用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬制造技术

用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，它涉及一种等离子体抛光设备。本发明专利技术的目的是为解决常规的机械式研抛方法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和现有的平行板式等离子体抛光方法中存在的加工痕迹难以消除，以及感应耦合式等离子体炬存在的内炬管易腐蚀，成本高，系统的维护性不好等问题。本发明专利技术阴极（６）的外壁与外套（９）的内壁之间形成水冷环形空间（１３），阳极水冷导管（１）设置在阳极（５）的内腔（１６）内。本发明专利技术不需要真空室，本发明专利技术加工效率约是传统抛光方法的１０倍。不会像真空等离子体那样对超光滑表面造成表面损伤、亚表层损伤和表面污染，实现了光学零件的高效率高质量加工。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种常压等离子体抛光设备。
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(ultra smooth surface)。超光滑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。而且，抛光加工不适合非球曲面零件的加工，很难对零件的表面形状误差进行修正。特别是当光学零件采用碳化硅等极难加工材料时，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4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所固有的缺陷。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。下面对已有相关技术存在的缺点进行简单的阐述传统机械式抛光加工目前，在光学零件的加工中，在精密磨削的基础上进行传统的抛光加工方法应用非常普遍，但这种方法也存在着非常多的问题，如加工效率过低，容易产生表层及亚表层损伤，抛光后超光滑表面的难以清洗；不适合于加工碳化硅、光学玻璃等硬脆性材料，不适合非球曲面零件的加工，很难对零件的表面形状误差进行修正等。RIE(反应离子刻蚀)RIE可以实现超光滑表面的加工，但它的缺点包括①材料去除速率过低，不适合需要大量材料去除的反射镜形面误差修整；②RIE的精密光整加工必须在真空环境中进行，为机电系统的设计、维护和操作均提出了很高的要求；③离子溅射作用的存在破坏表面的晶格结构，甚至降低表面粗糙度。PACE(等离子体辅助抛光技术)该方法的主要不足之处在于它要求被加工工件是导体或工件厚度不大于10mm。当工件为厚度大于10mm的绝缘体时，其加工效率将低到让该方法失去正常的使用价值。而且PACE必须在真空环境中完成。离子束溅射或中性离子铣它的主要缺点是1、由于异种载能离子轰击，离子束溅射会破坏晶格的完整性，在亚表面产生缺陷；2、在使用中存在设备及维护费用高、被处理物体的尺度受真空室腔体限制，操作不方便和时间长等缺点。目前，世界上只有日本大阪大学和美国Lawrence Livermore国家实验室在从事常压等离子体抛光技术的研究。大阪大学是最早从事这方面研究的单位，他们开发了一种叫做化学蒸发加工(CVM)的方法，该方法采用旋转平行电极来产生等离子体。据报道，大阪大学已经可以在加工半导体用硅片时实现1.4nm的表面粗糙度，材料去除速率最高可达每分钟数百微米，与常规的研磨效率相当，而其表面缺陷密度仅为常规机械抛光和氩离子溅射加工方法的1/100。另据报道，采用此种技术加工90mm直径的光学反射镜，面型精度达到了3nm(PV)，约相当于20个原子的高度。但是，他们采用的加工方法存在的不足是由于等离子体是在旋转电极和工件之间产生，它会受很多因素如RF功率、气体流速等的影响，很难实现等离子体区的建模和控制，从而使得加工痕迹的可重复性控制和预测变得非常困难，很难保证加工精度。美国Lawrence Livermore实验室近年来对常压等离子体抛光技术也表现出了极大的兴趣，他们开发了叫做反应原子等离子体抛光(RAP)的方法，采用商品化的电感耦合等离子体炬来产生稳定的等离子体，很好地解决了大阪大学遇到的加工重复性问题，使活性原子常压等离子体抛光精度的预测成为可能。但是，该等离子体炬存在着内炬管易腐蚀的问题，成本高，系统的维护性不好。因此，在国防和尖端科学研究的众多领域，迫切需要开发一种不会造成表面损伤的、高效的、超精密光学零件加工设备，以满足对大型或大批量超精密光学零件的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决常规的机械式研抛方法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、表面清洗困难以及针对其在大型轻质反射镜加工中存在的问题以及等离子体炬存在着内炬管易腐蚀，成本高，系统的维护性不好的问题，提供一种用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬。本专利技术具有抛光效率高、常压等离子体密度高、适用范围大、无需真空室、成本低的特点。本专利技术由阳极水冷导管1、进气接头3、阴极水冷接头一4、阳极5、阴极6、阴极水冷接头二8、外套9、陶瓷螺母10、连接体11和密封座12组成，阴极6与外套9固定连接，阴极6的外壁与外套9的内壁之间形成水冷环形空间13，阴极水冷接头一4固定在外套9一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，阴极水冷接头二8固定在外套9另一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，陶瓷螺母10的右端与阴极6的左端固定连接，连接体11的右端与陶瓷螺母10的左端固定连接，阳极5的左端通过螺纹及阳极5中间的台肩固定在连接体11和陶瓷螺母10内，阳极5的右端设置在阴极6内，阳极5的外壁与阴极6的内壁之间形成工作腔15，阴极6的右端设有出口7，进气接头3固定在陶瓷螺母10的外壁上并与陶瓷螺母10内的进气通道14相连通，陶瓷螺母10内的进气通道14与阳极5和阴极6之间的工作腔15相连通，阳极水冷导管1设置在阳极5的内腔16内，密封座12固定在阳极5的左端口内，阳极水冷导管1的左端固定在密封座12的中心处并与外界相通，连接体11内设有冷却水通道2，冷却水通道2的里端与阳极5的内腔16相连通，冷却水通道2的外端与外界相通。本专利技术的另外一种结构的用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬由阳极水冷导管1、进气接头3、阴极水冷接头一4、阳极5、阴极6、阴极水冷接头二8、外套9、陶瓷螺母10、连接体11、密封座12和端盖20组成，阴极6与外套9固定连接，阴极6的外壁与外套9的内壁之间形成水冷环形空间13，阴极水冷接头一4固定在外套9一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，阴极水冷接头二8固定在外套9另一侧的外壁上并与水冷环形空间13相连通，陶瓷螺母10的右端与阴极6的左端固定连接，连接体11的右端与陶瓷螺母10的左端固定连接，阳极5的左端通过螺纹及阳极5中间的台肩固定在连接体11和陶瓷螺母10内，阳极5的右端设置在阴极6内，阳极5的外壁与阴极6的内壁之间形成工作腔15，进气接头3固定在陶瓷螺母10的外壁上并与陶瓷螺母10内的进气通道14相连通，陶瓷螺母10内的进气通道14与阳极5和阴极6之间的工作腔15相连通，阳极水冷导管1设置在阳极5的内腔16内，密封座12固定在阳极5的左端口内，阳极水冷导管1的左端固定在密封座12的中心处并与外界相通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬，它由阳极水冷导管（１）、进气接头（３）、阴极水冷接头一（４）、阳极（５）、阴极（６）、阴极水冷接头二（８）、外套（９）、陶瓷螺母（１０）、连接体（１１）和密封座（１２）组成，其特征在于阴极（６）与外套（９）固定连接，阴极（６）的外壁与外套（９）的内壁之间形成水冷环形空间（１３），阴极水冷接头一（４）固定在外套（９）一侧的外壁上并与水冷环形空间（１３）相连通，阴极水冷接头二（８）固定在外套（９）另一侧的外壁上并与水冷环形空间（１３）相连通，陶瓷螺母（１０）的右端与阴极（６）的左端固定连接，连接体（１１）的右端与陶瓷螺母（１０）的左端固定连接，阳极（５）的左端通过螺纹及阳极（５）中间的台肩固定在连接体（１１）和陶瓷螺母（１０）内，阳极（５）的右端设置在阴极（６）内，阳极（５）的外壁与阴极（６）的内壁之间形成工作腔（１５），阴极（６）的右端设有出口（７），进气接头（３）固定在陶瓷螺母（１０）的外壁上并与陶瓷螺母（１０）内的进气通道（１４）相连通，陶瓷螺母（１０）内的进气通道（１４）与阳极（５）和阴极（６）之间的工作腔（１５）相连通，阳极水冷导管（１）设置在阳极（５）的内腔（１６）内，密封座（１２）固定在阳极（５）的左端口内，阳极水冷导管（１）的左端固定在密封座（１２）的中心处并与外界相通，连接体（１１）内设有冷却水通道（２），冷却水通道（２）的里端与阳极（５）的内腔（１６）相连通，冷却水通道（２）的外端与外界相通。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王波，张巨帆，张龙江，王浪平，董申，
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]