等離子體拋光

等離子體拋光技術(shù)陳志航2015.4.21一、概念知識(shí)等離子體拋光是一種利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)去除表面材料而實(shí)現(xiàn)超光滑拋光的方法。該方法始于二十世紀(jì)九十年代，現(xiàn)在水平已達(dá)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(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)。等離子體拋光特點(diǎn)PACE拋光在真空室內(nèi)進(jìn)行。該方法只有表面的化學(xué)反應(yīng)，工件不受機(jī)械壓力，沒(méi)有相應(yīng)的機(jī)械變形和損傷，無(wú)亞表面破壞，無(wú)污染，工件邊緣無(wú)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(shù)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(chǎng)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(xué)反應(yīng),生成強(qiáng)揮發(fā)性氣體,在此過(guò)程中產(chǎn)生拋光效果。幾種材料及其拋光氣體和化學(xué)反應(yīng)式

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

→BeCl2優(yōu)點(diǎn):根據(jù)多數(shù)工藝實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn),此方法原理明了,設(shè)備簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：加工的方向性與選擇性差，加工效率不高2.反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)（RIE，ReactiveIonEtching）成為等離子體拋光技術(shù)的研究重點(diǎn),此方法的拋光原理是利用高頻電場(chǎng)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(yīng)與活性自由基的化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)共同去除被加工件的表面材料。優(yōu)點(diǎn)：刻蝕速率高,方向性與選擇性好。缺點(diǎn)：由于加工過(guò)程中有離子轟擊的物理效應(yīng),很容易破壞被加工件表面的晶格結(jié)構(gòu),使表面粗糙度增加。3.低溫等離子輔助拋光技術(shù)（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(xué)反應(yīng),產(chǎn)生揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì),不引入新的表面污染,實(shí)現(xiàn)以化學(xué)作用為主的材料去除。此方法拋光效率高,加工后無(wú)亞表層損傷,可加工球面與非球面。因?yàn)榇朔椒ㄊ褂蒙漕l放電激發(fā)等離子體,離子在電場(chǎng)中的加速時(shí)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(yīng)帶來(lái)的被加工表面晶格結(jié)構(gòu)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(shè)備

拋光過(guò)程是一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)的控制過(guò)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(gè)5軸CNC(CNC即數(shù)控機(jī)床)來(lái)控制，以滿足不同表面需要。通過(guò)控制拋光頭的相關(guān)參數(shù)可使拋光頭的去除函數(shù)形狀在拋光過(guò)程中改變，更加有效提高收斂速度。利用材料去除量控制設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)控表面去除量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。材料去除量是駐留時(shí)間的函數(shù)，控制精度可達(dá)1％。由四部分組成：等離子體發(fā)生系統(tǒng)、多軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)及其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、反應(yīng)氣體供給系統(tǒng)、尾氣排放及無(wú)害化處理系統(tǒng)。反應(yīng)氣體供給裝置：負(fù)責(zé)為等離子體發(fā)生裝置提供適當(dāng)配方的反應(yīng)氣體。因此,應(yīng)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。四、應(yīng)用領(lǐng)域1.空間光學(xué)元件

空間光學(xué)元件,如天文衛(wèi)星、光望遠(yuǎn)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(xué)系統(tǒng)的大部分光學(xué)元件的工作波段是超短波,波長(zhǎng)為納米級(jí),比可見(jiàn)光波長(zhǎng)小個(gè)數(shù)量級(jí),要求光學(xué)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(xué)元件加工過(guò)程中產(chǎn)生的破壞層、麻點(diǎn)、劃痕及拋光粉、磨具的污染等影響光學(xué)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(xué)系統(tǒng)由光學(xué)元件表面粗糙度帶來(lái)的光散射損失與波長(zhǎng)的四次方成反比,因此,在紫外、射線波段等范圍要求光學(xué)元件的表面粗糙度盡可能低。對(duì)于白光或波長(zhǎng)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(duì)于波長(zhǎng)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(shí),反射鏡基底表面粗糙度決定了反射鏡的反射率,所需光學(xué)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(lǐng)域,不但要求表面光滑,而