大氣低溫等離子體拋光方法及其系統(tǒng)的研究.pdf

1、超光滑表面在現(xiàn)代短波光學(xué)、強(qiáng)光光學(xué)、電子學(xué)、薄膜科學(xué)以及高精尖武器系統(tǒng)、航空宇航等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用需求，這類表面作為光學(xué)元件，為獲得最高反射率，特別強(qiáng)調(diào)表面低散射特性，作為功能元件,因多為脆硬或脆軟晶體材料,相對(duì)于表面粗糙度而言,更注重表面的晶格完整性。因此，超光滑表面不但強(qiáng)調(diào)小于Ra1nm的極低粗糙度值，還要嚴(yán)格限制由加工過(guò)程引起的材料表層及亞表層損傷。研究高效、無(wú)表面損傷的超光滑表面加工技術(shù)對(duì)于上述領(lǐng)域具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2、
　　目前，常用的超光滑表面加工方法，如傳統(tǒng)的機(jī)械研拋技術(shù)、機(jī)械-化學(xué)拋光方法等都會(huì)不同程度地造成一定的表面損傷，而且還往往存在著如加工效率較低、適用范圍有限、對(duì)操作者經(jīng)驗(yàn)依賴嚴(yán)重等諸多問(wèn)題，難以滿足現(xiàn)代科技發(fā)展對(duì)表面提出的越來(lái)越苛刻的要求，因而也就促使了許多應(yīng)用新原理和新設(shè)備的新型加工技術(shù)的出現(xiàn)，如等離子體加工技術(shù)、磁性拋光技術(shù)、激光拋光技術(shù)等。而大氣等離子體加工技術(shù)由于以干法化學(xué)反應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的材料去除，避免了表層/亞表

3、層損傷，還解決了常規(guī)等離子體加工技術(shù)由于真空設(shè)備的限制而存在的如加工效率低、加工成本高、設(shè)備復(fù)雜、加工尺寸有限等問(wèn)題，還能夠得到常規(guī)的加工方法難以達(dá)到的處理效果，很好地解決了超光滑表面加工中存在的上述問(wèn)題。本文即提出了一種全新的大氣等離子體加工技術(shù)-大氣低溫等離子體拋光方法（APPP，Atmospheric Pressure Plasma Polishing），為高質(zhì)量光學(xué)表面的無(wú)損傷拋光加工提供了新的手段。
　　本文首先分析了大

4、氣低溫等離子體拋光方法的原理。大氣低溫等離子體發(fā)生技術(shù)可以激發(fā)出比普通化學(xué)反應(yīng)種類更多、活性更強(qiáng)的反應(yīng)粒子，因而可以實(shí)現(xiàn)很多常規(guī)條件下難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，還能夠保證較高的反應(yīng)速率。拋光過(guò)程依靠氣-固界面的原子間的化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)材料的去除，避免了材料的表層/亞表層損傷。理論上，可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)都有可能應(yīng)用大氣低溫等離子體拋光方法進(jìn)行加工。
　　針對(duì)大氣低溫等離子體拋光的原理及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于電容耦合原理的射頻炬式等離子體源，并以

5、其為核心部件建立了大氣低溫等離子體拋光系統(tǒng)原型。該系統(tǒng)目前采用He/CF4的氣體配方針對(duì)單晶硅片進(jìn)行加工，氣體流量的控制精度為0.01標(biāo)準(zhǔn)升/分，最大可實(shí)現(xiàn)Ф200mm的平面加工，加工速率最高可達(dá)32mm3/min，加工后表面粗糙度可穩(wěn)定控制在亞納米量級(jí)。
　　針對(duì)大氣低溫等離子體拋光過(guò)程的超光滑表面形成機(jī)理進(jìn)行了理論研究。理論分析采用了基于量子化學(xué)理論的模擬計(jì)算方法，針對(duì)光學(xué)表面的典型微觀形貌進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的分析。結(jié)果顯示，

6、凸出于表面的形貌結(jié)構(gòu)的反應(yīng)概率要大于凹陷于表面內(nèi)的形貌結(jié)構(gòu)的反應(yīng)概率，因此，表面凸出結(jié)構(gòu)的去除速率要大于凹陷結(jié)構(gòu)的去除速率，所以隨著加工的進(jìn)行，表面的微觀不平度就因而逐漸減弱，表面粗糙度就得到了進(jìn)一步的降低。
　　本文還分析了大氣低溫等離子體拋光質(zhì)量的主要影響因素，并研究了各個(gè)因素的影響規(guī)律，得到了合理的工藝范圍。針對(duì)加工過(guò)程中出現(xiàn)的沉積現(xiàn)象，初步分析了沉積物的成分和成因，并通過(guò)工藝分析提出了避免沉積物生成的幾點(diǎn)建議。
　　

7、作為高質(zhì)量光學(xué)表面的最終修整工序，大氣低溫等離子體拋光要實(shí)現(xiàn)表面質(zhì)量的整體提高。針對(duì)性的加工和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了大氣低溫等離子體拋光在單晶硅片上實(shí)現(xiàn)了Ra0.5nm以內(nèi)的表面粗糙度，并明顯改善了表面形貌；同時(shí)，表面的硬度和彈性模量等機(jī)械性能也得到了提高，表面的殘余應(yīng)力顯著降低；表面材料的化學(xué)成分也得到了明顯改善，表面的整體狀態(tài)更接近于理想狀態(tài)。溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果還顯示，大氣低溫等離子體拋光可以實(shí)現(xiàn)較低溫度下的高效、高質(zhì)量加工，更具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。針對(duì)