大气压等离子体加工技术研究

大气压等离子体加工技术研究徐振东1引言在航空航天，光学工程，激光核聚变等众多领域中，超光滑表面的光学元件是系统的重要组成部分，因此国内外围绕光学元件超光滑表面加工技术开展了众多研究。

由于传统加工技术在加工硬脆的光学元件时会对表面产生残余应力和亚表层损伤[1]，对复杂形状的表面传统的加工技术也难达到高质量，高精度的加工要求。

而等离子加工是一种非接触的加工方式，对表面无损伤，无残余应力，对材料没有选择性，因此适合对光学元件的加工。

本文参阅国内外相关文献，从大气压等离子体加工技术的原理，国内外大气压等离子体加工技术等进行介绍。

2大气压等离子体加工技术的原理等离子体被称为物质的第四态，它是被电离的气体，由于等离子体中存在大量的电子、正离子、自由基、亚稳态的分子原子等，但整体还是电中性的，因此和其他三态有不同的物理和化学性质。

大量的电子、正离子、自由基、亚稳态的分子原子都是活性粒子，采用低冷离子体，因此不会对材料造成任何损伤（由于高温等离子体对物体表面的作用过于强烈，因此在实际应用中很少使用，目前投入使用的只有低温等离子体，比如太阳就是一种高温等离子体[2]。

活性等离子体与材料发生干化学反应，就能达到去除材料的目的。

在等离子体自身中的电子与原子或者分子之间会碰撞产生激发态中性原子或原子团（又称自由基）等离子体中存在大量的自由基，而自由基有着极高的能量，有极高的活化作用。

等离子体化学是一种复杂的化学现象，反应的能源不是单一的，而是热、电、光化学等多种化学反应过程，这使得在等离子体氛围中能够发生常规难以发生的反应。

比如在加工熔石英材料中，反应气体CF 4在等离子体氛围中被激发成各种具有活性的自由基和激发态的F 原子，激发态的F原子扩散到熔石英材料表面后，和SiO2发生化学反应生成气态SiF 4，从工件表面逸出，从而达到去除材料的目的[3]。

图1等离子体加工原理示意图[ 4]3国内外大气压等离子体加工技术目前国内外比较成熟的大气压等离子体加工技术日本大阪大学开发的大气等离子体化学蒸发加工（PCVM）、美国加利福尼亚州劳伦斯•利弗莫尔国家实验室开发的反应原子等离子体加工(RAPT)、德国的莱布尼茨学会开发的大气等离子体化学加工(APACE)及我国哈尔滨工业大学开发的大气等离子体加工技术（APPP）3.1大气等离子体化学蒸发加工（PCVM）20世纪90年代，日本大阪大学提出等离子体化学蒸发加工（PCVM），与传统机械加工方式和等离子体刻蚀相比，PCVM的损伤密度很小，不及前两者导致的损伤密度的1/100[5]；采用管电极（直径4mm）加工时，与同等尺寸小磨头抛光方式，材料去除率提高了30~80倍，而且平均粗糙度Ra可达0.5nm（测量长度为200μm）[6]。

PCVM基于电容耦合方式激发等离子体，使用射频功率源，可选择频率范围为13.56~300MHz。

选用不同的电极或电极组合能够对工件进行无损伤切割、平坦化加工和对非球面工件进行修形加工等功能[7-9]。

加工过程没有机械力，不会对加工表面产生损伤，同时热量能很快的导出，也不会有热损伤。

同时该课题组开发了相应的机床。

图2.旋转电极和管电极图3.射流等离子体图 4 NC-PCVM 机床图5 开放式等离子体加工机床3.2反应原子等离子体加工(RAPT)RAPT技术是美国加利福尼亚州劳伦斯•利弗莫尔国家实验室在1999年提出的，并且在2001年成成立RAPT公司，成功的将这项技术商业化，美国国家点火工程所用的超光滑大口径光学元件就是该公司提供的，并且该技术在光学和半导体元件生产制造领域应用前景广阔[10]。

RAPT基于感应耦合放电（ICP）原理的一种大气压等离子体加工技术，这项技术不需要真空环境加工。

在加工过程中，首先是形成稳定的氩等离子体，然后在通入含氟气体作为反应气体。

这些含氟气体在等离子体氛围中被激发成含氟活性粒子，进而与工件表面的Si 原子反应生成挥发性的气体，从而实现材料去除。

由于感应耦合放电相比别的放电方式，其能量转换率和等离子激发的程度都更加高，因此适合大口径的光学元件的整形加工。

图6 RAPT 加工原理示意图为了充分发挥RAPT的加工优势，有学者开发了加装有冷却装置分体式等离子体发生器。

图7.分体式炬管结构示意图[11]RAPT已经开发了几代加工机床了。

图8为RAPT300机床，该机床验证了该技术的修形能力。

图9为RAPT Helios 1200机床，该机床最大加工尺寸1.2m，在此机床上已经做了大量大口径光学元件的修形实验。

图8. RAPT300 机床图9. RAPT Helios 1200机床如图10所示经过多次迭代加工曲率半径为3m 的凹球面得到了面形误差和粗糙度都很小的曲面[12]。

有学者在熔石英工件上加工出纳米尺度的字母图形，验证了在小尺度范围内的RAPT技术有很好的加工能力，也证明了去除速率是可控的[13]。

图10大口径ULE 凹球面[12]图11 纳米尺度的字母图形[13]3.3等离子体喷射加工技术等离子体喷射加工技术（PJM）是德国莱布尼次表面改性研究室设计研发的，PJM也是采用电容耦合放电形式，但PJM的激励电源是两种，一种是射频电容耦合式的射频激励，另一种是微波电容耦合式的微波激励。

这两种激励在相近功率能达到的加工效率是差不多的，但两种激励方式所产生的等离子体的加工效率是大致相同的，但微波激励可以承载的功率上限更大，因此微波激励一般用在粗加工场合。

使用PJM对SiC表面进行加工，面形精度可以达到1nm RMS。

图12. PJM 加工原理与实物图[1 4]该技术通过采用不同直径的等离子体射流炬，可以得到很高去除率的去除函数，使得加工分辨率和材料去除率都大大提高，这使得在硅基材料上加工自由曲面不成问题，还能提高面形误差修正的速度正。

有学者开放了一种基于PJM 技术的自由曲面光学加工工艺链，并且得到了实验验证，这种方法配合其他抛光方法，能够加工出超光滑的表面[15]。

3.4大气等离子体加工技术大气等离子体加工技术(APPP)是我国哈尔滨工业大学王波教授团队提出来的，这个技术是基于电容耦合的放电方式，使用等离子体射流进行加工，该团队自主研发了国内首台三轴联动大气等离子体抛光系统，使用该系统对单晶硅的超光滑表面加工进行了研究。

该团队对其他硬脆材料的研究也在进行。

对等离子体的发生装置也进行了研究，对加工光学微结构也进行了研究，不过没有达到实际应用的要求。

4大气压等离子体抛光系统装置一般来说，大气压等离子体抛光系统装置一般由射频电源供应系统、水冷系统、气体供应系统、等离子体发生炬、可控运动工作台、密封加工舱和废气净化处理装置等几部分组成。

下面对重要的部分做简要介绍：4.1射频电源供应系统射频电源是大气等离子抛光系统的重要组成部分之一，它将两相交流电转换为可供等离子体激发所使用的射频电流。

射频(Radio-frequency)是一种高频交流变化电磁波的简称，射频电源的性能优劣，直接关系着激发等子体的稳定性。

4.2气体供应系统大气等离子体抛光利用反应气体激发产生的活性粒子与工件表面反应实现工件表面材料的去除，因此气体的流量及稳定性等对等离子体放电及加工过程有很大影响。

为了使放电均匀、稳定、可控，就需要对气体的流量进行控制。

在大气等离子体抛光系统所使用的气体有两类：一类是激发气体，是产生等离子体的主要气体；第二类为反应气体，是产生活性粒子的主要气体[16]。

4.3等离子体炬等离子体炬是等离子体和活性反应原子的激发装置，其结构和工作状态都会影响到等离子体特性和放电状态，进而影响到加工质量，因此，在设计和制造等离子体炬的过程中要重点考虑可能会影响到放电特性的因素。

比如：放电过程中的微小波动都会引起等离子体状态的显著变化，甚至终止放电，因此在电极制造过程中要采用较精密的研抛手段，保证内外电极的放电表面都比较光滑，不会残留能够影响到放电的毛刺。

5大气等离子体加工技术存在的问题与展望首先是热影响，加工过程为产生大量热，这对加工过程不利，需要进行控制[17]。

然后是加工分辨率的问题，为了加工光学微结构，需要有更高的加工分辨率[18-20]。

还有就是去除速率的问题，现在加工大口径光学元件的速度很慢，需要进一步提高[21]。

这些问题有待进一步研究及解决。

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