一种SiC光学材料加工设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种SiC光学材料加工设备，包括电感耦合等离子体发生装置、工作气体供给源（8）和反应气体供给源（9），所述反应气体供给源（9）中装有能通过电感耦合等离子体发生装置激发后与SiC发生化学反应的反应气体，所述电感耦合等离子体发生装置包括等离子体炬管（34）和套设于等离子体炬管（34）外的感应线圈（35），所述工作气体供给源（8）和反应气体供给源（9）与等离子体炬管（34）相连，所述感应线圈（35）的一端与射频电源（4）相连，所述感应线圈（35）的另一端通过可调电阻器R1接地。本发明具有结构简单、成本低廉，加工过程无亚表面损伤、无残余应力层产生，加工效率高等优点。
【专利说明】—种SiC光学材料加工设备
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及光学材料加工设备领域，特指ー种SiC光学材料加工设备。
【背景技术】
[0002]随着空间天文光学、卫星遥感技术和大型地基光学系统的迅猛发展，光学系统的工作波段、成像分辨率、热稳定性以及系统重量等指标的要求越来越严格，因此，光学系统正沿着反射式、大口径、轻量化趋势发展。在光学系统设计中，选择合适的反射镜材料对满足上述指标具有重要意义。由于空间光学系统存在制造难度大、发射和运行成本高以及エ作环境特殊等制约因素，空间用反射镜材料的选择必须考虑以下几个方面:(1)各向同性，尺寸稳定。(2)可抛光性。良好的可抛光性是反射镜材料的基本要求，良好的可抛光性是决定反射镜性能的重要指标。(3)可进行高反射率镀膜。(4)抗辐射，保证在空间辐射条件下反射镜的面形保持不变。由于在空间工作环境下，镜体在受到宇宙高能射线的辐射后，形状和物理性质方面必须保持稳定，优先选择辐射稳定性较好的材料。(5)比刚度大，热变形系数小。比刚度大，则可减小镜体以及框架的质量，增加轻量化率，提高面形精度的稳定性；热变形系数小，则可降低热控系统的要求。综上所述，SiC光学材料是制作空间反射镜以及大型地基反射镜的最佳材料。
[0003]由于SiC光学材料的硬度高，因此，其加工效率低，往往低于玻璃的十分之一。另夕卜，大多数SiC光学材料存在着多种组分，使其难以实现亚纳米级超光滑表面加工。
[0004]目前，SiC光学材料的加工方法主要包括传统研抛方法、磨削方法和计算机控制确定性抛光方法。
[0005]传统研抛方法适用于SiC光学材料的小件和单件加工，结合手工修抛还可以解决部分非球面的加工问题，但其加工效率较低，精度收敛较慢，产品质量与加工周期不易保证。
[0006]磨削方法具有较高的材料去除率，但是在磨削过程中会产生亚表面损伤，同时，在エ件表面形成残余应カ层。
[0007]计算机控制确定性抛光方法是加工获得较高面型精度的关键技术，可以用于加工SiC光学材料的方法主要有双转子小工具抛光方法、离子束修形方法和磁流变抛光方法，但是，上述方法加工效率较低。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题在于:针对现有技术存在的不足，提供ー种结构简单、成本低廉，加工过程无亚表面损伤、无残余应カ层产生，加工效率高的SiC光学材料的加工设备。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
[0010]ー种SiC光学材料加工设备，包括电感耦合等离子体发生装置、工作气体供给源和反应气体供给源，所述反应气体供给源中装有能通过电感耦合等离子体发生装置激发后与SiC发生化学反应的反应气体，所述电感耦合等离子体发生装置包括等离子体炬管和套设于等离子体炬管外的感应线圈，所述工作气体供给源和反应气体供给源与等离子体炬管相连，所述感应线圈的一端与射频电源相连，所述感应线圈的另一端通过可调电阻器R1接地。
[0011]作为本发明的进ー步改进:
[0012]所述感应线圈与等离子体炬管外壁之间设有屏蔽金属板，所述屏蔽金属板通过可调电容C3接地。
[0013]所述感应线圈的一端通过阻抗匹配器与射频电源相连。
[0014]所述反应气体供给源和工作气体供给源与等离子体炬管的连接线路上设有质量流量控制器。
[0015]所述等离子体炬管安装于一具有至少三轴联动功能的数控运动平台上。
[0016]所述数控运动平台位于一封闭加工室中，所述封闭加工室连接一尾气处理装置。
[0017]所述工作气体供给源与等离子体炬管的连接线路上设有点火装置。
[0018]所述感应线圈连接一水冷机。
[0019]所述工作气体供给源与等离子体炬管的中管和外管相连，所述反应气体供给源与等离子体炬管的内管相连；或者，所述工作气体供给源与等离子体炬管的外管相连，所述反应气体供给源与等离子体炬管的中管相连。
[0020]所述反应气体供给源为SF6气瓶或NF3气瓶或CF4气瓶。
[0021]与现有技术相比，本发明的优点在于:
[0022]1、本发明的SiC光学材料加工设备，结构简单、成本低廉，采用等离子体加工技木，并基于化学反应实现SiC光学材料去除，エ件表面无亚表面损伤，无残余应カ层产生；
[0023]2、本发明的SiC光学材料加工设备，其电感耦合等离子体发生装置采用光谱仪设备中常用的等离子体炬管，可产生稳定的等离子体，而且技术成熟、成本低廉；
[0024]3、本发明的SiC光学材料加工设备，感应线圈通过可调电阻器接地，可调节感应线圈接地端的电压，通过适当调高接地端的电压，就可提高感应线圈在工作中的电势，从而提高等离子体的电势，通过高电势等离子体撞击SiC光学材料，可轻松破坏SiC光学材料中的S1-c键，而且高电势等离子体的撞击作用，使得SiC光学材料的加工过程成为物理与化学相结合的反应过程，加工速率大大提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明的结构示意图。
[0026]图2为图1的局部结构示意图。
[0027]图3为本发明中等离子体炬管产生等离子体焰炬时的结构示意图。
[0028]图4为本发明中电感耦合等离子体发生装置工作时的等效电路图。
[0029]图5为本发明中基于CC0S成型原理实现SiC光学材料加工流程图。
[0030]图例说明:1、加工室；2、数控运动平台；4、射频电源；5、阻抗匹配器；6、点火装置；
7、水冷机；8、工作气体供给源；9、反应气体供给源；10、质量流量控制器；11、尾气处理装置；31、Z轴转接板；32、安装座；33、炬管安装套；34、等离子体炬管；35、感应线圈；36、屏蔽金属板；37、等离子体焰炬。【具体实施方式】
[0031]以下结合附图和具体实施例对本发明作进ー步详细说明。
[0032]如图1所示，本发明的SiC光学材料加工设备，包括电感耦合等离子体发生装置、工作气体供给源8和反应气体供给源9，反应气体供给源9中装有能通过电感耦合等离子体发生装置激发后与SiC发生化学反应的反应气体，如SF6或NF3或CF4。电感耦合等离子体发生装置包括等离子体炬管34和套设于等离子体炬管34外的感应线圈35，等离子体炬管34用来产生等离子体焰炬37 (參见图3)，等离子体炬管34采用Fassel炬管，其广泛应用于ICP-0ES光谱仪设备中，成本低，技术成熟，可以用来产生稳定的等离子体，并激发反应气体。其中，工作气体供给源8与等离子体炬管34的中管和外管相连，反应气体供给源9与等离子体炬管34的内管相连。当然，在其他实施例中，也可使工作气体供给源8与等离子体炬管34的外管相连，反应气体供给源9与等离子体炬管34的中管相连。感应线圈35的一端与射频电源4相连，感应线圈35的另一端通过可调电阻器R1接地(參见图4)。由于SiC材料中极强的S1-C键很难被破坏，因此将感应线圈35通过可调电阻器R1接地，可调电阻器R1可调节感应线圈35接地端的电压，通过适当调高接地端的电压，就可提高感应线圈35在工作中的电势，从而提高等离子体的电势。通过高电势等离子体撞击SiC光学材料，就可轻松破坏SiC光学 材料中的S1-C键，而且高电势等离子体的撞击作用，使得SiC光学材料的加工过程成为物理与化学相结合的反应过程，加工速率大大提高。
[0033]本实施例以工作气体为Ar，反应气体为SF6为例，SF6气体在等离子体发生装置中被激发，产生激发态的氏F*原子与SiC光学材料表面接触，并与SiC中的Si相发生如下化学反应:
[0034]Si+4F* — SiF4 ?
[0035]反应所产生的物质SiF4为气体,将与SiC光学材料表面脱离进入大气中，从而实现材料的去除。本发明依靠化学反应实现材料去除，因此，材料去除过程中无亚表面损伤，无残余应カ层产生。
[0036]另外，为增加SiC光学材料的去除速率，可设置02气体供给源，用于在工作时通入少量02气体，其所发生化学反应为:
[0037]SiC+4F*+02 — SiF4 丨 +C02 ?
[0038]本实施例中，为防止等离子体电势过高，影响加工过程中等离子体的稳定性，在感应线圈35与等离子体炬管34外壁之间设有屏蔽金属板36，屏蔽金属板36通过可调电容C3接地(參见图4)，以减少加工过程中等离子体焰炬37接触具有半导体性质的SiC光学材料时所发生的二次放电现象，提高加工稳定性。可调电容C3用来调节等离子体电势高低，提闻等尚子体稳定性。
[0039]本实施例中，感应线圈35通过阻抗匹配器5与射频电源4相连，以实现射频能量高效率传输。
[0040]本实施例中，等离子体焰炬37模型可等效为图4中所示等效电路中的电感器L2和电阻器R2所组成的模型，感应线圈35可等效为图4中电感器L1，感应线圈35按照图4中等效电路图所示与阻抗匹配器5相连，调节电容器C1和C2进行阻抗匹配，屏蔽金属板36按照图4中等效电路图所示通过可调电容C3接地。[0041]本实施例中，反应气体供给源9和工作气体供给源8与等离子体炬管34的连接线路上设有质量流量控制器10，用来对气体流量进行控制。
[0042]本实施例中，等离子体炬管34安装于一具有至少三轴联动功能的数控运动平台2上，可完成至少XYZ三轴联动，以实现平面、球面和非球面的SiC光学材料加工；使用数控运动平台2的エ件装夹台实现エ件的安装，可提高加工精度和加工过程的稳定性；在数控运动平台2上基于CC0S (计算机控制光学表面成型技术)成型原理实现SiC光学材料加工，可提高加工精度和加工效率。具体地，參见图2，数控运动平台2的Z轴转接板31上连接ー安装座32，等离子体炬管34通过ー炬管安装套33安装于安装座32上。
[0043]本实施例中，数控运动平台2位于一封闭加工室1中，封闭加工室1连接一尾气处理装置11。封闭加工室1将加工区域与外界隔开，可提高SiC光学材料加工稳定性，并将加エ过程中所产生的废气抽取，送入尾气处理装置11中进行处理后再排入大气中，防止污染环境。
[0044]本实施例中，工作气体供给源8与等离子体炬管34的连接线路上设有点火装置6，用来对工作气体进行放电，使其携帯少量自由电子进入电磁场区域进行加速和碰撞，以产生稳定等离子体。
[0045]本实施例中，感应线圈35连接一水冷机7，可对加工过程中产生的热量进行冷却，提高加工稳定性和安全性。
[0046]本发明的具体操作步骤为:
[0047]步骤一:启动水冷机7;
[0048]步骤ニ:预热射频电源4和质量流量控制器10，预热时间为5分钟；
[0049]步骤三:打开工作气体供给源8和反应气体供给源9，并调节质量流量控制器10，控制气体Ar和SF6流量，加工前通入气体约5分钟；
[0050]步骤四:启动射频电源4 ；
[0051]步骤五:启动点火装置6，并逐渐调节射频电源4至功率最大，待等离子体焰炬37形成后逐渐调节射频电源4功率至加工需要值；
[0052]步骤六:启动数控运动平台2，按照图5所示流程图中所生成的数控代码进行加エ。
[0053]以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.ー种SiC光学材料加工设备，其特征在于:包括电感耦合等离子体发生装置、工作气体供给源(8 )和反应气体供给源(9 )，所述反应气体供给源(9 )中装有能通过电感耦合等离子体发生装置激发后与SiC发生化学反应的反应气体，所述电感耦合等离子体发生装置包括等离子体炬管(34)和套设于等离子体炬管(34)外的感应线圈(35)，所述工作气体供给源(8)和反应气体供给源(9)与等离子体炬管(34)相连，所述感应线圈(35)的一端与射频电源(4)相连，所述感应线圈(35)的另一端通过可调电阻器R1接地。
2.根据权利要求1所述的SiC光学材料加工设备，其特征在于:所述感应线圈(35)与等离子体炬管(34)外壁之间设有屏蔽金属板(36)，所述屏蔽金属板(36)通过可调电容C3接地。
3.根据权利要求1或2所述的SiC光学材料加工设备，其特征在于:所述感应线圈(35)的一端通过阻抗匹配器(5)与射频电源(4)相连。
4.根据权利要求1或2所述的SiC光学材料加工设备，其特征在于:所述反应气体供给源(9)和工作气体供给源(8)与等离子体炬管(34)的连接线路上设有质量流量控制器(10)。
5.根据权利要求1或2所述的SiC光学材料加工设备，其特征在于:所述等离子体炬管(34)安装于一具有至少三轴联动功能的数控运动平台(2)上。
6.根据权利要求5所述的SiC光学材料加工设备，其特征在于:所述数控运动平台(2)位于一封闭加工室(1)中，所述封闭加工室(1)连接一尾气处理装置(11)。
7.根据权利要求1或2所述的SiC光学材料加工设备，其特征在于:所述工作气体供给源(8)与等离子体炬管(34)的连接线路上设有点火装置(6)。
8.根据权利要求1或2所述的SiC光学材料加工设备，其特征在于:所述感应线圈(35)连接一水冷机(7)。
9.根据权利要求1或2所述的SiC光学材料加工设备，其特征在于:所述工作气体供给源(8)与等离子体炬管(34)的中管和外管相连，所述反应气体供给源(9)与等离子体炬管(34)的内管相连；或者，所述工作气体供给源(8)与等离子体炬管(34)的外管相连，所述反应气体供给源(9)与等离子体炬管(34)的中管相连。
10.根据权利要求1或2所述的SiC光学材料加工设备，其特征在于:所述反应气体供给源(9)为SF6气瓶或NF3气瓶或CF4气瓶。
【文档编号】H01L21/263GK103456610SQ201310366741
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2013年8月21日
【发明者】解旭辉, 史宝鲁, 李圣怡, 戴一帆, 周林, 廖春德 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学