一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器制造技术

一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，主要由直流等离子体发生器和射频感应耦合等离子体发生器两部分组成，与常见的用于硅基材料加工的射频耦合等离子发生器相比，本混合式等离子体发生器具有以下突出优点：1.加工效率高，在感应线圈磁场作用下二次激发电弧等离子体射流，单位时间内获得更多的能量激发工作气体，使得单位体积中反应活性粒子数量增加；2.优化点火过程，依靠阴极部分与阳极部分产生的电火花完成点火，克服传统射频感应耦合等离子体发生器点火过程易损伤石英玻璃管的问题；3.提升加工后硅基材料的表面质量，设定参数不变的条件下长时间保持恒定束斑直径的等离子体射流，实现对材料表面的确定性加工。

A hybrid plasma generator for the processing of silicon based materials

A hybrid plasma generator for silicon material processing, mainly by DC plasma generator and RF inductively coupled plasma generator is composed of two parts, compared with the RF plasma generator for coupling silicon material processing common, the hybrid plasma generator has the following advantages: 1., high processing efficiency, stimulate the arc plasma jet two in the induction coil magnetic field, time to get more energy to stimulate the working gas, so that the number of active particles per unit volume in response to an increase of 2.; the ignition process optimization on the electric spark cathode and anode part part produced complete ignition, overcome traditional RF inductively coupled plasma generator ignition process is easy to damage the quartz glass tube; 3. improve the surface quality of silicon material processing, parameter setting Under the same condition, the plasma jet with constant beam spot diameter is kept for a long time, so as to realize the deterministic processing of the surface of the material.

【技术实现步骤摘要】
一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器
本专利技术公开了一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，属于等离子体加工设备领域。
技术介绍
近年来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，需求越来越多，对于材料加工表面质量要求也越来越高，诸如纳米级的表面粗糙度，加工表面无变质层和亚表面损伤等要求。为了实现以上目标，以等离子体激发如CF4一类的工作气体产生活性反应粒子为主导的轨迹表面加工方式，得到了国内外科研工作者的极大关注。目前激发工作气体产生活性反应粒子的方式主要依靠射频感应耦合等离子体发生器。此种方式能够实现激发工作气体产生活性反应粒子，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，可避免加工表面出现表面变质层和亚表面损伤，但在感应线圈区域内，洛仑兹力会诱导产生强回旋涡流,导致加工过程中装置射流口等离子体射流的形态并不稳定，不能得到恒定的束斑直径，加工表面质量并不能达到理想目标；且感应线圈区域内存在电流的趋肤效应，高温区偏离石英玻璃管轴线，能量并未充分耦合至等离子体射流中，导致加工效率不高。
技术实现思路
为了解决上述问题，提高加工效率，提升硅基材料的加工表面质量，本专利技术公开了一种用于硅基材料刻蚀加工的混合式等离子体发生器，可长时间产生性能优异且能够保持恒定束斑直径的等离子体射流，因而可以得到理想目标要求下硅基材料的表面质量。本专利技术的技术方案如下所述。一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，主要由直流等离子体发生器和射频感应耦合等离子体发生器两部分组成，其特征在于：所述的直流等离子体发生器主要由阴极部分、引弧外壳、第一阳极体、阳极外壳、第二阳极部分、第一绝缘套、第二绝缘套组成；所述射频感应耦合等离子体发生器主要由石英玻璃管，感应线圈组成。所述的阴极部分主要由阴极座和阴极头组成；所述的第一阳极体上端面与引弧外壳连接，下端面与第二绝缘套连接；所述阳极外壳上部端面接有第二阳极体接线柱，所述第二阳极部分由阳极头和阳极尾盖组成；所述第一绝缘套内壁与阴极座配合，外壁与引弧外壳配合；第二绝缘套由薄壁段和射流接触段两部分组成。所述阴极座主要由阴极套、阴极体、阴极接线柱组成；所述阴极套上端面有一冷却水入口；所述阴极体外圆柱面与阴极套内壁配合；所述阴极接线柱与直流电源阴极相接。所述阴极头采用耐高温材料钨或其合金加工，由一柱面和与之相切的圆弧面构成，是电弧阴极的附着点。所述引弧外壳上部圆柱面设有第一阳极接线座，中部外圆柱面设有第一环形分气室，内圆柱面设有8～10与第一环形分气室连通的发生气进气孔，其中发生气为Ar，所述工作气出气孔轴线与内圆柱面法线夹角为30°～50°。所述第一阳极体采用紫铜材料，主要用于隔离工作气体和阴极部分，避免工作气体激发后产生的反应活性粒子腐蚀阴极部分。所述阳极外壳上部端面与第二阳极接线柱连通，上部外圆柱面设有一发生气进气口；中部外圆柱面设有一冷却水出口和一保护气入口，阳极外壳内壁设有螺纹，用于与阳极头连接。所述阳极尾盖外圆柱面设有一保护气进气口，下部端面设有一孔道与保护气进气口连通，其中保护气为Ar。所述阳极头外圆柱面设有螺纹，用于与上述阳极外壳螺纹连接；上部端面设有第三环形分气室，用于和上述阳极尾盖中的孔道连通，阳极头下部端面设有一石英玻璃管安装腔，石英玻璃管安装腔的小圆柱面上设有旋气槽，用于使冷却气形成涡流保护石英玻璃管；石英玻璃管安装腔的外圆柱面上设有第一密封槽和第二密封槽；阳极头下部端面设有三个均布的沉头螺钉孔，用于和上述阳极尾盖固定。所述第一绝缘套和第二绝缘套均采用聚四氟材料制成，所述第二绝缘套由薄壁段和旋气段两部分组成，薄壁段外圆柱设有一与上述阳极座中发生气进气口和上述引弧外壳中第一环形分气室连通的孔道；旋气段外圆柱面设有第二环形分气室，内圆柱面设有6～8个与第二环形分气室连通的工作气出气孔，其中工作气为CF4和O2的混合气体，所述工作气出气孔轴线与内圆柱面法线夹角为30°～50°。本专利技术所述的一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器具有下述优点。1.产生稳定的等离子体射流。由于采用直流等离子体发生器和射频感应耦合等离子体发生器组合的方式，由第一射流口喷出的电弧等离子体射流形成的高速和高温通道可以避免在感应线圈区域内因洛仑兹力会诱导产生强回旋涡流,使第二射流口喷出的等离子体射流能长时间保持性能优异且形态稳定的等离子体射流。2.优化点火过程。本装置采用直流等离子体发生器和射频电感耦合等离子体发生器两部分组合的方式，等离子体的点火依靠阴极部分与阳极部分产生的电火花，克服传统射频感应耦合等离子体发生器点火过程易损伤石英玻璃管的问题。3.加工效率变高。本装置中，电弧等离子体射流由沿轴线对称的高速和高温通道进入感应线圈区域中进行二次电离，可释放出更高的能量，使工作气中活性反应粒子产生率变高，第二射流口中单位体积的活性反应粒子数量增加，提高硅基材料去除率，使加工效率变高。4.加工表面表面质量变高。本装置中，采用直流等离子体炬和射频感应耦合炬组合的方式，产生的等离子射流的稳定性高，不受保护气体质量流速和涡流速度参数的影响，因此在参数设定好的情况下，在加工硅基材料表面时可以长时间保持恒定束斑直径的等离子体射流，即加工过程中可以得到恒定的去除函数，实现对材料表面的确定性加工，因而提高加工表面质量。5.推动等离子体抛光材料表面的应用。本装置极大的提高了等离子体射流的稳定性，使得抛光材料表面时得到恒定的去除函数成为可能，这将必然推动等离子体抛光技术在加工超精密表面等领域得到进一步的运用。附图说明图1混合式等离子体发生器结构示意图。图2混合式等离子体发生器阳极头端面正视图。图3混合式等离子体发生器A-A剖面图。图4混合式等离子体发生器B-B剖面图。其中：10--直流等离子体发生器，20--射频感应耦合等离子体发生器，10a--初始电弧，10b--工作电弧，10E--第一射流口，20E--第二射流口，101--阴极接线柱，102--冷却水入口，103--阴极体，104--第一绝缘套，105--引弧外壳，106--第一阳极体，107--保护气进气口，108--第一密封槽，109--第二密封槽，110--石英玻璃管，111--感应线圈，112--第三环形分气室，113--冷却水出口，114--阳极外壳，115--阳极尾盖，116--第二绝缘套，117--第二阳极接线柱，118--阴极头，119--阴极座，120--第一阳极接线柱，200--阳极头，201--旋气槽，202--石英玻璃管安装室，203--沉头螺钉孔，301--发生气进气孔，302--发生气进气道，303--第一环形分气室，304--发生气出气孔，401--工作气进气口，402--第二环形分气室，403--工作气出气孔。具体实施方式为了更好的解释说明本专利技术，现结合附图对本专利技术的具体实现方式进行详细说明。本专利技术公开的一种用于硅基材料刻蚀加工的混合式等离子体发生器由直流等离子体发生器（10）和射频感应耦合等离子体发生器（20）两部分组成。其中直流等离子体发生器主要由阴极部分、引弧外壳、第一阳极体、阳极外壳、第二阳极部分、第一绝缘套、第二绝缘套组成；射频感应耦合等离子体发生器主要由石英玻璃管，感应线圈组成。阴极部分由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，主要由直流等离子体发生器和射频感应耦合等离子体发生器两部分组成，其特征在于：所述的直流等离子体发生器主要由阴极部分、引弧外壳、第一阳极体、阳极外壳、第二阳极部分、第一绝缘套、第二绝缘套组成；所述射频感应耦合等离子体发生器主要由石英玻璃管、感应线圈组成；所述的阴极部分主要由阴极座和阴极头组成；所述的第一阳极体上端面与引弧外壳连接，下端面与第二绝缘套连接；所述阳极外壳上部端面接有第二阳极体接线柱，所述第二阳极部分由阳极头和阳极尾盖组成；所述第一绝缘套内壁与阴极座配合，外壁与引弧外壳配合；第二绝缘套由薄壁段和射流接触段两部分组成；所述的第一阳极体上端面与引弧外壳配合，下端面与第二绝缘套的旋气段上端面配合，作用是隔离工作气体和阴极部分，避免工作气体激发产生的反应活性粒子腐蚀阴极部分；所述阳极头外圆柱面设有螺纹，用于与上述阳极外壳内壁螺纹连接；上部端面设有第三环形分气室，用于和阳极尾盖中的孔道连通，阳极头下部端面设有一石英玻璃管安装腔，石英玻璃管安装腔的内圆柱面上设有旋气槽，用于使冷却气在石英玻璃管内壁形成涡流，避免因高温而熔化。

【技术特征摘要】
1.一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，主要由直流等离子体发生器和射频感应耦合等离子体发生器两部分组成，其特征在于：所述的直流等离子体发生器主要由阴极部分、引弧外壳、第一阳极体、阳极外壳、第二阳极部分、第一绝缘套、第二绝缘套组成；所述射频感应耦合等离子体发生器主要由石英玻璃管、感应线圈组成；所述的阴极部分主要由阴极座和阴极头组成；所述的第一阳极体上端面与引弧外壳连接，下端面与第二绝缘套连接；所述阳极外壳上部端面接有第二阳极体接线柱，所述第二阳极部分由阳极头和阳极尾盖组成；所述第一绝缘套内壁与阴极座配合，外壁与引弧外壳配合；第二绝缘套由薄壁段和射流接触段两部分组成；所述的第一阳极体上端面与引弧外壳配合，下端面与第二绝缘套的旋气段上端面配合，作用是隔离工作气体和阴极部分，避免工作气体激发产生的反应活性粒子腐蚀阴极部分；所述阳极头外圆柱面设有螺纹，用于与上述阳极外壳内壁螺纹连接；上部端面设有第三环形分气室，用于和阳极尾盖中的孔道连通，阳极头下部端面设有一石英玻璃管安装腔，石英玻璃管安装腔的内圆柱面上设有旋气槽，用于使冷却气在石英玻璃管内壁形成涡流，避免因高温而熔化。2.根据权利要求1所述的一种用于硅基材料加工的混合式等离子体发生器，其特征在于：工作时，由直流电源在阴极部分与第一阳极体之间施加高频高压，阴极头与第一阳极体产生初始电弧后，断开阴极部分与第一阳极体之间的高频高压，在阴极头与第二阳极部分之间施加高频高压，上述初始电弧被拉长至阳极尾盖的旋气段，转变为工作电弧；引入第一阳极体的作用是隔离工作气体和阴极部分，避免工作气体激发后产生的反应活性粒子腐蚀阴极部分，其中工作气为CF4和O2的混合气体，发生气...

【专利技术属性】
技术研发人员：余德平，吴杰，钟彦杰，徐继业，姚进，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51