大氣壓等離子體加工技術(shù)研究

1、大氣壓等離子體加工技術(shù)研究徐振東1引言在航空航天，光學(xué)工程，激光核聚變等眾多領(lǐng)域中， 超光滑表面的光學(xué)元件是系統(tǒng)的重 要組成部分，因此國內(nèi)外圍繞光學(xué)元件超光滑表面加工技術(shù)開展了眾多研究。由于傳統(tǒng)加工技術(shù)在加工硬脆的光學(xué)元件時(shí)會(huì)對表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力和亞表層損傷1,對復(fù)雜形狀的表面?zhèn)鹘y(tǒng)的加工技術(shù)也難達(dá)到高質(zhì)量，高精度的加工要求。而等離子加工是一種非接觸的加工方式， 對表面無損傷，無殘余應(yīng)力，對材料沒有選擇性，因此適合對光學(xué)元件的加工。本文參閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，從大氣壓等離子體加工技術(shù)的原理，國內(nèi)外大氣壓等離子體加工技術(shù)等進(jìn)行介紹。2大氣壓等離子體加工技術(shù)的原理等離子體被稱為物質(zhì)的第四態(tài)，它是被電離的氣

2、體，由于等離子體中存在大量的電子、正離子、自由基、亞穩(wěn)態(tài)的分子原子等，但整體還是電中性的，因此和其他三態(tài)有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。大量的電子、正離子、自由基、亞穩(wěn)態(tài)的分子原子都是活性粒子，采用低冷離子體，因 此不會(huì)對材料造成任何損傷（由于高溫等離子體對物體表面的作用過于強(qiáng)烈，因此在實(shí)際應(yīng)用中很少使用，目前投入使用的只有低溫等離子體，比如太陽就是一種高溫等離子體2?；钚缘入x子體與材料發(fā)生干化學(xué)反應(yīng)， 就能達(dá)到去除材料的目的。 在等離子體自身中的 電子與原子或者分子之間會(huì)碰撞產(chǎn)生激發(fā)態(tài)中性原子或原子團(tuán)（又稱自由基）等離子體中存在大量的自由基，而自由基有著極高的能量，有極高的活化作用。等離子體化學(xué)是一

3、種復(fù)雜的化學(xué)現(xiàn)象，反應(yīng)的能源不是單一的，而是熱、電、光化學(xué)等多種化學(xué)反應(yīng)過程，這使得在等離子體氛圍中能夠發(fā)生常規(guī)難以發(fā)生的反應(yīng)。比如在加工熔石英材料中，反應(yīng)氣體CF 4在等離子體氛圍中被激發(fā)成各種具有活性的自由基和激發(fā)態(tài)的F原子，激發(fā)態(tài)的F原子擴(kuò)散到熔石英材料表面后，和SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣態(tài) SiF 4,從工件表面逸出，從而達(dá)到去除材料的目的3。圖1等離子體加工原理示意圖 43國內(nèi)外大氣壓等離子體加工技術(shù)目前國內(nèi)外比較成熟的大氣壓等離子體加工技術(shù)日本大阪大學(xué)開發(fā)的大氣等離子體化 學(xué)蒸發(fā)加工（PCVM ）、美國加利福尼亞州勞倫斯？利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的反應(yīng)原子等離 子體加工（RAPT）、

4、德國的萊布尼茨學(xué)會(huì)開發(fā)的大氣等離子體化學(xué)加工（APACE）及我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的大氣等離子體加工技術(shù)（APPP）1.1 大氣等離子體化學(xué)蒸發(fā)加工（PCVM20世紀(jì)90年代，日本大阪大學(xué)提出等離子體化學(xué)蒸發(fā)加工（ PCVM）,與傳統(tǒng)機(jī)械加 工方式和等離子體刻蝕相比，PCVM的損傷密度很小，不及前兩者導(dǎo)致白損傷密度的1/1005;采用管電極（直徑 4mm）加工時(shí)，與同等尺寸小磨頭拋光方式，材料去除率提高了3080倍，而且平均粗糙度 Ra可達(dá)0.5nm （測量長度為200 m） 6。PCVM基于電容耦合方式激 發(fā)等離子體，使用射頻功率源，可選擇頻率范圍為13.56300MHz。選用不同的電極或電

5、極組合能夠?qū)ぜM(jìn)行無損傷切割、平坦化加工和對非球面工件進(jìn)行修形加工等功能7-9。加工過程沒有機(jī)械力，不會(huì)對加工表面產(chǎn)生損傷，同時(shí)熱量能很快的導(dǎo)出，也不會(huì)有熱損傷。 同時(shí)該課題組開發(fā)了相應(yīng)的機(jī)床。圖2.旋轉(zhuǎn)電極和管電極圖3.射流等離子體圖4 NC-PCVM 機(jī)床 圖5開放式等離子體加工機(jī)床1.2 反應(yīng)原子等離子體加工 （RAPT）RAPT技術(shù)是美國加利福尼亞州勞倫斯？利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室在1999年提出的，并且在2001年成成立RAPT公司，成功的將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化，美國國家點(diǎn)火工程所用的超光滑大 口徑光學(xué)元件就是該公司提供的，并且該技術(shù)在光學(xué)和半導(dǎo)體元件生產(chǎn)制造領(lǐng)域應(yīng)用前景廣 闊10。RAPT基

6、于感應(yīng)耦合放電（ICP）原理的一種大氣壓等離子體加工技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)不需 要真空環(huán)境加工。在加工過程中，首先是形成穩(wěn)定的僦等離子體，然后在通入含氟氣體作為Si反應(yīng)氣體。這些含氟氣體在等離子體氛圍中被激發(fā)成含氟活性粒子，進(jìn)而與工件表面的原子反應(yīng)生成揮發(fā)性的氣體，從而實(shí)現(xiàn)材料去除。由于感應(yīng)耦合放電相比別的放電方式，其能量轉(zhuǎn)換率和等離子激發(fā)的程度都更加高，因此適合大口徑的光學(xué)元件的整形加工。圖6 RAPT加工原理示意圖為了充分發(fā)揮RAPT的加工優(yōu)勢，有學(xué)者開發(fā)了加裝有冷卻裝置分體式等離子體發(fā)生 器。Ar (rnam) Excitation ConvergentQuartz tube Glow di領(lǐng)h

7、arge area圖7.分體式炬管結(jié)構(gòu)示意圖11RAPT已經(jīng)開發(fā)了幾代加工機(jī)床了。圖 8為RAPT300機(jī)床，該機(jī)床驗(yàn)證了該技術(shù)的修形能 力。圖9為RAPT Helios 1200機(jī)床，該機(jī)床最大加工尺寸1.2m,在此機(jī)床上已經(jīng)做了大量大口徑光學(xué)元件的修形實(shí)驗(yàn)。圖 8. RAPT300 機(jī)床 圖 9. RAPT Helios 1200 機(jī)床如圖10所示經(jīng)過多次迭代加工曲率半徑為3m的凹球面得到了面形誤差和粗糙度都很小的曲面12。有學(xué)者在熔石英工件上加工出納米尺度的字母圖形，驗(yàn)證了在小尺度范圍內(nèi)的RAPT技術(shù)有很好的加工能力，也證明了去除速率是可控的 13。圖10大口徑ULE凹球面12 圖11納

8、米尺度的字母圖形131.3 等離子體噴射加工技術(shù)等離子體噴射加工技術(shù)(PJM)是德國萊布尼次表面改性研究室設(shè)計(jì)研發(fā)的，PJM也是采用電容耦合放電形式，但PJM的激勵(lì)電源是兩種，一種是射頻電容耦合式的射頻激勵(lì)，另一種是微波電容耦合式的微波激勵(lì)。這兩種激勵(lì)在相近功率能達(dá)到的加工效率是差不多的，但兩種激勵(lì)方式所產(chǎn)生的等離子體的加工效率是大致相同的，但微波激勵(lì)可以承載的功率上限更大，因此微波激勵(lì)一般用在粗加工場合。使用 PJM對SiC表面進(jìn)行加工，面形精度可 以達(dá)到1nm RMS。 1 產(chǎn)HEIIEFT出 QAr+Ch)QAi 的q Mj) 由圳口壯川如戶d Pipe electrode D：tend

9、edleid with aptitur« Platina Jet vicing + diMtrair 卡 rauiiah.RmIU 產(chǎn)使 g, Alomicf uonne F)圖12. PJM加工原理與實(shí)物圖1 4該技術(shù)通過采用不同直徑的等離子體射流炬，可以得到很高去除率的去除函數(shù)，使得加工分辨率和材料去除率都大大提高，這使得在硅基材料上加工自由曲面不成問題，還能提高面形誤差修正的速度正。有學(xué)者開放了一種基于PJM 技術(shù)的自由曲面光學(xué)加工工藝鏈，并且得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種方法配合其他拋光方法，能夠加工出超光滑的表面15。1.4 大氣等離子體加工技術(shù)大氣等離子體加工技術(shù)(APPP)是我國

10、哈爾濱工業(yè)大學(xué)王波教授團(tuán)隊(duì)提出來的，這個(gè)技術(shù)是基于電容耦合的放電方式，使用等離子體射流進(jìn)行加工，該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了國內(nèi)首臺三軸聯(lián)動(dòng)大氣等離子體拋光系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)對單晶硅的超光滑表面加工進(jìn)行了研究。該團(tuán)隊(duì)對其他硬脆材料的研究也在進(jìn)行。對等離子體的發(fā)生裝置也進(jìn)行了研究，對加工光學(xué)微結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了研究，不過沒有達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。4 大氣壓等離子體拋光系統(tǒng)裝置一般來說，大氣壓等離子體拋光系統(tǒng)裝置一般由射頻電源供應(yīng)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、氣體供應(yīng)系統(tǒng)、 等離子體發(fā)生炬、可控運(yùn)動(dòng)工作臺、密封加工艙和廢氣凈化處理裝置等幾部分組成。下面對重要的部分做簡要介紹：4.1 射頻電源供應(yīng)系統(tǒng)射頻電源是大氣等離子拋光系統(tǒng)的重要

11、組成部分之一，它將兩相交流電轉(zhuǎn)換為可供等離子體激發(fā)所使用的射頻電流。射頻(Radio-frequency) 是一種高頻交流變化電磁波的簡稱，射頻電源的性能優(yōu)劣，直接關(guān)系著激發(fā)等子體的穩(wěn)定性。4.2 氣體供應(yīng)系統(tǒng)大氣等離子體拋光利用反應(yīng)氣體激發(fā)產(chǎn)生的活性粒子與工件表面反應(yīng)實(shí)現(xiàn)工件表面材料的去除，因此氣體的流量及穩(wěn)定性等對等離子體放電及加工過程有很大影響。為了使放電均勻、 穩(wěn)定、可控，就需要對氣體的流量進(jìn)行控制。在大氣等離子體拋光系統(tǒng)所使用的氣體有兩類：一類是激發(fā)氣體，是產(chǎn)生等離子體的主要?dú)怏w；第二類為反應(yīng)氣體，是產(chǎn)生活性粒子的主要?dú)怏w16。4.3 等離子體炬等離子體炬是等離子體和活性反應(yīng)原子的激

12、發(fā)裝置，其結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)都會(huì)影響到等離子體特性和放電狀態(tài)，進(jìn)而影響到加工質(zhì)量，因此， 在設(shè)計(jì)和制造等離子體炬的過程中要重點(diǎn)考慮可能會(huì)影響到放電特性的因素。比如： 放電過程中的微小波動(dòng)都會(huì)引起等離子體狀態(tài)的顯著變化，甚至終止放電，因此在電極制造過程中要采用較精密的研拋手段，保證內(nèi)外電極的放電表面都比較光滑，不會(huì)殘留能夠影響到放電的毛刺。5 大氣等離子體加工技術(shù)存在的問題與展望首先是熱影響，加工過程為產(chǎn)生大量熱，這對加工過程不利，需要進(jìn)行控制17。然后是加工分辨率的問題，為了加工光學(xué)微結(jié)構(gòu)，需要有更高的加工分辨率18-20。 還有就是去除速率的問題，現(xiàn)在加工大口徑光學(xué)元件的速度很慢，需要進(jìn)一步提高

13、21。這些問題有待進(jìn)一步研究及解決。參考文獻(xiàn)：1 黨煒 . 大氣等離子體加工技術(shù)定量去除研究D. 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.2 張塍 . 等離子清洗的應(yīng)用與技術(shù)研究J. 電子工業(yè)專用設(shè)備,2006(06):21-273 王東方 . 大氣等離子體加工熔石英材料過程的若干影響因素研究D. 哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.4 張巨帆 , 王波 , 董申 . 超光滑表面加工方法的新進(jìn)展J. 光學(xué)技術(shù),2007(S1):150-15 4.5 Mori Y, Yamauchi K, YamamuraK, et al. Development of Plasma Chemical Vaporization Mac

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