專利名稱：一種用于超光滑表面的等離子體加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非接觸法拋光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于超光滑表面的等離子體加
O
背景技術(shù)：
目前除了平板玻璃、器皿玻璃、藝術(shù)玻璃應(yīng)用傳統(tǒng)的拋光技術(shù)外，先進(jìn)的光學(xué)制造、IT及光電子行業(yè)的基片制作均需要超光滑和超精密拋光技術(shù)，如平板顯示器(FPD)普通GenII型的粗糙度(Ra)為20nm，光盤和磁盤基片玻璃要求表面粗糙度為1 6nm，而且現(xiàn)代短波光學(xué)、強(qiáng)光光學(xué)、電子學(xué)以及薄膜科學(xué)的發(fā)展對表面的要求更加苛刻，其明顯特征是表面粗糙度Ra為lnm。目前，在光學(xué)零件的加工中，在精密磨削的基礎(chǔ)上進(jìn)行傳統(tǒng)的拋光加工方法應(yīng)用非常普遍，但這種方法，容易產(chǎn)生表層及亞表層損傷，不適合于加工碳化硅、 光學(xué)玻璃等脆性材料。因此，傳統(tǒng)的機(jī)械加工手段在尖銳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，非接觸式拋光的嘗試已經(jīng)多有報道。RIE (反應(yīng)離子刻蝕)可以實現(xiàn)超光滑表面的加工，但是其材料去除速率過低，不適合需要大量材料去除的反射鏡形面誤差修整；另外，離子濺射作用的存在破壞表面的晶格結(jié)構(gòu)，甚至降低表面的粗糙度。而采用高能離子濺射效應(yīng)的離子束拋光方法去除效率很低，只適合高精度拋光階段的面行高精度修整。等離子體拋光也是一個重要的非接觸式拋光技術(shù)。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用的常壓電容耦合等離子體拋光技術(shù)。由于常壓等離子體密度高，所以具有較高的去除速率。但由于其在大氣環(huán)境下工作，拋光表面會弓I入外來元素，對拋光表面造成污染。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于超光滑表面的等離子體加工裝置，該等離子體加工裝置能夠更好的適應(yīng)拋光階段不同拋光面積的要求，不僅具有較高的去除速率，而且不會引入外來元素污染待加工物的表面。根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種用于超光滑表面的等離子體加工裝置，包括真空系統(tǒng)，所述真空系統(tǒng)包括真空腔體和抽氣機(jī)組，一用于置放待加工物件的樣品臺設(shè)置于所述真空腔體中；感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)，所述感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)包括射頻源、 網(wǎng)絡(luò)匹配器、射頻線圈、石英管和工作氣體提供裝置，所述射頻線圈繞置在石英管上，該射頻線圈為中空金屬管，所述石英管的一端為進(jìn)氣口，另一端為呈錐形開口端，所述工作氣體提供裝置通過該進(jìn)氣口向石英管內(nèi)提供工作氣體；以及水冷系統(tǒng)，所述水冷系統(tǒng)提供的冷卻水從射頻線圈的中空金屬管一端進(jìn)入，另一端流出，形成循環(huán)冷卻水路?？蛇x的，所述抽氣機(jī)組包括分子泵和機(jī)械泵。可選的，所述樣品臺下設(shè)有圓形磁鋼，該圓形磁鋼向樣品臺上方提供一使等離子體在樣品臺上方做螺旋運動的約束磁場。可選的，所述石英管的錐形開口端設(shè)置于真空腔體中，該錐形開口端的開口大小與所述約束磁場匹配?？蛇x的，所述水冷系統(tǒng)同時連接所述樣品臺和圓形磁鋼，并向該樣品臺和圓形磁鋼提供冷卻水?？蛇x的，所述工作氣體提供裝置包括工作氣體源和氣路控制器，該工作氣體源通過該氣路控制器連接在所述石英管的進(jìn)氣口上?？蛇x的，所述網(wǎng)絡(luò)匹配器包括縱、橫兩個可調(diào)電容，該兩個可調(diào)電容與射頻線圈組成所述感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)的阻抗調(diào)制電路。可選的，所述射頻線圈的中空金屬管表面鍍有銀層?？蛇x的，所述射頻線圈和網(wǎng)絡(luò)匹配器設(shè)置在一金屬屏蔽盒中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下1.加工效率高感應(yīng)耦合方式放電本來就能夠產(chǎn)生較高密度的等離子體，加工效率比一般的容性耦合放電方式要高。附加磁場后，約束了出口處的等離子體，且電子的路徑增加，和反應(yīng)氣體碰撞次數(shù)增加，提高氣體的離化率，能夠產(chǎn)生更高密度的等離子體，可以成倍的提高加工效率。2.拋光效果好在圓筒型石英放電管外繞制螺旋狀線圈的感應(yīng)耦合等離子體放電方式是利用天線電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致的放電，這里磁場隨時間變化引起感應(yīng)電場，利用這個電場來加速電子從而維持等離子體。因此它不存在電極濺射造成的污染。引入磁場后，在增加等離子體密度的同時，同時限制了離子和加工表面的直接轟擊作用，從而避免了亞表面損傷，可以獲得無表面污染、晶格完整、無亞表面損傷的超光滑光學(xué)表面。3.能有效控制等離子體均勻性采用不同孔徑的石英玻璃管和出口的錐度，以配合磁場大小的調(diào)節(jié)，可以有效控制等離子體出口的均勻性。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中有關(guān)本發(fā)明的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明的一種用于超光滑表面的等離子體加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式請參見圖1，圖1是本發(fā)明的一種用于超光滑表面的等離子體加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該等離子體加工裝置包括真空系統(tǒng)、感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)。所述真空系統(tǒng)包括真空腔體1和抽氣機(jī)組(圖中未示出)。該真空腔體1為本發(fā)
4明對待加工物價進(jìn)行表面拋光提供了一個真空環(huán)境。為了盡可能減少空氣中顆粒物在拋光時對表面形成污染，該真空腔體1內(nèi)的氣壓要求達(dá)到0. 001 至lOOPa，為此，設(shè)計的抽氣機(jī)組包括一分子泵和一機(jī)械泵。先以機(jī)械泵對真空腔體1進(jìn)行預(yù)抽壓，然后再使用分子泵進(jìn)行深度抽壓，直至真空腔體達(dá)到所需的氣壓為止。在真空腔體1中，設(shè)有一用于置放待加工物件的樣品臺8，在樣品臺8的下方，設(shè)有一圓形磁鋼9，該圓形磁鋼9向該樣平臺8的上方空間提供一個約束磁場，該約束磁場可以使等離子體在磁場涉及的空間內(nèi)做螺旋運動。所述感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)，包括射頻源4、網(wǎng)絡(luò)匹配器5、射頻線圈3、石英管2和工作氣體提供裝置7。所述射頻線圈3以螺線形方式繞置在石英管2上，該射頻線圈為中空金屬管，其材質(zhì)可以為銅、鋁等是具有較佳導(dǎo)電性質(zhì)的金屬材料，也可以在銅、鋁等材料表面鍍上一層金屬銀，以進(jìn)一步降低射頻電流在射頻線圈3表面上的功率消耗，提高等離子體的功率吸收。所述射頻源4向射頻線圈提供一頻率可調(diào)的射頻信號，可選的，該射頻源4的頻率可以為27. 12MHz和40. 68MHz兩檔，當(dāng)然也可以有更多其它的檔位選擇，視各種不同的運用場合而定。所述網(wǎng)絡(luò)匹配器5連接該上述射頻源4和射頻線圈3，該網(wǎng)絡(luò)匹配器5主要包括兩個縱、橫可調(diào)電容，該兩個可調(diào)電容與射頻線圈3組成所述感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)的阻抗調(diào)制電路，該阻抗調(diào)制電路通過調(diào)節(jié)兩個縱、橫可調(diào)電容的電容值或者射頻線圈3的匝數(shù)來達(dá)到調(diào)節(jié)整個感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)的阻抗，從而使產(chǎn)生等離子體時，工作氣體所需吸收的電場功率與射頻源4提供的功率相匹配。所述石英管2的一端為進(jìn)氣口，另一端為呈錐形開口端。該錐形開口端設(shè)置于真空腔體中，其開口大小與上述約束磁場匹配，在針對不同大小的待加工物價時，可以選擇不同開口大小的石英管，同時選擇不同的磁鋼形成不同的約束磁場，這樣可以有效的控制等離子體在加工空間中的均勻性。所述工作氣體提供裝置7通過該進(jìn)氣口向石英管2內(nèi)提供工作氣體，該工作氣體提供裝置7包括工作氣體源和氣路控制器，該工作氣體源通過該氣路控制器連接在所述石英管2的進(jìn)氣口上。所述工作氣體達(dá)到具有射頻線圈3繞置的那部分石英管時，在射頻線圈3加載的天線電流產(chǎn)生的感應(yīng)電場作用下，形成平衡的低溫等離子體。該低溫等離子體帶有大量活性基，經(jīng)錐形開口端射出后，作用到待加工物件表面，同時由于樣品臺8下方磁場的作用，這些射出的大量等離子體在磁場的約束下，垂直方向的速度被逐漸減速，而水平方向上開始做螺旋運動，與待加工物件表面形成類似研磨的作用機(jī)理，使得待加工物件表面得以拋光?？蛇x的，所述工作氣體可以為六氟化硫、四氟化碳、氧氣、氬氣等。所述水冷系統(tǒng)6分別向感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)以及樣品臺8和圓形磁鋼9提供冷卻水。其中，向感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)提供的冷卻水從射頻線圈3的中空金屬管一端進(jìn)入，另一端流出，形成循環(huán)冷卻水路，對該射頻線圈3的冷卻，主要是為了減少線圈因發(fā)熱而加大電阻，影響其感應(yīng)電場的功率。而向樣品臺8和圓形磁鋼9提供的冷卻水，可以通過一個專門的水循環(huán)管路實現(xiàn)(圖中未示出)。同樣，對樣品臺8的冷卻，主要是為了降低磁鋼的溫度，以避免磁鋼長時間高溫下的退磁現(xiàn)象?？蛇x的，在射頻線圈3和網(wǎng)絡(luò)匹配器5外圍，可以增加一個金屬屏蔽罩10，該金屬屏蔽罩10具有避免射頻輻射和不必要的外界干擾的功能。該等離子體加工裝置的工作原理如下在真空室的低氣壓下(0. OOlPa-IOOPa)， 工作氣體(六氟化硫、四氟化碳、氧氣、氬氣等)在感應(yīng)電場的作用下電離，形成非平衡的低溫等離子體，等離子體帶有大量的活性基。而約束磁場的存在約束了出口處的等離子體，進(jìn)一步增加了等離子體中電子的自由程，增加了電子和工作氣體碰撞的幾率，提高活性劑基的數(shù)量，在待加工物件表面發(fā)生反應(yīng)，實現(xiàn)材料的去除，由于不存在機(jī)械力的作用和外來元素的干擾，不會存在濺射污染和亞表面損傷層。下面以一個具體的實施方式對本發(fā)明的等離子體加工裝置的使用方法做簡單說明步驟1 采用直徑為IOmm的石英玻璃作為待加工物件，首先對該待加工的石英玻璃進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理主要采用標(biāo)準(zhǔn)的RCA工藝對該石英玻璃清洗。然后打開真空腔體，將該石英玻璃放置在樣品臺上；運用抽氣機(jī)組，使真空腔體內(nèi)的真空度下降到 0.OOlPa0步驟2 采用四氟化碳或者四氟化碳和氧氣的組合氣體作為工作氣體，通入到石英管中進(jìn)行電離產(chǎn)生等離子體。其中通入的四氟化碳?xì)怏w流量為20sCCm左右，或者通入的混合氣體的氣體流量為四氟化碳20sCCm ；氧氣10SCCm。步驟3 使上述工作氣體達(dá)到的氣壓在0. 1 100 之間，然后打開頻率為 27. 12MHz射頻電源，通過阻抗調(diào)節(jié)電路將放電功率調(diào)整到20瓦到200瓦之間，對工作氣體進(jìn)行電離，產(chǎn)生等離子體。步驟4:運用上述等離子體對石英玻璃表面加工30分鐘，關(guān)閉電源，關(guān)閉工作氣體，向真空室通入普通氮氣，待真空室達(dá)到大氣壓時，打開真空室，取出樣品工件，對石英玻璃表面粗糙度和刻蝕深度進(jìn)行測試，以判斷是否達(dá)到加工要求。在上述步驟中，當(dāng)?shù)入x子體在石英玻璃表面加工時，采用約束磁場對石英管出口處的等離子體進(jìn)行約束，使等離子體快達(dá)到石英玻璃表面時，拋光面積縮小，等離子體濃度增加，加工效率大大提高。綜上所述，本發(fā)明提出了一種用于超光滑表面的等離子體加工裝置，該等離子體加工裝置采用在真空狀態(tài)下，以感性耦合等離子體的方式產(chǎn)生等離子體，作用于物件表面形成拋光機(jī)制。相比較現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)效果在于1.加工效率高感應(yīng)耦合方式放電本來就能夠產(chǎn)生較高密度的等離子體，加工效率比一般的容性耦合放電方式要高。附加磁場后，約束了出口處的等離子體，且電子的路徑增加，和反應(yīng)氣體碰撞次數(shù)增加，提高氣體的離化率，能夠產(chǎn)生更高密度的等離子體，可以成倍的提高加工效率。2.拋光效果好在圓筒型石英放電管外繞制螺旋狀線圈的感應(yīng)耦合等離子體放電方式是利用天線電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致的放電，這里磁場隨時間變化引起感應(yīng)電場，利用這個電場來加速電子從而維持等離子體。因此它不存在電極濺射造成的污染。引入磁場后，在增加等離子體密度的同時，同時限制了離子和加工表面的直接轟擊作用，從而避免了亞表面損傷，可以獲得無表面污染、晶格完整、無亞表面損傷的超光滑光學(xué)表面。3.能有效控制等離子體均勻性采用不同孔徑的石英玻璃管和出口的錐度，以配合磁場大小的調(diào)節(jié)，可以有效控制等離子體出口的均勻性。
對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于超光滑表面的等離子體加工裝置，其特征在于所述等離子體加工裝置包括真空系統(tǒng)，所述真空系統(tǒng)包括真空腔體和抽氣機(jī)組，一用于置放待加工物件的樣品臺設(shè)置于所述真空腔體中；感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)，所述感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)包括射頻源、網(wǎng)絡(luò)匹配器、射頻線圈、石英管和工作氣體提供裝置，所述射頻線圈繞置在石英管上，該射頻線圈為中空金屬管，所述石英管的一端為進(jìn)氣口，另一端為呈錐形開口端，所述工作氣體提供裝置通過該進(jìn)氣口向石英管內(nèi)提供工作氣體；以及水冷系統(tǒng)，所述水冷系統(tǒng)提供的冷卻水從射頻線圈的中空金屬管一端進(jìn)入，另一端流出，形成循環(huán)冷卻水路。
2.如權(quán)利要求1所述的等離子體加工裝置，其特征在于所述抽氣機(jī)組包括分子泵和機(jī)械泵。
3.如權(quán)利要求1所述的等離子體加工裝置，其特征在于所述樣品臺下設(shè)有圓形磁鋼， 該圓形磁鋼向樣品臺上方提供一使等離子體在樣品臺上方做螺旋運動的約束磁場。
4.如權(quán)利要求3所述的等離子體加工裝置，其特征在于所述石英管的錐形開口端設(shè)置于真空腔體中，該錐形開口端的開口大小與所述約束磁場匹配。
5.如權(quán)利要求3所述的等離子體加工裝置，其特征在于所述水冷系統(tǒng)同時連接所述樣品臺和圓形磁鋼，并向該樣品臺和圓形磁鋼提供冷卻水。
6.如權(quán)利要求1所述的等離子體加工裝置，其特征在于所述工作氣體提供裝置包括工作氣體源和氣路控制器，該工作氣體源通過該氣路控制器連接在所述石英管的進(jìn)氣口上。
7.如權(quán)利要求1所述的等離子體加工裝置，其特征在于所述網(wǎng)絡(luò)匹配器包括兩個縱、 橫可調(diào)電容，該兩個可調(diào)電容與射頻線圈組成所述感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)的阻抗調(diào)制電路。
8.如權(quán)利要求1所述的等離子體加工裝置，其特征在于所述射頻線圈的中空金屬管表面鍍有銀層。
9.如權(quán)利要求1所述的等離子體加工裝置，其特征在于所述射頻線圈和網(wǎng)絡(luò)匹配器設(shè)置在一金屬屏蔽盒中。
全文摘要
一種用于超光滑表明的等離子體加工裝置，包括真空系統(tǒng)、感性耦合等離子體發(fā)生系統(tǒng)以及水冷系統(tǒng)。該等離子體加工裝置通過感性耦合等離子體的方式產(chǎn)生等離子體，并在真空狀態(tài)下，將等離子體作用于物件表面形成拋光機(jī)制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有加工效率高、拋光效果好以及能有效控制等離子體均勻性的特點。
文檔編號C03C21/00GK102503177SQ20111032372
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者皺帥, 解濱, 辛煜 申請人:蘇州大學(xué)