本发明专利技术公开了一种加工硅基材料的大气感应耦合等离子体（ICP）发生器，主要由分体式炬管、炬管安装座、弹簧夹头、单匝线圈、端盖板、喷嘴和底板组成。与现有的用于硅基材料加工的ICP发生器相比，本发明专利技术具有以下突出优点：1.提升加工表面质量，采用两个与炬管同轴布置的单匝线圈，设定参数不变的条件下可长时间产生去除函数直径不变的等离子体射流；2.降低成本，分体式炬管的内管和中管采用难以被活性反应粒子刻蚀的材料，降低炬管的替换和维修成本；3.炬管同轴度更高，外管与内管均依靠一体式中管管座段的台阶面进行定位，更利于稳定等离子体；4.实现加工分辨率可调，调整喷嘴内体的结构尺寸，可得到不同去除函数直径。
【技术实现步骤摘要】
一种加工硅基材料的大气感应耦合等离子体发生器
本专利技术公开了一种加工硅基材料的大气感应耦合等离子体发生器，属于等离子体加工设备的
技术介绍
随着科学技术快速发展，轻量化的硅基超精密零件在航空航天，天文观测等领域应用越来越广泛，对于硅基材料加工表面质量要求也越来越高，如表面粗糙度达到纳米级，加工表面无变质层和亚表面损伤等要求。为了达到上述要求，以等离子体激发如CF4一类的含氟气体产生活性反应粒子的大气感应耦合等离子体（ICP）加工方法被提出。大气感应耦合等离子体加工技术依靠活性反应粒子与硅基材料之间发生化学反应生成气相产物，实现硅基材料的去除加工。由于该种去除反应为原子级，可达到极高的表面质量；并且该种加工技术属于非接触式化学加工，不会产生机械接触力导致的加工表面变质层和亚表面损伤，所以得到了国内外科研工作者的极大关注。但是现有的用于加工硅基材料的ICP发生器均采用标准螺旋线圈作为高频磁场的产生装置，等离子体温度的分布往往取决于螺旋线圈的形状，最终导致非均匀加热，使炬管内的等离子形状倾斜向上，形成的等离子体射流并不稳定，加工表面质量并不能达到理想目标；此外，现有的ICP发生器大都采用一体式的三层同轴石英管，在使用过程中，由于感应线圈高频磁场的磁泵效应导致活性反应粒子回流，使内部的石英管容易被活性反应粒子刻蚀缩短，而相对而言，外层管和中间管发生损坏的几率较低。当内部管发生损坏时，无法替换新的内部管，只能整根炬管替换，从而使得ICP发生器炬管的替换和维修成本过高。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术公开了一种加工硅基材料的大气感应耦合等离子体发生器，采用平行布置的单匝线圈，设定参数不变的条件下可长时间产生去除函数直径不变的等离子体射流，提升硅基材料的加工表面质量；采用分体式的炬管结构，有效降低等离子炬管的替换和维修成本。本专利技术的技术方案如下所述。一种加工硅基材料的大气感应耦合等离子体发生器，主要由分体式炬管、单匝线圈、端盖板、喷嘴和底板组成，所述分体式炬管由相互独立的外管、一体式中管、内管以及固定装置组成，所述单匝线圈由环形碟片、电流引入座和电流引出座三部分组成；所述端盖板通过多个紧固螺钉和底板进行连接；所述喷嘴由喷嘴外体和喷嘴内体两部分组成，通过多个紧固螺钉和端盖板连接。所述固定装置包括外管夹套、内管盖板、炬管安装座、弹簧夹头，外管夹套大直径圆柱部分端面设有均布沉头孔，小直径圆柱部分端面设有螺纹孔，一体式中管设有与上述螺纹孔配合的均布通孔；内管盖板端面设有与上述通孔匹配的均布沉头孔；炬管安装座中部设有一斜度为8°圆锥孔，端面有多个均布在外侧和均布在内侧的螺纹孔，均布在外侧的螺纹孔用于和上述外管夹套中的沉头孔配合，炬管安装座下部设有第一安装孔，用于安装紧固螺钉与底板进行连接，依靠多个紧固螺钉可将炬管安装座、外管夹套、一体式中管、内管盖板四部分连为一体，再由炬管安装座下部的第一安装孔与底板连接。所述的一体式中管由管身段和管座段组成，管身段和管座段之间设有一环形台阶，用于对外管定位，环形台阶处设有第一沟槽，用于实现外管与管座段的紧配合，管座段后端内壁处设有第二沟槽和第三沟槽，用于实现内管与管座段的紧配合，管身段端部设有环形旋气槽，同时旋气形成的负压有利于内管输送的刻蚀气体进入等离子体产生区域，管座段外圆柱面设有让工作气进入内管与管身段之间空间的中间气体入口和让冷却气进入管身段与外管之间空间的外气体入口，其中外气体入口和中间气体入口轴线均偏离炬管中心轴线，且与管座段圆柱面法线夹角为5°～30°，使冷却气沿外管内壁切向进入外管与中间管之间的空间，且沿炬管轴线方向的速度分量大于零，有利于冷却气沿外管管壁流动，在外管与等离子体之间形成隔离层，避免外管熔化，上述内管盖板外圆柱面设有内气体入口，端面设有与内气体入口连通的内气体孔道，用于让刻蚀气进入内管，其中工作气和冷却气均为Ar，刻蚀气为含氟气体和O2的混合气体，如CF4和SF6。所述外管为石英玻璃管，一体式中管为铝件，内管为陶瓷管，外管夹套和内管盖板均为黄铜材料加工而成，因其热膨胀系数较小，不会因热变形而影响内部的气体通道；外管和内管采用紧配合分别插入在环形台阶和一体式中管内壁，所述紧配合为密封圈配合的方式，以保证能够随时更换外管和内管。所述弹簧夹头选用抗拉强度较高的的钢材制成，锥面段斜度为8°，由4～12段簧片组成；端面段有多个均布的调整孔，通过调整安置在调整孔与上述炬管安装座内侧均布螺纹孔中的紧固螺钉，依靠簧片的变形夹紧外管。所述的环形碟片由同心的直径为φ30～φ60mm的外圆和直径为φ10～40mm的内孔组成，厚度为1～10mm，其中内孔用于穿设上述外管，下部有一宽度为W的开口狭缝，用于在电流引入座和电流引出座之间形成定向电流，端面有沿狭缝对称分布的两个连接孔。所述电流接入座为铝制材料加工而成的三层阶梯结构，上层阶梯设有一对称分布的宽度为W的凹槽，凹槽两壁面和上述环形碟片的端面配合，两壁端面设有一个通孔，用于和上述环形碟片端面的连接孔配合；中层阶梯端面有一接线螺纹孔，用于和射频电流连接板匹配，下层阶梯局部采用微弧氧化处理方式，形成表面绝缘层，避免射频电流传至底板，端面设有第二安装孔，电流接入座依靠套设在第二安装孔中的绝缘材料螺钉与底板连接。所述电流引出座为铝制材料加工而成的两层阶梯结构，上层阶梯设有一对称分布的宽度为W的凹槽，凹槽两壁面和上述环形碟片的端面配合；两壁端面设有一个通孔，用于和上述环形碟片端面的连接孔配合；下层阶梯上端面有一沉头孔，电流引出座依靠套设在第二安装孔中的紧固螺钉与底板连接，其中狭缝W宽度为1～20mm。所述端盖板下底面开设第四螺纹孔，用于和底板连接，下底面设有沿中心线非对称分布的直径为3mm的第一进水孔和第一出水孔；端盖板前端面中部有一直径为21～23mm的通孔和环形水槽，所述通孔用于穿设上述外管，所述环形水槽设有分别与上述第一进水孔和第一出水孔连通的第二进水孔和第二出水孔，端盖前端面中设有多个均布的第三安装孔。所述喷嘴外体大直径圆柱端面上均布多个第三螺纹孔，用于和上述端盖板中第三安装孔配合；中部为直径为φ10～50mm的通孔，通孔内部距端面10mm处和30mm处分别设有环形进水槽和环形出水槽；端面设有沿中心线非对称分布的直径为3mm的第三进水孔和第三出水孔，分别和上述第二进水孔和第二出水孔连通。所述喷嘴内体为中空圆柱结构或锥直形结构，调整束流孔直径或锥线段长度与直线段直径，对等离子体射流进行提速和降温，提高等离子体射流的刚度，同时能够防止加工材料表面过热，其中束流孔直径为φ5～40mm，锥线段长度为5～30mm，直线段直径为φ3～20mm；外圆柱面直径为φ10～50mm，与上述喷嘴外体中部通孔配合；外圆柱面上设置有与上述环形进水槽和环形出水槽连通的螺旋形水道，用于提高喷嘴内体的冷却效率；所述底板采用不锈钢加工而成，在尾部端面开有两个对称分布的第五螺纹孔，用于和工装进行连接，尾部端面上设置有进水道和出水道，分别用于和上述第一进水孔和第一出水孔连通；上部表面设置有多个均布的第一螺纹孔和第二螺纹孔，分别与上述炬管安装座中的第一安装孔、电流引入座和电流引出座匹配中的第二安装孔匹配；下部底面前部设有第四安装孔，用于和上述端盖板本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种加工硅基材料的大气感应耦合等离子体发生器，主要由分体式炬管、单匝线圈、端盖板、喷嘴和底板组成，其特征在于：所述分体式炬管由相互独立的外管、一体式中管、内管以及固定装置组成；所述单匝线圈由环形碟片、电流引入座和电流引出座三部分组成；所述喷嘴由喷嘴外体和喷嘴内体两部分组成；所述固定装置包括外管夹套、内管盖板、炬管安装座、弹簧夹头，外管夹套大直径圆柱部分端面设有均布沉头孔，小直径圆柱部分端面设有螺纹孔，一体式中管设有与上述螺纹孔配合的均布通孔，内管盖板端面设有与上述通孔匹配的均布沉头孔，炬管安装座中部设有一斜度为a°圆锥孔，端面有多个均布在外侧和均布在内侧的螺纹孔，均布在外侧的螺纹孔用于和上述外管夹套中的沉头孔配合，依靠多个紧固螺钉可将炬管安装座、外管夹套、一体式中管、内管盖板四部分连为一体，再由炬管安装座下部的第一安装孔与底板连接，弹簧夹头选用抗拉强度较高的钢材制成，锥面段斜度为a°，由4～12段簧片组成,其中a为5°～30°；端面段设有调整孔，调整安置在调整孔与上述炬管安装座内侧均布螺纹孔中的紧固螺钉，簧片被炬管安装座中部圆锥孔挤压发生变形，实现夹紧外管；所述的一体式中管由管身段和管座段组成，管身段和管座段之间设有一环形台阶，用于对外管定位，环形台阶处设有第一沟槽，用于实现外管与管座段的紧配合，管座段后端内壁处设有第二沟槽和第三沟槽，用于实现内管与管座段的紧配合，管身段端部设有环形旋气槽，旋气形成的负压有利于内管输送的刻蚀气体进入等离子体产生区域，管座段外圆柱面设有让工作气进入内管与管身段之间空间的中间气体入口和让冷却气进入管身段与外管之间空间的外气体入口，其中外气体入口和中间气体入口轴线均偏离炬管中心轴线，且与管座段圆柱面法线夹角为5°～30°，使冷却气沿外管内壁切向进入外管与中间管之间的空间，且沿炬管轴线方向的速度分量大于零，有利于冷却气沿外管管壁流动，在外管与等离子体之间形成隔离层，避免外管熔化，上述内管盖板外圆柱面设有内气体入口，端面设有与内气体入口连通的内气体孔道，用于让刻蚀气进入内管，其中工作气和冷却气均为Ar，刻蚀气为含氟气体和O2 的混合气体，含氟气体如CF4和SF6；所述的环形碟片由同心的直径为φ30～φ60mm的外圆和直径为φ10mm ～φ40mm的内孔组成，厚度为1～10mm，其中内孔用于穿设上述外管，下部有一宽度为W的开口狭缝，用于在电流引入座和电流引出座之间形成定向电流，端面有沿狭缝对称分布的两个的连接孔；电流引入座为铝制材料加工而成的三层阶梯结构，上层阶梯设有一对称分布的宽度为W的凹槽，凹槽两壁面和上述环形碟片的端面配合，两壁端面设有一个通孔，用于和上述环形碟片端面的连接孔配合；中层阶梯端面有一接线螺纹孔，用于和射频电流连接板匹配，下层阶梯局部采用微弧氧化处理方式形成表面绝缘层，避免射频电流传至底板，端面设有第二安装孔，电流引入座依靠套设在第二安装孔中的绝缘材料螺钉与底板连接；电流引出座为铝制材料加工而成的两层阶梯结构，上层阶梯设有一对称分布的宽度为W的凹槽，凹槽两壁面和上述环形碟片的端面配合；两壁端面设有一个通孔，用于和上述环形碟片端面的连接孔配合；下层阶梯上端面有第二安装孔，电流引出座依靠套设在第二安装孔中的紧固螺钉与底板连接，其中狭缝W宽度为1～20mm。...
【技术特征摘要】
1.一种加工硅基材料的大气感应耦合等离子体发生器，主要由分体式炬管、单匝线圈、端盖板、喷嘴和底板组成，其特征在于：所述分体式炬管由相互独立的外管、一体式中管、内管以及固定装置组成；所述单匝线圈由环形碟片、电流引入座和电流引出座三部分组成；所述喷嘴由喷嘴外体和喷嘴内体两部分组成；所述固定装置包括外管夹套、内管盖板、炬管安装座、弹簧夹头，外管夹套大直径圆柱部分端面设有均布沉头孔，小直径圆柱部分端面设有螺纹孔，一体式中管设有与上述螺纹孔配合的均布通孔，内管盖板端面设有与上述通孔匹配的均布沉头孔，炬管安装座中部设有一斜度为a°圆锥孔，端面有多个均布在外侧和均布在内侧的螺纹孔，均布在外侧的螺纹孔用于和上述外管夹套中的沉头孔配合，依靠多个紧固螺钉可将炬管安装座、外管夹套、一体式中管、内管盖板四部分连为一体，再由炬管安装座下部的第一安装孔与底板连接，弹簧夹头选用抗拉强度较高的钢材制成，锥面段斜度为a°，由4～12段簧片组成,其中a为5°～30°；端面段设有调整孔，调整安置在调整孔与上述炬管安装座内侧均布螺纹孔中的紧固螺钉，簧片被炬管安装座中部圆锥孔挤压发生变形，实现夹紧外管；所述的一体式中管由管身段和管座段组成，管身段和管座段之间设有一环形台阶，用于对外管定位，环形台阶处设有第一沟槽，用于实现外管与管座段的紧配合，管座段后端内壁处设有第二沟槽和第三沟槽，用于实现内管与管座段的紧配合，管身段端部设有环形旋气槽，旋气形成的负压有利于内管输送的刻蚀气体进入等离子体产生区域，管座段外圆柱面设有让工作气进入内管与管身段之间空间的中间气体入口和让冷却气进入管身段与外管之间空间的外气体入口，其中外气体入口和中间气体入口轴线均偏离炬管中心轴线，且与管座段圆柱面法线夹角为5°～30°，使冷却气沿外管内壁切向进入外管与中间管之间的空间，且沿炬管轴线方向的速度分量大于零，有利于冷却气沿外管管壁流动，在外管与等离子体之间形成隔离层，避免外管熔化，上述内管盖板外圆柱面设有内气体入口，端面设有与内气体入口连通的内气体孔道，用于让刻蚀气进入内管，其中工作气和冷却气均为Ar，刻蚀气为含氟气体和O2的混合气体，含氟气体如CF4和SF6；所述的环形碟片由同心的直径为φ30～φ60mm的外圆和直径为φ10mm～φ40mm的内孔组成，厚度为1～10mm，其中内孔用于穿设上述外管，下部有一宽度为W的开口狭缝，用于在电流引入座和电流引出座之间形成定向电流，端面有沿狭缝对称分布的两个的连接孔；电流引入座为铝制材料加工而成的三层阶梯结构，上层阶梯设有一对称分布的宽度为W的凹槽，凹槽两壁面和上述环形碟片的端面配合，两壁端面设有一个通孔，用于和上述环形碟片端面的连接孔配合；中层阶梯端面有一接线螺纹孔，用于和射频电流连接板匹配，下层阶梯局部采用微弧氧化处理方式形成表面绝缘层，避免射频电流传至底板，端面设有第二安装孔，电流引入座依靠套设在第二安装孔中的绝缘材料螺钉与底板连接；...
【专利技术属性】
技术研发人员：余德平，吴杰，段亚洲，邱吉尔，姚进，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51
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