等离子体抛光
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等离子体抛光 技术
陈志航 2015.4.21
一、概念知识
等离子体抛光是一种利用化学反应来去除表面材料而实 现超光滑抛光的方法。该方法始于二十世纪九十年代，现在 水平已达面形精度λ /50，表面粗糙度优于0.5nm。加工范围 广，适用于各种尺寸和面形，是一种很有前途的超精加工方 法。
等离子体： 英文名plasma,是由部分电子被 剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负 离子组成的离子化气体状物质。
可加工直径为米的非球面,加工后面形精度小 于λ/50，表面粗糙度小于0.2nm。
三、等离子体辅助抛光设备
抛光过程是一个闭环反馈系统的控制过程。 抛光头位于工件表面上方几mm处垂直于被加工表面， 由一个5轴CNC(CNC即数控机床)来控制，以满足不同 表面需要。 通过控制抛光头的相关参数可使抛光头的去除函数 形状在抛光过程中改变，更加有效提高收敛速度。 利用材料去除量控制设备可实时监控表面去除量， 进而实现闭环控制。材料去除量是驻留时间的函数， 控制精度可达1％。
3.低温等离子辅助抛光技术
（PACE，Plasma Assisted Chemical Etaching ）， 主要的刻蚀原理为等离子体中的活性自由基与被加工 件表面原子间发生化学反应,产生挥发性强的物质,不 引入新的表面污染,实现以化学作用为主的材料去除。 此方法抛光效率高,加工后无亚表层损伤,可加工球面 与非球面。因为此方法使用射频放电激发等离子体, 离子在电场中的加速时间变短,使等离子体中的离子 能量比较低,离子轰击物理效应带来的被加工表面晶 格结构破坏微弱,能够获得良好的抛光效果。
四、应用领域
1.空间光学元件
空间光学元件,如天文卫星、光望远镜以及激光陀
螺等,要求元件分辨率高、尺寸大、精度高、表面粗 糙度小。由于这些光学系统的大部分光学元件的工 作波段是超短波,波长为纳米级,比可见光波长小个 数量级,要求光学元件为超光滑表面。
2.高功率激光器
在高功率激光器中,为了减小散射损失,提高元件 的抗激光损伤闭值,防止在光学元件加工过程中产生 的破坏层、麻点、划痕及抛光粉、磨具的污染等影 响光学系统,要求激光器中的谐振腔反射镜面非常光 滑且面形良好。
几种材料及其抛光气体和化学反应式
材料 SiO2(石英) SiC Be 抛光气体 CF4 NF3 Cl2 反应方程式 SiO2+ CF4→SiF4↑+CO2↑ SiC+ NF3→SiFx↑+CFy↑ Be + Cl2 → BeCl2
优点:根据多数工艺实验的结果发现,此方法 原理明了,设备简单 缺点：加工的方向性与选择性差，加工效率 不高
等离子体抛光特点
PACE抛光在真空室内进行。
该方法只有表面的化学反应，工件不受机械压 力，没有相应的机械变形和损伤，无亚表面破 坏，无污染，工件边缘无畸变。 材料的去除率控制精度高，可获得精确面形。 去除率高，可为0～10μm/min。
二、发展历程
1.传统的等离子体抛光
传统的真空等离子体表面加工技术通常使用六 氟化硫、四氟化碳等具有腐蚀作用的气体,利用高频 电场激发产生等离子体,等离子体中的活性自由基能 够与被加工材料表面原子产生化学反应,生成强挥发 性气体,在此过程中产生抛光效果。
谢谢大家！
3.紫外、X射线光学系统
由光学元件表面粗糙度带来的光散射损失与波 长的四次方成反比,因此,在紫外、射线波段等范围 要求光学元件的表面粗糙度尽可能低。对于白光或 波长为632.8nm的激光而一言,表面均方根粗糙度为 1—2nm已经算光滑表面了,但是对于波长为80nm的X 射线而一言表面均方根粗糙度则偏高。在制造软X射 线多层膜反射镜时,反射镜基底表面粗糙度决定了反 射镜的反射率,所需光学基板的粗糙度要在0.1nm以 下。
4.大规模集成电路基板
在以磁记录头、大规模集成电路基片等器件 为主的电子工业领域,不但要求表面光滑,而且要求 具有完整的晶格排布并且没有加工损伤层。为了制 备具有亚微米级线宽与间隔的大规模集成电路,需要 表面应力小、无亚表层损伤的超光滑基板。另外,晶 体和陶瓷振荡器的加工中也需要超光滑表面。
六、知识串联
2.反应离子刻蚀技术
（RIE，Reactive Ion Etching）成为等离子体抛光 技术的研究重点,此方法的抛光原理是利用高频电场 激发等离子体,产生气体辉光放电,利用等离子体中 离子轰击的物理效应与活性自由基的化学反应效应 共同去除被加工件的表面材料。
优点：刻蚀速率高,方向性与选择性好。 缺点：由于加工过程中有离子轰击的物理 效应,很容易破坏被加工件表面的晶格结构, 使表面粗糙度增加。
由四部分组成：等离子体发生系统、多轴联 动工作台及其运动控制系统、反应气体供给 系统、尾气排放及无害化处理系统。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
反应气体供给装置：负责为等离子体发生装 置提供适当配方的反应气体。因此, 应能够精 确地调整各种气体的比例, 并能够保证反应气 体流速的高稳定性。这是生成稳定的等离子 体放电的重要前提。
陈志航 2015.4.21
一、概念知识
等离子体抛光是一种利用化学反应来去除表面材料而实 现超光滑抛光的方法。该方法始于二十世纪九十年代，现在 水平已达面形精度λ /50，表面粗糙度优于0.5nm。加工范围 广，适用于各种尺寸和面形，是一种很有前途的超精加工方 法。
等离子体： 英文名plasma,是由部分电子被 剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负 离子组成的离子化气体状物质。
可加工直径为米的非球面,加工后面形精度小 于λ/50，表面粗糙度小于0.2nm。
三、等离子体辅助抛光设备
抛光过程是一个闭环反馈系统的控制过程。 抛光头位于工件表面上方几mm处垂直于被加工表面， 由一个5轴CNC(CNC即数控机床)来控制，以满足不同 表面需要。 通过控制抛光头的相关参数可使抛光头的去除函数 形状在抛光过程中改变，更加有效提高收敛速度。 利用材料去除量控制设备可实时监控表面去除量， 进而实现闭环控制。材料去除量是驻留时间的函数， 控制精度可达1％。
3.低温等离子辅助抛光技术
（PACE，Plasma Assisted Chemical Etaching ）， 主要的刻蚀原理为等离子体中的活性自由基与被加工 件表面原子间发生化学反应,产生挥发性强的物质,不 引入新的表面污染,实现以化学作用为主的材料去除。 此方法抛光效率高,加工后无亚表层损伤,可加工球面 与非球面。因为此方法使用射频放电激发等离子体, 离子在电场中的加速时间变短,使等离子体中的离子 能量比较低,离子轰击物理效应带来的被加工表面晶 格结构破坏微弱,能够获得良好的抛光效果。
四、应用领域
1.空间光学元件
空间光学元件,如天文卫星、光望远镜以及激光陀
螺等,要求元件分辨率高、尺寸大、精度高、表面粗 糙度小。由于这些光学系统的大部分光学元件的工 作波段是超短波,波长为纳米级,比可见光波长小个 数量级,要求光学元件为超光滑表面。
2.高功率激光器
在高功率激光器中,为了减小散射损失,提高元件 的抗激光损伤闭值,防止在光学元件加工过程中产生 的破坏层、麻点、划痕及抛光粉、磨具的污染等影 响光学系统,要求激光器中的谐振腔反射镜面非常光 滑且面形良好。
几种材料及其抛光气体和化学反应式
材料 SiO2(石英) SiC Be 抛光气体 CF4 NF3 Cl2 反应方程式 SiO2+ CF4→SiF4↑+CO2↑ SiC+ NF3→SiFx↑+CFy↑ Be + Cl2 → BeCl2
优点:根据多数工艺实验的结果发现,此方法 原理明了,设备简单 缺点：加工的方向性与选择性差，加工效率 不高
等离子体抛光特点
PACE抛光在真空室内进行。
该方法只有表面的化学反应，工件不受机械压 力，没有相应的机械变形和损伤，无亚表面破 坏，无污染，工件边缘无畸变。 材料的去除率控制精度高，可获得精确面形。 去除率高，可为0～10μm/min。
二、发展历程
1.传统的等离子体抛光
传统的真空等离子体表面加工技术通常使用六 氟化硫、四氟化碳等具有腐蚀作用的气体,利用高频 电场激发产生等离子体,等离子体中的活性自由基能 够与被加工材料表面原子产生化学反应,生成强挥发 性气体,在此过程中产生抛光效果。
谢谢大家！
3.紫外、X射线光学系统
由光学元件表面粗糙度带来的光散射损失与波 长的四次方成反比,因此,在紫外、射线波段等范围 要求光学元件的表面粗糙度尽可能低。对于白光或 波长为632.8nm的激光而一言,表面均方根粗糙度为 1—2nm已经算光滑表面了,但是对于波长为80nm的X 射线而一言表面均方根粗糙度则偏高。在制造软X射 线多层膜反射镜时,反射镜基底表面粗糙度决定了反 射镜的反射率,所需光学基板的粗糙度要在0.1nm以 下。
4.大规模集成电路基板
在以磁记录头、大规模集成电路基片等器件 为主的电子工业领域,不但要求表面光滑,而且要求 具有完整的晶格排布并且没有加工损伤层。为了制 备具有亚微米级线宽与间隔的大规模集成电路,需要 表面应力小、无亚表层损伤的超光滑基板。另外,晶 体和陶瓷振荡器的加工中也需要超光滑表面。
六、知识串联
2.反应离子刻蚀技术
（RIE，Reactive Ion Etching）成为等离子体抛光 技术的研究重点,此方法的抛光原理是利用高频电场 激发等离子体,产生气体辉光放电,利用等离子体中 离子轰击的物理效应与活性自由基的化学反应效应 共同去除被加工件的表面材料。
优点：刻蚀速率高,方向性与选择性好。 缺点：由于加工过程中有离子轰击的物理 效应,很容易破坏被加工件表面的晶格结构, 使表面粗糙度增加。
由四部分组成：等离子体发生系统、多轴联 动工作台及其运动控制系统、反应气体供给 系统、尾气排放及无害化处理系统。
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反应气体供给装置：负责为等离子体发生装 置提供适当配方的反应气体。因此, 应能够精 确地调整各种气体的比例, 并能够保证反应气 体流速的高稳定性。这是生成稳定的等离子 体放电的重要前提。