等离子体化学刻蚀设备中的可更换喷嘴ICP发生装置的制作方法

本发明涉及一种用于大口径复杂曲面加工的等离子体化学刻蚀装置，具体涉及等离子体化学刻蚀装置中的ICP发生装置，属于光学元件加工精密加工装置技术领域。

背景技术：

非球面光学元件能够提高光学系统性能、简化系统结构，越来越多的光学系统选择使用非球面光学反射镜。大型望远镜建造、汽车和航天大批量生产、微电子制造、电子通信、医疗成像以及其他各种大型科学计划等对超精密光学元件的需求量不断增大，复杂度不断增加，导致对光学加工工艺的要求也越来越高。

常用的非球面反射镜加工方法是CCOS(计算机控制表面成形)技术。传统工艺中，采用计算机控制沥青材料的小磨头进行确定性的加工。由于在工件表面施加正向压力，会使工件产生亚表面损伤。对于复杂面形的反射镜，曲率的变化将造成磨头与镜面不吻合，从而影响面形收敛。磁流变加工工艺也是常用的加工方法，但是由于其单点加工区域较小，导致加工效率较低，而且容易引入中高频误差。

此外还有一些非接触式的加工方法。相较于接触式的加工方法，非接触式的方法不会造成亚表面损伤，且无表面污染。其中，离子束加工工艺成熟，已经广泛用于大口径非球面加工。其应用阶段与磁流变工艺类似，都是在面形精度较高的时候应用。离子束工艺最大的优点就是其拥有稳定的去除函数。但最大的限制条件就是必须在真空下使用，对机电系统的设计、维护和操作都有很高的要求；此外离子束加工工艺去除率过低，限制了它的应用范围。除了单纯的离子束物理溅射材料去除，借鉴半导体工业中广泛应用的RIE(反应离子刻蚀)技术，产生了一些通过化学反应方式完成材料去除的方法。PACE(等离子体辅助抛光技术)就是一种基于RIE方法改进的非接触式化学加工方法，通过电离产生活性基团与工件反应完成材料去除，去除效率很高。但是该方法要求被加工工件的厚度小于10mm，而且仍旧在真空下工作。

针对上述非接触加工方式的不足，日本大阪大学和美国Lawrence Livermore国家实验室分别提出了不同的常压等离子体抛光方法。去除原理同于PACE技术，但是设备都在常压下工作，活性基团密度显著增大，因而去除率很大。但是大阪大学的PCVM工艺稳定性不好，加工重复性低，不适用于确定性加工的要求。Lawrence Livermore国家实验室的RAP技术则由于矩管规格限制，去除函数尺寸单一；此外对运动机构也有很高的要求。

传统小磨头加工工艺对于不同频段的面形误差，必须更换不同直径的磨头予以消除。为此，传统的加工机床都专门设计了快速的磨头切换装置。想提高等离子体加工方法的适用范围，也需要类似的功能。一种可行的方式是更换ICP矩管，但是因为维持等离子体的感应线圈使得更换ICP矩管十分不便。更换前必须等到ICP矩管和线圈冷却，之后要断开所有电源、气管和水冷装置并在新ICP矩管切换后重新连接。针对不同尺寸的ICP矩管，还必须考虑感应线圈尺寸是否匹配。全部组装完毕之后，需要测试能否产生稳定的等离子体，去除函数是否合适，因此，采用更换ICP矩管的形式来实现不同直径磨头的更换在实际加工过程中具有相当大的局限性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种等离子体化学刻蚀设备的可更换喷嘴ICP发生装置，通过更换不同直径的喷嘴来实现不同直径磨头的更换，获得理想尺寸的去除函数，实现全频段面形误差收敛。

一种等离子体化学刻蚀设备中的可更换喷嘴ICP发生装置，该ICP发生装置包括喷嘴、等离子体炬管、套设于等离子体炬管外的感应线圈、高压特斯拉点火线圈、射频电源和匹配器，射频电源和匹配器为感应线圈供电，高压特斯拉点火线圈由外部电源进行供电；喷嘴与ICP发生装置中等离子体矩管的前端为可拆卸的固定连接，通过更换不同内径的喷嘴来实现对去除函数的尺寸进行调节。

进一步地，所述ICP发生装置上的喷嘴采用水冷结构。

进一步地，所述喷嘴包括喷嘴内芯、水冷外壳顶盖、水冷外壳和导流槽，喷嘴内芯、水冷外壳顶盖和水冷外壳装配后形成一个封闭的空腔，导流槽固定连接在喷嘴内芯上对应空腔部分的外表面，水冷外壳对应空腔的上下两端对应加工有水冷液入口和水冷液出口，喷嘴通过水冷外壳顶盖与等离子体炬管下端的安装板固定连接。

进一步地，还包括一个屏蔽罩，所述屏蔽罩将等离子体炬管和感应线圈套装在其内部。

进一步地，所述等离子体炬管的外径为20mm，所述喷嘴内芯的外径与等离子体炬管的外径一致，喷嘴内芯内部由圆柱段、收缩段和扩张段组成，喷嘴内芯的总长度为35mm，圆柱段长度为10mm，收缩段长度为8mm，扩张段长度17mm，圆柱段用于与等离子体矩管下端的安装板实现配合和安装，收缩段和扩张段之间的直径为加工所需的最小直径，扩张段扩张后的直径为15mm。

进一步地，所述等离子体化学刻蚀设备包括ICP发生装置、运动机构、气体供给装置和尾气处理装置；所述ICP发生装置整体架设于运动机构上方，气体供给装置经由气体质量流量控制器与等离子体炬管相连，气体供给装置为等离子体炬管提供反应所需的气体，ICP发生装置通过射频电源和匹配器调节设定的点火功率并加载在感应线圈上，同时接通高压特斯拉点火线圈使其放电产生高压电火花，高压电火花在石英炬管内部感生出电子并击穿中间管和外管中的高纯氩气，在射频线圈产生的电磁场激励下进一步击穿高纯氩气，最终点燃等离子体形成稳定的等离子体炬焰；运动机构带动ICP发生装置在工件表面一定距离处按照确定的运动轨迹移动，气流将活性基团喷射到工件表面，发生化学反应生成挥发性气态物质，实现特定位置定量去除材料的目的；尾气处理装置对加工室内反应后的尾气进行处理。

进一步地，所述运动机构采用五轴联动数控中心，该数控中心包括x轴、y轴、z轴、u轴和v轴，其中x轴和y轴采用直线电机驱动，直线电机驱动比伺服电机加速度更大运行速度更快，可及时到达指定加工位置，适合加工大口径工件。

进一步地，所述喷嘴内芯的材料为铜、银、铂金或陶瓷，喷嘴内芯与屏蔽罩联通且接地，等离子体炬管与其接触没有二次放电现象。

有益效果：

1、本发明的刻蚀设备结构简单、成本低廉，采用常压等离子体加工技术,并基于化学反应实现光学材料去除，不产生亚表面损伤，无残余应力层产生。

2、本发明通过采用更换不同尺寸喷嘴的形式来实现不同直径磨头的更换，可对去除函数的尺寸进行调节，获得理想尺寸的去除函数，实现全频段面形误差收敛。

3、本发明采用CFD(计算流体力学)数值模拟，对喷嘴内芯的参数进行优化，喷嘴内芯的收缩段能够限制等离子体，调节去除函数；束流经过喷嘴内芯最小口径后被压缩至最紧密，但是如果此时失去约束就会再次扩张，束径再次变大，导致去除函数尺寸不可预测。而如果喷嘴后部一直保持最小口径处的直径，由于空间持续压缩，贴近外壁的冷却气体束流会干扰中心的高温等离子体，导致熄火现象。收缩段之后的扩张段防止了束径的快速扩张，又不会因为冷却气体的干扰而熄火。

4、本发明设备中的运动机构的x轴和y轴采用直线电机，运动速度快，适于加工大口径工件，可以在面形具有较高精度时实现微量去除，同时可减少热量沉积。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中的PCET的常规等离子体矩管结构示意图；

图3为本发明中的增加喷嘴和屏蔽罩后PCET的等离子体矩管结构示意图；

图4为本发明中喷嘴的结构示意图。

其中，1-射频电源、2-匹配器、3-射频线圈、4-等离子体炬管、5-冷却循环泵、6-气体供给装置、61-冷却及辅助气源、62-工作气源、63-氧气源、7-冷却气入口、8-辅助气入口、9-工作气入口、10-加工室、11-喷嘴、11-1-喷嘴内芯、11-2-水冷外壳顶盖、11-3-水冷外壳、11-4-导流槽、11-5-水冷液入口、11-6-水冷液出口、12-高压特斯拉点火线圈、13-屏蔽罩、14-运动机构、15-尾气处理装置。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种等离子体化学刻蚀设备中的可更换喷嘴ICP发生装置，该ICP发生装置包括喷嘴11、等离子体炬管4、套设于等离子体炬管外的感应线圈3、高压特斯拉点火线圈12、屏蔽罩13、射频电源1和匹配器2，射频电源1和匹配器2配合为感应线圈3供电，高压特斯拉点火线圈12由外部电源进行供电，所述屏蔽罩13将等离子体炬管4和感应线圈3套装在其内部；喷嘴11与ICP发生装置中等离子体矩管4的前端为可拆卸的固定连接，通过更换不同内径的喷嘴11来实现对去除函数的尺寸进行调节。

如附图2所示，常规等离子体矩管上设有与气体供给装置连接的冷却气入口7、辅助气入口8和工作气入口9，但该结构无法控制等离子体矩焰的形状和大小。

如附图3所示，ICP发生装置喷口直径的改变通过更换水冷喷嘴11实现，不必考虑矩管和线圈的匹配问题。

如附图4所示，喷嘴11包括喷嘴内芯11-1、水冷外壳顶盖11-2、水冷外壳11-3和导流槽11-4，喷嘴内芯11-1、水冷外壳顶盖11-2和水冷外壳11-3装配后形成一个封闭的空腔，导流槽11-4固定连接在喷嘴内芯11-1上对应空腔部分的外表面，水冷外壳11-3对应空腔的上下两端对应加工有水冷液入口11-5和水冷液出口11-6，喷嘴11通过水冷外壳顶盖11-2与等离子体炬管4下端的安装板固定连接；

喷嘴内芯11的材料为铜、银、铂金或陶瓷，喷嘴内芯11与屏蔽罩13联通且接地，等离子体炬管与其接触没有二次放电现象。

等离子体炬管4的外径为20mm，喷嘴内芯11-1的外径与等离子体炬管4的外径一致，喷嘴内芯11-1内部由圆柱段、收缩段和扩张段组成，喷嘴内芯11-1的总长度为35mm，圆柱段长度为10mm，收缩段长度为8mm，扩张段长度17mm，圆柱段用于与等离子体矩管4下端的安装板实现配合和安装，收缩段和扩张段之间的直径为加工所需的最小直径，扩张段扩张后的直径为15mm。

如附图1所示，等离子体化学刻蚀设备包括ICP发生装置、运动机构14、气体供给装置6和尾气处理装置15，ICP发生装置整体架设于数控平台14上方，气体供给装置6经由气体质量流量控制器与等离子体炬管4相连，气体供给装置6为等离子体炬管4提供反应所需的气体，ICP发生装置通过射频电源1和匹配器2调节到800～1200W的点火功率并加载在感应线圈3上，同时接通高压特斯拉点火线圈12使其放电产生高压电火花，高压电火花在石英炬管4内部感生出电子并击穿中间管和外管中的高纯氩气，同时在射频线圈3产生的电磁场激励下进一步击穿高纯氩气，最终点燃等离子体形成稳定的等离子体炬焰；运动机构14按照确定的运动轨迹移动，带动ICP发生装置在工件表面一定距离处移动，气流将活性基团喷射到工件表面，发生化学反应生成挥发性气态物质，实现特定位置定量去除材料的目的；尾气处理装置15对加工室10内反应后的尾气进行处理；气体供给装置6中包含冷却及辅助气源61、工作气源62和氧气源63，以上三种气源分别连接等离子体炬管4上的冷却气入口7、辅助气入口8和工作气入口9。

运动机构14采用五轴联动数控中心，该数控中心包括x轴、y轴、z轴、u轴和v轴，其中x轴和y轴采用直线电机驱动，直线电机驱动比伺服电机加速度更大运行速度更快，可及时到达指定加工位置，适合加工大口径工件。

实施例中工作气体为Ar，反应气体CF₄，加工SiC材料工件。在等离子体发生装置中CF₄被激发，产生激发态的F原子，并与SiC中的Si发生如下化学反应：

Si+4F^*→SiF₄↑

反应生成物为气体，脱离吸附进入尾气处理装置，实现材料去除。

本实施例中，等离子体矩管4连同屏蔽罩13安装于有五轴联动数控中心的运动机构14上，运动机构14与上位机连接通信，精确的控制电机运动。

本实施例中运动机构14采用直线电机驱动。直线电机有较大的加速度和最高运行速度，配合高效的PCET加工装置，可以在面形具有较高精度时实现微量去除，同时可减少热量沉积。

本实施例中等离子体矩管4前端加装有水冷喷嘴11，可限制等离子的束径，获得不同尺寸的去除函数，同时带走部分热量，减少了热量往工件上沉积。

本发明的具体操作步骤为：

步骤一、根据该曲面方程，利用加工算法生成加工控制文件，即生成五轴联动数控中心的运动轨迹及加工驻留时间。

步骤二、开启冷却循环泵5向射频线圈3和水冷喷嘴11中通入冷却水，然后打开冷却及辅助气源6的阀门，经过几分钟后会在等离子体矩管4中建立一个高纯氩气环境，方便等离子体的生成。

步骤三、待上述准备工作完成后，将射频电源1的功率调节到点火所需功率即800～1200W，同时加载在射频线圈3上，为等离子体点火做准备。

步骤四、接通高压特斯拉点火线圈12使其放电产生高压电火花，高压电火花在等离子体矩管4内部感生出电子并击穿中间管和外管中的高纯氩气，同时在射频线圈3产生的电磁场激励下进一步击穿高纯氩气，最终点燃等离子体形成稳定的等离子体炬焰。

步骤五、在形成高温而稳定的等离子体炬焰后，打开工作气源62的阀门，向中心管通入工作气体如四氟化碳(CF4)、六氟化硫(SF6)、三氟化氮(NF3)等，形成活性基团，经过5～10分钟之后稳定。

步骤六、利用步骤一中生成的加工控制文件控制运动机构按照确定的运动轨迹移动，带动ICP发生装置在工件表面一定距离处移动，气流将活性基团喷射到工件表面，发生化学反应生成挥发性气态物质，实现特定位置定量去除材料的目的，完成加工。

步骤七、如需更换不同口径的喷嘴11，先停止运动机构14，关闭射频电源2，再关闭气源6和水冷装置5。喷嘴11与屏蔽罩13通过螺纹扣合，可以快速拆装。拧下后，更换合适的喷嘴内芯11-1，然后重复以上步骤即可。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。