1、大氣壓等離子體加工技術研究徐振東1引言在航空航天，光學工程，激光核聚變等眾多領域中， 超光滑表面的光學元件是系統的重 要組成部分，因此國內外圍繞光學元件超光滑表面加工技術開展了眾多研究。由于傳統加工技術在加工硬脆的光學元件時會對表面產生殘余應力和亞表層損傷1,對復雜形狀的表面傳統的加工技術也難達到高質量，高精度的加工要求。而等離子加工是一種非接觸的加工方式， 對表面無損傷，無殘余應力，對材料沒有選擇性，因此適合對光學元件的加工。本文參閱國內外相關文獻，從大氣壓等離子體加工技術的原理，國內外大氣壓等離子體加工技術等進行介紹。2大氣壓等離子體加工技術的原理等離子體被稱為物質的第四態，它是被電離的氣

2、體，由于等離子體中存在大量的電子、正離子、自由基、亞穩態的分子原子等，但整體還是電中性的，因此和其他三態有不同的物理和化學性質。大量的電子、正離子、自由基、亞穩態的分子原子都是活性粒子，采用低冷離子體，因 此不會對材料造成任何損傷（由于高溫等離子體對物體表面的作用過于強烈，因此在實際應用中很少使用，目前投入使用的只有低溫等離子體，比如太陽就是一種高溫等離子體2。活性等離子體與材料發生干化學反應， 就能達到去除材料的目的。 在等離子體自身中的 電子與原子或者分子之間會碰撞產生激發態中性原子或原子團（又稱自由基）等離子體中存在大量的自由基，而自由基有著極高的能量，有極高的活化作用。等離子體化學是一

3、種復雜的化學現象，反應的能源不是單一的，而是熱、電、光化學等多種化學反應過程，這使得在等離子體氛圍中能夠發生常規難以發生的反應。比如在加工熔石英材料中，反應氣體CF 4在等離子體氛圍中被激發成各種具有活性的自由基和激發態的F原子，激發態的F原子擴散到熔石英材料表面后，和SiO2發生化學反應生成氣態 SiF 4,從工件表面逸出，從而達到去除材料的目的3。圖1等離子體加工原理示意圖 43國內外大氣壓等離子體加工技術目前國內外比較成熟的大氣壓等離子體加工技術日本大阪大學開發的大氣等離子體化 學蒸發加工（PCVM ）、美國加利福尼亞州勞倫斯？利弗莫爾國家實驗室開發的反應原子等離 子體加工（RAPT）、

4、德國的萊布尼茨學會開發的大氣等離子體化學加工（APACE）及我國哈爾濱工業大學開發的大氣等離子體加工技術（APPP）1.1 大氣等離子體化學蒸發加工（PCVM20世紀90年代，日本大阪大學提出等離子體化學蒸發加工（ PCVM）,與傳統機械加 工方式和等離子體刻蝕相比，PCVM的損傷密度很小，不及前兩者導致白損傷密度的1/1005;采用管電極（直徑 4mm）加工時，與同等尺寸小磨頭拋光方式，材料去除率提高了3080倍，而且平均粗糙度 Ra可達0.5nm （測量長度為200 m） 6。PCVM基于電容耦合方式激 發等離子體，使用射頻功率源，可選擇頻率范圍為13.56300MHz。選用不同的電極或電

5、極組合能夠對工件進行無損傷切割、平坦化加工和對非球面工件進行修形加工等功能7-9。加工過程沒有機械力，不會對加工表面產生損傷，同時熱量能很快的導出，也不會有熱損傷。 同時該課題組開發了相應的機床。圖2.旋轉電極和管電極圖3.射流等離子體圖4 NC-PCVM 機床 圖5開放式等離子體加工機床1.2 反應原子等離子體加工 （RAPT）RAPT技術是美國加利福尼亞州勞倫斯？利弗莫爾國家實驗室在1999年提出的，并且在2001年成成立RAPT公司，成功的將這項技術商業化，美國國家點火工程所用的超光滑大 口徑光學元件就是該公司提供的，并且該技術在光學和半導體元件生產制造領域應用前景廣 闊10。RAPT基

6、于感應耦合放電（ICP）原理的一種大氣壓等離子體加工技術，這項技術不需 要真空環境加工。在加工過程中，首先是形成穩定的僦等離子體，然后在通入含氟氣體作為Si反應氣體。這些含氟氣體在等離子體氛圍中被激發成含氟活性粒子，進而與工件表面的原子反應生成揮發性的氣體，從而實現材料去除。由于感應耦合放電相比別的放電方式，其能量轉換率和等離子激發的程度都更加高，因此適合大口徑的光學元件的整形加工。圖6 RAPT加工原理示意圖為了充分發揮RAPT的加工優勢，有學者開發了加裝有冷卻裝置分體式等離子體發生 器。Ar (rnam) Excitation ConvergentQuartz tube Glow di領h

7、arge area圖7.分體式炬管結構示意圖11RAPT已經開發了幾代加工機床了。圖 8為RAPT300機床，該機床驗證了該技術的修形能 力。圖9為RAPT Helios 1200機床，該機床最大加工尺寸1.2m,在此機床上已經做了大量大口徑光學元件的修形實驗。圖 8. RAPT300 機床 圖 9. RAPT Helios 1200 機床如圖10所示經過多次迭代加工曲率半徑為3m的凹球面得到了面形誤差和粗糙度都很小的曲面12。有學者在熔石英工件上加工出納米尺度的字母圖形，驗證了在小尺度范圍內的RAPT技術有很好的加工能力，也證明了去除速率是可控的 13。圖10大口徑ULE凹球面12 圖11納

8、米尺度的字母圖形131.3 等離子體噴射加工技術等離子體噴射加工技術(PJM)是德國萊布尼次表面改性研究室設計研發的，PJM也是采用電容耦合放電形式，但PJM的激勵電源是兩種，一種是射頻電容耦合式的射頻激勵，另一種是微波電容耦合式的微波激勵。這兩種激勵在相近功率能達到的加工效率是差不多的，但兩種激勵方式所產生的等離子體的加工效率是大致相同的，但微波激勵可以承載的功率上限更大，因此微波激勵一般用在粗加工場合。使用 PJM對SiC表面進行加工，面形精度可 以達到1nm RMS。 1 產HEIIEFT出 QAr+Ch)QAi 的q Mj) 由圳口壯川如戶d Pipe electrode D：tend

9、edleid with aptitur« Platina Jet vicing + diMtrair 卡 rauiiah.RmIU 產使 g, Alomicf uonne F)圖12. PJM加工原理與實物圖1 4該技術通過采用不同直徑的等離子體射流炬，可以得到很高去除率的去除函數，使得加工分辨率和材料去除率都大大提高，這使得在硅基材料上加工自由曲面不成問題，還能提高面形誤差修正的速度正。有學者開放了一種基于PJM 技術的自由曲面光學加工工藝鏈，并且得到了實驗驗證，這種方法配合其他拋光方法，能夠加工出超光滑的表面15。1.4 大氣等離子體加工技術大氣等離子體加工技術(APPP)是我國

10、哈爾濱工業大學王波教授團隊提出來的，這個技術是基于電容耦合的放電方式，使用等離子體射流進行加工，該團隊自主研發了國內首臺三軸聯動大氣等離子體拋光系統，使用該系統對單晶硅的超光滑表面加工進行了研究。該團隊對其他硬脆材料的研究也在進行。對等離子體的發生裝置也進行了研究，對加工光學微結構也進行了研究，不過沒有達到實際應用的要求。4 大氣壓等離子體拋光系統裝置一般來說，大氣壓等離子體拋光系統裝置一般由射頻電源供應系統、水冷系統、氣體供應系統、 等離子體發生炬、可控運動工作臺、密封加工艙和廢氣凈化處理裝置等幾部分組成。下面對重要的部分做簡要介紹：4.1 射頻電源供應系統射頻電源是大氣等離子拋光系統的重要

11、組成部分之一，它將兩相交流電轉換為可供等離子體激發所使用的射頻電流。射頻(Radio-frequency) 是一種高頻交流變化電磁波的簡稱，射頻電源的性能優劣，直接關系著激發等子體的穩定性。4.2 氣體供應系統大氣等離子體拋光利用反應氣體激發產生的活性粒子與工件表面反應實現工件表面材料的去除，因此氣體的流量及穩定性等對等離子體放電及加工過程有很大影響。為了使放電均勻、 穩定、可控，就需要對氣體的流量進行控制。在大氣等離子體拋光系統所使用的氣體有兩類：一類是激發氣體，是產生等離子體的主要氣體；第二類為反應氣體，是產生活性粒子的主要氣體16。4.3 等離子體炬等離子體炬是等離子體和活性反應原子的激

12、發裝置，其結構和工作狀態都會影響到等離子體特性和放電狀態，進而影響到加工質量，因此， 在設計和制造等離子體炬的過程中要重點考慮可能會影響到放電特性的因素。比如： 放電過程中的微小波動都會引起等離子體狀態的顯著變化，甚至終止放電，因此在電極制造過程中要采用較精密的研拋手段，保證內外電極的放電表面都比較光滑，不會殘留能夠影響到放電的毛刺。5 大氣等離子體加工技術存在的問題與展望首先是熱影響，加工過程為產生大量熱，這對加工過程不利，需要進行控制17。然后是加工分辨率的問題，為了加工光學微結構，需要有更高的加工分辨率18-20。 還有就是去除速率的問題，現在加工大口徑光學元件的速度很慢，需要進一步提高

13、21。這些問題有待進一步研究及解決。參考文獻：1 黨煒 . 大氣等離子體加工技術定量去除研究D. 哈爾濱工業大學,2013.2 張塍 . 等離子清洗的應用與技術研究J. 電子工業專用設備,2006(06):21-273 王東方 . 大氣等離子體加工熔石英材料過程的若干影響因素研究D. 哈爾濱工業大學,2011.4 張巨帆 , 王波 , 董申 . 超光滑表面加工方法的新進展J. 光學技術,2007(S1):150-15 4.5 Mori Y, Yamauchi K, YamamuraK, et al. Development of Plasma Chemical Vaporization Mac

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