离子束和等离子体加工

离子束和等离子体加工的原理和特点及这两种加工技术在高精度表面抛光中应用。1.离子束加工的基本原理所谓离子束抛光,就是把惰性气体氩、氮等放在真空瓶中,用高频电磁振荡或放电等方法对阴极电流加热,使之电离成为正离子,再用5千至10万伏高电压对这些正离子加速,使它们具有一定的能量。利用电子透镜聚焦，将它们聚焦成一细束,形成高能量密度离子流，在计算机的控制下轰击放在真空室经过精磨的工件表面,从其表面把工件物质一个原子一个原子地溅射掉。用这种方法对工件表面进行深度从100埃到10微米左右的精密加工。2.等离子体加工的基本原理等离子体加工又称为等离子弧加工，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气体去除材料的。等离子体又被成为物质的第四种状态。等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，理解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体的正负离子数目和正负电荷仍相等，因此称为等离子体，具有极高的能量密度。3.离子束加工主要的特点（1）属于原子级逐层去除加工，加工精度高（2）加工生产污染小（3）加工应力、变形小（4）加工范围广（利用机械碰撞能量加工）（5）易实现自动化（6）设备复杂、价格贵4.等离子体加工主要的特点由于等离子体电弧对材料直接加热，因而比用等离子体射流对材料的加热效果好得多。因此，等离子体射流主要用于各种材料的喷镀及热处理等方面；等离子体电弧则用于金属材料的加工、切割以及焊接等。等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度，以及喷射距离，可以利用一个电极加工不同厚度和多种材料。5.离子束抛光的典型应用离子束抛光是1965年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。目前，美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备，并应用于生产。此外，日本、英国、法国等国也已开发和研究了这一新技术。从目前国内外研究现状来看,关于离子束抛光及整形的文献有很多研究涉及。材料从半导体InP、Si、CuInSe2到绝缘体SiC、AI2O3、CaF〗、CsLiBsOio、BK7玻璃、焰石英等等,研究内容主要集中在不同材料的刻蚀速率、刻烛导致的损伤情况、表面粗糖度变化等总的来说,离子束抛光方法可以降低元件的表面粗糖度、改善表面质量,通过适当的控制离子能量、刻烛角度和束流密度等实验参数可实现对刻蚀速率进行优化,同时产生较低的损伤。(1)高精度非球面光学零件的抛光离子束抛光法的加工范围广，对工件尺寸没有严格控制，可加工球面、非球面和非对称形面。对外界环境的振动、温度变化以及装卡稳定性不敏感。一次加工过程既可实现对面形误差的完全修正，缩短制造周期。同时不会出现传统抛光方法中易出现的塌边、翘边的边缘效应。（2）离子束抛光提高激光工作物质的性能休斯研究实验室用离子束抛光提高蓝宝石和红宝石等激光工作物质的性能。他们用加速电压为7千伏、电流密度为300微安/厘米的低能离子束对经普通磨料抛光后的蓝宝石再进行2一4小时抛光,去掉厚度约2.5一5微米的材料。用功率密度为1一9千兆瓦/厘米2的激光进行抗破坏试验,发现经离子束抛光的工件比经普通抛光的工件的抗破坏阀值提高2一6倍。离子束抛光能去掉普通抛光后产生的划痕、应力、裂纹和表面残留的化学污染,因而提高抗激光破坏闽值。(3)离子束抛光硅片采用离子束抛光法,在石英基底上可获得好于0.5nm(有效值)的表面粗糙度,在硅表面甚至可获得好于0.2nm(有效值)的表面粗糙度。由于硅为晶体结构,与石英(一般为熔石英)相比,加工成光学元件后的尺寸比较稳定,所以硅材料作为反射镜基底使用较多,尤其在短波段(X射线、软X射线)光学领域,如X射线多层膜反射镜基底等。（4）超光滑超精密玻璃抛光离子束抛光是20世纪末光学玻璃制造上的创新，1990年美国EastmanKodak公司即研究了实用化的计算机控制的Kodak2.5m五束数控离子束抛光系统，将直径1.3m熔融石英（ULF）镜面抛光，对直径1.3m花瓣形离轴非球面镜加工精度达到0.01mm。由于离子束抛光主要依靠溅射玻璃表面原子（离子）而抛除的，所以会引起玻璃表面成分、结构和折射率的变化，也会有表面残余应力的产生，对折射率变化有严格要求的玻璃材料，要慎用此方法。6.等离子体抛光的典型应用等离子体加工技术是等离子体源与化学气相处理设备相结合的新技术,其工作原理是利用等离子体与工件表层材料发生化学作用去除材料。采用这种方法可以进行大面积平面抛光、局部抛光、非球面的成形和抛光等。采用此方法进行光学零件的加工,可以避免亚表面损伤层的出现,提高光学零件表面加工等级,实现高精密加工,该项技术包括真空等离子抛光和常压(大气压)下等离子抛光。涉及到光学加工、自动控制、等离子体物理、化学气相反应以及流体动力学等学科的相关内容,日本、美国已经开始了对该项技术的应用基础研究,并取得了初步的研究成果。（1）真空等离子抛光应用传统的真空等离子体表面加工技术通常使用六氟化硫!四氟化碳等具有腐蚀作用的气体,利用高频电场激发产生等离子体,等离子体中的活性自由基能够与被加工材料表面原子产生化学反应,生成强挥发性气体,在此过程中产生抛光效果。其实质是真空中的纯化学反应，因此真空系统的好坏将直接影响最终的抛光效果。根据多数工艺实验的结果发现,此方法虽然原理明了，设备简单,但是加工的方向性与选择性差,加工效率不高。在诸多研究机构的努力之下,具有更高加工效率的反应离子刻蚀技术RIE成为等离子体抛光技术的研究重点,此方法的抛光原理是利用高频电场激发等离子体,产生气体辉光放电,利用等离子体中离子轰击的物理效应与活性自由基的化学反应效应共同去除被加工件的表面材料。反应离子刻蚀的刻蚀速率高,方向性与选择性好,但是由于加工过程中有离子轰击的物理效应,很容易破坏被加工件表面的晶格结构,使表面粗糙度增加。鉴于RIE的缺点,研究人员提出一种采用低气压下电容藕合放电的低温等离子辅助抛光技术,其主要的刻蚀原理为等离子体中的活性自由基与被加工件表面原子间发生化学反应,产生挥发性强的物质,不引入新的表面污染,实现以化学作用为主的材料去除。此方法抛光效率高,加工后无亚表层损伤,可加工球面与非球面因为此方法使用射频放电激发等离子体,离子在电场中的加速时间变短,使等离子体中的离子能量比较低,离子轰击物理效应带来的被加工表面晶格结构破坏微弱,能够获得良好的抛光效果。日本Nikon大学采用的是等离子体化学气相加工技术,原理是在射频(RF150MHz)激励的作用下,在抛光室中产生等离子体。具有化学活性的等离子体与工件表面物质发生化学反应,达到去除目的。同时有一套自反馈系统控制,通过控制被加工工件的转动或移动来控制去除量。该技术对石英玻璃的去除速率为200Lm/min,表面粗糙度达到亚纳米级,面形误差为亚微米级。美国Hughs公司采用的是PACE等离子体辅助抛光技术,其抛光原理与等离子体化学气相加工没有本质区别,只是在激励方式、工作真空度、反应气体和惰性气体的比率等方面不同。该技术对石英玻璃的去除速率为100Lm/min,表面粗糙度也达到亚纳米级,面形误差为几十微米。(2)大气压等离子抛光技术应用大气压等离子体技术是当前等离子体应用领域中的前沿问题。一直以来，实现光学零件的高效、超精密加工都是困扰科技工作者的世界性难题，最近几年，国际上提出了大气压等离子体抛光(APPP-AtmospherePressurePlasmaPolishing)的加工方法，因其特殊的加工机理，可以实现材料表面原子量级化学去除，能够获得极低的表面粗糙度，加工后不会对工件表层及亚表层造成损伤，并且较以往的非接触抛光加工具有更高的加工速度，其应用前景十分可观。与真空等离子体抛光技术相比,大气等离子体抛光技术具有诸多优势,例如不需要真空设备，加工成本低!应用范围广,在一个大气压下产生的低温等离子体面积大并且均匀性好,其中存在大量种类繁多的活性粒子,更容易与所接触的材料表面发生反应,能够提高化学反应的速度,提高零件的加工速率。美国劳伦斯国家重点实验室(LawrenceLivermoreNationalLabs)发明了反应原子等离子体技术(RAPT，ReactiveAtomPlasmaTechnology)，RAPT是一项在大气压下用离子体加工的新技术。该技术在美国国家点火工程项目中被用来加工无表面损伤的高精度光学元件，这项新技术在光学和半导体元件的生产制造领域有广泛的应用前景。英国Cranfield大学的PaulShore教授与RAPT公司联合开发研制了HELIOS1200-3，用以抛光直径为1.2m的大型光学镜片。英国Cranfield大学受英国政府资助已经向RAPT公司购买了HELIOS1200系列产品，以探索一条新的面向超精密表面加工的新途径，用来为下一代太空望远镜和高能量激光系统制造超高精度的光学元件。大阪大学也是最早从事大气条件下利用等离子体对工件工件表面抛光研究的单位之一，他们提出等离子体化学气相加(PCVM,PlasmaChemicalVaporizationMachining)的加工方法。与RAPT不同的是，PCVM采用电容耦合等离子放电方式，该方法采用旋转电极来产生等离子体，针对不同的加工目的和工件形状，可以采用不同类型的电极。安装有工件的电极接地，另一个与之平行的回转电极接RF电源的阳极。大阪大学将此种技术与弹性发射成形技术相结合加工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，表面粗糙度则达到了亚纳米级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由于采用了高速回转电极做阳极，电极与工件间可以形成高速的等离子体流，有利于反应产物的快速排出，抑制了表面沉积现象的发生，另外高速旋转电极可以对电极进行冷却。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,并在很多功能性材料上实现了最高可达每分钟数百微米的去除速率,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(p-v),约相当于20个原子的高度。。参考文献[1]郑开陵.离子束抛光技术[J].现代兵器，1982,9(28)[2]洪义麟，付绍军，陶晓明，黄文浩，褚家如，L．Monica，A．M．Baro.硅的离子束抛光技术研究[J].真空科学与技术，1995,12(15).[3]武建芬.离子束加工技术研究[D]中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）,2010,4(10).[4]伍艺龙.等离子体抛光机理的研究[D].西安工业大学，2011,5(4).[5]王颖男，杭凌侠，胡敏达.等离子体加工光学元件工艺研究[J].表面技术，2008,2(8)[4]张巨帆，王波，董申.超光滑表面加工方法的新进展[J].光学技术，2007,11(15).