CN112192323A - 一种无亚表面损伤抛光设备及方法 - Google Patents

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武春风
李坤
吴丰阳
马社
泽小平
梁国斌
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    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes

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Abstract

本发明公开了一种无亚表面损伤抛光设备，包括等离子体发生装置、磁场装置、高能带电离子束缚腔体、加工抛光真空腔体，通过磁场装置产生的磁场将等离子体发生装置产生的高能带电离子束缚隔离在加工抛光真空腔体中抛光区域以外的高能带电离子束缚腔体中，等离子体发生装置产生的自由基等离子体活性基团进入加工抛光真空腔体中抛光区域，实现抛光等；本发明有效减少工艺腔体内高能带电离子的数量，大量减少高能离子对光学元件表面的轰击溅射效应，可以有效去除光学元件的亚表面损伤层，明显改善光学元件的表面质量等。

Description

一种无亚表面损伤抛光设备及方法
技术领域
本发明涉及光学加工领域，更为具体的，涉及一种无亚表面损伤抛光设备及方法。
背景技术
随着现代短波光学、强光光学、电子光学及薄膜科学等学科的发展对所需材料的表面质量要求越来越高，同时在惯性约束聚变系统、大型天文望远镜、微电子以及航空航天等诸多高科技领域，对高质量光学元件的需求量也与日俱增，这种情况就对加工制造光学元件的能力提出了更高的要求。
光学元件的亚表面损伤是潜伏在光学元件表面之下的微裂纹，断裂，形变等缺陷，它会会引起光的散射和信号的损失，并且增加激光的损伤阈值。对于高性能的光学元件，例如激光陀螺系统和激光反射镜，一般对其亚表面损伤状况有严格要求。
抛光光学元件的最初的解决办法是机械加工抛光法，其依靠抛光工件的接触应力来去除光学元件表面的材料，达到抛光的目的，但这种加工方法会对光学元件表面造成划痕、面形破坏、生成亚表面损伤层并且加工效率低下。
近些年来，伴随着研究人员对等离子物理研究的深入，等离子加工技术以其无接触加工的优势逐渐被应用于光学加工领域。以中性离子束抛光、等离子体辅助化学抛光等非接触式抛光方法为代表，这些技术可以得到较好的面形精度和表面质量，但是在产生等离子体的过程中会产生高能离子持续轰击材料表面，产生物理溅射效应，这样就会对被加工的光学元件生成新的亚表面损伤。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无亚表面损伤抛光设备及方法，有效减少工艺腔体内高能带电离子的数量，大量减少高能离子对光学元件表面的轰击溅射效应，可以有效去除光学元件的亚表面损伤层，明显改善光学元件的表面质量等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种无亚表面损伤抛光设备，包括等离子体发生装置、磁场装置、高能带电离子束缚腔体、加工抛光真空腔体，通过磁场装置产生的磁场将等离子体发生装置产生的高能带电离子束缚隔离在加工抛光真空腔体中抛光区域以外的高能带电离子束缚腔体中，等离子体发生装置产生的自由基等离子体活性基团进入加工抛光真空腔体中抛光区域。
进一步地，所述等离子体发生装置采用微波发生器作为功率源。
进一步地，所述磁场装置安装在高能带电离子束缚腔体的两侧。
进一步地，包括基片台、基片台转动装置、气路装置、气阀、工作气体瓶和真空抽气排气装置；基片台转动装置安装在加工抛光真空腔体中，且基片台转动装置与基片台连接；工作气体瓶与气阀连接，气阀与气路装置连接，气路装置与加工抛光真空腔体连接。
进一步地，所述基片台采用表面经过氧化处理的铝材料制成。
进一步地，包括筛网，筛网安装在加工抛光真空腔体中。
一种无亚表面损伤抛光方法，包括一个隔离步骤：对等离子体中高能带电离子利用磁场作用进行轨迹约束，使等离子体中高能带电离子不能进入抛光反应区域，且同时使等离子体中自由基等离子体活性基团进入抛光反应区域，实现将等离子体产生区域和抛光反应区域隔离。
进一步地，采用如上任一所述的抛光设备实施该抛光方法。
本发明的有益效果是：
1)本发明有效减少工艺腔体内高能带电离子的数量，大量减少高能离子对光学元件表面的轰击溅射效应，可以有效去除光学元件的亚表面损伤层，明显改善光学元件的表面质量。
2)本发明由于加入了磁场区域，在磁场的作用下增加了等离子体中电子的自由程，增加了电子和反应气体碰撞的几率，提高了工作气体的电离率，使得等离子体中活性自由基团的密度上升2到3个数量级。
3)本发明采用微波发生器作为功率源，以表面波方式激发等离子体。相比常规的射频等离子体源(通常为13.56MHz)，其工作频率高两个量级。相应的其激发的等离子体的密度也会比射频等离子体源(1010～14/cm2)高很多，可以达到1016数量级，使输出的自由基等离子体活性基团具有很高浓度，所以抛光的效率很高。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明加工装置的结构示意图；
图2为本发明熔石英抛光前后表面微观图；
图中，1-等离子体发生装置，2-磁场装置，3-筛网，4-基片台，5-基片台转动装置，6-真空抽气排气装置，7-加工抛光真空腔体，8-高能离子束缚腔体，9-气路装置，10-气阀，11-工作气体瓶。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征(包括任何附加权利要求、摘要和附图)，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
如图1，2所示，一种无亚表面损伤抛光设备，包括等离子体发生装置1、磁场装置2、高能带电离子束缚腔体8、加工抛光真空腔体7，通过磁场装置2产生的磁场将等离子体发生装置1产生的高能带电离子束缚隔离在加工抛光真空腔体7中抛光区域以外的高能带电离子束缚腔体8中，等离子体发生装置1产生的自由基等离子体活性基团进入加工抛光真空腔体7中抛光区域。
进一步地，所述等离子体发生装置1采用微波发生器作为功率源。
进一步地，所述磁场装置2安装在高能带电离子束缚腔体8的两侧。
进一步地，包括基片台4、基片台转动装置5、气路装置9、气阀10、工作气体瓶11和真空抽气排气装置6；基片台转动装置5安装在加工抛光真空腔体7中，且基片台转动装置5与基片台4连接；工作气体瓶11与气阀10连接，气阀10与气路装置9连接，气路装置9与加工抛光真空腔体7连接。
进一步地，所述基片台4采用表面经过氧化处理的铝材料制成。
进一步地，包括筛网3，筛网3安装在加工抛光真空腔体7中。
一种无亚表面损伤抛光方法，包括一个隔离步骤：对等离子体中高能带电离子利用磁场作用进行轨迹约束，使等离子体中高能带电离子不能进入抛光反应区域，且同时使等离子体中自由基等离子体活性基团进入抛光反应区域，实现将等离子体产生区域和抛光反应区域隔离。
进一步地，采用如上任一所述的抛光设备实施该抛光方法。
在真空的状态下(一般0Pa～500Pa之间)，将工作气体(四氟化碳、六氟化硫、氧气、氩气)通入到微波等离子体源内部，在微波电场的激发下将工作气体电离成为等离子体，在气压的作用下使等离子体流向抛光腔体，其中在微波等离子体产生腔室和抛光真空腔室之间设置有磁场区域，磁场会将等离子体中的高能带电离子束缚在抛光区域之外的区域，所以进入到工艺腔体内的只有活性自由基团，活性自由基团与光学元件表面发生化学去除反应，达到抛光的效果。
实施例1
熔石英的亚表面损伤层抛光实验：
步骤1：对待测的熔石英样片进行超声波清洗，使用10％HF酸溶液对熔石英表面浸入处理10min，使其亚表面损伤层暴露出来，用显微镜观察其亚表面损伤的情况；
步骤2：打开抛光腔体真空盖，将熔石英放置在抛光基台上，盖上真空盖，使用抽气系统将抛光室的真空度降低至10-3Pa；
步骤3：充入工作气体，四氟化碳500sccm，氧气100sccm，利用稳压系统将真空度稳定在50Pa，打开微波等离子体源，将微波功率调至2000W，开始辉光放电，产生等离子体，装置开始工作；
步骤4：加工40min左右，关闭装置，充气，打开真空抛光室，将熔石英取出，用显微镜观察抛光后的熔石英亚表面损伤层的情况。
如图2所示，对比抛光前后熔石英亚表面损伤层的情况，发现经自由基等离子体装置抛光后的熔石英亚表面损伤情况大大改善。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无亚表面损伤抛光设备，其特征在于，包括等离子体发生装置(1)、磁场装置(2)、高能带电离子束缚腔体(8)、加工抛光真空腔体(7)，通过磁场装置(2)产生的磁场将等离子体发生装置(1)产生的高能带电离子束缚隔离在加工抛光真空腔体(7)中抛光区域以外的高能带电离子束缚腔体(8)中，等离子体发生装置(1)产生的自由基等离子体活性基团进入加工抛光真空腔体(7)中抛光区域。
2.根据权利要求1所述的无亚表面损伤抛光设备，其特征在于，所述等离子体发生装置(1)采用微波发生器作为功率源。
3.根据权利要求1所述的无亚表面损伤抛光设备，其特征在于，所述磁场装置(2)安装在高能带电离子束缚腔体(8)的两侧。
4.根据权利要求1～3任一所述的无亚表面损伤抛光设备，其特征在于，包括基片台(4)、基片台转动装置(5)、气路装置(9)、气阀(10)、工作气体瓶(11)和真空抽气排气装置(6)；基片台转动装置(5)安装在加工抛光真空腔体(7)中，且基片台转动装置(5)与基片台(4)连接；工作气体瓶(11)与气阀(10)连接，气阀(10)与气路装置(9)连接，气路装置(9)与加工抛光真空腔体(7)连接。
5.根据权利要求4所述的无亚表面损伤抛光设备，其特征在于，所述基片台(4)采用表面经过氧化处理的铝材料制成。
6.根据权利要求4所述的无亚表面损伤抛光设备，其特征在于，包括筛网(3)，筛网(3)安装在加工抛光真空腔体(7)中。
7.一种无亚表面损伤抛光方法，其特征在于，包括一个隔离步骤：对等离子体中高能带电离子利用磁场作用进行轨迹约束，使等离子体中高能带电离子不能进入抛光反应区域，且同时使等离子体中自由基等离子体活性基团进入抛光反应区域，实现将等离子体产生区域和抛光反应区域隔离。
8.根据权利要求7所述的无亚表面损伤抛光方法，其特征在于，采用如上任一所述的抛光设备实施该抛光方法。
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