CN107920411B

CN107920411B - 一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器

Info

Publication number: CN107920411B
Application number: CN201711111093.5A
Authority: CN
Inventors: 余德平; 吴杰; 钟彦杰; 徐继业; 姚进
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2023-09-19
Anticipated expiration: 2037-11-13
Also published as: CN107920411A

Abstract

一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，其主要由直流等离子体发生器和射频感应耦合等离子体发生器两部分组成；所述的直流等离子体发生器主要由阴极部分、引弧外壳、第一阳极体、阳极外壳、第二阳极部分、第一绝缘套、第二绝缘套组成；所述射频感应耦合等离子体发生器主要由石英玻璃管、感应线圈组成；所述的阴极部分主要由阴极座和阴极头组成；所述的第一阳极体上端面与引弧外壳连接，下端面与第二绝缘套连接；所述第二阳极部分由阳极头和阳极尾盖组成；所述第一绝缘套内壁与阴极座配合，外壁与引弧外壳配合。本装置在线圈磁场的作用下二次激发电弧等离子体射流，提高反应活性粒子的激发效率，对于硅基材料的加工速率有很大提升。

Description

一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器

技术领域

本发明公开了一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，属于等离子体加工设备领域。

背景技术

近年来硅基超精密零件在航空航天，天文观测等领域应用越来越广泛，需求越来越多，对于材料加工表面质量要求也越来越高，诸如纳米级的表面粗糙度，加工表面无变质层和亚表面损伤等要求。为了实现以上目标，以等离子体激发如CF₄一类的工作气体产生活性反应粒子为主导的轨迹表面加工方式，得到了国内外科研工作者的极大关注。

目前激发工作气体产生活性反应粒子的方式主要依靠射频感应耦合等离子体发生器。此种方式能够实现激发工作气体产生活性反应粒子，依靠活性反应粒子与硅基材料之间发生化学反应生成气相产物，可避免加工表面出现表面变质层和亚表面损伤，但在感应线圈区域内，洛仑兹力会诱导产生强回旋涡流,导致加工过程中装置射流口等离子体射流的形态并不稳定，不能得到恒定的束斑直径，加工表面质量并不能达到理想目标；且感应线圈区域内存在电流的趋肤效应，高温区偏离石英玻璃管轴线，能量并未充分耦合至等离子体射流中，导致加工效率不高。

发明内容

为了解决上述问题，提高加工效率，提升硅基材料的加工表面质量，本发明公开了一种用于硅基材料刻蚀加工的混合式等离子体发生器，可长时间产生性能优异且能够保持恒定束斑直径的等离子体射流，因而可以得到理想目标要求下硅基材料的表面质量。

本发明的技术方案如下所述。

一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，主要由直流等离子体发生器和射频感应耦合等离子体发生器两部分组成，其特征在于：所述的直流等离子体发生器主要由阴极部分、引弧外壳、第一阳极体、阳极外壳、第二阳极部分、第一绝缘套、第二绝缘套组成；所述射频感应耦合等离子体发生器主要由石英玻璃管，感应线圈组成。所述的阴极部分主要由阴极座和阴极头组成；所述的第一阳极体上端面与引弧外壳连接，下端面与第二绝缘套连接；所述阳极外壳上部端面接有第二阳极体接线柱，所述第二阳极部分由阳极头和阳极尾盖组成；所述第一绝缘套内壁与阴极座配合，外壁与引弧外壳配合；第二绝缘套由薄壁段和射流接触段两部分组成。

所述阴极座主要由阴极套、阴极体、阴极接线柱组成；所述阴极套上端面有一冷却水入口；所述阴极体外圆柱面与阴极套内壁配合；所述阴极接线柱与直流电源阴极相接。

所述阴极头采用耐高温材料钨或其合金加工，由一柱面和与之相切的圆弧面构成，是电弧阴极的附着点。

所述引弧外壳上部圆柱面设有第一阳极接线座，中部外圆柱面设有第一环形分气室，内圆柱面设有8～10与第一环形分气室连通的发生气进气孔，其中发生气为Ar，所述工作气出气孔轴线与内圆柱面法线夹角为30°～50°。

所述第一阳极体采用紫铜材料，主要用于隔离工作气体和阴极部分，避免工作气体激发后产生的反应活性粒子腐蚀阴极部分。

所述阳极外壳上部端面与第二阳极接线柱连通，上部外圆柱面设有一发生气进气口；中部外圆柱面设有一冷却水出口和一保护气入口，阳极外壳内壁设有螺纹，用于与阳极头连接。

所述阳极尾盖外圆柱面设有一保护气进气口，下部端面设有一孔道与保护气进气口连通，其中保护气为Ar。

所述阳极头外圆柱面设有螺纹，用于与上述阳极外壳螺纹连接；上部端面设有第三环形分气室，用于和上述阳极尾盖中的孔道连通，阳极头下部端面设有一石英玻璃管安装腔，石英玻璃管安装腔的小圆柱面上设有旋气槽，用于使冷却气形成涡流保护石英玻璃管；石英玻璃管安装腔的外圆柱面上设有第一密封槽和第二密封槽；阳极头下部端面设有三个均布的沉头螺钉孔，用于和上述阳极尾盖固定。

所述第一绝缘套和第二绝缘套均采用聚四氟材料制成，所述第二绝缘套由薄壁段和旋气段两部分组成，薄壁段外圆柱设有一与上述阳极座中发生气进气口和上述引弧外壳中第一环形分气室连通的孔道；旋气段外圆柱面设有第二环形分气室，内圆柱面设有6～8个与第二环形分气室连通的工作气出气孔，其中工作气为CF₄和O₂的混合气体，所述工作气出气孔轴线与内圆柱面法线夹角为30°～50°。

本发明所述的一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器具有下述优点。

1.产生稳定的等离子体射流。由于采用直流等离子体发生器和射频感应耦合等离子体发生器组合的方式，由第一射流口喷出的电弧等离子体射流形成的高速和高温通道可以避免在感应线圈区域内因洛仑兹力会诱导产生强回旋涡流,使第二射流口喷出的等离子体射流能长时间保持性能优异且形态稳定的等离子体射流。

2.优化点火过程。本装置采用直流等离子体发生器和射频电感耦合等离子体发生器两部分组合的方式，等离子体的点火依靠阴极部分与阳极部分产生的电火花，克服传统射频感应耦合等离子体发生器点火过程易损伤石英玻璃管的问题。

3.加工效率变高。本装置中，电弧等离子体射流由沿轴线对称的高速和高温通道进入感应线圈区域中进行二次电离，可释放出更高的能量，使工作气中活性反应粒子产生率变高，第二射流口中单位体积的活性反应粒子数量增加，提高硅基材料去除率，使加工效率变高。

4.加工表面表面质量变高。本装置中，采用直流等离子体炬和射频感应耦合炬组合的方式，产生的等离子射流的稳定性高，不受保护气体质量流速和涡流速度参数的影响，因此在参数设定好的情况下，在加工硅基材料表面时可以长时间保持恒定束斑直径的等离子体射流，即加工过程中可以得到恒定的去除函数，实现对材料表面的确定性加工，因而提高加工表面质量。

5. 推动等离子体抛光材料表面的应用。本装置极大的提高了等离子体射流的稳定性，使得抛光材料表面时得到恒定的去除函数成为可能，这将必然推动等离子体抛光技术在加工超精密表面等领域得到进一步的运用。

附图说明

图1混合式等离子体发生器结构示意图。

图2混合式等离子体发生器阳极头端面正视图。

图3 混合式等离子体发生器A-A剖面图。

图4 混合式等离子体发生器B-B剖面图。

其中：10--直流等离子体发生器，20--射频感应耦合等离子体发生器，10a--初始电弧，10b--工作电弧，10E--第一射流口，20E--第二射流口，101--阴极接线柱，102--冷却水入口，103--阴极体，104--第一绝缘套，105--引弧外壳，106--第一阳极体，107--保护气进气口，108--第一密封槽，109--第二密封槽，110--石英玻璃管，111--感应线圈，112--第三环形分气室，113--冷却水出口，114--阳极外壳，115--阳极尾盖，116--第二绝缘套，117--第二阳极接线柱，118--阴极头，119--阴极座，120--第一阳极接线柱，200--阳极头，201--旋气槽，202--石英玻璃管安装室，203--沉头螺钉孔，301--发生气进气孔，302--发生气进气道，303--第一环形分气室，304--发生气出气孔，401--工作气进气口，402--第二环形分气室，403--工作气出气孔。

具体实施方式

为了更好的解释说明本发明，现结合附图对本发明的具体实现方式进行详细说明。

本发明公开的一种用于硅基材料刻蚀加工的混合式等离子体发生器由直流等离子体发生器（10）和射频感应耦合等离子体发生器（20）两部分组成。其中直流等离子体发生器主要由阴极部分、引弧外壳、第一阳极体、阳极外壳、第二阳极部分、第一绝缘套、第二绝缘套组成；射频感应耦合等离子体发生器主要由石英玻璃管，感应线圈组成。阴极部分由阴极头（118）与阴极座装配而成，冷却水从冷却水入口（102）进入，流经内部冷却水通道，由冷却水出口（113）流出；第一绝缘套（104）的内壁与阴极套（119）外圆柱面配合，第一绝缘套（104）外圆柱面与引弧外壳（105）配合，实现阴极部分与引弧外壳（105）绝缘；引弧外壳（105）上部圆柱面设有第一阳极接线座（120），中部外圆柱面设有第一环形分气室（303），内圆柱面设有八个与第一环形分气室（303）连通的发生气出气孔（304），其中发生气出气孔（304）轴线与引弧外壳内圆柱面法线夹角为30°～50°，使发生气进入放电腔内部易于形成涡流，能够与电弧充分接触，易于形成等离子体，引弧外壳（105）与第一阳极（106）接触，实现直流电源阳极与第一阳极体（107）的导通；阳极外壳（114）上部端面与第二阳极接线柱（117）连通，上部外圆柱面设有一发生气进气口（301）；中部外圆柱面设有一冷却水出口（113）和一保护气入口（401），阳极外壳内壁设有螺纹，用于与阳极头连接。第二阳极部分由阳极尾盖（115）和阳极头（200）组成，其中阳极尾盖（115）外圆柱面设有一保护气进气口（107），下部端面设有一孔道与保护气进气口（107）连通，其中保护气为Ar；阳极头（200）外圆柱面设有螺纹，用于与上述阳极外壳（114）内壁螺纹连接，上部端面设有第三环形分气室（402），用于和上述阳极尾盖（115）中的孔道连通，阳极头（200）下部端面设有一石英玻璃管安装腔（202），石英玻璃管安装腔的小圆柱面上设有旋气槽（201），用于使冷却气形成涡流保护石英玻璃管（110），石英玻璃管安装腔（202）的外圆柱面上设有第一密封槽（108）和第二密封槽（109），用于放置O形圈；第二绝缘套（116）由薄壁段和旋气段两部分组成，薄壁段内外圆柱面分别与引弧外壳（105）和阳极尾盖（115）配合，实现引弧外壳（105）和第二阳极部分绝缘，薄壁段外圆柱面设有一与上述阳极外壳（301）中发生气进气口和上述引弧外壳（105）中第一环形分气室（303）连通的发生气进气道（302），旋气段外圆柱面设有第二环形分气室（402），内壁设有六个与第二环形分气室连通的工作气出气孔，所述工作气出气口轴线与内圆柱面法线为夹角为30°～50°，使工作气进入放电腔内部易于形成涡流，提高反应活性粒子的生成率；石英玻璃管（111）安装在上述石英玻璃管安装腔（202）内，依靠第一密封槽（108）和第二密封槽（109）中的O形圈实现固定。

混合式等离子体发生器工作时,首先在阴极部分与第一阳极体（106）之间施加高频高压，阴极头（118）与第一阳极体（106）产生初始电弧（10a）后，断开阴极部分与第一阳极体（107）之间的高频高压，在阴极头（118）与第二阳极部分之间施加高频高压，将上述初始电弧(10a)拉长至阳极尾盖（115）的旋气段，产生工作电弧（10b）,第一阳极体的作用是隔离工作气体和阴极部分，避免工作气体激发后产生的反应活性粒子腐蚀阴极部分，其中工作气为CF₄和O₂的混合气体，发生气为Ar气；工作气体中的CF₄通过与等离子射流中的高速电子发生碰撞，激发产生反应活性粒子，在高速高温的电弧等离子射流推动下进入感应线圈（111）的作用区域；直流等离子体发生器（10）形成的电弧等离子体通过第一射流口（10E）进入石英玻璃管（112）中，在一端接RF电源另一端接地的感应线圈（113）的电磁感应作用下，电弧等离子体进行二次电离，进一步释放出能量，等离子射流的热流密度加大；工作气体中未激发的CF₄与二次电离的电弧等离子射流发生碰撞，进一步产生用于刻蚀硅基材料的反应活性粒子。因而本发生器和常见用于硅基材料加工的射频感应耦合等离子体发生器相比具有更高的加工效率。由于高速电弧等离子体射流的推动作用，抵消了反应活性粒子在感应线圈（113）区域内受到的洛仑兹力，避免产生再循环涡流，保证第二射流口（20E）的等离子体射流形态稳定。因此，采用本发明公开一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器对材料表面进行抛光处理时，可以在设定参数不变的条件下长时间保持恒定束斑直径的等离子体射流，即加工过程中可以得到恒定的去除函数直径，实现对材料表面的确定性加工，因而提高加工表面质量。

最后需要说明，以上实施案例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，本领域技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者是等同替换，而脱离本发明的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims

1.一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，主要由直流等离子体发生器和射频感应耦合等离子体发生器两部分组成，其特征在于：所述的直流等离子体发生器主要由阴极部分、引弧外壳、第一阳极体、阳极外壳、第二阳极部分、第一绝缘套、第二绝缘套组成；所述射频感应耦合等离子体发生器主要由石英玻璃管、感应线圈组成；

所述的阴极部分主要由阴极座和阴极头组成；所述的第一阳极体上端面与引弧外壳连接，下端面与第二绝缘套连接；所述阳极外壳上部端面接有第二阳极体接线柱，所述第二阳极部分由阳极头和阳极尾盖组成；所述第一绝缘套内壁与阴极座配合，外壁与引弧外壳配合；第二绝缘套由薄壁段和射流接触段两部分组成；

所述的第一阳极体上端面与引弧外壳配合，下端面与第二绝缘套的旋气段上端面配合，作用是隔离工作气体和阴极部分，避免工作气体激发产生的反应活性粒子腐蚀阴极部分；

所述阳极头外圆柱面设有螺纹，用于与上述阳极外壳内壁螺纹连接；上部端面设有第三环形分气室，用于和阳极尾盖中的孔道连通，阳极头下部端面设有一石英玻璃管安装腔，石英玻璃管安装腔的内圆柱面上设有旋气槽，用于使冷却气在石英玻璃管内壁形成涡流，避免因高温而熔化；

所述引弧外壳上部圆柱面设有第一阳极接线座，中部外圆柱面设有第一环形分气室，内圆柱面设有8～10个与第一环形分气室连通的直径为Φ2～3mm发生气进气孔，其中工作气出气孔轴线与内圆柱面法线为30～50°；

所述第二绝缘套旋气段外圆柱面设有第二环形分气室，内圆柱面设有6～8个与第二环形分气室连通的直径为Φ2～3mm的工作气出气孔，其中工作气出气孔轴线与内圆柱面法线为30～50°。

2.根据权利要求1所述的一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，其特征在于：工作时，由直流电源在阴极部分与第一阳极体之间施加高频高压，阴极头与第一阳极体产生初始电弧后，断开阴极部分与第一阳极体之间的高频高压，在阴极头与第二阳极部分之间施加高频高压，上述初始电弧被拉长至阳极尾盖的旋气段，转变为工作电弧；引入第一阳极体的作用是隔离工作气体和阴极部分，避免工作气体激发后产生的反应活性粒子腐蚀阴极部分，其中工作气为CF₄和O₂的混合气体，发生气为Ar气；工作气体中的CF₄通过与等离子射流中的高速电子发生碰撞，激发产生反应活性粒子，在高速高温的电弧等离子射流推动下进入感应线圈的作用区域；直流等离子体发生器形成的电弧等离子体通过第一射流口进入石英玻璃管中，在一端接RF电源另一端接地的感应线圈的电磁感应作用下，电弧等离子体进行二次电离，工作气体中未完全激发的CF₄与二次电离的高能电弧等离子射流发生碰撞，进一步产生用于刻蚀硅基材料的反应活性粒子。

3.根据权利要求1所述的一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，其特征在于：第一绝缘套内壁与阴极座配合，外壁与引弧外壳配合，实现阴极部分与引弧外壳绝缘。

4.根据权利要求1所述的一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，其特征在于：所述阳极尾盖外圆柱面设有一保护气进气口，下部端面设有一孔道与保护气进气口连通。

5.根据权利要求1所述的一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，其特征在于：所述第二绝缘套薄壁段外圆柱设有一与上述阳极外壳中发生气进气口和引弧外壳中第一环形分气室连通的孔道。