CN1864921A - 用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬 - Google Patents

Abstract

用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，它涉及一种等离子体抛光设备。本发明的目的是为解决常规的机械式研抛方法在碳化硅等硬脆性难加工材料的超光滑表面加工中存在的效率低、容易产生表层及亚表层损伤和现有的平行板式等离子体抛光方法中存在的加工痕迹难以消除，以及感应耦合式等离子体炬存在的内炬管易腐蚀，成本高，系统的维护性不好等问题。本发明阴极(6)的外壁与外套(9)的内壁之间形成水冷环形空间(13)，阳极水冷导管(1)设置在阳极(5)的内腔(16)内。本发明不需要真空室，本发明加工效率约是传统抛光方法的10倍。不会像真空等离子体那样对超光滑表面造成表面损伤、亚表层损伤和表面污染，实现了光学零件的高效率高质量加工。

Description

用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬

技术领域

本发明涉及一种常压等离子体抛光设备。

背景技术

现代短波光学、强光光学、电子学及薄膜科学的发展对表面的要求非常苛刻，其明显特性是表面粗糙度小于1nm Ra。这类表面用作光学元件时，为获得最高反射率，特别强调表面低散射特性或极低粗糙度值；用作功能元件时，因多为晶体材料，相对于表面粗糙度而言，更注重表面的晶格完整性。我们统称这两类表面为超光滑表面(ultra smooth surface)。超光滑光学零件加工多采用金刚石超精密切削加工或各种传统的磨削、抛光加工。超精密金刚石切削本身可以达到极高的加工精度，但是不适合于加工碳化硅、光学玻璃等硬脆性材料，同时，金刚石超精密机床设计复杂，价格昂贵，对材料、测量、控制、环境等方面的要求都非常苛刻，这都限制了它的广泛使用。目前，光学零件加工中最常用的加工方法是在精密磨削的基础上进行传统的抛光加工，如浴法抛光、浮法抛光等。此类加工方法固然可以得到极高的表面粗糙度，但其材料去除率太低，即加工效率过低。而且，抛光加工不适合非球曲面零件的加工，很难对零件的表面形状误差进行修正。特别是当光学零件采用碳化硅等极难加工材料时，由于碳化硅材料的高硬度，在对其进行抛光时，抛光压力至少是抛光玻璃陶瓷时的4倍，这在加工非常薄的轻质反射镜镜片时，可能引起灾难性的后果。此外，不管是超精密金刚石切削还是各种磨削、抛光加工，都不可避免地存在传统机械接触式加工所固有的缺陷。机械式的研抛工艺带来的另外一个问题是抛光后超光滑表面的清洗问题，表面存在的难以清洗的残留物将直接影响到后续的纳米级薄膜的成膜质量或微电子器件的线宽、集成度和可靠性。下面对已有相关技术存在的缺点进行简单的阐述：传统机械式抛光加工：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，但这种方法也存在着非常多的问题，如：加工效率过低，容易产生表层及亚表层损伤，抛光后超光滑表面的难以清洗；不适合于加工碳化硅、光学玻璃等硬脆性材料，不适合非球曲面零件的加工，很难对零件的表面形状误差进行修正等。RIE(反应离子刻蚀)：RIE可以实现超光滑表面的加工，但它的缺点包括：①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；②RIE的精密光整加工必须在真空环境中进行，为机电系统的设计、维护和操作均提出了很高的要求；③离子溅射作用的存在破坏表面的晶格结构，甚至降低表面粗糙度。PACE(等离子体辅助抛光技术)：该方法的主要不足之处在于它要求被加工工件是导体或工件厚度不大于10mm。当工件为厚度大于10mm的绝缘体时，其加工效率将低到让该方法失去正常的使用价值。而且PACE必须在真空环境中完成。离子束溅射或中性离子铣：它的主要缺点是：1、由于异种载能离子轰击，离子束溅射会破坏晶格的完整性，在亚表面产生缺陷；2、在使用中存在设备及维护费用高、被处理物体的尺度受真空室腔体限制，操作不方便和时间长等缺点。目前，世界上只有日本大阪大学和美国Lawrence Livermore国家实验室在从事常压等离子体抛光技术的研究。大阪大学是最早从事这方面研究的单位，他们开发了一种叫做化学蒸发加工(CVM)的方法，该方法采用旋转平行电极来产生等离子体。据报道，大阪大学已经可以在加工半导体用硅片时实现1.4nm的表面粗糙度，材料去除速率最高可达每分钟数百微米，与常规的研磨效率相当，而其表面缺陷密度仅为常规机械抛光和氩离子溅射加工方法的1/100。另据报道，采用此种技术加工90mm直径的光学反射镜，面型精度达到了3nm(PV)，约相当于20个原子的高度。但是，他们采用的加工方法存在的不足是：由于等离子体是在旋转电极和工件之间产生，它会受很多因素如RF功率、气体流速等的影响，很难实现等离子体区的建模和控制，从而使得加工痕迹的可重复性控制和预测变得非常困难，很难保证加工精度。美国Lawrence Livermore实验室近年来对常压等离子体抛光技术也表现出了极大的兴趣，他们开发了叫做反应原子等离子体抛光(RAP)的方法，采用商品化的电感耦合等离子体炬来产生稳定的等离子体，很好地解决了大阪大学遇到的加工重复性问题，使活性原子常压等离子体抛光精度的预测成为可能。但是，该等离子体炬存在着内炬管易腐蚀的问题，成本高，系统的维护性不好。因此，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、高效的、超精密光学零件加工设备，以满足对大型或大批量超精密光学零件的需求。

发明内容

本发明的目的是为解决常规的机械式研抛方法在碳化硅等硬脆性难加工材料的超光滑表面加工中存在的效率低、容易产生表层及亚表层损伤、表面清洗困难以及针对其在大型轻质反射镜加工中存在的问题以及等离子体炬存在着内炬管易腐蚀，成本高，系统的维护性不好的问题，提供一种用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬。本发明具有抛光效率高、常压等离子体密度高、适用范围大、无需真空室、成本低的特点。本发明由阳极水冷导管1、进气接头3、阴极水冷接头一4、阳极5、阴极6、阴极水冷接头二8、外套9、陶瓷螺母10、连接体11和密封座12组成，阴极6与外套9固定连接，阴极6的外壁与外套9的内壁之间形成水冷环形空间13，阴极水冷接头一4固定在外套9一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，阴极水冷接头二8固定在外套9另一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，陶瓷螺母10的右端与阴极6的左端固定连接，连接体11的右端与陶瓷螺母10的左端固定连接，阳极5的左端通过螺纹及阳极5中间的台肩固定在连接体11和陶瓷螺母10内，阳极5的右端设置在阴极6内，阳极5的外壁与阴极6的内壁之间形成工作腔15，阴极6的右端设有出口7，进气接头3固定在陶瓷螺母10的外壁上并与陶瓷螺母10内的进气通道14相连通，陶瓷螺母10内的进气通道14与阳极5和阴极6之间的工作腔15相连通，阳极水冷导管1设置在阳极5的内腔16内，密封座12固定在阳极5的左端口内，阳极水冷导管1的左端固定在密封座12的中心处并与外界相通，连接体11内设有冷却水通道2，冷却水通道2的里端与阳极5的内腔16相连通，冷却水通道2的外端与外界相通。本发明的另外一种结构的用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬由阳极水冷导管1、进气接头3、阴极水冷接头一4、阳极5、阴极6、阴极水冷接头二8、外套9、陶瓷螺母10、连接体11、密封座12和端盖20组成，阴极6与外套9固定连接，阴极6的外壁与外套9的内壁之间形成水冷环形空间13，阴极水冷接头一4固定在外套9一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，阴极水冷接头二8固定在外套9另一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，陶瓷螺母10的右端与阴极6的左端固定连接，连接体11的右端与陶瓷螺母10的左端固定连接，阳极5的左端通过螺纹及阳极5中间的台肩固定在连接体11和陶瓷螺母10内，阳极5的右端设置在阴极6内，阳极5的外壁与阴极6的内壁之间形成工作腔15，进气接头3固定在陶瓷螺母10的外壁上并与陶瓷螺母10内的进气通道14相连通，陶瓷螺母10内的进气通道14与阳极5和阴极6之间的工作腔15相连通，阳极水冷导管1设置在阳极5的内腔16内，密封座12固定在阳极5的左端口内，阳极水冷导管1的左端固定在密封座12的中心处并与外界相通，连接体11内设有冷却水通道2，冷却水通道2的里端与阳极5的内腔16相连通，冷却水通道2的外端与外界相通，端盖20与外套9的右端螺纹连接，端盖20的中部开有出口27。本发明与现有真空气体放电抛光技术相比，有以下主要优势：一、能够在一个大气压下产生大面积均匀的低温等离子体，不需要真空室，可大大降低设备成本并扩大其使用范围；二、常压等离子体具有很高的等离子体密度，其电子密度最高能够达到1×10¹⁴～1×10¹⁵cm^-3之间，比真空等离子体要高4-6个数量级。常规条件下，等离子体中活性粒子密度比等离子体密度高1到2个数量级，因此采用常压等离子体可以保证很高的化学反应速度，加工效率约是传统抛光方法的10倍。采用常压射频冷等离子体进行抛光，由于是在大气中进行，等离子体中粒子之间的碰撞自由程很小，所以等离子体中几乎没有高能离子存在，不会像真空等离子体那样对超光滑表面造成表面损伤、亚表层损伤和表面污染，从而实现了光学零件的高效率高质量加工。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1中出口7处的放大图，图3是具体实施方式三的结构示意图，图4是具体实施方式四的结构示意图，图5是本发明第二种结构的示意图，图6是具体实施方式七的结构示意图，图7是具体实施方式八的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：(参见图1、图2)本实施方式由阳极水冷导管1、进气接头3、阴极水冷接头一4、阳极5、阴极6、阴极水冷接头二8、外套9、陶瓷螺母10、连接体11、密封座12组成，阴极6与外套9固定连接，阴极6的外壁与外套9的内壁之间形成水冷环形空间13，阴极水冷接头一4固定在外套9一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，阴极水冷接头二8固定在外套9另一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，陶瓷螺母10的右端与阴极6的左端固定连接，连接体11的右端与陶瓷螺母10的左端固定连接，阳极5的左端通过螺纹及阳极5中间的台肩固定在连接体11和陶瓷螺母10内，阳极5的右端设置在阴极6内，阳极5的外壁与阴极6的内壁之间形成工作腔15，阴极6的右端设有出口7，进气接头3固定在陶瓷螺母10的外壁上并与陶瓷螺母10内的进气通道14相连通，陶瓷螺母10内的进气通道14与阳极5和阴极6之间的工作腔15相连通，阳极水冷导管1设置在阳极5的内腔16内，密封座12固定在阳极5的左端口内，阳极水冷导管1的左端固定在密封座12的中心处并与外界相通，连接体11内设有冷却水通道2，冷却水通道2的里端与阳极5的内腔16相连通，冷却水通道2的外端与外界相通。阴极6和阳极5的基体材料均为铝，在阳极5的外表面上氧化有一层Al2O3薄膜。

具体实施方式二：(参见图1、图2)本实施方式阴极6的出口7为内口大外口小的圆锥台形17，阳极5的右端与阴极6的出口7的圆锥台形17相对应。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：(参见图3)本实施方式阴极6的出口7为直口形18，阳极5的右端与阴极6的出口7的直口形18相对应。其它组成和连接关系与

具体实施方式一相同。

具体实施方式四：(参见图4)本实施方式阴极6的出口7为外口大内口小的喇叭形19，阳极5的右端与阴极6的出口7的喇叭形19相对应。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：(参见图5)本实施方式由阳极水冷导管1、进气接头3、阴极水冷接头一4、阳极5、阴极6、阴极水冷接头二8、外套9、陶瓷螺母10、连接体11、密封座12和端盖20组成，阴极6与外套9固定连接，阴极6的外壁与外套9的内壁之间形成水冷环形空间13，阴极水冷接头一4固定在外套9一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，阴极水冷接头二8固定在外套9另一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，陶瓷螺母10的右端与阴极6的左端固定连接，连接体11的右端与陶瓷螺母10的左端固定连接，阳极5的左端通过螺纹及阳极5中间的台肩固定在连接体11和陶瓷螺母10内，阳极5的右端设置在阴极6内，阳极5的外壁与阴极6的内壁之间形成工作腔15，进气接头3固定在陶瓷螺母10的外壁上并与陶瓷螺母10内的进气通道14相连通，陶瓷螺母10内的进气通道14与阳极5和阴极6之间的工作腔15相连通，阳极水冷导管1设置在阳极5的内腔16内，密封座12固定在阳极5的左端口内，阳极水冷导管1的左端固定在密封座12的中心处并与外界相通，连接体11内设有冷却水通道2，冷却水通道2的里端与阳极5的内腔16相连通，冷却水通道2的外端与外界相通，端盖20与外套9的右端螺纹连接，端盖20的中部开有出口27。阴极6和阳极5的基体材料均为铝，在阳极5的外表面上氧化有一层Al2O3薄膜。

具体实施方式六：(参见图5)本实施方式端盖20的出口27为内口大外口小的圆锥台形21，阳极5的右端与端盖20的出口27的圆锥台形21相对应。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：(参见图6)本实施方式端盖20的出口27为直口形22，阳极5的右端与端盖20的出口27的直口形22相对应。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：(参见图7)本实施方式端盖20的出口27为外口大内口小的喇叭形23，阳极5的右端与端盖20的出口27的喇叭形23相对应。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

以上具体实施方式五至具体实施方式八与具体实施方式一相比，其优点在于能够方便地更换阳极和端盖，利用气流流动带动等离子体运动，由出口27吹出，得到特定形状的等离子体焰。

工作原理：在常压下，等离子体气体(如氦气、氩气等)在射频电场的作用下被电离，形成非热平衡等离子体，在等离子体的作用下，反应气体(如CF₄、SF₆等)被离解，形成大量高活性的激发态粒子。在抛光过程中，活性粒子将被光学零件表面原子所吸附并与之反应，从而实现原子级的材料去除，同时又不会在工件表面产生表层或亚表层损伤。以采用CF₄作为反应气体，加工SiC为例，相关化学反应方程式如下：

          

利用射频放电产生的常压等离子体中的高密度高能活性激发态F^*原子，与工件表面SiC原子层发生化学反应，达到原子级的材料去除，并生成容易回收的SiF₄和CO₂气体。特点：(1)此电容耦合式射频常压等离子体炬适用于超光滑表面的等离子体抛光加工，采用了基于电容耦合原理的同轴电极炬体结构，内(阳极)外(阴极)电极均采用水冷，其中，内电极接射频电源，外电极接地。内外电极之间采用绝缘材料良好的隔离结构。这种结构的等离子体炬克服了CVM方法中的旋转电极等离子体源和RAP方法中的电感耦合玻璃管等离子体炬的缺点，等离子体形状易于控制，免维护。气体输入采用流量计精确控制，多路气体可以同时输入。(2)工作腔15为等离子体发生区域，出口为等离子体引出区域。通过优化等离子体炬的结构，可以得到稳定可控的等离子体外形。采用圆锥台形、直口形或喇叭形的出口形状，利用气流流动带动等离子体运动，由出口吹出，得到特定形状的等离子体焰。(3)阳极水冷导管1和冷却水通道2为阳极水冷系统的入口和出口，冷水从阳极水冷导管1进入阳极内部的空腔16，由冷却水通道2流出，带走热量。阴极水冷接头一4和阴极水冷接头二8为阴极水冷系统的入口和出口，冷水由其中一口流入阴极外的空腔13中，带走热量，由另外一口流出。电容耦合等离子体炬采用循环水冷结构，保证了在加工过程中常压等离子体的稳定性。以上水冷装置也可以用于油冷或气体冷却。(4)阴极阳极的基体材料均为铝，在其安装定位上，采用了可加工陶瓷制作的螺母，它不但绝缘性好，而且耐高压。同时，还通过微弧氧化的方法，在阳极5的外表面形成有一层Al₂O₃薄膜，有效地抑制了电极间的拉弧现象，极大地提高了等离子体炬的整体性能。(5)采用射频电源及配套的射频匹配器。此电容耦合式常压等离子体炬的结构决定了通过射频电源放电产生非热平衡常压等离子体，从而激发出高能活性粒子为最佳方案。通过射频电源放电产生非热平衡常压等离子体(Non-thermalatmospheric pressure plasma)。针对Si，SiC等材料的加工，反应气体根据化学反应热力学的原理选择。在保证化学反应可进行的同时，反应生成物应当易于排出，不会对加工表面造成新的污染。本例中，工作气体主要包括He和少量的反应气体，如CF₄等。反应气体成份与比例，反应气体流速等参数对等离子体中活性粒子密度和能量均有较大影响，反应气体配比的微小变化都会对等离子体放电状态产生显著影响，甚至可能造成等离子体放电过程的终止，因此应精确控制。工作气体由进气接头3进入两电极间的腔体(工作腔15)。在工作状态下，通过流量控制器实现参与反应的各气体成分的精确控制。在等离子体的作用下，这些反应气体形成大量高活性的激发态粒子，并由出口吹向工件表面。在抛光过程中，活性粒子将被光学零件表面原子所吸附并与之反应，反应产物随不断流动的常压等离子体排走，从而实现原子级的材料去除。

Claims (10)

1、一种用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，它由阳极水冷导管(1)、进气接头(3)、阴极水冷接头一(4)、阳极(5)、阴极(6)、阴极水冷接头二(8)、外套(9)、陶瓷螺母(10)、连接体(11)和密封座(12)组成，其特征在于阴极(6)与外套(9)固定连接，阴极(6)的外壁与外套(9)的内壁之间形成水冷环形空间(13)，阴极水冷接头一(4)固定在外套(9)一侧的外壁上并与水冷环形空间(13)相连通，阴极水冷接头二(8)固定在外套(9)另一侧的外壁上并与水冷环形空间(13)相连通，陶瓷螺母(10)的右端与阴极(6)的左端固定连接，连接体(11)的右端与陶瓷螺母(10)的左端固定连接，阳极(5)的左端通过螺纹及阳极(5)中间的台肩固定在连接体(11)和陶瓷螺母(10)内，阳极(5)的右端设置在阴极(6)内，阳极(5)的外壁与阴极(6)的内壁之间形成工作腔(15)，阴极(6)的右端设有出口(7)，进气接头(3)固定在陶瓷螺母(10)的外壁上并与陶瓷螺母(10)内的进气通道(14)相连通，陶瓷螺母(10)内的进气通道(14)与阳极(5)和阴极(6)之间的工作腔(15)相连通，阳极水冷导管(1)设置在阳极(5)的内腔(16)内，密封座(12)固定在阳极(5)的左端口内，阳极水冷导管(1)的左端固定在密封座(12)的中心处并与外界相通，连接体(11)内设有冷却水通道(2)，冷却水通道(2)的里端与阳极(5)的内腔(16)相连通，冷却水通道(2)的外端与外界相通。

2、根据权利要求1所述的用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，其特征在于阴极(6)的出口(7)为内口大外口小的圆锥台形(17)，阳极(5)的右端与阴极(6)的出口(7)的圆锥台形(17)相对应。

3、根据权利要求1所述的用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，其特征在于阴极(6)的出口(7)为直口形(18)，阳极(5)的右端与阴极(6)的出口(7)的直口形(18)相对应。

4、根据权利要求1所述的用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，其特征在于阴极(6)的出口(7)为外口大内口小的喇叭形(19)，阳极(5)的右端与阴极(6)的出口(7)的喇叭形(19)相对应。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，其特征在于阴极(6)和阳极(5)的基体材料均为铝，在阳极(5)的外表面上氧化有一层Al₂O₃薄膜。

6、一种用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，它由阳极水冷导管(1)、进气接头(3)、阴极水冷接头一(4)、阳极(5)、阴极(6)、阴极水冷接头二(8)、外套(9)、陶瓷螺母(10)、连接体(11)、密封座(12)和端盖(20)组成，其特征在于阴极(6)与外套(9)固定连接，阴极(6)的外壁与外套(9)的内壁之间形成水冷环形空间(13)，阴极水冷接头一(4)固定在外套(9)一侧的外壁上并与水冷环形空间(13)相连通，阴极水冷接头二(8)固定在外套(9)另一侧的外壁上并与水冷环形空间(13)相连通，陶瓷螺母(10)的右端与阴极(6)的左端固定连接，连接体(11)的右端与陶瓷螺母(10)的左端固定连接，阳极(5)的左端通过螺纹及阳极(5)中间的台肩固定在连接体(11)和陶瓷螺母(10)内，阳极(5)的右端设置在阴极(6)内，阳极(5)的外壁与阴极(6)的内壁之间形成工作腔(15)，进气接头(3)固定在陶瓷螺母(10)的外壁上并与陶瓷螺母(10)内的进气通道(14)相连通，陶瓷螺母(10)内的进气通道(14)与阳极(5)和阴极(6)之间的工作腔(15)相连通，阳极水冷导管(1)设置在阳极(5)的内腔(16)内，密封座(12)固定在阳极(5)的左端口内，阳极水冷导管(1)的左端固定在密封座(12)的中心处并与外界相通，连接体(11)内设有冷却水通道(2)，冷却水通道(2)的里端与阳极(5)的内腔(16)相连通，冷却水通道(2)的外端与外界相通，端盖(20)与外套(9)的右端螺纹连接，端盖(20)的中部开有出口(27)。

7、根据权利要求6所述的用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，其特征在于端盖(20)的出口(27)为内口大外口小的圆锥台形(21)，阳极(5)的右端与端盖(20)的出口(7)的圆锥台形(21)相对应。

8、根据权利要求6所述的用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，其特征在于端盖(20)的出口(27)为直口形(22)，阳极(5)的右端与端盖(20)的出口(27)的直口形(22)相对应。

9、根据权利要求6所述的用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，其特征在于端盖(20)的出口(27)为外口大内口小的喇叭形(23)，阳极(5)的右端与端盖(20)的出口(27)的喇叭形(23)相对应。

10、根据权利要求6、7、8或9所述的用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，其特征在于阴极(6)和阳极(5)的基体材料均为铝，在阳极(5)的外表面上氧化有一层Al₂O₃薄膜。

Images