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等离子体加工光学表面技术探索 学科：测试计量技术及仪器 研究生签字： 撇达 指导教师签字：乏臣路硅 摘要 随着现代科学技术的发展，在许多领域中提出了超光滑表面的要求，尤其是光学材料 广泛应用的现代短波光学、强光光学系统和光记录器件等尖端科技领域。这种表厩不仅要 求表面粗糙度低，而且对表面损伤程度也有严格的要求。各国的科学家做了大量的工作， 提出了许多获得超光滑表面的新方法。国外资料显示，等离子体加工光学表面技术是一种 新兴的、有潜力的超光滑表面加工技术，它适用于光学元件的超精密加工。较之于传统的 抛光技术，该技术的优点在于：非接触加工、精确可控、不产生亚表层损伤、加工不同面 形难易程度相当。 本文立足于等离子体加工光学表面技术的基础研究，从科研实验的角度，提出了一种 等离子体加工光学表面试验平台的设计方案并对之进行论证。试验平台的结构设计、部件 选取、安装调试已经完成。 利用静电探针诊断了不同等离子体源在不同工艺参数下的离子密度和电子温度，得到 了这两个参数在工件表面随气压和流量变化的空间分布曲线，分析了工件台接地和不同尺 寸等离子体源对它们的影响。实验结果表明离子密度为1 0 7 1 0 9 c m 4 ，电子温度在3 1 0 e v 之间；等离子体源高度和口径比值越小，等离子体越稳定；工件台接地时，可以明显增加 该处离子密度和电子温度，等离子体源顶端沿径向分布的等离子体参数也得到改善。 在等离子体加工光学表面试验平台系统中用s f d a t 等离子体对k 9 玻璃和镀有s i 0 2 膜k 9 玻璃进行加工。实验结果表明，在相同实验条件下，对于镀有s i 0 2 膜k 9 玻璃的去 除速率是k 9 玻璃的两倍还要多，并且加工后有更好的面形。 关键词：等离子体加工；光学表面；l a n g m u i r 单探针；离子密度；电子温度 s e a r c h i n go fp l a s m af a b r i c a t i o no p t i c a ls u r f a c et e c h n o l o g y d i s c i p l i n e ：m e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n o l o g i e sa n di n s t r u m e n t s s t u d e n t s i g n a t u r e ：胡歙这 鼬p e r v i s o r s i 舯咖嗽钧叼y ；久 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s u p e r - s m o o t hs u r f a c eh a v eb e e n m e n t i o n e d ，e s p e c i a l l yo p t i c sm a t e r i a la p p l i e dw i t hm o d e ms h o r t w a v eo p t i c ss y s t e m s ，h i g h l i g h t o p t i c ss y s t e m sa n do p t i c sr e c o r dc o m p o n e n t s ，e t c i ti sv e ws t r i c tf o rt h es u r f a c er o l l g h n e s sa n d s u b s u r f a c ed a m a g eo fc o m p o n e n t s t h es c i e n t i s t sh a v e d o n em a n yw o r k sa n dh a v ep u tf o r w a r d m a n yn e ww a y so fo b t a i n i n gs u p e r - s m o o t hs u r f a c e p l a s m am a c h i n i n go p t i c a ls u r f a c e t e c h n o l o g yi sa na d v a n c e dt e c h n o l o g ya n di sf i tf o rt h es u p e r - p r e c i s i o nm a c h i n i n go ft h eo p t i c a l c o m p o n e n t s c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lp o l i s h i n gm e t h o d s , t h i st e c h n o l o g yh a si t so w n a d v a n t a g e ：n o n - c o n t a c tm a c h i n i n g , c o n t r o l l a b l ea n dp r e d i c t a b l e ，i n t r i n s i c a l l ys m o o t h i n gr a t h e r t h a nc r e a t i n gs u b s u r f a c ed a m a g e ，n op r e f e r r e ds h a p et ot h er e m o v a l t h i st h e s i si sb a s e do nt h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fp l a s m am a c h i n i n go p t i c a ls u r f a c e t e c h n o l o g y as y s t e md e s i g no fp l a s m am a c h i n i n go p t i c a ls u r f a c ep l a t f o r mi sp r e s e n t e d a n d t h e nt h ed e m o n s t r a t i o ni sa l s op r e s e n t e d t h ew o r ko nb a s i cs t r u c t u r a ld e s i g n ，b a s i cs y s t e m p a r a m e t e r ss e l e c t i o n ，i n s t a l l m e n ta n da d j u s t m e n th a sb e e nc o m p l e t e d b ym e a n so ft h ep r o b e ，t h ei o nd e n s i t ya n de l e c t r o nt e m p e r a t u r eo fd i f f e r e n ts i z ep l a s m a s o u r c eu n d e rv a r i e dp r o c e s sc o n d i t i o nw e r ed i a g n o s e d t h ea x i a ls p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h et w o p a r a m e t e r sa n dt h ec i i r v et h a tt h et w op a r a m e t e r sv a r yw i t ht h ea i rp r e s s u r ea n dg a sf l o wa r e o b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei 蛐d e n s i t yi s1 0 7 1 0 9 c m - 3a n dt h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r e i s3 - l o e v t h el e s ss c a l eo fh i 【g ha n dr a d i u so fp l a s m as o u r c ei s , t h es t e a d i e rp l a s m ai s t h ei o n d e n s i t ya n de l e c t r o nt e m p e r a t u r eo ng r o u n d i n gi sh i g h e rt h a nt h a to nn o n g r o u n d i n g k 9a n dk 9h a v i n gs i 0 2f i l mi np l a s m am a c h i n i n g o p t i c a ls u r f a c ep l a t f o r ma cm a c h i n i n g b ys f d a rp l a s m a u n d e rs a m ec o n d i t i o n ，m a t e r i a lr e m o v a lr a t eo fk 9h a v i n gs i 0 2f i l mt w i c e o rm o r et h a nt h a to fk 9 a f t e rm a c h i n i n g , k 9h a v i n gs i 0 2f i l mh a v eb e t t e rf o r mt h a nk 9 k e yw o r d s ：p l a s m af a b r i c a t i o n ；o p t i c a ls u r f a c e ；l a n g m u i rs i n g l ep r o b e ；i o nd e n s i t y ；e l e c t r o n t e m p e r a t u r e 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩影或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导老师签名： 摒敏达 旅咎凌 日期 2 0 07 5 1 5 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名 指导老师签名：柱组窿 日期： 卫纩7 ：5 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 近些年来，光学领域和电子学领域相关技术的发展e t 新月异。空间光学、x 射线光学、 x 射线激光、紫外光学以及磁记录、光学记录、超大规模集成电路等领域的发展，对上述 光学系统的光学元件提出了极精确面形和超光滑表面的加工要求，其表面粗糙度在纳米 级。通常把粗糙度为纳米级( r m s ) 的表面称为超光滑表面。超光滑表面具有以下主要特 征【1 】： 1 ) 表面粗糙度r a 小于l n m ，对于光学元件，表面粗糙度小于l n m r m s ( 粗糙度均 方根值) ，具有较低的表面波纹度以及较高的面形精度； 2 ) 尽可能小的表面弊病与亚表面损伤； 3 ) 表面残余的加工应力极小； 4 ) 晶体表面具有完整的晶格结构，即表面无晶格错位【”。 超光滑光学元件可用于诸多高新科技领域【l 川： 1 ) 软x 射线光学系统随着光学仪器的使用范围向真空紫外、x 光波段延伸，例如 同步辐射光束线、x 光多层膜光学元件等，对光学表面粗糙度的要求越来越高。光学零件 表面粗糙度造成的光线散射损失与波长的四次方成反比。若表面粗糙度的均方根为l 2 n m ，对白光或波长6 3 2 8 n m 的激光来说，表面已经非常光滑了。但对于x 光( = o 8 n m ) ， 则表面就太粗糙了。又如，软x 射线多层膜反射镜其多层膜反射率的提高取决于基底表 面粗糙度的降低。 目前，国际上高水平的光学元件，其基板表面粗糙度都在0 5 n m ( r m s ) 以下，最好 的可达0 i r m a ( r i m ) 左右。 2 ) 空间光学天文卫星、x 光望远镜以及激光陀螺等，这些空间光学元件，要求分 辨率高，尺寸大，精度高，表面粗糙度小。由于这些光学系统的大部分光学元件的工作波 段是超短波，波长为纳米级，比可见光波长短2 个数量级，故光学元件应为超光滑表面。 3 ) 强激光系统高功率激光器的发展和应用，要求谐振腔反射镜面非常光滑，如无 破坏层、麻点、划痕及抛光粉、磨具的污染等，以尽可能地减小散射损失和提高光学元件 的激光损伤阈值。 4 ) 集成电路基板在制作光电元件时，要求表面具有物理完整性，如集成电路用的 硅片和c c d 的基片。 为在大规模集成电路基板上刻出亚微米级的线宽及间隔。基板表面必须足够平滑，无 亚表面破坏层，表面应力极小。这只有采用超光滑表面加工的基板。同样，在激光器件、 l 西安工业大学硕士学位论文 晶体和陶瓷振荡器等的加工中，也需要超光滑表面。 超光滑表面加工技术，即超光滑抛光，相当于原子、分子水平上的加工。这一技术从 改革传统的光学表面加工入手，对决定加工表面精度的各项因素进行改进，以至于逐步发 展成为一种具有全新的加工机理和加工设备的超精加工体系。 目前，超光滑表面抛光机理认为是以下三个作用【lj ： 1 ) 机械磨削去除材料它由传统抛光技术发展而来，采用特殊辅助措施和精细磨料 来实现磨料颗粒对工件表面的精细磨削，如浴法抛光、浮法抛光、t e f l o n 抛光、延展性 磨削等。 2 ) 物理碰撞方法去除材料原子抛光时，磨料颗粒与工件表面原子相碰撞，削弱了 表层原子的结合能，于是下一次碰撞时，表层原子就会脱落；或者运用离子束轰击工件， 被加速的离子碰撞工件表面原子，并将能量传递，使其逸出表面。这样材料就以原子、分 子量级被去除，如中性离子抛光、弹性溅射抛光等。 3 ) 化学方法去除工件表面原子利用抛光液的化学作用或化学气体与工件表面发生 化学反应，产生容易挥发的化学物排出，达到去除材料获得超光滑表面的目的，如等离子 体辅助抛光、湿式( 或干式) 化学抛光、胶态硅粒抛光等。 实际上，超光滑表面抛光过程，材料的去除并不只是其中的一种方式，多数情况下是 三种去除方式的共同作用，只是其一种方式表现得更为明显而已。 本文研究的等离子体光学表面加工技术是一种非接触式的超光滑加工方法。通过化学 反应来达到去除材料的目的。工件不会产生机械变形或亚表层损伤。表1 1 列出几种不同 材料的反应过程： 表1 1 几种材料的化学反应式 该工艺在9 0 年代出现并发展，已达到的加工水平为面形精度丸，5 0 ，表面粗糙度优于 o 5 r i m ( r m s ) 【5 1 。其加工范围广泛，适用于各种尺寸和面形的工件，是一种颇具发展前途 的超精密加工方法。该方法有以下一些特点：无机械压力，无机械变形；材料去除控制精 度高，可获得精确面形( 精度优于l ) ；材料去除率o 1 0 j i m ，m 去除率高，范围广， 可用来加工多种尺寸和面形的工件，加工平面、球面和非球面，对该技术来说其难易程度 是等同的；材料去除时特有的光滑效果。由于等离子体加工光学表面技术只有表面的化学 反应，无机械损伤。故只要去除深度足以消除预加工时造成的亚表层破坏层，即可获得理 想的光滑表面；亚表层无损伤，表面无污染；工件边缘无畸变。 我们国家在超光滑表面加工技术方面的研究起步较晚，投入的人力和资金都不太多， 特别是对些新型抛光方法的研究很少，主要是在原有常规抛光机的基础上进行以沥青为 2 西安工业大学硕士学位论文 磨盘材料的工艺研究，着眼点在磨盘配方、磨料粒度、抛光时间等方面，结合加工者的丰 富经验达到超光滑加工的目的。 高新技术全球范围内的竞争愈演愈烈，这种竞争是各国综合国力的竞争，在相当程度 上体现为制造技术的竞争。从2 0 世纪8 0 年代开始，随着国家高新技术“8 6 3 ”计划的实 施以及中国的微电子技术、光通信技术、航空、航天、天文事业、国防科技等的全面发展， 对光学制造业提出了严峻挑战，同时也带来了新的发展机遇。以此为契机开展以等离子体 加工光学表面技术为核心的先进光学制造技术，对于我国赶超国际先进光学制造技术具有 重要意义。 1 2 研究内容 这项研究的目的是将等离子体技术引入光学加工过程中，研究讨论等离子体加工光学 表面的机理，设计一个等离子体加工试验平台，通过调试各部件、改进设计，研制出所需 要的设备，再在这台设备上进行加工试验。在分析试验结果的基础上探究等离子体加工的 机理。 1 3 超光滑表面加工技术的发展现状 近年来国外许多光学厂家和研究单位都在积极从事超光滑表面加工技术的研究，相继 提出了多种加工方法。许多还是成熟工艺，成功地加工出许多超光滑零件，产生了巨大的 经济效益；国内在这方面的工作起步较晚，一些研究工作仅仅停留在传统加工技术的改进 上，如：在传统的抛光设备上进行磨盘配方的改进，磨料粒度、抛光时间等方面进行研究， 达到超光滑表面。虽有超光滑样件，但几乎没有一个成熟工艺，更没有批量生产的能力， 与国外相比差距很大。就目前情况，受国内重视的超光滑表面加工方法主要有以下几种： 1 3 1 浴法抛光( b f p ) b f p ( b o w lf e e dp o l i s h i n g ) 6 - 9 1 是美国在2 0 世纪六十年代为发展远紫外光学而研究 的一种超光滑表面加工方法。此法在熔石英上获得了粗糙度为0 3 n m ( r m s ) 的超光滑表 面。该方法抛光时，将工件和抛光模同时都浸在抛光液中。 与传统的抛光设备相比，浴法抛光设备多了一个液槽和搅拌器。抛光过程中液槽使抛 光盘和工件浸没于抛光液中，抛光液的深度以静止时淹没工件1 0 1 5 m m 为宜；搅拌器 作用是消除磨料受离心力作用而沉底的趋势，使其始终处于悬浮状态。 浴法抛光加工超光滑表面可分为两个阶段： 1 ) 获取较高精度的面形这一过程类似于传统抛光的面形修改。 2 ) 获得超光滑表面该过程有两条途径。一是当面形改好后将搅拌器移去，继续抛光 直至抛光液变清澈，然后再继续抛光l o 1 5 m i n 。二是将液槽、抛光盘清洗后从新注入清 珏安工业大学硕士学位论文 水继续抛光。这两条途径均能获得超光滑表面。 当然，选用好的磨料、保持抛光盘与工件面形吻合等也是获得超光滑表面的重要因素。 浴法抛光的优势在于，由于工件与磨盘浸入抛光液中，使抛光盘与工件的接触更加柔 和，避免了塑性变形，而且大量液体的存在使磨盘表面局部温度均衡，防止了工件热流动 的影响，不会发生磨盘变形，保证了抛光局部小环境的稳定；与传统的抛光方法相比，浴 法抛光的“边缘效应”更小；对浴法抛光而言，熔石英的效果最好，冕玻璃次之，火石玻 璃较差。 1 3 2 浮法抛光( f p ) f l o a tp o l i s h i n g 6 , 7 , 8 , 1 0 】是日本大阪大学南波n a m b a ) 教授为加工抛光磁头材料在 1 9 7 7 年提出的。浮法抛光是以锡盘为抛光盘，采用浴法抛光方式的加工方法。它是一种 非接触式抛光方法，机床主轴转动精度要求很高且转速较快，一般为6 0 2 0 0 r p m 。该方 法已获得表面粗糙度心 t i 时，称为非平衡态的等离子体。在非平衡态的等离子体中电子温度可高达 i o 西安工业大学硕士学位论文 1 0 k 以上，而离子和原子之类的重粒子温度却可低到3 0 0 5 0 0 k 。因此，按其重粒子温 度也称做低温等离子体。低温等离子体中的电子温度远远高于离子温度的这种非平衡性对 等离子体加工光学表面技术的应用具有非常重要的意义：一方面电子具有足够高的能量使 反应气体分子激发、离解和电离，另一方面反应体系又得以保持低温，乃至接近室温。因 此，原来在热力学平衡态下需要相当高温度才能发生的化学反应，利用非平衡等离子体在 很低的温度下便得以实现。 2 2 射频辉光放电 所谓气体放电，指的是当作用于气体的电场超过某临界值时将出现气体被击穿而导电 的物理现象，如此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。根据放电条件( 如气压、电流 等) 的不同，可以将气体分成电晕放电、辉光放电和电弧放电。其中数辉光放电的应用最 广。对辉光放电一般又可将其分为直流辉光放电、微波放电和射频辉光放科2 5 1 。 2 2 1 射频辉光放电解析 在一定的气压下，当输入极所加交流电压的频率增至射频频率时，即可产生稳定的射 频辉光放电，射频频率一般为5 - 3 0 m h z 。当输入极输入射频信号时，外加电压的变化周 期小于电离和消电离所需时间( 一般在1 0 七秒左右) ，等离子体浓度来不及变化。由于电 子质量小，很容易跟随外电场从射频场中吸收能量并在场内作振荡运动。但是，电子在放 电空间的运动不是简单的由一个电极到另一个电极，而是在放电空间不断来回运动，经过 很长的路程。因此，增加了与气体分子的碰撞几率并使电离能力显著提高，从而使击穿电 压和维持放电的工作电压均降低( 其工作电压只有直流辉光放电的1 1 0 ) 。所以射频自持 放电要比直流放电容易得多。通常，射频辉光放电可以在较低的气压下进行。例如，直流 辉光放电常在lo 1 1 p a 运行，射频辉光放电可以在1 0 - 2 一lo 1 p a 运行。另外由于正离子 质量大，运动速度低，跟不上电源极性的改变，所以可以近似认为正离子在空间不动，并 形成更强的正空间电荷，对放电起增强作用。 射频辉光放电虽然可以在很多频率范围内进行，实际上，通常工业用频率为 1 3 5 6 m h z ，主要是避免对通讯的干扰。 射频辉光放电有以下特点： 在辉光放电空间产生的电子，获得了足够的能量，足以产生碰撞电离，因此，减 小了对二次电子的依赖，并且降低了击穿电压。 射频电压能够通过任何一种类型阻抗耦合进去，所以电极不需要是导体。 射频辉光放电是等离子体化学工艺中最常采用的一种放电类型，放电的频率一般在1 1 0 0 m i - i z 之间甚至更高。如图2 1 所示，根据电源的耦合方式的不同，射频放电可以分为 电容耦合型和电感耦合型；根据电极放置的位置，又可以分为外电极式和内电极式。顺便 指出，一般来说放电管同时又是等离子体化学反应的反应器，因此，就反应器内部有无电 西安工业大学硕士学位论文 极而言，外电极式又常被称为无电极式。 2 2 2 采用射频电源的必要性 图2 1 耦合方式 在辉光放电等离子体的某些应用如反应离子刻蚀，电极上经常会有绝缘覆盖层存在。 如果采用直流辉光放电，由于绝缘层的充电效应【2 嗣，放电将难以维持。因此，在这种系 统中防止放电熄灭的最佳途径就是采用射频放电。 目前实际采用的射频电源的频率一般为1 3 5 6 m h z ，这是国际通讯机构允许使用的频 段，使用该频率不会干扰正常的通讯。 2 2 3 阻抗匹配网络 。 在高频放电回路中，为了增加用于放电区的功率消耗并保护振荡器，常规的作法就 是在高频电源与辉光放电反应器之间设置阻抗匹配网络，以便可以按不同的放电条件进行 调节，使得射频发生器的输出阻抗与负载阻抗能够共轭匹配。 在实际应用中，通常 是把射频发生器的输出 阻抗设计成纯电阻的，阻 值大都为5 0 q ，从而实现 阻抗的共轭匹配鲫。图 2 2 所示为一种典型的射 频匹配网络。 2 2 4 射频电极的自偏压 寻 7 广c j 图2 2 射频匹配网络 当放电频率足够高且经若干周期达到稳定放电后，高频电极在绝大部分时间内都将处 于负电位，对地形成一个确定的负电压，这就叫射频电极的自偏压效应【2 8 】。 射频电极的自偏压起因于放电中电子迁移率与离子迁移率的巨大差异，以致在给定的 时间内电子能得到更大的速度，从而在给定的电场下电子能输送更多的电流。换句话说， 为了输送一定的电流，电子所需的电场要小得多。 西安工业大学硕士学位论文 当射频辉光放电达到稳定后，射频电极上形成自偏压的值约相当于所加高频电压峰一 峰值的一半。值得指出的是，如果射频电压为正弦波形( 假设其周期为f ) ，则射频输入 极的电位只在极短的时间a t 内取正，t 约为1 0 0 f 的数量级。因此每个周期中接地极上 放置样品所受到的正离子轰击几乎是连续的。 射频电极自偏压的重要意义在于，它可以使离子加速得到足够高的能量。在薄膜制备 或表面处理等工艺中，可以通过改变自偏压来控制离子能量。直流辉光放电中阴极电位降 的作用与它相似且在数值上也具有相同的量级，但射频电极自偏压显然更为有效。 2 3 气一固相等离子体化学反应 2 3 1 等离子体与固体的反应类型 等离子体与固体的反应类型如下【2 9 】： 4 g ) + 曰( g ) c ( g ) ( 2 3 ) 一( g ) + b ( g ) c g ) + d g ) ( 2 4 ) 彳g ) + b ( g ) a p ) ( 2 5 ) 4 ( g ) + 口( g ) + m g ) 寸4 b q ) + m g ) ( 2 6 ) 式2 3 所示反应为固体a ( s ) 与等离子体态气体b ( g ) 反应生成新的气体c t g ) 的反应，称 作化学蒸发，其典型例子是等离子体刻蚀。 式2 4 所示反应为两种以上气体a ( g ) 、b ( g ) 在等离子体状态反应，生成固体c ( s ) 和 新的气体d ( 曲的反应，称作化学析出( c v d ) ，如，利用等离子体生成各种薄膜的反应。 式2 5 所示反应为固体a ( s ) 和等离子体态气体b ( 曲反应，在固体表面生成新的固态化 合物c ( s ) ，改变固体表面性质的反应，称作固体表面改质。如，金属表面氧化、氮化等。 式2 6 所示反应是两种气体a ( g ) 、b ( g ) 在等离子体状态反应，固体表面m ( s ) 置于等 离子体中为催化剂，促进气体分子离解或再结合的反应，生成新的气体a b ( g ) 的反应。 以上各种反应中的气体是等离子体状态，因此较之传统的反应能更有效地进行。等离 子体加工光学表面技术的加工原理研究的还不是很深入。但类似等离子体刻蚀技术。所以 我们先看看等离子体刻蚀中的化学过程。 2 3 2 等离子体刻蚀中的化学过程 在气体辉光放电时，气相中出现的基本过程有下列几种重要形式： 1 ) 激发 x + e x + e ( 电子碰撞激发) x + h 丫一x ( 光致激发) x 表示原子，e 表示电子，x 表示激发态原子，h y 表示光子。 2 ) 电离 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 西安工业大学硕士学位论文 x + e 一x + + 2 e( 电子碰撞电离) ( 2 9 ) x + 矿一x + + y + + e( 离子碰撞电离) ( 2 1 0 ) x + y x + + y + e ( 中性粒子碰撞电离)( 2 1 1 ) x + h v x + h v “( 辐射电离)( 2 1 2 ) x + ，y + 一次电离的正离子。 3 ) 复合复合是电离产生的荷电粒子，在空间、器壁或基片表面与电子重新结合变 为原来的中性原子或分子的过程，前者为空间复合，后者为表面复合。 a + + e a + h v( 辐射复合)( 2 1 3 ) a ? + 2 e a + e( 碰撞复合) ( 2 1 4 ) 4 ) 电子附着和脱离 x + e x + h v( 辐射吸附) ( 2 1 5 ) x + y + e x y + h v ( 辐射吸附) ( 2 1 6 ) x + y - 一x + y( 电子交换吸附) ( 2 1 7 ) x y - + m x y + m + e x 。+ e x + 2 e( 碰撞脱离) ( 2 1 8 ) 】+ y - 一x + y - 4 - e 5 ) 离子分子反应 x + + y + m x v + + m( 积聚反应) ( 2 1 9 ) x + + y z x y 十+ y ( 离子一原子交换反应) ( 2 2 0 ) x y + + z x z + + y( 置换反应) ( 2 2 1 ) 放电过程中产生的这些基团对基片表面的刻蚀是一种气相和固相界面上的化学反应 过程。该反应过程一般可分为三步：首先是固相表面对这些化学活性物质产生的化学吸附； 然后被吸附的活性物质与固相表面进一步发生化学反应，反应生成物应是具有挥发性的； 最后是固相表面上反应化合物的脱附【3 0 l 。 1 4 3 试验平台的系统设计 3 试验平台的系统设计 等离子体加工光学表面技术还处于研发阶段，其加工机理研究的还不是很成熟。但是 等离子体加工光学表面技术作为一种新兴的超精密加工技术，具有非接触加工，不产生亚 表层损伤，加工平面、球面和非球面难易程度相同等优点，是一项非常有前途的技术。该 技术在国外也只处与研发阶段，而且设备昂贵。出于实验研究的目的，本论文设计了一套 适用于等离子体加工光学表面的试验平台系统。我们首先以国外已有的研究成果作参考， 根据研究的具体需要进行自行设计，以下就是试验平台系统的设计过程。p ”习 3 1 系统方案的提出及论证 3 1 1 方案的提出背景 本课题的提出是基于超光滑表面加工的研究项目，超光滑表面加工是精密加工学的一 个新兴的研究领域，作为一种新型的光学表面加工方法，等离子体加工光学表面技术有着 广泛的用途。为了使等离子体加工光学表面技术的加工机理和应用的研究开展起来，以等 离子体加工光学表面试验平台为基础的实验条件显得尤为重要。因此，作为实验室建设的 一部分，等离子体加工光学表面试验平台对等离子体加工光学表面技术研究的开展就有着 非常实际的意义。 等离子体加工光学表面技术作为一种新兴的超光滑表面加工技术，还处于研发阶段， 而国内还未见到关于等离子体加工光学表面研究的报道。等离子体加工光学表面试验平台 作为一种尖端试验设备，国外也只有少数单位开发出这种设备。由于国外对该项技术进行 技术封锁，我们无法引进整套设备，即使将来可以引进了，高昂的价格、维护和使用的不 方便也会使设备得不到充分利用。更重要的是我们只能引进设备，而得不到核心技术。所 以，设计和安装一套等离子体加工光学表面试验设备，既能满足本实验室得需要，同时将 大大节省经费，维护、使用和进一步改进都更加方便，对于深入研究其加工机理以及对设 备得进一步完善都有着非常重要的意义。 3 1 2 系统的加工对象及要求 等离子体加工光学表面技术可以实现对石英、s i c 、b e 等材料的成型和抛光，不同的 加工材料使得系统结构和参数有所不同，虽然本课题的提出是基于石英玻璃的超光滑表面 研究的研究项目，但由于等离子体试验平台国内至今未有研究，可参考的国外资料有限， 需要大量的实验，而石英玻璃价格昂贵，所以在等离子体系统的设计、安装和调试阶段， 我们用k 9 玻璃代替。 西安工业大学硕士学位论文 由于系统设计一开始可能不完善，加工k 9 玻璃效果可能不明显。所以我们选择了 k 9 玻璃表面上p e c v d 镀制的s i 0 2 薄膜和离子束辅助的s i 0 2 两种材料，通过实验结果， 来判断系统的加工效果。 3 1 3 系统方案的论证 等离子体加工光学表面技术自上世纪八十年代末诞生以来，经历多年的发展，现在有 三种形式：p a c e ( p l a s m aa s s i s t e dc h e m i c a le t c h i n g ) 或p l a s m ac v m ( p l a s m ac h e m i c a l v a p o r i z a t i o nm a c h i n i n g ) 或p j c e ( p l a s m aj e tc h e m i c a le t c h i n g ) 。 以上三种形式，工作原理都是相似的，如图3 1 ，最大的区别在于所选激励方式不同， 从射频到微波范围。即射频或微波等离子体源在真空环境下，使通入的反应气体发生辉光 放电产生等离子体，等离子体包含大量由非弹性碰撞产生的离子、电子及自由基( 游离态 的原子、分子或原子团) ，它们具有很强的化学活性，可与加工样品表面的原子起化学反 应，形成挥发性物质，达到加工样品表层的目的。 图3 1 工作原理p 4 1 在系统方案选择时，要综合考虑其性能需要、经济成本及操控性能等多方面的因素。 由于本系统主要应用于超光滑表面的制备中，我们最关心的是面形精度和表面粗糙度，相 对于去除速率处于次要地位：另外，p j c e 选用微波电源作为等离子体源的激励电源，除 了提高成本之外，控制上也更加复杂。所以本系统采用射频电源激励方案，只要对其设计 合理，完全可以满足当前的要求，将来对设备的性能和加工机理有了更充分的理解之后， 可以再作进一步的改进和完善。 3 2 系统结构设计 等离子体加工光学表面技术是等离子体源与化学气相处理设备相结合的新技术。在 加工过程中只有表面的化学反应，而不会产生机械损伤，与常规抛光技术不同，加工平面、 球面和非球面，其加工难易程度是相同的。因此等离子体加工光学表面技术将成为精密加 工领域中一个极有发展前途的技术。 本系统设计时参考了国外已有等离子体抛光设备【3 5 1 ，如图3 2 等离子体试验平台主 1 6 西安工业大学硕士学位论文 要由真空系统、等离子体源、射频电源及气路系统构成。具体结构设计将在后续内容中逐 一介绍。 1 等离子体源5 匹配器9 气瓶 2 基片台6 射频电源1 0 流量显示仪 3 真空抽气系统7 混气装置1 1 真空室 4 吸附器8 质量流量控制器1 2 真空测量装置 图3 2 等离子体试验平台结构图 3 2 1 等离子体源及射频电源的设计 等离子体源是该加工装置的核心，加工工艺过程都是在等离子体源周围进行。因此 它的结构参数将对加工精度、加工速率、均匀性、稳定性、重复性产生直接影响。 近些年来，国际上发展了多种新型的等离子体源 3 6 - 3 7 ，如图3 3 - 3 6 所示，如电子回 旋共振( e c r ) 、螺旋波等离子体( h w p ) 、感应耦合等离子体( i c p ) 、电容耦合等离子 体( c c p ) 等各种源。 图3 3e c r 等离子体源设备示意图 3 6 1 从e c r 等离子体源设备的示意图中我们看到，e c r 等离子体源设备复杂，不易于等 离子体加工光学表面实验平台的初期设计。i c p 和h w p 两种等离子体源设计简单，但在 这两种等离子体源的大部分应用中，天线置于真空室外，这与我们也有的大的设计方案相 矛盾，在我们大的设计方案中等离子体源置于真空室中，如果将i c p 或h w p 直接置于真 空室中，在工作状态下，会发现整个真空室放电，这必将影响加工区等离子体的稳定。 1 7 西安工业大学硕士学位论文 图3 4 圆筒形i c p 源的剖面图1 3 7 1 洲 ( ： 幽- h “i 岫 嘲 。f 乏三苎蠡i 静“ 图3 5 平面图i c p 源的剖面图p 7 l 鬻)f 1 ( ： 图3 6 a m = i 型天线图3 6 1 ) m = o 型天线 图3 6 螺旋波等离子体的天线结构o - r l 开始我们选用了一种改型的i c p 方案， 如图3 7 所示，即在圆筒形i c p 源外端加 一层绝缘层，隔绝天线与反应气体接触， 从而不再出现整个真空室放电的情况。在 这个方案中天线线圈材料选用的材料为铝 线。其他i c p 各部件由四氟乙烯材料制成。 在实验过程中，此感应耦合等离子体源可 以放电，但不稳定。经过实验在外层四氟 乙烯材料外侧套以一个口径相同的接地金 属筒，可明显改善等离子体源的稳定性。 在前期对感应耦合等离子体源的静电探针 实验中，i c p 对测量数据的干扰很大，而且 i c p 的轰击能很大，这与我们的设计原则产 生矛盾。 膝 冀 攀 、； 鬟涌 i 、 。i i 图3 7 改型的i c p 装配图 我们希望试验系统的加工过程，尽可能是化学过程，避免物理撞击的出现，这样可以 避免加工过程中亚表层损伤的产生。所以我们在等离子体源的设计中放弃了感应等离子体 源的设计方案。螺旋波等离子体源( h w p ) 与感应耦合等离子体源相似，在被加工的位置 处有磁场存在，对粒子有加速作用，产生明显轰击现象，所以螺旋波等离子体源的设计方 1 8 西安工业大学硕士学位论文 案也未被采用。最终我们选择改进型的电容耦合等离子体源作为试验平台系统的等离子体 源设计方案。 图3 8 是圆筒改进型的电容耦合等离 子体源放电时，筒内的发光区分布情况。 靠近输入极内壁的环状暗区，充满筒内的 光亮的辉光就是负辉区。输入极暗区圆环 的厚度比一般正常辉光放电的暗区厚度要 小，而负辉区则比正常辉光放电时明亮得 多。实验表明，改进型的电容耦合放电的 接地极位降比正常辉光放电时低l o o v 左 右，而放电电流密度却比正常辉光放电时 高得多阴。及此种等离子体源产生的等离 子体有足够的能量和被加工材料表面反 应。 卜输入极2 一接地极暗区3 - 负辉区 图3 8 改进型的电容耦合等离子体源内发光分布 图3 9 为所设计的电容耦合等离子体源，采用铝管作为输入极，在输入极外侧套以聚 四氟乙烯和接地金属套筒作为屏蔽层。等离子体试验平台中，我们采用射频电源。本系统 采用国内生产的成套射频电源设备，它由射频信号发生器、匹配网络及操作面板组成。选 用的射频电源的频率为1 3 5 6 删z 。 在等离子体抛光过程中，等离子体是一种变化着的负载，所以在射频放电回路中，为 了使得电源射频发生器的输出阻抗与负载阻抗能够匹配，需要在射频电源和等离子体源之 间设置一个阻抗匹配网络。如图3 1 0 所示 乡 荔 豸 囊易 豸 芝 琴 唏 杉 么 勰，t 、 l i 、* x f ；若爿1 1 1 l o 乞，心爿 l 、墨 i 净e ll彳i i i ， c u 一 才c 土 图3 9 改进型电容耦合等离子体源图3 1 0 可调射频匹配网 射频匹配网络有两个目的：其一是尽可能增加放电负载吸收电源提供的能量：其二是 保护射频电源，防止不匹配引起功率反射，损毁电源。 西安工业大学硕士学位论文 3 2 2 真空系统 等离子体加工过程实质上是真空中的化学或物理化学过程，它是将反应气体送入 真空反应室，在高频电场中辉光放电形成的化学性质活泼的自由基和其它带电粒子，使之 与被加工的材料发生化学或物理化学反应来达到成形和抛光的目的。因此，真空系统 的好坏将直接影响等离子体加工的效果。 等离子体加工工艺发生在很宽的真空度范围内，然而，为了避免其它气体和杂质对基 片的污染和加工过程的干扰，需要一个洁净的反应室。 除了对反应室及气体管道进行认真清洗外，在通入反应气体之前，反应室通常就被抽 到高或超高真空段。因此本装置的真空抽气系统采用了扩散泵、机械泵、阀门和管道，真 空测量系统主要由复合真空计组成。 本装置所用的扩散泵为金属材料的油扩散泵，该泵的工作原理是借助泵底部的热油， 泵油蒸汽通过中央堆叠上升并且以非常大的速度从排气口喷出，冲击至泵顶部的冷壁上， 凝结并且沿着泵壁流下，气体主要通过油蒸汽流和气体分子之间的动能转移来进行抽吸， 气体分子也可以通过溶解在蒸汽小液滴中而被传递。当油再一次在泵底被加热，气体挥发 出来并由连接的机械泵抽走。 本装置所用的机械真空泵是由北京仪器厂生产的2 x s - - 6 型旋片式真空泵，抽速为 1 5 ，极限压强为5 1 0 1 0 r r 该泵的工作原理是：由电气马达驱动的一个金属圆柱，在另一圆柱腔体内围绕偏离腔 体中心的轴旋转，弹簧带动叶片沿腔室壁滑动，封闭出泵的不同部分泵油用于密封叶片 和作为润滑剂起润滑作用，同时也有助于冷却泵，扩散由于摩擦和气体被压缩而产生的热， 它是通过使泵旋转而压缩空气来工作的。 真空室是兰州曙光机械厂生产的规格是中4 5 0 x 5 5 0 咖。 高真空油扩散泵的型号是k 一2 0 0 t ，抽气速率2 0 0 0 k s ，极限真空度为5 xl o p a 。 真空测量系统是由北京真空仪表厂生产的f z h 一1 型复合真空计组成，该真空计由测 量低真空的热偶规( 由济宁电子光学仪器厂生产的z j _ 屿l 型) 和测量高真空的电离规( 由 济宁电子光学仪器厂生产的z j - 屯型) 两部分组成。热偶规测量范围为1 3 x1 0 1 l o 1 p a ， 测量精度为1 5 ；电离规测量范围为1 3 x1 0 - 1 6 6 1 0 1 p a ，测量精度为1 5 2 0 。使用时用电离规测本底真空度，用热偶规测工作真空度。 3 2 3 气路系统 在等离子体抛光中，工艺气体的种类和流量都是影响抛光过程的重要参数，因此整套 设备的气路系统必不可少。本套设备的气路系统主要包含气源、流量控制装置、管路、接 口等部件。 在抛光工艺中，气体的成份是根据被加工元件的材料性质来决定的，对于不同的材料 应选用不同气体或气体组合。由于本课题的提出是基于石英玻璃的研究项目，设备的主要 西安工业大学硕士学位论文 用途是对二氧化硅的抛光，所以气路系统设计为三路管道( 一路中性气体、一路反应气体、 一路辅助气体) 。气源有反应气体s f 。、中性气体a r 、辅助气体如。因为工艺气体中的杂 质微粒将会对抛光产生不良影响，所以对工艺气体的纯度要求很高，一般要求纯度控制在 9 9 9 9 以上。 因为工艺气体的流量对刻蚀速率有明显的影响，气路系统应该