专利名称：常压等离子体抛光方法
技术领域：
本发明涉及一种抛光方法。
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。超光滑表面微观起伏的均方根值为几个原子的尺寸，因此实现超光滑表面加工的关键在于实现表面材料原子量级的去除。超光滑表面加工的对象为晶体、玻璃和陶瓷等硬脆性材料，一般来说，大部分硬脆材料不能通过类似金属铸造或塑性加工的方法来加工，只有采用超精密加工方法，才可以得到较好的超光滑表面。超精密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，如激光陀螺反射镜的表面粗糙度要求达到2_Rq左右，其抛光工艺耗时一般在七天以上，而且，其不适合非球曲面零件的加工，很难满足需要大量材料去除的零件表面形状误差的修正。特别是当光学零件采用碳化硅等极难加工的材料时，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四倍，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的固有的缺陷。例如，接触式机械加工都不同程度地会造成材料的表面破坏，形成微裂纹或引起材料的晶格扰动，从而影响到反射镜的表面质量，降低其表面破坏阈值。有时，即使可以得到表面粗糙度满足要求的镜面，但是仍然无法避免在表层掩盖下的亚表面损伤。所有这些都会最终影响反射镜的光学性能。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。
发明内容
本发明的目的是针对常规的机械式研抛方法在大型轻质反射镜加工中存在的不足之处，以及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、表面清洗困难等问题，提供一种常压等离子体抛光方法。本发明利用常压等离子体中的高密度高能活性粒子与材料表面的原子发生物理、化学作用，实现高效的、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，可有效克服超光滑表面加工过程中存在的上述问题，具有机械加工手段所无法比拟的优势。而且，采用常压条件下的等离子体发生技术，避免了通常的等离子体工艺装置都要求的复杂的真空系统，实现了更低成本的大气压下均匀放电，可以大大减少工业界在真空设备上的投资。本发明的装置由密闭工作舱51、第一联动系统52、等离子体炬53、工作台56、第二联动系统57、射频电源58、射频匹配器59、第一流量控制器60、反应气体瓶61、等离子体气体瓶62、气体回收处理装置63、负压泵64、第二流量控制器65、进水管68和出水管69组成，第一联动系统52与第二联动系统57一起固定在位于密闭工作舱51底部内壁上的共同的基座54上，等离子体炬53安装在第一联动系统52上，并可以在第一联动系统52上实现直线运动和回转运动，第一联动系统52主要作用为调整等离子体炬53与工件55间的距离，并保证等离子体炬53的轴线方向与工件55被加工表面的法线方向重合，工作台56安装在第二联动系统57上并可在第二联动系统57上实现直线运动和回转运动，第二联动系统57主要作用为通过直线运动和回转运动实现工件55的定位，第一联动系统52和第二联动系统57配合实现等离子体炬53与工件55间的特定的相对运动轨迹，完成对平面、球面、非球面以及更复杂曲面的抛光加工，射频电源58与射频匹配器59电连接，反应气体瓶61由管线与第二流量控制器65的入口相连通，第二流量控制器65的出口通过管线经由密闭工作舱51上的管线接口66与等离子体炬53相连接，等离子体气体瓶62由管线与第一流量控制器60的入口相连通，第一流量控制器60的出口通过管线经由密闭工作舱51上的管线接口66与等离子体炬53相连接，进水管68和出水管69分别经由密闭工作舱51上的管线接口66与等离子体炬53相连接，气体回收处理装置63的入口与负压泵64的出口相连接，负压泵64的入口通过管线与密闭工作舱51的出气口67相连接；抛光的步骤为一、打开冷却水泵，使进水管68和出水管69通水；二、预热射频电源58、第一流量控制器60和第二流量控制器65，预热时间为5～20分钟；三、打开气体回收处理装置63(负压泵64为可选配件，需要负压时可以串联并打开)；四、打开反应气体瓶61和等离子体气体瓶62，等离子体气体为He或Ar，反应气体为CF4、NF3或SF6，等离子体气体与反应气体的体积比为4∶1～1000∶1；等离子体气体的流量范围为5～25SLM升/分；五、启动射频电源58，逐步施加功率，控制反射功率为零，初始有效功率(即开始产生等离子体的功率)大约为200瓦，常用功率为400～1200瓦，功率最高可加至1500瓦；六、保持等离子体炬53的等离子体焰的稳定，实施计算机调控加工轨迹运行；七、抛光完成后，关闭射频电源58、关闭反应气体瓶61和等离子体气体瓶62、关闭气体回收处理装置63及负压泵64(如有配备)、关闭冷却水泵；八、取出抛光工件。本发明的有益效果是可在常压条件下实现超光滑表面的高效、高精度的抛光加工，同时避免了常规的机械式研抛方法中存在的表层或亚表层损伤等问题；同时，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；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，加工效率是传统抛光方法的10倍，抛光工件的表面粗糙度小于1nm Ra。
图1是本发明常压等离子体抛光方法所采用的抛光装置的整体结构示意图，图2是等离子体炬53的整体结构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一(参见图1、图2)本实施方式的装置由密闭工作舱51、第一联动系统52、等离子体炬53、工作台56、第二联动系统57、射频电源58、射频匹配器59、第一流量控制器60、反应气体瓶61、等离子体气体瓶62、气体回收处理装置63、负压泵64(可选配件)、第二流量控制器65、进水管68和出水管69组成，第一联动系统52与第二联动系统57一起固定在位于密闭工作舱51底部内壁上的共同的基座54上，等离子体炬53安装在第一联动系统52上并可在第一联动系统52上实现直线运动和回转运动，第一联动系统52主要作用为调整等离子体炬53与工件55间的距离，保证等离子体炬53的轴线方向与工件55被加工表面的法线方向重合，工作台56设置在第二联动系统57上并可在第二联动系统57上实现直线运动和回转运动，第二联动系统57主要作用为通过直线运动和回转运动实现工件55的定位，第一联动系统52和第二联动系统57配合实现等离子体炬53与工件55间的特定的相对运动轨迹，完成对平面、球面、非球面和更复杂曲面的抛光加工，射频电源58与射频匹配器59电连接，反应气体瓶61由管线与第二流量控制器65的入口相连通，第二流量控制器65的出口通过管线经由密闭工作舱51上的管线接口66与等离子体炬53相连接，等离子体气体瓶62由管线与第一流量控制器60的入口相连通，第一流量控制器60的出口通过管线经由密闭工作舱51上的管线接口66与等离子体炬53相连接，进水管68和出水管69分别经由密闭工作舱51上的管线接口66与等离子体炬53相连接，气体回收处理装置63的入口与负压泵64的出口相连接，负压泵64的入口通过管线与密闭工作舱51的出气口67相连接；抛光的步骤为一、打开冷却水泵，使进水管68和出水管69通水；二、预热射频电源58、第一流量控制器60和第二流量控制器65，预热时间为5～20分钟；三、打开气体回收处理装置63及负压泵64(如不需要负压，则不连接负压泵)；四、打开反应气体瓶61和等离子体气体瓶62，等离子体气体为He或Ar，反应气体为CF4、NF3或SF6，等离子体气体与反应气体的体积比为4∶1～1000∶1，等离子体气体的流量范围为5～25SLM升/分；五、启动射频电源58，逐步施加功率，控制反射功率为零，初始有效功率(开始产生等离子体的功率)为185瓦，常用功率为400～1200瓦，最高功率可加至1500瓦；六、保持等离子体炬53等离子体焰的稳定，计算机调控完成加工轨迹运行；七、抛光完成后，关闭射频电源58、关闭反应气体瓶61和等离子体气体瓶62、关闭气体回收处理装置63及负压泵64(如配备)、关闭冷却水泵；八、取出抛光工件。本实施方式适用于超光滑表面的等离子体抛光加工，主要部件包括一、用于置放等离子体炬53(电容耦合式常压射频等离子体源)和工件55的密闭工作舱51；二、等离子体发生系统，包括等离子体炬53，射频电源58和射频匹配器59。通过操作等离子体炬53完成对工件表面的超精密等离子体抛光加工；三、多轴联动超精密工作台体及其运动控制系统，它可实现一个或多个自由度的回转运动以及一个或多个自由度的直线运动，该工作台56工作于密闭工作舱51中。工作台56实现一个或多个自由度的直线往复运动及一个或多个自由度的旋转运动，等离子体炬53实现一个或多个自由度的直线往复运动以及一个或多个自由度的旋转运动。本联动系统的直线运动机构采用伺服电机直接拖动滚珠丝杠，并由滚珠丝杠的丝杠螺母副实现回转运动与直线运动的转换，并通过光栅尺实现位置反馈，从而构成全闭环直线运动控制系统。本联动系统的回转运动通过伺服电机拖动涡轮蜗杆副来实现，并通过光电码盘反馈角位移，从而实现全闭环角位置控制。四、反应气体供给装置，本装置负责为等离子体发生装置提供适当配方的反应气体。因此，能够精确地调整各种气体的比例，并能够保证反应气体流速的高稳定性。这是生成稳定的等离子体放电的重要前提。本部分主要包括气体钢瓶、减压阀、质量流量计。高压气体经减压阀减压后，通过质量流量计精确控制流入等离子体炬53的气体流量。五、气体回收处理装置63。根据常压、低温等离子体抛光的化学反应原理，加工产物中可能包含有毒化学气体，必须进行无害化处理。
具体实施方式
二(参见图2)本实施方式的等离子体炬53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、连接螺母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，连接螺母12固定在阳极5的左端口内，阳极水冷导管1的左端固定在连接螺母12的中心处并与外部供水管相通，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的外端与外界回水管相通。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
三本实施方式的步骤四中，等离子体气体与反应气体的体积比为5∶1～950∶1。其它方法及步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式的步骤四中，等离子体气体与反应气体的体积比为50∶1～550∶1。其它方法及步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式的步骤四中，等离子体气体与反应气体的体积比为400∶1。其它方法及步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式的步骤五中，初始有效功率为190～220瓦，常用功率为400～1200瓦。其它方法及步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七本实施方式的步骤五中，初始有效功率为195～210瓦，常用功率为400～1200瓦。其它方法及步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
八本实施方式的步骤五中，初始有效功率为200瓦，正常功率为600瓦。其它方法及步骤与具体实施方式
一相同。
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、NF3、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
SiC+4F*+2O→SiF4↑+CO2↑或采用CF4作为反应气体，加工Si的相关化学反应方程式如下
Si+4F*→SiF4↑利用射频放电产生的常压等离子体中的高密度高活性激发态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替换为油冷或气体冷却。(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配比。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。材料去除量与驻留之间、功率、气体配比等多个工艺参数有关，针对不同的加工要求，可制定不同的轨迹规划方案，通过计算机编程实现预定的加工轨迹。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。
权利要求
1.一种常压等离子体抛光方法，常压等离子体抛光方法的装置由密闭工作舱(51)、第一联动系统(52)、等离子体炬(53)、工作台(56)、第二联动系统(57)、射频电源(58)、射频匹配器(59)、第一流量控制器(60)、反应气体瓶(61)、等离子体气体瓶(62)、气体回收处理装置(63)、负压泵(64)、第二流量控制器(65)、进水管(68)和出水管(69)组成，第一联动系统(52)与第二联动系统(57)一起固定在位于密闭工作舱(51)底部内壁上的共同的基座(54)上，等离子体炬(53)安装在第一联动系统(52)上并在第一联动系统(52)上实现直线运动和回转运动，工作台(56)设置在第二联动系统(57)上并在第二联动系统(57)上实现直线运动和回转运动，射频电源(58)与射频匹配器(59)电连接，反应气体瓶(61)由管线与第二流量控制器(65)的入口相连通，第二流量控制器(65)的出口通过管线经由密闭工作舱(51)上的管线接口(66)与等离子体炬(53)相连接，等离子体气体瓶(62)由管线与第一流量控制器(60)的入口相连通，第一流量控制器(60)的出口通过管线经由密闭工作舱(51)上的管线接口(66)与等离子体炬(53)相连接，进水管(68)和出水管(69)分别经由密闭工作舱(51)上的管线接口(66)与等离子体炬(53)相连接，气体回收处理装置(63)的入口与负压泵(64)的出口相连接，负压泵(64)的入口通过管线与密闭工作舱(51)的出气口(67)相连接；其特征在于抛光的步骤为一、打开冷却水泵，使进水管(68)和出水管(69)通水；二、预热射频电源(58)、第一流量控制器(60)和第二流量控制器(65)，预热时间为5～20分钟；三、打开气体回收处理装置(63)；四、打开反应气体瓶(61)和等离子体气体瓶(62)，等离子体气体为He或Ar，反应气体为CF4、NF3或SF6，等离子体气体与反应气体的体积比为4∶1～1000∶1，等离子体气体的流量范围为5～25SLM升/分；五、启动射频电源(58)，逐步施加功率，控制反射功率为零，初始有效功率为185瓦，常用功率为400～1200瓦；六、保持等离子体炬(53)等离子体焰的稳定，计算机调控完成加工轨迹运行；七、抛光完成后，关闭射频电源(58)、关闭反应气体瓶(61)和等离子体气体瓶(62)、关闭气体回收处理装置(63)、关闭冷却水泵；八、取出抛光工件。
2.根据权利要求1所述的常压等离子体抛光方法，其特征在于等离子体炬(53)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)和连接螺母(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，连接螺母(12)固定在阳极(5)的左端口内，阳极水冷导管(1)的左端固定在连接螺母(12)的中心处并与外界进水管相通，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)的外端与外界出水管相通。
3.根据权利要求2所述的常压等离子体抛光方法，其特征在于步骤四中，等离子体气体与反应气体的体积比为5∶1～950∶1。
4.根据权利要求2所述的常压等离子体抛光方法，其特征在于步骤四中，等离子体气体与反应气体的体积比为50∶1～550∶1。
5.根据权利要求2所述的常压等离子体抛光方法，其特征在于步骤四中，等离子体气体与反应气体的体积比为400∶1。
6.根据权利要求2所述的常压等离子体抛光方法，其特征在于步骤五中，初始有效功率为190～220瓦，正常功率为400～1200瓦。
7.根据权利要求2所述的常压等离子体抛光方法，其特征在于步骤五中，初始有效功率为195～210瓦，正常功率为550～1200瓦。
8.根据权利要求2所述的常压等离子体抛光方法，其特征在于步骤五中，初始有效功率为200瓦，正常功率为600瓦。
全文摘要
常压等离子体抛光方法，它涉及一种抛光方法。本发明的目的是为解决常规的机械式研抛方法存在的不足及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、易产生表层及亚表层损伤、表面清洗困难等问题。本发明的方法主要是，等离子体气体与反应气体的体积比为4∶1～1000∶1；启动射频电源，逐步施加功率，控制反射功率为零，初始有效功率为180～240瓦，常用功率为400～1200瓦，最高功率可加至1500瓦。本发明可在常压下通过等离子体化学反应实现超光滑表面加工，不需要真空室，可降低设备成本并扩大其使用范围。加工效率是传统抛光方法的十倍，并且无表面损伤、无亚表层损伤、无表面污染，抛光工件的表面粗糙度小于1nm Ra。
文档编号B24B1/00GK101032802SQ20071007202
公开日2007年9月12日 申请日期2007年4月11日 优先权日2007年4月11日
发明者王波, 张巨帆, 董申, 张龙江 申请人:哈尔滨工业大学