專利名稱：常壓等離子體拋光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種拋光裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代短波光學(xué)、強光光學(xué)、電子學(xué)及薄膜科學(xué)的發(fā)展對表面的要求非?？量?，其明顯特性是表面粗糙度小于1nm Ra。這類表面用作光學(xué)元件時，為獲得最高反射率，特別強調(diào)表面低散射特性或極低粗糙度值；用作功能元件時，因多為晶體材料，相對于表面粗糙度而言，更注重表面的晶格完整性。我們統(tǒng)稱這兩類表面為超光滑表面(ultra smooth surface)。超光滑表面微觀起伏的均方根值為幾個原子的尺寸，因此實現(xiàn)超光滑表面加工的關(guān)鍵在于實現(xiàn)表面材料原子量級的去除。超光滑表面加工的對象為晶體、玻璃和陶瓷等硬脆性材料，一般來說，大部分硬脆材料不能通過類似金屬鑄造或塑性加工的方法來加工，只有采用超精密加工方法，才可以得到較好的超光滑表面。超精密光學(xué)零件加工多采用金剛石超精密切削加工或各種傳統(tǒng)的磨削、拋光加工。超精密金剛石切削本身可以達到極高的加工精度，但是不適合于加工碳化硅、光學(xué)玻璃等硬脆性材料，同時，金剛石超精密機床設(shè)計復(fù)雜，價格昂貴，對材料、測量、控制、環(huán)境等方面的要求都非?？量?，這都限制了它的廣泛使用。目前，光學(xué)零件加工中最常用的加工方法是在精密磨削的基礎(chǔ)上進行傳統(tǒng)的拋光加工，如浴法拋光、浮法拋光等。此類加工方法固然可以得到極高的表面粗糙度，但其材料去除率太低，即加工效率過低，如激光陀螺反射鏡的表面粗糙度要求達到了2_Rq左右，其拋光工藝耗時一般在7天以上，而且，拋光加工不適合非球曲面零件的加工，很難對零件的表面形狀誤差進行修正。特別是當光學(xué)零件采用碳化硅等極難加工材料時，由于碳化硅材料的高硬度，在對其進行拋光時，拋光壓力至少是拋光玻璃陶瓷時的4倍，這在加工非常薄的輕質(zhì)反射鏡鏡片時，可能引起災(zāi)難性的后果。此外，不管是超精密金剛石切削還是各種磨削、拋光加工，都不可避免地存在傳統(tǒng)機械接觸式加工的所固有的缺陷。例如，接觸式機械加工都不同程度地會造成材料的表面破壞，形成微裂紋或引起材料的晶格擾動，從而影響到反射鏡的表面質(zhì)量，降低其表面破壞閾值。有時，即使可以得到表面粗糙度滿足要求的鏡面，但是仍然無法避免在表層掩蓋下的亞表面損傷。所有這些都會最終影響反射鏡的光學(xué)性能。機械式的研拋工藝帶來的另外一個問題是拋光后超光滑表面的清洗問題，表面存在的難以清洗的殘留物將直接影響到后續(xù)的納米級薄膜的成膜質(zhì)量或微電子器件的線寬、集成度和可靠性。
因此，傳統(tǒng)的機械加工手段在尖端超光滑表面加工中已經(jīng)日益顯出其局限性。在國防和尖端科學(xué)研究的眾多領(lǐng)域，迫切需要開發(fā)一種不會造成表面損傷的、高效、無表面污染的超光滑表面加工方法。
非接觸式加工方法為實現(xiàn)上述要求提供了潛在的理想解決方案。到目前為止，非接觸式材料去除的嘗試已經(jīng)多有報道。其中，真空等離子體刻蝕技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)中被廣泛采用，它適用于加工包括半導(dǎo)體、金屬和玻璃在內(nèi)的多種材料。研究表明，這種加工方法的材料去除主要由活性離子與工件表面反應(yīng)和離子濺射來實現(xiàn)的，因此，它又被稱為RIE(反應(yīng)離子刻蝕)。RIE可以實現(xiàn)超光滑表面的加工，但它的缺點包括①材料去除速率過低，不適合需要大量材料去除的反射鏡形面誤差修整；②RIE的精密光整加工必須在真空環(huán)境中進行，為機電系統(tǒng)的設(shè)計、維護和操作均提出了很高的要求；③離子濺射作用的存在破壞表面的晶格結(jié)構(gòu)，甚至降低表面粗糙度。
作為RIE技術(shù)的改進，PACE(等離子體輔助拋光技術(shù))也是一種非常成功的非接觸式化學(xué)拋光方法。它通過RF等離子體使反應(yīng)氣體分解，產(chǎn)生活性激發(fā)態(tài)粒子，其與工件發(fā)生反應(yīng)，從而實現(xiàn)材料的去除。此種加工方法可以實現(xiàn)很高的材料去除率(10μm/min)和極高的加工精度(≤λ/50)和表面粗糙度(≤0.5nm)。該方法的主要不足之處在于它要求被加工工件是導(dǎo)體或工件厚度不大于10mm。當工件為厚度大于10mm的絕緣體時，其加工效率將低到讓該方法失去正常的使用價值。而且，PACE必須在真空環(huán)境中完成。
此外，離子束濺射或中性離子銑也是一種重要的非接觸式加工技術(shù)。該技術(shù)通過離子與工件表面的分子或原子之間的濺射效應(yīng)實現(xiàn)工件材料的去處。這并不是一種新技術(shù)，它主要用于石英玻璃的光學(xué)拋光。它的主要缺點是1、由于異種載能離子轟擊，離子束濺射會破壞晶格的完整性，在亞表面產(chǎn)生缺陷；2、需要在真空裝置中進行。
針對當前的非接觸式加工存在的不足，國際上提出了常壓等離體拋光加工方法。該方法通過射頻放電產(chǎn)生非熱平衡常壓等離子體(Non-thermalatmospheric pressure plasma)，其工作氣體主要包括He和少量的反應(yīng)氣體，如SF6等。在等離子體的作用下，這些反應(yīng)氣體形成大量高活性的激發(fā)態(tài)粒子。在拋光過程中，活性粒子將被光學(xué)零件表面原子所吸附并與之反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物隨不斷流動的常壓等離子體排走，從而實現(xiàn)原子級的材料去除。從原理上說，這是一種化學(xué)加工方法，不會在工件表面產(chǎn)生破壞層。
與真空氣體放電相比，常壓等離子體技術(shù)主要有以下主要優(yōu)勢1、能夠在一個大氣壓下產(chǎn)生大面積均勻的低溫等離子體，不需要真空室，可大大降低設(shè)備成本并擴大其使用范圍；2、常壓等離子體具有很高的等離子體密度，其電子密度最高能夠達到1×1014-1×1015cm-3之間，比真空等離子體要高4-6個數(shù)量級。常規(guī)條件下，等離子體中活性粒子密度比等離子體密度高1到2個數(shù)量級，因此采用常壓等離子體可以保證很高的化學(xué)反應(yīng)速度，從而實現(xiàn)光學(xué)零件高效加工。
目前，世界上只有日本大阪大學(xué)和美國Lawrence Livermore國家實驗室在從事常壓等離子體拋光技術(shù)的研究。大阪大學(xué)是最早從事這方面研究的單位，他們開發(fā)了一種叫做化學(xué)蒸發(fā)加工(CVM)的方法，該方法采用旋轉(zhuǎn)平行電極來產(chǎn)生等離子體。據(jù)報道，大阪大學(xué)已經(jīng)可以在加工半導(dǎo)體用硅片時實現(xiàn)1.4nm的表面粗糙度，材料去除速率最高可達數(shù)百微米每分鐘，與常規(guī)的研磨效率相當，而其表面缺陷密度僅為常規(guī)機械拋光和氬離子濺射加工方法的1/100。另據(jù)報道，采用此種技術(shù)加工90mm直徑的光學(xué)反射鏡，面型精度達到了3nm(PV)，約相當于20個原子的高度。但是，他們采用的加工方法存在不足，由于等離子體是在旋轉(zhuǎn)電極和工件之間產(chǎn)生，它會受很多因素，如RF功率、氣體流速等的影響，很難實現(xiàn)等離子體區(qū)的建模和控制，從而使得加工痕跡的可重復(fù)性控制和預(yù)測變得非常困難，很難保證加工精度。美國Lawrence Livermore實驗室近年來對常壓等離子體拋光技術(shù)也表現(xiàn)出了極大的興趣，他們開發(fā)了叫做反應(yīng)原子等離子體拋光(RAP)的方法，采用商品化的電感耦合等離子體炬來產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，很好地解決了大阪大學(xué)遇到的加工重復(fù)性問題，使活性原子常壓等離子體拋光精度的預(yù)測成為可能。但是，該等離子體炬存在著內(nèi)炬管易腐蝕的問題，系統(tǒng)的維護性不好。
本發(fā)明專利主要針對一種基于射頻電容耦合等離子體炬的常壓等離子體拋光裝置，該裝置的核心部件完全不同于現(xiàn)有的基于等離子體化學(xué)反應(yīng)原理的拋光裝置，兼具了CVM和RAP技術(shù)的優(yōu)勢，利用該裝置可實現(xiàn)高效、無表面損傷、無表面污染的超光滑表面加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決常規(guī)的機械式研拋方法在大型輕質(zhì)反射鏡加工中存在的不足之處，以及在碳化硅等硬脆性難加工材料的超光滑表面加工中存在的效率低、容易產(chǎn)生表層及亞表層損傷、表面清洗困難等問題，提供一種常壓等離子體拋光裝置。本發(fā)明利用常壓等離子體中的高密度高能活性粒子與材料表面的原子發(fā)生物理、化學(xué)作用，實現(xiàn)高效的、原子級的材料去除，同時又不會在工件表面產(chǎn)生表層或亞表層損傷，可有效克服超光滑表面加工過程中存在的問題，具有機械加工手段所無法比擬的優(yōu)勢。而且，采用常壓條件下的等離子體發(fā)生技術(shù)，避免了通常的等離子體工藝裝置都要求的復(fù)雜的真空系統(tǒng)，實現(xiàn)了更低成本的大氣壓下均勻放電，可以大大減少工業(yè)界在真空設(shè)備上的投資。本發(fā)明由密閉工作艙51、第一聯(lián)動系統(tǒng)52、等離子體炬53、工作臺56、第二聯(lián)動系統(tǒng)57、射頻電源58、射頻匹配器59、第一流量控制器60、反應(yīng)氣體瓶61、等離子體氣體瓶62、氣體回收處理裝置63、負壓泵64、第二流量控制器65、進水管68和出水管69組成，第一聯(lián)動系統(tǒng)52與第二聯(lián)動系統(tǒng)57一起固定在位于密閉工作艙51底部內(nèi)壁上的共同的基座54上，等離子體炬53安裝在第一聯(lián)動系統(tǒng)52上，并可以在第一聯(lián)動系統(tǒng)52上實現(xiàn)直線運動和回轉(zhuǎn)運動，第一聯(lián)動系統(tǒng)52主要作用為調(diào)整等離子體炬53與工件55間的距離，并保證等離子體炬53的軸線方向與工件55被加工表面的法線方向重合，工作臺56安裝在第二聯(lián)動系統(tǒng)57上并可在第二聯(lián)動系統(tǒng)57上實現(xiàn)直線運動和回轉(zhuǎn)運動，第二聯(lián)動系統(tǒng)57主要作用為通過直線運動和回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)工件55的定位，第一聯(lián)動系統(tǒng)52和第二聯(lián)動系統(tǒng)57配合實現(xiàn)等離子體炬53與工件55間的特定的相對運動軌跡，完成對平面、球面、非球面以及更復(fù)雜曲面的拋光加工，射頻電源58與射頻匹配器59電連接，反應(yīng)氣體瓶61由管線與第二流量控制器65的入口相連通，第二流量控制器65的出口通過管線經(jīng)由密閉工作艙51上的管線接口66與等離子體炬53相連接，等離子體氣體瓶62由管線與第一流量控制器60的入口相連通，第一流量控制器60的出口通過管線經(jīng)由密閉工作艙51上的管線接口66與等離子體炬53相連接，進水管68和出水管69分別經(jīng)由密閉工作艙51上的管線接口66與等離子體炬53相連接，氣體回收處理裝置63的入口與負壓泵64的出口相連接，負壓泵64的入口通過管線與密閉工作艙51的出氣口67相連接。本發(fā)明的有益效果在于可在常壓條件下實現(xiàn)超光滑表面的高效、高精度的拋光加工，同時避免了常規(guī)的機械式研拋方法中存在的表層或亞表層損傷等問題；同時，能夠在一個大氣壓下產(chǎn)生大面積均勻的低溫等離子體，不需要真空室，可大大降低設(shè)備成本并擴大其使用范圍；常壓等離子體具有很高的等離子體密度，其電子密度最高能夠達到1×1014-1×1015cm-3之間，比真空等離子體要高4-6個數(shù)量級。常規(guī)條件下，等離子體中活性粒子密度比等離子體密度高1到2個數(shù)量級，因此采用常壓等離子體可以保證很高的化學(xué)反應(yīng)速度，加工效率是傳統(tǒng)拋光方法的10倍。


圖1是發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是等離子體炬53的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是圖2中出口7處的放大圖，圖4是具體實施方式
三的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是具體實施方式
四的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是第二種等離子體炬53的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是具體實施方式
七的結(jié)構(gòu)示意圖，圖8是具體實施方式
八的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一(參見圖1、圖2)本實施方式由密閉工作艙51、第一聯(lián)動系統(tǒng)52、等離子體炬53、工作臺56、第二聯(lián)動系統(tǒng)57、射頻電源58、射頻匹配器59、第一流量控制器60、反應(yīng)氣體瓶61、等離子體氣體瓶62、氣體回收處理裝置63、負壓泵64、第二流量控制器65、進水管68和出水管69組成，第一聯(lián)動系統(tǒng)52與第二聯(lián)動系統(tǒng)57一起固定在位于密閉工作艙51底部內(nèi)壁上的共同的基座54上，等離子體炬53安裝在第一聯(lián)動系統(tǒng)52上并可在第一聯(lián)動系統(tǒng)52上實現(xiàn)直線運動和回轉(zhuǎn)運動，第一聯(lián)動系統(tǒng)52主要作用為調(diào)整等離子體炬53與工件55間的距離，保證等離子體炬53的軸線方向與工件55被加工表面的法線方向重合，工作臺56設(shè)置在第二聯(lián)動系統(tǒng)57上并可在第二聯(lián)動系統(tǒng)57上實現(xiàn)直線運動和回轉(zhuǎn)運動，第二聯(lián)動系統(tǒng)57主要作用為通過直線運動和回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)工件55的定位，第一聯(lián)動系統(tǒng)52和第二聯(lián)動系統(tǒng)57配合實現(xiàn)等離子體炬53與工件55間的特定的相對運動軌跡，完成對平面、球面、非球面和更復(fù)雜曲面的拋光加工，射頻電源58與射頻匹配器59電連接，反應(yīng)氣體瓶61由管線與第二流量控制器65的入口相連通，第二流量控制器65的出口通過管線經(jīng)由密閉工作艙51上的管線接口66與等離子體炬53相連接，等離子體氣體瓶62由管線與第一流量控制器60的入口相連通，第一流量控制器60的出口通過管線經(jīng)由密閉工作艙51上的管線接口66與等離子體炬53相連接，進水管68和出水管69分別經(jīng)由密閉工作艙51上的管線接口66與等離子體炬53相連接，氣體回收處理裝置63的入口與負壓泵64的出口相連接，負壓泵64的入口通過管線與密閉工作艙5 1的出氣口67相連接。本實施方式適用于超光滑表面的等離子體拋光加工，主要部件包括一、用于置放等離子體炬53(電容耦合式常壓射頻等離子體源)和工件55的密閉工作艙51；二、等離子體發(fā)生系統(tǒng)，包括等離子體炬53，射頻電源58和射頻匹配器59。通過操作等離子體炬53完成對工件表面的超精密等離子體拋光加工；三、多軸聯(lián)動超精密工作臺體及其運動控制系統(tǒng)，它可實現(xiàn)一個或多個自由度的回轉(zhuǎn)運動以及一個或多個自由度的直線運動，該工作臺56工作于密閉工作艙中。工作臺56實現(xiàn)一個或多個自由度的直線往復(fù)運動及一個或多個自由度的旋轉(zhuǎn)運動，等離子體炬53實現(xiàn)一個或多個自由度的直線往復(fù)運動以及一個或多個自由度的旋轉(zhuǎn)運動。本聯(lián)動系統(tǒng)的直線運動機構(gòu)采用伺服電機直接拖動滾珠絲杠，并由滾珠絲杠的絲杠螺母副實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動與直線運動的轉(zhuǎn)換，并通過光柵尺實現(xiàn)位置反饋，從而構(gòu)成全閉環(huán)直線運動控制系統(tǒng)。本聯(lián)動系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運動通過伺服電機拖動渦輪蝸桿副來實現(xiàn)，并通過光電碼盤反饋角位移，從而實現(xiàn)全閉環(huán)角位置控制。四、反應(yīng)氣體供給裝置，本裝置負責為等離子體發(fā)生裝置提供適當配方的反應(yīng)氣體。因此，能夠精確地調(diào)整各種氣體的比例，并能夠保證反應(yīng)氣體流速的高穩(wěn)定性。這是生成穩(wěn)定的等離子體放電的重要前提。本部分主要包括氣體鋼瓶、減壓閥、質(zhì)量流量計。高壓氣體經(jīng)減壓閥減壓后，通過質(zhì)量流量計精確控制流入等離子體炬53的氣體流量。五、氣體回收處理裝置63。根據(jù)常壓、低溫等離子體拋光的化學(xué)反應(yīng)原理，加工產(chǎn)物中可能包含有毒化學(xué)氣體，必須進行無害化處理。
其中，等離子體炬53為核心部件，詳細結(jié)構(gòu)參見圖2、圖3。本實施方式的等離子體炬53由陽極水冷導(dǎo)管1、進氣接頭3、陰極水冷接頭一4、陽極5、陰極6、陰極水冷接頭二8、外套9、陶瓷螺母10、連接體11、連接螺母12組成，陰極6與外套9固定連接，陰極6的外壁與外套9的內(nèi)壁之間形成水冷環(huán)形空間13，陰極水冷接頭一4固定在外套9一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陰極水冷接頭二8固定在外套9另一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陶瓷螺母10的右端與陰極6的左端固定連接，連接體11的右端與陶瓷螺母10的左端固定連接，陽極5的左端通過螺紋及陽極5中間的臺肩固定在連接體11和陶瓷螺母10內(nèi)，陽極5的右端設(shè)置在陰極6內(nèi)，陽極5的外壁與陰極6的內(nèi)壁之間形成工作腔15，陰極6的右端設(shè)有出口7，進氣接頭3固定在陶瓷螺母10的外壁上并與陶瓷螺母10內(nèi)的進氣通道14相連通，陶瓷螺母10內(nèi)的進氣通道14與陽極5和陰極6之間的工作腔15相連通，陽極水冷導(dǎo)管1設(shè)置在陽極5的內(nèi)腔16內(nèi)，連接螺母12固定在陽極5的左端口內(nèi)，陽極水冷導(dǎo)管1的左端固定在連接螺母12的中心處并與外部供水管相通，連接體11內(nèi)設(shè)有冷卻水通道2，冷卻水通道2的里端與陽極5的內(nèi)腔16相連通，冷卻水通道2的外端與外界回水管相通。陰極6和陽極5的基體材料均為鋁，在陽極5的外表面上氧化有一層Al2O3薄膜。
具體實施方式
二(參見圖2、圖3)本實施方式的等離子體炬53的陰極6的出口7為內(nèi)口大外口小的圓錐臺形17，陽極5的右端與陰極6的出口7的圓錐臺形17相對應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三(參見圖4)本實施方式的等離子體炬53的陰極6的出口7為直口形18，陽極5的右端與陰極6的出口7的直口形18相對應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四(參見圖5)本實施方式的等離子體炬53的陰極6的出口7為外口大內(nèi)口小的喇叭形19，陽極5的右端與陰極6的出口7的喇叭形19相對應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五(參見圖6)本實施方式的等離子體炬53由陽極水冷導(dǎo)管1、進氣接頭3、陰極水冷接頭一4、陽極5、陰極6、陰極水冷接頭二8、外套9、陶瓷螺母10、連接體11、連接螺母12和端蓋20組成，陰極6與外套9固定連接，陰極6的外壁與外套9的內(nèi)壁之間形成水冷環(huán)形空間13，陰極水冷接頭一4固定在外套9一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陰極水冷接頭二8固定在外套9另一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間13相連通，陶瓷螺母10的右端與陰極6的左端固定連接，連接體11的右端與陶瓷螺母10的左端固定連接，陽極5的左端通過螺紋及陽極5中間的臺肩固定在連接體11和陶瓷螺母10內(nèi)，陽極5的右端設(shè)置在陰極6內(nèi)，陽極5的外壁與陰極6的內(nèi)壁之間形成工作腔15，進氣接頭3固定在陶瓷螺母10的外壁上并與陶瓷螺母10內(nèi)的進氣通道14相連通，陶瓷螺母10內(nèi)的進氣通道14與陽極5和陰極6之間的工作腔15相連通，陽極水冷導(dǎo)管1設(shè)置在陽極5的內(nèi)腔16內(nèi)，連接螺母12固定在陽極5的左端口內(nèi)，陽極水冷導(dǎo)管1的左端固定在連接螺母12的中心處并與外界進水管相通，連接體11內(nèi)設(shè)有冷卻水通道2，冷卻水通道2的里端與陽極5的內(nèi)腔16相連通，冷卻水通道2的外端與外界回水管相通，端蓋20與外套9的右端螺紋連接，端蓋20的中部開有出口27。陰極6和陽極5的基體材料均為鋁，在陽極5的外表面上氧化形成一層Al2O3薄膜。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
六(參見圖6)本實施方式的等離子體炬53的端蓋20的出口27為內(nèi)口大外口小的圓錐臺形21，陽極5的右端與端蓋20的出口27的圓錐臺形21相對應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
七(參見圖7)本實施方式的等離子體炬53的端蓋20的出口27為直口形22，陽極5的右端與端蓋20的出口27的直口形22相對應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
八(參見圖8)本實施方式的等離子體炬53的端蓋20的出口27為外口大內(nèi)口小的喇叭形23，陽極5的右端與端蓋20的出口27的喇叭形23相對應(yīng)。其它組成和連接關(guān)系與具體實施方式
五相同。
以上具體實施方式
五至具體實施方式
八與具體實施方式
一相比，其優(yōu)點在于能夠方便地更換陽極和端蓋，利用氣流流動帶動等離子體運動，由出口27吹出，得到特定形狀的等離子體焰。
工作原理在常壓下，等離子體氣體(如氦氣、氬氣等)在射頻電場的作用下被電離，形成非熱平衡等離子體，在等離子體的作用下，反應(yīng)氣體(如CF4、SF6等)被離解，形成大量高活性的激發(fā)態(tài)粒子。在拋光過程中，活性粒子將被光學(xué)零件表面原子所吸附并與之反應(yīng)，從而實現(xiàn)原子級的材料去除，同時又不會在工件表面產(chǎn)生表層或亞表層損傷。以采用CF4作為反應(yīng)氣體，加工SiC為例，相關(guān)化學(xué)反應(yīng)方程式如下

利用射頻放電產(chǎn)生的常壓等離子體中的高密度高活性激發(fā)態(tài)F*原子，與工件表面SiC原子層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達到原子級的材料去除，并生成容易回收的SiF4和CO2氣體。特點(1)此電容耦合式射頻常壓等離子體炬適用于超光滑表面的等離子體拋光加工，采用了基于電容耦合原理的同軸電極炬體結(jié)構(gòu)，內(nèi)(陽極)外(陰極)電極均采用水冷，其中，內(nèi)電極接射頻電源，外電極接地。內(nèi)外電極之間采用絕緣材料良好的隔離結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的等離子體炬克服了CVM方法中的旋轉(zhuǎn)電極等離子體源和RAP方法中的電感耦合玻璃管等離子體炬的缺點，等離子體形狀易于控制，免維護。氣體輸入采用流量計精確控制，多路氣體可以同時輸入。(2)工作腔15為等離子體發(fā)生區(qū)域，出口為等離子體引出區(qū)域。通過優(yōu)化等離子體炬的結(jié)構(gòu)，可以得到穩(wěn)定可控的等離子體外形。采用圓錐臺形、直口形或喇叭形的出口形狀，利用氣流流動帶動等離子體運動，由出口吹出，得到特定形狀的等離子體焰。(3)陽極水冷導(dǎo)管1和冷卻水通道2為陽極水冷系統(tǒng)的入口和出口，冷水從陽極水冷導(dǎo)管1進入陽極內(nèi)部的空腔16，由冷卻水通道2流出，帶走熱量。陰極水冷接頭一4和陰極水冷接頭二8為陰極水冷系統(tǒng)的入口和出口，冷水由其中一口流入陰極外的空腔13中，帶走熱量，由另外一口流出。電容耦合等離子體炬采用循環(huán)水冷結(jié)構(gòu)，保證了在加工過程中常壓等離子體的穩(wěn)定性。以上水冷裝置也可以采用油冷或氣體冷卻。(4)陰極陽極的基體材料均為鋁，在其安裝定位上，采用了可加工陶瓷制作的螺母，它不但絕緣性好，而且耐高壓。同時，還通過微弧氧化的方法，在陽極5的外表面形成有一層Al2O3薄膜，有效地抑制了電極間的拉弧現(xiàn)象，極大地提高了等離子體炬的整體性能。(5)采用射頻電源及配套的射頻匹配器。此電容耦合式常壓等離子體炬的結(jié)構(gòu)決定了通過射頻電源放電產(chǎn)生非熱平衡常壓等離子體，從而激發(fā)出高能活性粒子為最佳方案。通過射頻電源放電產(chǎn)生非熱平衡常壓等離子體(Non-thermalatmospheric pressure plasma)。針對Si，SiC等材料的加工，反應(yīng)氣體根據(jù)化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)的原理選擇。在保證化學(xué)反應(yīng)可進行的同時，反應(yīng)生成物應(yīng)當易于排出，不會對加工表面造成新的污染。本例中，工作氣體主要包括He和少量的反應(yīng)氣體，如CF4等。反應(yīng)氣體成份與比例，反應(yīng)氣體流速等參數(shù)對等離子體中活性粒子密度和能量均有較大影響，反應(yīng)氣體配比的微小變化都會對等離子體放電狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響，甚至可能造成等離子體放電過程的終止，因此應(yīng)精確控制。工作氣體由進氣接頭3進入兩電極間的腔體(工作腔15)。在工作狀態(tài)下，通過流量控制器實現(xiàn)參與反應(yīng)的各氣體成分的精確控制。在等離子體的作用下，這些反應(yīng)氣體形成大量高活性的激發(fā)態(tài)粒子，并由出口吹向工件表面。在拋光過程中，活性粒子將被光學(xué)零件表面原子所吸附并與之反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物隨不斷流動的常壓等離子體排走，從而實現(xiàn)原子級的材料去除。
權(quán)利要求
1.一種常壓等離子體拋光裝置，它由密閉工作艙(51)、第一聯(lián)動系統(tǒng)(52)、等離子體炬(53)、工作臺(56)、第二聯(lián)動系統(tǒng)(57)、射頻電源(58)、射頻匹配器(59)、第一流量控制器(60)、反應(yīng)氣體瓶(61)、等離子體氣體瓶(62)、氣體回收處理裝置(63)、負壓泵(64)、第二流量控制器(65)、進水管(68)和出水管(69)組成，其特征在于第一聯(lián)動系統(tǒng)(52)與第二聯(lián)動系統(tǒng)(57)一起固定在位于密閉工作艙(51)底部內(nèi)壁上的共同的基座(54)上，等離子體炬(53)安裝在第一聯(lián)動系統(tǒng)(52)上并在第一聯(lián)動系統(tǒng)(52)上實現(xiàn)直線運動和回轉(zhuǎn)運動，工作臺(56)設(shè)置在第二聯(lián)動系統(tǒng)(57)上并在第二聯(lián)動系統(tǒng)(57)上實現(xiàn)直線運動和回轉(zhuǎn)運動，射頻電源(58)與射頻匹配器(59)電連接，反應(yīng)氣體瓶(61)由管線與第二流量控制器(65)的入口相連通，第二流量控制器(65)的出口通過管線經(jīng)由密閉工作艙(51)上的管線接口(66)與等離子體炬(53)相連接，等離子體氣體瓶(62)由管線與第一流量控制器(60)的入口相連通，第一流量控制器(60)的出口通過管線經(jīng)由密閉工作艙(51)上的管線接口(66)與等離子體炬(53)相連接，進水管(68)和出水管(69)分別經(jīng)由密閉工作艙(51)上的管線接口(66)與等離子體炬(53)相連接，氣體回收處理裝置(63)的入口與負壓泵(64)的出口相連接，負壓泵(64)的入口通過管線與密閉工作艙(51)的出氣口(67)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常壓等離子體拋光裝置，其特征在于等離子體炬(53)由陽極水冷導(dǎo)管(1)、進氣接頭(3)、陰極水冷接頭一(4)、陽極(5)、陰極(6)、陰極水冷接頭二(8)、外套(9)、陶瓷螺母(10)、連接體(11)和連接螺母(12)組成，其特征在于陰極(6)與外套(9)固定連接，陰極(6)的外壁與外套(9)的內(nèi)壁之間形成水冷環(huán)形空間(13)，陰極水冷接頭一(4)固定在外套(9)一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間(13)相連通，陰極水冷接頭二(8)固定在外套(9)另一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間(13)相連通，陶瓷螺母(10)的右端與陰極(6)的左端固定連接，連接體(11)的右端與陶瓷螺母(10)的左端固定連接，陽極(5)的左端通過螺紋及陽極(5)中間的臺肩固定在連接體(11)和陶瓷螺母(10)內(nèi)，陽極(5)的右端設(shè)置在陰極(6)內(nèi)，陽極(5)的外壁與陰極(6)的內(nèi)壁之間形成工作腔(15)，陰極(6)的右端設(shè)有出口(7)，進氣接頭(3)固定在陶瓷螺母(10)的外壁上并與陶瓷螺母(10)內(nèi)的進氣通道(14)相連通，陶瓷螺母(10)內(nèi)的進氣通道(14)與陽極(5)和陰極(6)之間的工作腔(15)相連通，陽極水冷導(dǎo)管(1)設(shè)置在陽極(5)的內(nèi)腔(16)內(nèi)，連接螺母(12)固定在陽極(5)的左端口內(nèi)，陽極水冷導(dǎo)管(1)的左端固定在連接螺母(12)的中心處并與外界進水管相通，連接體(11)內(nèi)設(shè)有冷卻水通道(2)，冷卻水通道(2)的里端與陽極(5)的內(nèi)腔(16)相連通，冷卻水通道(2)的外端與外界出水管相通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的常壓等離子體拋光裝置，其特征在于等離子體炬(53)的陰極(6)的出口(7)為內(nèi)口大外口小的圓錐臺形(17)，陽極(5)的右端與陰極(6)的出口(7)的圓錐臺形(17)相對應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的常壓等離子體拋光裝置，其特征在于等離子體炬(53)的陰極(6)的出口(7)為直口形(18)，陽極(5)的右端與陰極(6)的出口(7)的直口形(18)相對應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的常壓等離子體拋光裝置，其特征在于等離子體炬(53)的陰極(6)的出口(7)為外口大內(nèi)口小的喇叭形(19)，陽極(5)的右端與陰極(6)的出口(7)的喇叭形(19)相對應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2、3、4或5所述的常壓等離子體拋光裝置，其特征在于等離子體炬(53)的陰極(6)和陽極(5)的基體材料均為鋁，在陽極(5)的外表面上氧化形成一層Al2O3薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常壓等離子體拋光裝置，其特征在于等離子體炬(53)由陽極水冷導(dǎo)管(1)、進氣接頭(3)、陰極水冷接頭一(4)、陽極(5)、陰極(6)、陰極水冷接頭二(8)、外套(9)、陶瓷螺母(10)、連接體(11)、連接螺母(12)和端蓋(20)組成，其特征在于陰極(6)與外套(9)固定連接，陰極(6)的外壁與外套(9)的內(nèi)壁之間形成水冷環(huán)形空間(13)，陰極水冷接頭一(4)固定在外套(9)一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間(13)相連通，陰極水冷接頭二(8)固定在外套(9)另一側(cè)的外壁上并與水冷環(huán)形空間(13)相連通，陶瓷螺母(10)的右端與陰極(6)的左端固定連接，連接體(11)的右端與陶瓷螺母(10)的左端固定連接，陽極(5)的左端通過螺紋及陽極(5)中間的臺肩固定在連接體(11)和陶瓷螺母(10)內(nèi)，陽極(5)的右端設(shè)置在陰極(6)內(nèi)，陽極(5)的外壁與陰極(6)的內(nèi)壁之間形成工作腔(15)，進氣接頭(3)固定在陶瓷螺母(10)的外壁上并與陶瓷螺母(10)內(nèi)的進氣通道(14)相連通，陶瓷螺母(10)內(nèi)的進氣通道(14)與陽極(5)和陰極(6)之間的工作腔(15)相連通，陽極水冷導(dǎo)管(1)設(shè)置在陽極(5)的內(nèi)腔(16)內(nèi)，連接螺母(12)固定在陽極(5)的左端口內(nèi)，陽極水冷導(dǎo)管(1)的左端固定在連接螺母(12)的中心處并與外界進水管相通，連接體(11)內(nèi)設(shè)有冷卻水通道(2)，冷卻水通道(2)的里端與陽極(5)的內(nèi)腔(16)相連通，冷卻水通道(2)的外端與外界出水管相通，端蓋(20)與外套(9)的右端螺紋連接，端蓋(20)的中部開有出口(27)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的常壓等離子體拋光裝置，其特征在于等離子體炬(53)的端蓋(20)的出口(27)為內(nèi)口大外口小的圓錐臺形(21)，陽極(5)的右端與端蓋(20)的出口(7)的圓錐臺形(21)相對應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的常壓等離子體拋光裝置，其特征在于等離子體炬(53)的端蓋(20)的出口(27)為直口形(22)，陽極(5)的右端與端蓋(20)的出口(27)的直口形(22)相對應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的常壓等離子體拋光裝置，其特征在于等離子體炬(53)的端蓋(20)的出口(27)為外口大內(nèi)口小的喇叭形(23)，陽極(5)的右端與端蓋(20)的出口(27)的喇叭形(23)相對應(yīng)。
全文摘要
常壓等離子體拋光裝置，它涉及一種拋光裝置。本發(fā)明的目的是為解決常規(guī)的機械式研拋方法存在的不足及在碳化硅等硬脆性難加工材料的超光滑表面加工中存在的效率低、易產(chǎn)生表層及亞表層損傷、表面清洗困難等問題。本發(fā)明的主要部件包括密封工作艙(51)、等離子體炬(53)、第一聯(lián)動系統(tǒng)(52)、第二聯(lián)動系統(tǒng)(57)、第一流量控制器(60)、第二流量控制器(65)、反應(yīng)氣體瓶(61)、等離子體氣體瓶(62)、氣體回收處理裝置(63)，等離子體炬(53)安裝在第一聯(lián)動系統(tǒng)(52)上。本發(fā)明可在常壓下通過等離子體化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)超光滑表面加工，不需要真空室，可降低設(shè)備成本并擴大其使用范圍。加工效率是傳統(tǒng)拋光方法的十倍，并且無表面損傷、無亞表層損傷、無表面污染。
文檔編號B24B1/00GK1876320SQ20061001029
公開日2006年12月13日 申請日期2006年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日
發(fā)明者王波, 張巨帆, 王浪平, 張龍江, 董申 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)