等離子體拋光

等離子體拋光技術陳志航2015.4.21一、概念知識等離子體拋光是一種利用化學反應來去除表面材料而實現(xiàn)超光滑拋光的方法。該方法始于二十世紀九十年代，現(xiàn)在水平已達面形精度λ/50，表面粗糙度優(yōu)于0.5nm。加工范圍廣，適用于各種尺寸和面形，是一種很有前途的超精加工方法。等離子體：英文名plasma,是由部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產(chǎn)生的正負離子組成的離子化氣體狀物質。等離子體拋光特點PACE拋光在真空室內(nèi)進行。該方法只有表面的化學反應，工件不受機械壓力，沒有相應的機械變形和損傷，無亞表面破壞，無污染，工件邊緣無畸變。材料的去除率控制精度高，可獲得精確面形。去除率高，可為0～10μm/min。二、發(fā)展歷程1.傳統(tǒng)的等離子體拋光

傳統(tǒng)的真空等離子體表面加工技術通常使用六氟化硫、四氟化碳等具有腐蝕作用的氣體,利用高頻電場激發(fā)產(chǎn)生等離子體,等離子體中的活性自由基能夠與被加工材料表面原子產(chǎn)生化學反應,生成強揮發(fā)性氣體,在此過程中產(chǎn)生拋光效果。幾種材料及其拋光氣體和化學反應式

材料拋光氣體反應方程式SiO2(石英)CF4SiO2+CF4→SiF4↑+CO2↑SiCNF3SiC+NF3→SiFx↑+CFy↑BeCl2Be+Cl2

→BeCl2優(yōu)點:根據(jù)多數(shù)工藝實驗的結果發(fā)現(xiàn),此方法原理明了,設備簡單缺點：加工的方向性與選擇性差，加工效率不高2.反應離子刻蝕技術（RIE，ReactiveIonEtching）成為等離子體拋光技術的研究重點,此方法的拋光原理是利用高頻電場激發(fā)等離子體,產(chǎn)生氣體輝光放電,利用等離子體中離子轟擊的物理效應與活性自由基的化學反應效應共同去除被加工件的表面材料。優(yōu)點：刻蝕速率高,方向性與選擇性好。缺點：由于加工過程中有離子轟擊的物理效應,很容易破壞被加工件表面的晶格結構,使表面粗糙度增加。3.低溫等離子輔助拋光技術（PACE，PlasmaAssistedChemicalEtaching

），主要的刻蝕原理為等離子體中的活性自由基與被加工件表面原子間發(fā)生化學反應,產(chǎn)生揮發(fā)性強的物質,不引入新的表面污染,實現(xiàn)以化學作用為主的材料去除。此方法拋光效率高,加工后無亞表層損傷,可加工球面與非球面。因為此方法使用射頻放電激發(fā)等離子體,離子在電場中的加速時間變短,使等離子體中的離子能量比較低,離子轟擊物理效應帶來的被加工表面晶格結構破壞微弱,能夠獲得良好的拋光效果?？杉庸ぶ睆綖槊椎姆乔蛎?加工后面形精度小于λ/50，表面粗糙度小于0.2nm。三、等離子體輔助拋光設備

拋光過程是一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)的控制過程。拋光頭位于工件表面上方幾mm處垂直于被加工表面，由一個5軸CNC(CNC即數(shù)控機床)來控制，以滿足不同表面需要。通過控制拋光頭的相關參數(shù)可使拋光頭的去除函數(shù)形狀在拋光過程中改變，更加有效提高收斂速度。利用材料去除量控制設備可實時監(jiān)控表面去除量，進而實現(xiàn)閉環(huán)控制。材料去除量是駐留時間的函數(shù)，控制精度可達1％。由四部分組成：等離子體發(fā)生系統(tǒng)、多軸聯(lián)動工作臺及其運動控制系統(tǒng)、反應氣體供給系統(tǒng)、尾氣排放及無害化處理系統(tǒng)。反應氣體供給裝置：負責為等離子體發(fā)生裝置提供適當配方的反應氣體。因此,應能夠精確地調整各種氣體的比例,并能夠保證反應氣體流速的高穩(wěn)定性。這是生成穩(wěn)定的等離子體放電的重要前提。四、應用領域1.空間光學元件

空間光學元件,如天文衛(wèi)星、光望遠鏡以及激光陀螺等,要求元件分辨率高、尺寸大、精度高、表面粗糙度小。由于這些光學系統(tǒng)的大部分光學元件的工作波段是超短波,波長為納米級,比可見光波長小個數(shù)量級,要求光學元件為超光滑表面。2.高功率激光器在高功率激光器中,為了減小散射損失,提高元件的抗激光損傷閉值,防止在光學元件加工過程中產(chǎn)生的破壞層、麻點、劃痕及拋光粉、磨具的污染等影響光學系統(tǒng),要求激光器中的諧振腔反射鏡面非常光滑且面形良好。3.紫外、X射線光學系統(tǒng)由光學元件表面粗糙度帶來的光散射損失與波長的四次方成反比,因此,在紫外、射線波段等范圍要求光學元件的表面粗糙度盡可能低。對于白光或波長為632.8nm的激光而一言,表面均方根粗糙度為1—2nm已經(jīng)算光滑表面了,但是對于波長為80nm的X射線而一言表面均方根粗糙度則偏高。在制造軟X射線多層膜反射鏡時,反射鏡基底表面粗糙度決定了反射鏡的反射率,所需光學基板的粗糙度要在0.1nm以下。4.大規(guī)模集成電路基板在以磁記錄頭、大規(guī)模集成電路基片等器件為主的電子工業(yè)領域,不但要求表面光滑,而