常压等离子体抛光方法技术

常压等离子体抛光方法，它涉及一种抛光方法。本发明专利技术的目的是为解决常规的机械式研抛方法存在的不足及在碳化硅等硬脆性难加工材料的超光滑表面加工中存在的效率低、易产生表层及亚表层损伤、表面清洗困难等问题。本发明专利技术的方法主要是，等离子体气体与反应气体的体积比为４∶１～１０００∶１；启动射频电源，逐步施加功率，控制反射功率为零，初始有效功率为１８０～２４０瓦，常用功率为４００～１２００瓦，最高功率可加至１５００瓦。本发明专利技术可在常压下通过等离子体化学反应实现超光滑表面加工，不需要真空室，可降低设备成本并扩大其使用范围。加工效率是传统抛光方法的十倍，并且无表面损伤、无亚表层损伤、无表面污染，抛光工件的表面粗糙度小于１ｎｍ　　Ｒａ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种抛光方法。
技术介绍
现代短波光学、强光光学、电子学及薄膜科学的发展对表面的要求非常苛刻，其明显特性是表面粗糙度小于1nm Ra。这类表面用作光学元件时，为获得最高反射率，特别强调表面低散射特性或极低粗糙度值；用作功能元件时，因多为晶体材料，相对于表面粗糙度而言，更注重表面的晶格完整性。我们统称这两类表面为超光滑表面。超光滑表面微观起伏的均方根值为几个原子的尺寸，因此实现超光滑表面加工的关键在于实现表面材料原子量级的去除。超光滑表面加工的对象为晶体、玻璃和陶瓷等硬脆性材料，一般来说，大部分硬脆材料不能通过类似金属铸造或塑性加工的方法来加工，只有采用超精密加工方法，才可以得到较好的超光滑表面。超精密光学零件加工多采用金刚石超精密切削加工或各种传统的磨削、抛光加工。超精密金刚石切削本身可以达到极高的加工精度，但是不适合于加工碳化硅、光学玻璃等硬脆性材料，同时，金刚石超精密机床设计复杂，价格昂贵，对材料、测量、控制、环境等方面的要求都非常苛刻，这都限制了它的广泛使用。目前，光学零件加工中最常用的加工方法是在精密磨削的基础上进行传统的抛光加工，如浴法抛光、浮法抛光等。此类加工方法固然可以得到极高的表面粗糙度，但其材料去除率太低，即加工效率过低，如激光陀螺反射镜的表面粗糙度要求达到2_Rq左右，其抛光工艺耗时一般在七天以上，而且，其不适合非球曲面零件的加工，很难满足需要大量材料去除的零件表面形状误差的修正。特别是当光学零件采用碳化硅等极难加工的材料时，由于碳化硅材料的高硬度，在对其进行抛光时，抛光压力至少是抛光玻璃陶瓷时的四倍，这在加工非常薄的轻质反射镜镜片时，可能引起灾难性的后果。此外，不管是超精密金刚石切削还是各种磨削、抛光加工，都不可避免地存在传统机械接触式加工的固有的缺陷。例如，接触式机械加工都不同程度地会造成材料的表面破坏，形成微裂纹或引起材料的晶格扰动，从而影响到反射镜的表面质量，降低其表面破坏阈值。有时，即使可以得到表面粗糙度满足要求的镜面，但是仍然无法避免在表层掩盖下的亚表面损伤。所有这些都会最终影响反射镜的光学性能。机械式的研抛工艺带来的另外一个问题是抛光后超光滑表面的清洗问题，表面存在的难以清洗的残留物将直接影响到后续的纳米级薄膜的成膜质量或微电子器件的线宽，集成度和可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对常规的机械式研抛方法在大型轻质反射镜加工中存在的不足之处，以及在碳化硅等硬脆性难加工材料的超光滑表面加工中存在的效率低、容易产生表层及亚表层损伤、表面清洗困难等问题，提供一种。本专利技术利用常压等离子体中的高密度高能活性粒子与材料表面的原子发生物理、化学作用，实现高效的、原子级的材料去除，同时又不会在工件表面产生表层或亚表层损伤，可有效克服超光滑表面加工过程中存在的上述问题，具有机械加工手段所无法比拟的优势。而且，采用常压条件下的等离子体发生技术，避免了通常的等离子体工艺装置都要求的复杂的真空系统，实现了更低成本的大气压下均匀放电，可以大大减少工业界在真空设备上的投资。本专利技术的装置由密闭工作舱51、第一联动系统52、等离子体炬53、工作台56、第二联动系统57、射频电源58、射频匹配器59、第一流量控制器60、反应气体瓶61、等离子体气体瓶62、气体回收处理装置63、负压泵64、第二流量控制器65、进水管68和出水管69组成，第一联动系统52与第二联动系统57一起固定在位于密闭工作舱51底部内壁上的共同的基座54上，等离子体炬53安装在第一联动系统52上，并可以在第一联动系统52上实现直线运动和回转运动，第一联动系统52主要作用为调整等离子体炬53与工件55间的距离，并保证等离子体炬53的轴线方向与工件55被加工表面的法线方向重合，工作台56安装在第二联动系统57上并可在第二联动系统57上实现直线运动和回转运动，第二联动系统57主要作用为通过直线运动和回转运动实现工件55的定位，第一联动系统52和第二联动系统57配合实现等离子体炬53与工件55间的特定的相对运动轨迹，完成对平面、球面、非球面以及更复杂曲面的抛光加工，射频电源58与射频匹配器59电连接，反应气体瓶61由管线与第二流量控制器65的入口相连通，第二流量控制器65的出口通过管线经由密闭工作舱51上的管线接口66与等离子体炬53相连接，等离子体气体瓶62由管线与第一流量控制器60的入口相连通，第一流量控制器60的出口通过管线经由密闭工作舱51上的管线接口66与等离子体炬53相连接，进水管68和出水管69分别经由密闭工作舱51上的管线接口66与等离子体炬53相连接，气体回收处理装置63的入口与负压泵64的出口相连接，负压泵64的入口通过管线与密闭工作舱51的出气口67相连接；抛光的步骤为一、打开冷却水泵，使进水管68和出水管69通水；二、预热射频电源58、第一流量控制器60和第二流量控制器65，预热时间为5～20分钟；三、打开气体回收处理装置63(负压泵64为可选配件，需要负压时可以串联并打开)；四、打开反应气体瓶61和等离子体气体瓶62，等离子体气体为He或Ar，反应气体为CF4、NF3或SF6，等离子体气体与反应气体的体积比为4∶1～1000∶1；等离子体气体的流量范围为5～25SLM升/分；五、启动射频电源58，逐步施加功率，控制反射功率为零，初始有效功率(即开始产生等离子体的功率)大约为200瓦，常用功率为400～1200瓦，功率最高可加至1500瓦；六、保持等离子体炬53的等离子体焰的稳定，实施计算机调控加工轨迹运行；七、抛光完成后，关闭射频电源58、关闭反应气体瓶61和等离子体气体瓶62、关闭气体回收处理装置63及负压泵64(如有配备)、关闭冷却水泵；八、取出抛光工件。本专利技术的有益效果是可在常压条件下实现超光滑表面的高效、高精度的抛光加工，同时避免了常规的机械式研抛方法中存在的表层或亚表层损伤等问题；同时，能够在一个大气压下产生大面积均匀的低温等离子体，不需要真空室，可大大降低设备成本并扩大其使用范围；常压等离子体具有很高的等离子体密度，其电子密度最高能够达到1×1014-1×1015cm-3之间，比真空等离子体要高4-6个数量级。常规条件下，等离子体中活性粒子密度比等离子体密度高1到2个数量级，因此采用常压等离子体可以保证很高的化学反应速度，加工效率是传统抛光方法的10倍，抛光工件的表面粗糙度小于1nm Ra。附图说明图1是本专利技术所采用的抛光装置的整体结构示意图，图2是等离子体炬53的整体结构示意图。具体实施例方式具体实施方式一(参见图1、图2)本实施方式的装置由密闭工作舱51、第一联动系统52、等离子体炬53、工作台56、第二联动系统57、射频电源58、射频匹配器59、第一流量控制器60、反应气体瓶61、等离子体气体瓶62、气体回收处理装置63、负压泵64(可选配件)、第二流量控制器65、进水管68和出水管69组成，第一联动系统52与第二联动系统57一起固定在位于密闭工作舱51底部内壁上的共同的基座54上，等离子体炬53安装在第一联动系统52上并可在第一联动系统52上实现直线运动和回转运动，第一联动系统52主要作用为调整等离子体炬53与工件55间的距离，保证等离子体炬53的轴线方向与工件55被本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种常压等离子体抛光方法，常压等离子体抛光方法的装置由密闭工作舱（５１）、第一联动系统（５２）、等离子体炬（５３）、工作台（５６）、第二联动系统（５７）、射频电源（５８）、射频匹配器（５９）、第一流量控制器（６０）、反应气体瓶（６１）、等离子体气体瓶（６２）、气体回收处理装置（６３）、负压泵（６４）、第二流量控制器（６５）、进水管（６８）和出水管（６９）组成，第一联动系统（５２）与第二联动系统（５７）一起固定在位于密闭工作舱（５１）底部内壁上的共同的基座（５４）上，等离子体炬（５３）安装在第一联动系统（５２）上并在第一联动系统（５２）上实现直线运动和回转运动，工作台（５６）设置在第二联动系统（５７）上并在第二联动系统（５７）上实现直线运动和回转运动，射频电源（５８）与射频匹配器（５９）电连接，反应气体瓶（６１）由管线与第二流量控制器（６５）的入口相连通，第二流量控制器（６５）的出口通过管线经由密闭工作舱（５１）上的管线接口（６６）与等离子体炬（５３）相连接，等离子体气体瓶（６２）由管线与第一流量控制器（６０）的入口相连通，第一流量控制器（６０）的出口通过管线经由密闭工作舱（５１）上的管线接口（６６）与等离子体炬（５３）相连接，进水管（６８）和出水管（６９）分别经由密闭工作舱（５１）上的管线接口（６６）与等离子体炬（５３）相连接，气体回收处理装置（６３）的入口与负压泵（６４）的出口相连接，负压泵（６４）的入口通过管线与密闭工作舱（５１）的出气口（６７）相连接；其特征在于抛光的步骤为：一、打开冷却水泵，使进水管（６８）和出水管（６９）通水；二、预热射频电源（５８）、第一流量控制器（６０）和第二流量控制器（６５），预热时间为５～２０分钟；三、打开气体回收处理装置（６３）；四、打开反应气体瓶（６１）和等离子体气体瓶（６２），等离子体气体为Ｈｅ或Ａｒ，反应气体为ＣＦ↓［４］、ＮＦ↓［３］或ＳＦ↓［６］，等离子体气体与反应气体的体积比为４∶１～１０００∶１，等离子体气体的流量范围为５～２５ＳＬＭ升／分；五、启动射频电源（５８），逐步施加功率，控制反射功率为零，初始有效功率为１８５瓦，常用功率为４００～１２００瓦；六、保持等离子体炬（５３）等离子体焰的稳定，计算机调控完成加工轨迹运行；七、抛光完成后，关闭射频电源（５８）、关闭反应气体瓶（６１）和等离子体气体瓶（６２）、关闭气体回收处理装置（６３）、关闭冷却水泵；八、取出抛光...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王波，张巨帆，董申，张龙江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]