已经日益显出其局限性。在国防和尖端科学研究的众多领域，迫切需要开发一种不会造成表面损伤的、高效、无表面污染的超光滑表面加工方法。

非接触式加工方法为实现上述要求提供了潜在的理想解决方案。到目前为止，非接触式抛光的尝试已经多有报道。

RIE(反应离子刻蚀)可以实现超光滑表面的加工，但是其材料去除速率过低，不适合需要大量材料去除的反射镜形面误差修整；另外，离子溅射作用的存在破坏表面的晶格结构，甚至降低表面的粗糙度。

而采用高能离子溅射效应的离子束抛光方法去除效率很低，只适合高精度抛光阶段的面行高精度修整。

等离子体抛光也是一个重要的非接触式抛光技术。如哈尔滨工业大学采用的常压电容耦合等离子体抛光技术。由于常压等离子体密度高，所以具有较高的去除速率。但由于其在大气环境下工作，抛光表面会引入外来元素，对抛光表面造成污染。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于超光滑表面的等离子体加工装置，该等离子体加工装置能够更好的适应抛光阶段不同抛光面积的要求，不仅具有较高的去除速率，而且不会引入外来元素污染待加工物的表面。

根据本发明的目的提出的一种用于超光滑表面的等离子体加工装置，包括：真空系统，所述真空系统包括真空腔体和抽气机组，一用于置放待加工物件的样品台设置于所述真空腔体中；感性耦合等离子体发生系统，所述感性耦合等离子体发生系统包括射频源、网络匹配器、射频线圈、石英管和工作气体提供装置，所述射频线圈绕置在石英管上，该射频线圈为中空金属管，所述石英管的一端为进气口，另一端为呈锥形开口端，所述工作气体提供装置通过该进气口向石英管内提供工作气体；以及水冷系统，所述水冷系统提供的冷却水从射频线圈的中空金属管一端进入，另一端流出，形成循环冷却水路。

可选的，所述抽气机组包括分子泵和机械泵。

可选的，所述样品台下设有圆形磁钢，该圆形磁钢向样品台上方提供一使等离子体在样品台上方做螺旋运动的约束磁场。

可选的，所述石英管的锥形开口端设置于真空腔体中，该锥形开口端的开口大小与所述约束磁场匹配。

可选的，所述水冷系统同时连接所述样品台和圆形磁钢，并向该样品台和圆形磁钢提供冷却水。

可选的，所述工作气体提供装置包括工作气体源和气路控制器，该工作气体源通过该气路控制器连接在所述石英管的进气口上。

可选的，所述网络匹配器包括纵、横两个可调电容，该两个可调电容与射频线圈组成所述感性耦合等离子体发生系统的阻抗调制电路。

可选的，所述射频线圈的中空金属管表面镀有银层。

可选的，所述射频线圈和网络匹配器设置在一金属屏蔽盒中。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1.加工效率高：感应耦合方式放电本来就能够产生较高密度的等离子体，加工效率比一般的容性耦合放电方式要高。附加磁场后，约束了出口处的等离子体，且电子的路径增加，和反应气体碰撞次数增加，提高气体的离化率，能够产生更高密度的等离子体，可以成倍的提高加工效率。

2.抛光效果好：在圆筒型石英放电管外绕制螺旋状线圈的感应耦合等离子体放电方式是利用天线电流产生的磁场导致的放电，这里磁场随时间变化引起感应电场，利用这个电场来加速电子从而维持等离子体。因此它不存在电极溅射造成的污染。引入磁场后，在增加等离子体密度的同时，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均匀性：采用不同孔径的石英玻璃管和出口的锥度，以配合磁场大小的调节，可以有效控制等离子体出口的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种用于超光滑表面的等离子体加工装置的结构示意图。

具体实施方式

请参见图1，图1是本发明的一种用于超光滑表面的等离子体加工装置的结构示意图。如图所示，该等离子体加工装置包括：真空系统、感性耦合等离子体发生系统和水冷系统。

所述真空系统包括真空腔体1和抽气机组(图中未示出)。该真空腔体1为本发明对待加工物价进行表面抛光提供了一个真空环境。为了尽可能减少空气中颗粒物在抛光时对表面形成污染，该真空腔体1内的气压要求达到0.001Pa至100Pa，为此，设计的抽气机组包括一分子泵和一机械泵。先以机械泵对真空腔体1进行预抽压，然后再使用分子泵进行深度抽压，直至真空腔体达到所需的气压为止。

在真空腔体1中，设有一用于置放待加工物件的样品台8，在样品台8的下方，设有一圆形磁钢9，该圆形磁钢9向该样平台8的上方空间提供一个约束磁场，该约束磁场可以使等离子体在磁场涉及的空间内做螺旋运动。

所述感性耦合等离子体发生系统，包括射频源4、网络匹配器5、射频线圈3、石英管2和工作气体提供装置7。所述射频线圈3以螺线形方式绕置在石英管2上，该射频线圈为中空金属管，其材质可以为铜、铝等是具有较佳导电性质的金属材料，也可以在铜、铝等材料表面镀上一层金属银，以进一步降低射频电流在射频线圈3表面上的功率消耗，提高等离子体的功率吸收。

所述射频源4向射频线圈提供一频率可调的射频信号，可选的，该射频源4的频率可以为27.12MHz和40.68MHz两档，当然也可以有更多其它的档位选择，视各种不同的运用场合而定。

所述网络匹配器5连接该上述射频源4和射频线圈3，该网络匹配器5主要包括两个纵、横可调电容，该两个可调电容与射频线圈3组成所述感性耦合等离子体发生系统的阻抗调制电路，该阻抗调制电路通过调节两个纵、横可调电容的电容值或者射频线圈3的匝数来达到调节整个感性耦合等离子体发生系统的阻抗，从而使产生等离子体时，工作气体所需吸收的电场功率与射频源4提供的功率相匹配。

所述石英管2的一端为进气口，另一端为呈锥形开口端。该锥形开口端设置于真空腔体中，其开口大小与上述约束磁场匹配，在针对不同大小的待加工物价时，可以选择不同开口大小的石英管，同时选择不同的磁钢形成不同的约束磁场，这样可以有效的控制等离子体在加工空间中的均匀性。

所述工作气体提供装置7通过该进气口向石英管2内提供工作气体，该工作气体提供装置7包括工作气体源和气路控制器，该工作气体源通过该气路控制器连接在所述石英管2的进气口上。所述工作气体达到具有射频线圈3绕置的那部分石英管时，在射频线圈3加载的天线电流产生的感应电场作用下，形成平衡的低温等离子体。该低温等离子体带有大量活性基，经锥形开口端射出后，作用到待加工物件表面，同时由于样品台8下方磁场的作用，这些射出的大量等离子体在磁场的约束下，垂直方向的速度被逐渐减速，而水平方向上开始做螺旋运动，与待加工物件表面形成类似研磨的作用机理，使得待加工物件表面得以抛光。可选的，所述工作气体可以为六氟化硫、四氟化碳、氧气、氩气等。

所述水冷系统6分别向感性耦合等离子体发生系统以及样品台8和圆形磁钢9提供冷却水。其中，向感性耦合等离子体发生系统提供的冷却水从射频线圈3的中空金属管一端进入，另一端流出，形成循环冷却水路，对该射频线圈3的冷却，主要是为了减少线圈因发热而加大电阻，影响其感应电场的功率。而向样品台8和圆形磁钢9提供的冷却水，可以通过一个专门的水循环管路实现(图中未示出)。同样，对样品台8的冷却，主要是为了降低磁钢的温度，以避免磁钢长时间高温下的退磁现象。

可选的，在射频线圈3和网络匹配器5外围，可以增加一个金属屏蔽罩10，该金属屏蔽罩10具有避免射频辐射和不必要的外界干扰的功能。

该等离子体加工装置的工作原理如下：在真空室的低气压下(0.001Pa-100Pa)，工作气体(六氟化硫、四氟化碳、氧气、氩气等)在感应电场的作用下电离，形成非平衡的低温等离子体，等离子体带有大量的活性基。而约束磁场的存在约束了出口处的等离子体，进一步增加了等离子体中电子的自由程，增加了电子和工作气体碰撞的几率，提高活性剂基的数量，在待加工物件表面发生反应，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，不会存在溅射污染和亚表面损伤层。

下面以一个具体的实施方式对本发明的等离子体加工装置的使用方法做简单说明：

步骤1：采用直径为10mm的石英玻璃作为待加工物件，首先对该待加工的石英玻璃进行预处理，所述预处理主要采用标准的RCA工艺对该石英玻璃清洗。然后打开真空腔体，将该石英玻璃放置在样品台上；运用抽气机组，使真空腔体内的真空度下降到0.001Pa。

步骤2：采用四氟化碳或者四氟化碳和氧气的组合气体作为工作气体，通入到石英管中进行电离产生等离子体。其中通入的四氟化碳气体流量为20sccm左右，或者通入的混合气体的气体流量为：四氟化碳：20sccm；氧气：10sccm。

步骤3：使上述工作气体达到的气压在0.1～100Pa之间，然后打开频率为27.12MHz射频电源，通过阻抗调节电路将放电功率调整到20瓦到200瓦之间，对工作气体进行电离，产生等离子体。

步骤4：运用上述等离子体对石英玻璃表面加工30分钟，关闭电源，关闭工作气体，向真空室通入普通氮气，待真空室达到大气压时，打开真空室，取出样品工件，对石英玻璃表面粗糙度和刻蚀深度进行测试，以判断是否达到加工要求。

在上述步骤中，当等离子体在石英玻璃表面加工时，采用约束磁场对石英管出口处的等离子体进行约束，使等离子体快达到石英玻璃表面时，抛光面积缩小，等离子体浓度增加，加工效率大大提高。

综上所述，本发明提出了一种用于超光滑表面的等离子体加工装置，该等离子体加工装置采用在真空状态下，以感性耦合等离子体的方式产生等离子体，作用于物件表面形成抛光机制。相比较现有技术，本发明的技术效果在于：

1.加工效率高：感应耦合方式放电本来就能够产生较高密度的等离子体，加工效率比一般的容性耦合放电方式要高。附加磁场后，约束了出口处的等离子体，且电子的路径增加，和反应气体碰撞次数增加，提高气体的离化率，能够产生更高密度的等离子体，可以成倍的提高加工效率。

2.抛光效果好：在圆筒型石英放电管外绕制螺旋状线圈的感应耦合等离子体放电方式是利用天线电流产生的磁场导致的放电，这里磁场随时间变化引起感应电场，利用这个电场来加速电子从而维持等离子体。因此它不存在电极溅射造成的污染。引入磁场后，在增加等离子体密度的同时，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均匀性：采用不同孔径的石英玻璃管和出口的锥度，以配合磁场大小的调节，可以有效控制等离子体出口的均匀性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种用于超光滑表面的等离子体加工装置，其特征在于：所述等离子体加工装置包括：

真空系统，所述真空系统包括真空腔体和抽气机组，一用于置放待加工物件的样品台设置于所述真空腔体中；

感性耦合等离子体发生系统，所述感性耦合等离子体发生系统包括射频源、网络匹配器、射频线圈、石英管和工作气体提供装置，所述射频线圈绕置在石英管上，该射频线圈为中空金属管，所述石英管的一端为进气口，另一端为呈锥形开口端，所述工作气体提供装置通过该进气口向石英管内提供工作气体；以及

水冷系统，所述水冷系统提供的冷却水从射频线圈的中空金属管一端进入，另一端流出，形成循环冷却水路。

2.如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于：所述抽气机组包括分子泵和机械泵。

3.如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于：所述样品台下设有圆形磁钢，该圆形磁钢向样品台上方提供一使等离子体在样品台上方做螺旋运动的约束磁场。

4.如权利要求3所述的等离子体加工装置，其特征在于：所述石英管的锥形开口端设置于真空腔体中，该锥形开口端的开口大小与所述约束磁场匹配。

5.如权利要求3所述的等离子体加工装置，其特征在于：所述水冷系统同时连接所述样品台和圆形磁钢，并向该样品台和圆形磁钢提供冷却水。

6.如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于：所述工作气体提供装置包括工作气体源和气路控制器，该工作气体源通过该气路控制器连接在所述石英管的进气口上。

7.如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于：所述网络匹配器包括两个纵、横可调电容，该两个可调电容与射频线圈组成所述感性耦合等离子体发生系统的阻抗调制电路。

8.如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于：所述射频线圈的中空金属管表面镀有银层。

9.如权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于：所述射频线圈和网络匹配器设置在一金属屏蔽盒中。

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