CN115488699A - 一种等离子体抛光工件的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子抛光的技术领域，更具体地，涉及一种等离子体抛光工件的方法及装置，等离子体抛光工件的方法包括如下步骤：将待抛光工件置入抛光真空室内的工件架上，并将抛光真空室抽真空；向真空室内通入惰性气体至真空室内气压达到设定值；对待抛光工件进行等离子体加热；完成等离子体加热后，向真空室内通入含氟气体至真空室内气压达到设定值；打开离子源，对栅网通电，使待抛光工件浸没在等离子体中进行抛光；关闭离子源，同时栅网断电，即完成对工件的抛光；通过离子源、高频电场、电磁场和栅网的有效配合，实现等离子体的有效控制，实现浸没式抛光；本发明可以实现等离子体对工件保形，实现对复杂形状表面、平整表面的抛光。

Description

一种等离子体抛光工件的方法及装置

技术领域

本发明涉及等离子抛光的技术领域，更具体地，涉及一种等离子体抛光工件的方法及装置。

背景技术

抛光是一种材料表面精细加工技术工艺，为了实现光滑的工件表面，以满足实际的工业化生产需求，常采用接触式和非接触式的抛光技术实现材料表面的去除。简单的机械抛光、数控研磨抛光多为接触式抛光技术，容易造成材料表面、亚表面损伤，并且很难实现纳米级的光滑表面，加工效率低、精度不够、质量很难控制。为了进一步提升抛光品质及抛光的精细化程度，人们又发展了非接触式抛光技术，如磁流变抛光技术、离子束抛光技术等，可以达到纳米级和亚纳米级粗糙度表面。磁流变抛光不适合加工凹面、形状复杂的表面，离子束抛光技术需要在前级抛光基础上才能实现进一步的精细加工，并且加工效率极低，对前级抛光中的表面、亚表面损伤不能有效去除，影响抛光表面的性能。

等离子体抛光是在离子束抛光的过程中引入含氟气体，利用含氟活性粒子基团与工件表面物质发生化学反应生成气相反应物，实现材料的去除。等离子体抛光过程具有各向同性刻蚀的性质，可以有效消除材料表面微裂纹、凹坑，实现表面平坦化。

现有一种等离子抛光设备，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。

上述现有的等离子体抛光设备在加工过程中会释放大量热，对硬脆材料加工时使其温度快速升高，同时也会影响抛光面的粗糙度；而且上述现有的等离子体抛光设备也仅能对真空室内的小部分区域内的工件进行抛光，难以实现对大表面积的工件进行高效的加工。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的等离子抛光方法抛光效果欠佳，且难以对大表面积的工件的进行等离子体抛光的问题，提供一种等离子体抛光工件的方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种等离子体抛光工件的方法，包括如下步骤：

S1.将待抛光工件置入抛光真空室内的转架上，并将抛光真空室抽真空至抛光真空室内的真空度达到设定值；

S2.向抛光真空室内通入惰性气体至真空室内气压达到设定值P1；

S3.转架连接负偏压，激发等离子体，对待抛光工件进行等离子体加热，加热时间为T1；

S4.完成等离子体加热后，向抛光真空室内通入含氟气体至抛光真空室内气压达到设定值P2；

S5.打开离子源，对栅网通电，栅网带正电压以弱化等离子体的方向性，使待抛光工件浸没在等离子体中T2时间；

S6.关闭离子源，同时栅网断电，待待抛光工件冷却后，即完成对待抛光工件的抛光。

本发明通过离子源和负偏压的设置实现待抛光工件的浸没抛光，步骤S2中采用惰性气体、步骤S4中采用含氟气体，实现等离子体抛光和等离子体辅助化学抛光相结合，带正电压的栅网吸引电子、可弱化等离子体的方向性，使得等离子体区域均匀地布满整个真空腔体，使得放入抛光真空室内的工件的全部表面均可被抛光，从而实现对表面积较大的工件进行加工。

进一步地，所述步骤S1中，抛光真空室内的真空度大于等于9×10^-3Pa。

进一步地，所述步骤S2中，所述惰性气体为氩气，氩气是等离子体加工领域最经济最高效的一种惰性气体。

进一步地，所述步骤S2中，P1为0.5～2Pa。

进一步地，所述步骤S3为：

打开直流脉冲偏压电源，转架与直流脉冲偏压电源电连接，对待抛光工件进行等离子体加热，负电压范围30～100V，频率80～350KHz，占空比5～40％，加热时间为T1，所述TI为30～120min。

进一步地，所述步骤S4中，含氟气体为四氟化碳、三氟化氮及六氟化硫中的两种或两种以上的混合气体；所述P2为0.5～5Pa。含氟气体的通入可实现等离子体辅助化学抛光的抛光形式。

进一步地，所述步骤S5为：

打开离子源，负偏压保持在400～1200V，频率80～350KHz，占空比5～10％；对栅网通电，正电压为50～100V；使待抛光工件浸没在等离子体中T2时间。通过控制产生等离子体的电压在1000V以下，使得等离子体能量较低，进而导致热作用较弱，控制住了等离子体抛光过程中的热量，极大地减小了抛光加工过程中因释放的热量，避免被抛光工件因等离子体产生的热量过高而导致抛光效果不佳。进一步地，所述步骤S5为：

打开离子源，负偏压保持在400～1200V，频率80～350KHz，占空比5～10％；对栅网通电，正电压为50～100V，使待抛光工件浸没在等离子体中T2时间，同时使待抛光工件以1～5rpm的转速进行旋转。

进一步地，所述T2为30～240min。

本发明还提供一种等离子体抛光装置，包括真空室、用于放置待抛光工件的转架、离子源、电磁线圈、真空泵、阳极及栅网；所述转架转动设置在真空室内；所述离子源呈条状，所述阳极与离子源以转架为对称轴对称地设置在真空室的内壁上，所述电磁线圈设置在真空室的外顶部及外底部，所述栅网围绕转架设置在真空室内，且栅网位于转架与阳极、离子源之间；所述真空泵与真空室相连通。

本发明的等离子体抛光装置，离子源呈条状，其助于实现浸没式的等离子体抛光，而不是聚焦离子束抛光；带正电压的栅网吸引电子、可弱化等离子体的方向性，使得等离子体区域均匀地布满整个真空腔体，使得放入抛光真空室内的工件的全部表面均可被抛光，从而实现对表面积较大的工件进行加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.装置通过离子源、高频电场、电磁场和栅网的有效配合，实现等离子体的有效控制，实现浸没式抛光；不同于聚焦离子束抛光形式，本发明可以实现等离子体对工件保形，实现对复杂形状表面、平整表面的抛光；

2.本发明通过将等离子体抛光与等离子体辅助化学抛光相结合，可以实现更好的、更精确的抛光效果；

3.通过控制产生等离子体的电压在1000V以下，使得等离子体能量较低，进而导致热作用较弱，控制等离子体化学抛光过程中的热量，极大地减小了抛光加工过程中因释放的热量，避免被抛光工件因等离子体产生的热量过高而导致抛光效果不佳；

4.等离子体区域布满整个真空腔体，使得放入抛光真空室内的工件的全部表面均可被抛光，能够对表面积较大的工件进行抛光。

附图说明

图1是本发明一种等离子体抛光工件的装置的实施例的整体结构示意图。

图2是本发明一种等离子体抛光工件的装置的实施例的内部结构示意图；

图3是本发明一种等离子体抛光工件的装置的实施例另一角度的内部结构示意图；

图4是实施例1抛光效果检测试验中Si片表面AFM形貌图；

图5是实施例2抛光效果检测试验中Si片表面AFM形貌图；

图6是实施例3抛光效果检测试验中Si片表面AFM形貌图；

图7是对比例1中抛光效果检测试验中Si片表面AFM形貌图；

图8是对比例2中抛光效果检测试验中Si片表面AFM形貌图；

图9是对比例3中抛光效果检测试验中石英片表面AFM形貌图。

附图中：1、抛光真空室；2、转架；3、离子源；4、电磁线圈；5、真空泵；6、阳极；7、栅网；8、电机；9、工件。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

参照图1至图3，为本发明一种等离子体抛光工件的装置的实施例1，包括抛光真空室1、用于放置待抛光工件9的转架2、离子源3、电磁线圈4、真空泵5、阳极6及栅网7。所述转架2转动设置在抛光真空室1内，抛光真空室1的外底壁上设有电机8，电机8的输出端与转架2底部焊接，启动电机8，即可使电机8驱动转架2转动。所述离子源3呈条状，所述阳极6与离子源3以转架2为对称轴对称地设置在抛光真空室1的内壁上，所述电磁线圈4设置在抛光真空室1的外顶部及外底部，所述栅网7围绕转架2设置在抛光真空室1内，且栅网7位于转架2与阳极6、离子源3之间；所述真空泵5与抛光真空室1相连通。

本实施例中等离子体抛光工件9方法为：

S1.将工件9装夹在转架2上，然后利用真空泵5将抛光真空室1抽真空，抛光真空室1内的真空度为5×10^-4Pa；

S2.向抛光真空室1内通入氩气至抛光真空室1内气压达到1Pa；

S3.打开直流脉冲偏压电源对待抛光工件9进行等离子体加热，负电压为80V，频率300KHz，占空比20％，加热时间为80min；

S4.完成等离子体加热后，向真空室内通入四氟化碳、三氟化氮及六氟化硫的混合气体至真空室内气压达到3Pa；

S5.打开离子源3，负偏压保持在800V，频率300KHz，占空比8％；对栅网7通电，正电压为80V；使待抛光工件9浸没在等离子体中180min，同时使转架2以3rpm的转速进行旋转；

S6.关闭离子源3，同时栅网7断电，待工件9冷却至25℃，即完成对工件9的抛光。

本实施例抛光效果检测试验中Si片表面AFM形貌图如图4所示。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于等离子体抛光工件9的方法，具体包括如下步骤：

S1.将工件9放置在转架2上，然后利用真空泵5将抛光真空室1抽真空，抛光真空室1内的真空度为9×10^-3Pa；

S2.向抛光真空室1内通入氩气至真空室内气压达到0.5Pa；

S3.打开直流脉冲偏压电源对待抛光工件9进行等离子体加热，负电压为30V，频率80KHz，占空比5％，加热时间为30min；

S4.完成等离子体加热后，向抛光真空室1内通入三氟化氮及六氟化硫的混合气体至真空室内气压达到0.5Pa；

S5.打开离子源3，负偏压保持在400V，频率80KHz，占空比5％；对栅网7通电，正电压为50V；使待抛光工件9浸没在等离子体中30min，同时使转架2以1rpm的转速进行旋转；

S6.关闭离子源3，同时栅网7断电，待工件9冷却至25℃，即完成对工件9的抛光。

本实施例抛光效果检测试验中Si片表面AFM形貌图如图5所示。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于等离子体抛光工件9的方法，具体包括如下步骤：

S1.将工件9放置在转架2上，然后利用真空泵5将抛光真空室1抽真空，抛光真空室1内的真空度为1×10^-3Pa；

S2.向抛光真空室1内通入氩气至真空室内气压达到2Pa；

S3.打开直流脉冲偏压电源对待抛光工件9进行等离子体加热，负电压为100V，频率350KHz，占空比40％，加热时间为120min；

S4.完成等离子体加热后，向抛光真空室1内通入四氟化碳及三氟化氮的混合气体至真空室内气压达到5Pa；

S5.打开离子源3，负偏压保持在1200V，频率350KHz，占空比10％；对栅网7通电，正电压为100V；使待抛光工件9浸没在等离子体中240min，同时使转架2以5rpm的转速进行旋转；

S6.关闭离子源3，同时栅网7断电，待工件9冷却至25℃，即完成对工件9的抛光。

本实施例抛光效果检测试验中Si片表面AFM形貌图如图6所示。

对比例1

本对比例与实施例1的不同之处在于等离子体抛光工件的方法，具体包括如下步骤：

S1.将工件放置在转架上，然后利用真空泵将抛光真空室抽真空，抛光真空室内的真空度为10×10^p3Pa；

S2.向真空室内通入氩气至抛光真空室内气压达到1Pa；

S3.打开直流脉冲偏压电源对待抛光工件进行等离子体加热，负电压为80V，频率300KHz，占空比30％，加热时间为80min；

S4.完成等离子体加热后，向抛光真空室内通入四氟化碳、三氟化氮及六氟化硫的混合气体至真空室内气压达到3Pa；

S5.打开离子源，负偏压保持在1200V，频率300KHz，占空比8％；对栅网通电，正电压为200V；使待抛光工件浸没在等离子体中180min，同时使转架以3rpm的转速进行旋转；

S6.关闭离子源，同时栅网断电，待工件冷却至25℃，即完成对工件的抛光。

本对比例抛光效果检测试验中Si片表面AFM形貌图如图7所示。

对比例2

本对比例与实施例1的不同之处在于等离子体抛光工件的方法，具体包括如下步骤：

S1.将工件放置在转架上，然后利用真空泵将抛光真空室抽真空，形成真空室，真空室内的真空度为10×10^-3Pa；

S2.向真空室内通入氩气至真空室内气压达到1Pa；

S3.打开直流脉冲偏压电源对待抛光工件进行等离子体加热，负电压为200V，频率300KHz，占空比30％，加热时间为80min；

S4.完成等离子体加热后，向真空室内通入四氟化碳、三氟化氮及六氟化硫的混合气体至真空室内气压达到3Pa；

S5.打开离子源，负偏压保持在800V，频率300KHz，占空比8％；对栅网通电，正电压为80V；使待抛光工件浸没在等离子体中180min，同时使转架以3rpm的转速进行旋转；

S6.关闭离子源，同时栅网断电，待工件冷却至25℃，即完成对工件的抛光。

本对比例抛光效果检测试验中Si片表面AFM形貌图如图8所示。

对比例3

本对比例采用核工业西南物理研究院研制的大型射频离子源抛光刻蚀工艺调试平台，该设备平台包括线性离子源、控制系统、工作台及真空抽气系统，其通过高频(13.56MHz)的电流线圈产生磁场，再由交变的磁场感应产生电场，从而产生低气压、高密度、有一定能量的等离子体，然后撞击到工件表面上，实现表面抛光，本对比例抛光效果检测试验中Si片表面AFM形貌图如图9所示。

抛光效果检测试验

准备五十块待抛光的Si片，分为五组，每组十块。第一组至第三组分别采用实施例1至实施例3的等离子体抛光装置及方法进行抛光试验，第四组至第五组分别采用对比例1至对比例2的装置及方法进行抛光试验，抛光完成后，检测所有Si片的平均表面粗糙度，然后记录每组所有Si片的表面粗糙度，并计算平均值，试验数据如表1所示，试验结果参照图4至图8。第六组是对比例3对石英片的抛光结果，试验结果参照图9。

表1

从上表可以看出，利用本发明的方法及装置所抛光的工件相对于现有的射频离子源抛光刻蚀工艺调试平台所抛光的工件，其表面粗糙度显著降低，尤其采取实施例2中的方法所抛光的工件，相对现有技术抛光的工件，表面粗糙度降低了5倍，可以看出本发明的等离子体抛光工件的方法及装置具有显著的优势。

同时，上表中第一组、第二组及第三组的工件的表面粗糙度明显低于第四组、第五组的工件的表面粗糙度，可以看出本发明的方法采用较低的电压即能够达到较好的抛光效果，由于电压较低，因此等离子体能量较低，进而导致热作用较弱，控制住了等离子体抛光过程中的热量，极大地减小了抛光加工过程中因释放的热量，避免被抛光工件因等离子体产生的热量过高而导致抛光效果不佳。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体抛光工件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将待抛光工件(9)置入抛光真空室(1)内的转架(2)上，并将抛光真空室(1)抽真空至抛光真空室(1)内的真空度达到设定值；

S2.向抛光真空室(1)内通入惰性气体至真空室内气压达到设定值P1；

S3.转架(2)连接负偏压，激发等离子体，对待抛光工件(9)进行等离子体加热，加热时间为T1；

S4.完成等离子体加热后，向抛光真空室(1)内通入含氟气体至抛光真空室(1)内气压达到设定值P2；

S5.打开离子源(3)，对栅网(7)通电，栅网带正电压以弱化等离子体的方向性，使待抛光工件(9)浸没在等离子体中T2时间；

S6.关闭离子源(3)，同时栅网(7)断电，待待抛光工件(9)冷却后，即完成对待抛光工件(9)的抛光。

2.根据权利要求1所述的等离子体抛光工件的方法，其特征在于，所述步骤S1中，抛光真空室(1)内的真空度大于等于9×10^-3Pa。

3.根据权利要求1所述的等离子体抛光工件的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述惰性气体为氩气。

4.根据权利要求1所述的等离子体抛光工件的方法，其特征在于，所述步骤S2中，P1为0.5～2Pa。

5.根据权利要求1所述的等离子体抛光工件的方法，其特征在于，所述步骤S3为：

打开直流脉冲偏压电源，转架(2)与直流脉冲偏压电源电连接，对待抛光工件(9)进行等离子体加热，负电压范围30～100V，频率80～350KHz，占空比5～40％，加热时间为T1，所述TI为30～120min。

6.根据权利要求1所述的等离子体抛光工件的方法，其特征在于，所述步骤S4中，含氟气体为四氟化碳、三氟化氮及六氟化硫中的两种或两种以上的混合气体；所述P2为0.5～5Pa。

7.根据权利要求1所述的等离子体抛光工件的方法，其特征在于，所述步骤S5为：

打开离子源(3)，负偏压保持在400～1200V，频率80～350KHz，占空比5～10％；对栅网(7)通电，正电压为50～100V；使待抛光工件(9)浸没在等离子体中T2时间。

8.根据权利要求7所述的等离子体抛光工件的方法，其特征在于，所述步骤S5为：

打开离子源(3)，负偏压保持在400～1200V，频率80～350KHz，占空比5～10％；对栅网(7)通电，正电压为50～100V，使待抛光工件(9)浸没在等离子体中T2时间，同时使待抛光工件(9)以1～5rpm的转速进行旋转。

9.根据权利要求8所述的等离子体抛光工件的方法，其特征在于，所述T2为30～240min。

10.一种应用如权利要求1-9任一项所述的等离子体抛光工件的方法的等离子抛光装置，其特征在于，包括抛光真空室(1)、用于放置待抛光工件(9)的转架(2)、离子源(3)、电磁线圈(4)、真空泵(5)、阳极(6)、栅网(7)及电机(8)；所述转架(2)转动设置在抛光真空室(1)内，所述电机(8)设于抛光真空室(1)的底部，电机(8)的输出端与转架(2)底端相连接；所述阳极(6)与离子源(3)以转架(2)为对称轴对称地设置在抛光真空室(1)的内壁上，所述电磁线圈(4)设置在抛光真空室(1)的外顶部及外底部，所述栅网(7)围绕转架(2)设置在抛光真空室(1)内，且栅网(7)位于转架(2)与阳极(6)、离子源(3)之间；所述真空泵(5)与抛光真空室(1)相连通。

Images