大气等离子体抛光对超光滑表面的影响研究优秀毕业论文.pdf

硕士学位论文 大气等离子体抛光对超光滑表面 的影响研究 study of super-smooth surface on atmospherice pressure plasma polishing 金会良 哈尔滨工业大学 2009 年 6 月 国内图书分类号：tg669 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开 工学硕士学位论文 大气等离子体抛光对超光滑表面 的影响研究 硕 士 研 究 生 :金会良 导师 :王 波 教授 申请学位 :工学硕士（应用研究型） 学 科 、 专 业 :机械制造及其自动化 所在单位 :机电工程学院 答辩日期 :2009 年 6 月 授予学位单位 :哈尔滨工业大学 classified index: tg 669 u.d.c: 621 dissertation for the master degree in engineering study of super-smooth surface on atmospherice pressure plasma polishing candidate: jin huiliang supervisor: prof. wang bo academic degree applied for: master of engineering specialty: mechanical manufacturing and automation affiliation: school of mechatronics engineering date of defence: june, 2009 degree-conferring-institution: harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 摘摘 要要 随着微电子技术和光学技术的飞速发展,超光滑表面的应用日益广泛,对超光 滑表面质量的要求也越来越高。作为光学元件，为获得高反射率特别强调表面的 低散射率或极低粗糙度值；作为功能元件，还特别注重表面晶格的完整性。目前 现有的加工方法因其自身局限性，很难满足超光滑表面加工的苛刻要求。大气等 离子体抛光方法作为一种新兴的表面加工方法，因其特殊的抛光机理，可以实现 材料表面的原子量级化学去除，能够获得极低的表面粗糙度，且加工后不会对工 件表层及亚表层造成损伤。目前国外已有学者开始对常压大气条件下等离子体抛 光进行研究，而国内的相关研究尚处于起步阶段。本文围绕等离体抛光系统的设 相关使用方法及加工过程出现的沉积问题对大气等离子体抛光进行了初步研究。 为了进行大气等离子体抛光的相关工艺实验研究，本文介绍了大气等离子体 抛光系统，以及基于介质阻挡放电原理工作的等离子体炬、配合供气系统、运动 控制系统、尾气处理系统等其它辅助设施，可以实现常压大气条件下的工件表面 加工的要求。并且从大气等离子体抛光的化学本质角度分析了等离子体在大气压 条件下的激发机理和具体应用抛光过程，揭示大气等离子体抛光过程中超光滑表 面的形成机理。 等离体所激发的活性反应粒子是直接参与加工的反应成分，活性粒子的浓度 对大气等离体抛光过程有着至关重要的作用，本文通过光谱分析的方法，采用光 谱分析仪采集等离子体射流的轴向及径向的原子发光光谱，通过分析特征谱线的 相对强度来定性地评价相应活性粒子的浓度，建立了活性粒子浓度分布的空间模 型。并对等离子体射流特性进行了分析及数值模拟，揭示了加工等离子体射流区 域的速度分布特征。 为了保证加工质量，针对在前期实验研究中发现的沉积问题，本文利用 xps 和红外光谱分析方法分析了沉积物的可能成分，并根据现有的等离子体聚合相关 理论，分析了沉积形成的原因，并且建立了气流速度与加工表面沉积之间的对应 关系及内在联系。通过改变气流速度实验验证，初步确定了影响沉积生成的因 素，并通过改进实验得到了表面粗糙度值达到 1nm 以内的超光滑表面。 关键词关键词 超光滑表面；大气等离子体抛光机理；活性粒子分布；表面沉积 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - abstract with the development of microelectronics and optics, the demand for surface quality has become more and more rigorous, which makes the machining of ultra- smooth surface more and more important also. optical components emphasize quite a low surface roughness or scattering characters in order to obtain maximum reflectivity. while for functional requirements, surface lattice integrity is always top-priority as most applicable materials are brittle. nowadays, conventional mechanical polishing technologies are not applicable any more for the machining of ultra-smooth surface, due to the removing principle of them. as a new technology for surface machining, the atmospheric pressure plasma polishing can perform an atom/molecule scale removal process by chemical reactions, and whats more, surface materials can keep their intrinsical properties. there are a few researchers have begun the researches on this realm in america and japan for decade. however, at home there are few efforts having been made in the atmospheric pressure plasma polishing. in this dissertation, the atmospheric pressure plasma polishing has been researched at the aspect of usage of polishing equipment and the deposition during the process. in this thesis, we introduced a polishing system for appp. the special plasma torch designed in this thesis is based on the principle of dielectric barrier discharge, cooperating with air supply system, movement control system, waste gas treatment and such other assistant equipments, the appp system can perform the polish of work piece. and it can meet the need of the process experiment related. from quantum mechanics, theory of low temperature plasma chemistry analysis of plasma at atmospheric pressure under the conditions of excitation mechanism and the specific application of polishing process, reveals the process of atmospheric plasma polished smooth over the surface of the formation mechanism. it is the active atom in plasma that reacts with the surface atoms in appp method. and the intensity of active atom plays an important role in the process of the atmospheric pressure plasma polishing. in this thesis, we measured the radial and axial relative activity of particle excitation intensity through spectral analysis methodes.and establishes the model of the spatial distribution of activity particles. in order to produce high quality ultra-smooth surface, and to solve the problem of deposition on surface found in the initial experiments, in this thesis x-ray photoelectron spectroscopy(xps) and infrared spectra were employed to analyze the components of the deposition. and then establishes the intercontact and corresponding between velocity of flow and deposition. and prelimininary determine the impact factors of the deposition generated. and by improving the experiment ,the surface roughness of the 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - vi - workpiece have been achieved within 1nm of the super-smooth surface. keywords ultra-smooth surface, atmospheric pressure plasma polishing mechanism, distribution of activity particles, deposition on surface 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - vii - 目目 录录 摘 要.iv abstract.v 第 1 章 绪论.1 1.1 课题来源.1 1.2 本课题的研究目的和意义.1 1.3 国内外研究现状综述.2 1.3.1 现有超光滑表面加工方法概述及分析.2 1.3.2 大气等离子体抛光的国内外研究现状.5 1.4 本课题主要研究的内容.7 第 2 章 大气等离子体抛光系统及加工机理.9 2.1 大气等离子体抛光系统组成.9 2.1.1 射频电源.10 2.1.2 气体供给系统.10 2.1.3 等离子体炬.11 2.1.4 密封工作舱及运动工作台.11 2.1.5 尾气处理装置.11 2.2 大气等离子体抛光机理.12 2.2.1 等离子体的电离激发机制.12 2.2.2 气固界面复相反应过程.13 2.3 大气等离子体抛光的反应过程.14 2.3.1 电子能量激发活性氟原子.15 2.3.2 反应刻蚀气体放电.17 2.4 本章小结.18 第 3 章 等离子体射流区域化学特性研究.19 3.1 等离子体诊断方法及光谱测量装置.19 3.2 等离子体射流区活性粒子径向分布状态光谱测量.21 3.3 等离子体射流区活性粒子轴向分布状态光谱测量.25 3.4 本章小结.27 第 4 章 等离子体射流在工件表面的物理特性研究.28 4.1 径向壁面射流.28 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - viii - 4.2 等离子体冲击射流的二维数学模型.30 4.3 等离子体冲击射流的数值模拟.31 4.4 本章小结.34 第 5 章 加工表面质量评价分析及实验验证.35 5.1 沉积物的成分分析.35 5.2 沉积物的去除实验研究.37 5.3 沉积物的抑制实验研究.38 5.3.1 沉积物的成因分析.38 5.3.2 温度对沉积的影响.39 5.3.3 气流速度对沉积的影响.40 5.3.4 射流速度对沉积影响的实验验证.41 5.4 本章小结.45 结 论.46 参考文献.47 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.50 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.50 致 谢.51 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪论 1.1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金重点项目(no.50535020)；国家自然科学基金 项目(no.50775055)；黑龙江省自然科学基金资助项目(no.e200622)。 1.2 本课题的研究目的和意义 随着半导体技术和光学技术的飞速发展,超光滑表面的应用日益广泛,对超光滑 表面质量的要求也越来越高，不但强调加工表面小于 ra 1nm 的表面粗糙度值，还 要严格限制由加工过程引起的材料表层及亚表层损伤。作为光学元件，为获得最 高反射率，特别强调表面的低散射特性或极低粗糙度值；作为功能元件,因多为脆 硬或脆软晶体材料,相对于表面粗糙度而言,更注重表面的晶格完整性。超光滑表面 具有以下主要特征: (1)表面粗糙度 ra 小于 1 nm,对于光学元件, 表面粗糙度小于 1 nm rms(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)尽可能小的表面疵病与亚表面损伤; (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. 超光滑表面在现代光学及光电子学科领域的作用愈来愈重要,相应的超光滑表 面加工技术也成为现代超精密加工技术的重要组成部分1。 目前，最常用的超光滑表面加工方法是基于高效的金刚石精密切削、磨削和 各种机械研抛方法(如计算机控制小工具抛光技术、计算机控制应力盘抛光技术、 磁流变液抛光技术等)。利用此类加工方法在一定程度上解决了工件的面型精度控 制问题，同时，由于采用了机械化加工，减少了人工干预，从而提高了加工效 率。但是，这些加工方法难以避免传统的机械接触式加工所固有的缺陷，例如， 接触式机械加工都不同程度地会造成材料的表面破坏，形成微裂纹，存在残余应 力或引起材料晶格的扰动，从而影响工件特别是光学反射镜的表面质量，降低其 表面破坏阈值。有时即使可以得到表面粗糙度满足要求的镜面，但仍然无法避免 在表层掩盖下的亚表面损伤。所有这些都会最终影响到元件的使用性能2。 等离子体表面处理技术具有成本低、无表面污染、适用范围广等显著优点， 还能够得到常规的加工方法难以达到的处理效果，很好地解决了超光滑表面加工 中存在的上述问题。但目前常用的等离子体加工工艺都需要复杂的真空系统来支 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 持，如等离子体刻蚀、反应离子刻蚀(rie)、等离子体辅助刻蚀(pace)、中性离子 铣等，不但增加了设备成本和系统维护的难度，还难以避免因离子撞击、溅射作 用造成的表面晶格破坏。 大气等离子体技术能够在常温大气压下产生大面积均匀的低温等离子体，不 需要真空环境，可大大降低设备成本并扩展其使用范围。低温等离子体中存在着 高密度的活性粒子，比通常的化学反应所产生的活性粒子种类更多、活性更强， 更易于和所接触的材料发生反应，因此采用大气等离子体技术可以保证更高的化 学反应速率，从而实现纳米精度的宏结构的表面加工。加工过程从本质上来说为 化学去除，这样即不受材料的力学性能影响，能够对传统难加工材料实现高效快 速加工，加工中又可避免机械作用力，使加工过程不对表面及亚表面造成机械损 伤，非常适合高性能超光滑表面的加工要求。 1.3 国内外研究现状综述 1.3.1 现有超光滑表面加工方法概述及分析 从上世纪 60 年代起，各国便相继开始研究超光滑表面的加工技术。早期是从 传统的光学表面加工技术入手，对影响表面质量的各项因素进行改进，进而引入 流体力学、能量场等物理或化学的辅助作用，从而在实现更微量去除的同时减弱 抛光过程中可能引起的各种表层和亚表层损伤。随着对亚纳米量级光滑表面形成 机理认识的深入和相关表面检测技术水平的提高，又出现了许多应用全新去除机 理和加工设备的无损伤的加工方法，逐步丰富了超光滑表面加工体系。回顾超光 滑表面加工几十年的发展历程，大体有如下几种加工方法：机械抛光法、机械-化 学抛光法、场效应辅助抛光法、离子束抛光、等离子辅助抛光法等加工方法。 1.3.1.1 研磨抛光 常用的研磨抛光3 5包括古典的低速抛光和和现代的高速抛光，是最古老的目 前仍在广泛采用的一种抛光方法。它是在被抛光工件表面和抛光盘之间加入一些 抛光液，利用抛光盘与工件表面的相对滑动，借助于抛光液与工件表面的机械化 学和物理作用实现对工件表面的抛光。在抛光过程中，抛光盘会有一定的磨损。 研磨抛光是采用机修与手修结合的方法，特别在最后面形修抛的阶段更是完 全依靠加工者的经验进行手修。这样，对加工者的个人经验和能力要求很高，而 且手修过程很容易发生错误，抛光精度和效率都无法更上台阶。 1.3.1.2 浴法抛光 浴法抛光 3,5(bowel-feed polishing)是将传统的抛光盘、抛光液及加工工件浸 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 没于抛光液中，利用抛光液中由于抛光粉与工件的相对运动而产生的剪切力将材 料去除。与研磨抛光相比，浴法抛光设备多了一个液槽和搅拌器。抛光过程中搅 拌器不断的搅动，以消除抛光粉受离心力作用而沉淀的趋势，使其始终处于悬浮 状态。其加工过程可分为两个阶段: (一)获取较高质量面形，该过程类似于研磨抛光的面形修正; (二)获得超光滑表面，该过程有两个途径，一是当面形修正好后移去搅拌器继 续抛光直至抛光液变清澈，然后继续抛光。二是将液槽、抛光盘清洗后重新注入 清水继续抛光。 浴法抛光可以获得较高的面形和超光滑表面。利用浴法抛光可使石英晶体的表面 粗糙度达到 0.33nm 的超光滑表面。 从本质上讲，浴法抛光同研磨抛光一样，都属于传统的手工抛光。 1.3.1.3 浮法抛光 浮法抛光3(floatpolishing)技术最早是由日本大阪大学研制成功的。浮法抛光 可使刚玉单晶的面形精度达到 1/20 p-v(=632.8nm)。浮法抛光是以锡盘为抛光 盘，采用浴法抛光的方式进行加工的抛光方法，如图 1-1 所示。它是一种非接触式 抛光，机床主轴转动精度要求很高且转速较低，一般为 60200rmp，在目前所有 抛光技术中，利用浮法抛光得到的工件表面粗糙度最小。由于离心力、液槽壁、 环带及锡盘上的精密螺纹的共同作用，抛光盘与工件间形成一层液膜，将工件托 起，悬浮于抛光液内的磨料在离心力作用下在液膜内沿径向不断碰撞工件表面， 以原子或分子量级的去除量不断修整微观隆起，实现超光滑表面加工。利用这一 技术可以获得边缘规整、亚表面没有破坏、晶格完整的超光滑表面。 图 1-1 浮法抛光示意图 浮光抛光是一种去除量较小的抛光方法。利用该方法前，工件往往需要用传 统抛光方法进行预抛光，加工到一定的面形精度(一般为 24 光圈)后再用该方法 加工。此抛光方法的主要问题是仅能应用于平面的抛光。 1.3.1.4 机械-化学抛光 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 虽然常规的机械抛光方法可以获得很好的表面粗糙度和面型精度，但却不可 避免的造成加工变质层和亚表层损伤，往往会影响到光学元件的使用性能和寿 命。为形成更加“柔性”的接触和去除模式，化学辅助作用被首先引入到了机械加 工过程中，有效地降低了机械作用造成的表面损伤6。 20 世纪 80 年代中期，ibm 公司首创了化学机械抛光(cmp, chemical mechanical polishing)，它能够提供超大规模集成电路制造过程中的全面平坦化， 而且具有低斜率的整体形貌平坦化7。cmp 技术主要应用于半导体工业中硅圆晶 片的最终加工以及精密光学系统的制造，可以真正实现整个硅圆晶片的表面平坦 化8。cmp 的材料去除是机械磨削和化学腐蚀的组合，它借助超微粒子的磨削作 用和浆料的化学腐蚀作用形成光洁平坦的表面。其面形精度可以达到 /50，表面 粗糙度可达到 ra 0.5nm9。日本的 t.kasai 提出了一种进给式机械化学抛光方法(p- mac, progressive mechanical and chemical)，该方法能够自动地从初始的直接接触 状态变化为非接触状态，从而将机械去除作用转化为化学去除作用10。 1.3.1.5 离子束抛光 离子束抛光 11(ionbeammilling)技术是大型反射镜加工的一种有效的确定性 加工方法，是 20 世纪末光学制造技术领域的一项重大创新。大型反射镜的这种加 工方法是由美国 eastmankodak 公司发展并与 1988 年首先发表，在 1990 年建成一 个实用化的 kodak2.5m 计算机五轴数控离子束成型系统。 一般全口径或子口径研、抛大型反射镜欲达到理想的光学表面受到一些物理 限制，像表面几何形状、非球面偏离量、磨具磨损、工件边缘效应等，预测和控 制抛光去除函数受到一定限制、收敛速度低、成本高、交货慢。离子束抛光技术 是对模具研、抛技术的重大突破，它是在真空室里利用被加速的离子与工件表面 原子核直接产生弹性碰撞，通过惯量转移的方法，将离子能量传递给工件材料的 原子，使其逸出表面，在原子量级上将材料去除。它是一种典型的利用物理碰撞 方法进行抛光的技术。理论上，离子束抛光技术对加工元件没有物理加载，离子 束工具不受工件位置影响，像工件局部地区是否适配、边缘效应等。离子束抛光 是对计算机数控小工具抛光的一种很好的补充和升级，可有效地对一般模具抛光 工件的边缘效应和轻质镜结构基底的复印效应的校正。 由于离子束抛光是在原子量级上实现材料的去除，因而材料的去除效率较 低，往往在采用该方法前，工件表面要经过传统方法的预抛光，在基本达到精度 要求或接近精度要求再采用离子束研磨对面形实现很高精度的修正。由于离子束 研磨所需的设备投资较大，运行成本较高，一般很少采用，但对于某些特殊高精 度要求的镜面则不得不采用离子束研磨，如 kodak 公司为 wyko 公司提供的、用 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 于 6o0mm 口径干涉仪的参考平面镜就是最终采用离子束研磨方法得到的，在 600mm 口径内面形误差 pv 值小于 1/15 (=632.8nm)。 1.3.1.6 等离子辅助抛光 等离子体辅助抛光 12(plasma-assisted chemical etching，简称 pace)技术是一 种利用化学反应来去除表面材料而实现抛光的方法，它源于微电子线路的一种刻 蚀加工技术。 等离子体辅助抛光从整体上讲也是一种计算机控制小磨头抛光技术，不过此时 的抛光头是由某种气体在 rf 激励作用下产生的活性等离子体组成。活性等离子体 与工件表面物质发生化学反应，生成易挥发的混合气体，从而将工件表面材料去 除。通过控制 rf 的功率、气体气压及气体流速等因素可控制材料的去除率。 等离子体辅助抛光技术，其抛光过程是在真空环境下进行的，通常为 110 torr(1torr=1.33322102pa)，抛光头位于工件表面上方几毫米处垂直于被加工表 面，由一个五轴 cnc 来控制以满足不同表面的需要。通过控制抛光头的相关参数 可使抛光头的去除函数形状在抛光过程中可变，这样可更加有效的提高收敛速 度。利用材料的去除量控制设备可实现实时监控表面的去除量，进而可实现闭环 控制。等离子体辅助抛光技术具有抛光效率高、工件不受机械压力、没有相应的 变形、加工完成面无亚表面破坏、无污染、加工球面与非球面难度相当等优点。 1.3.2 大气等离子体抛光的国内外研究现状 大气等离子体化学加工是于上世纪末发展起来的一种新概念加工方法，它采 用大气等离子体中的高密度高活性粒子与工件表面发生各种物理化学作用，从而 实现工件材料的高效去除。1997 年，美国 los alomos 国家实验室采用射频技术成 功实现了常压条件下气体的温和等离子体大面积放电 13 ，14。这一重大突破意味着 过去只能在真空室中进行的低温气放电可以直接在常压下进行，从而省去了真空 室所带来的空间的操作方面的限制，为等离子体在各领域的应用带来了新的契 机。 美国劳伦斯国家重点实验室(lawrence livermore national labs)发明了反应原子 等离子体技术(rapt，reactive atom plasma technology)，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15。 劳伦斯实验室在 2001 年将 rapt 技术应用于商业化，创建了 rapt 公司，借 助以等离子体为基础的加工工具，致力于高精度的表面加工工程。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 英国cranfield大学的paul shore教授与rapt公司联合开发研制了helios 1200- 3(图1-2)，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helios 1200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。 图1-2 helios 1200-3 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 了 等 离 子 体 化 学 气 相 加 工 (pcvm, plasma chemical vaporization machining)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16，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，如图 1-3 所示。在电极之间通入等离子体气体和反 应离子的混合气体时，会产生等离子体放电，反应气体被解离，生成高化学活性 的激发态原子，从而实现工件材料的去除。当旋转电极加工时，管电极处于分离 状态。而管电极的外径为 3 毫米，当管电极工作时，等离子体加工产生的反应产 物由管电极中心内部管路及时排出17-18。 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 1/10019。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。但是，这一方法的缺陷是等离子体区域的形状随加工工件表面的 曲率变化而变化，等离子体密度难以控制以及它的去除函数的可控性太差，从而 使得加工面形精度很难保证。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 图 1-3 pcvm 电极形状和数控工作台 在国内，哈尔滨工业大学率先开展了大气等离子体化学加工技术。采用了不 同于大阪大学和 lawrence livermore 国家实验室的等离子体发生机制，利用电容 耦合等离子体射流作为加工工具，并自主研制成功了国内首台三轴联动大气等离 子体抛光系统，在对单晶硅进行超光滑表面加工方面取得了一定得成果。为了进 一步扩大大气等离子体抛光系统的应用，结合实际应用需求，开展了熔石英、氮 化硅等硬脆材料的研究。需要通过工艺实验对加工系统的稳定性、可控性、时间 的线性度及加工表面质量进行深入研究，建立起去除函数模型，最终实现超宽尺 度的纳米级精度的宏结构表面加工。 1.4 本课题主要研究的内容 目前在大气等离子体抛光系统的工艺研究实验中，在加工工件表面会出现沉 积，严重影响了加工表面质量，极大地阻碍了大气等离子体抛光的实际应用进 程。本论文工作将主要围绕超光滑表面形成机理和大气等离子体抛光系统对加工 表面质量主要影响因素展开。本课题将主要完成以下几个方面的工作： 1.本文从大气等离子体抛光的化学本质角度分析了等离子体在大气压条件下的 激发机理和具体应用抛光过程，揭示大气等离子体抛光过程中超光滑表面的形成 机理。 2.建立对加工区等离子体流束中活性粒子的空间分布状态模型。基于原子发光 光谱测量及分析技术，采用光谱分析仪采集等离子体射流的轴向及径向的原子发 光光谱，通过分析特征谱线的相对强度来定性地评价相应活性粒子的浓度，建立 了活性粒子浓度分布的空间模型。 3. 对等离子体射流冲击工件表面的流动特性进行分析，熟悉径向壁面射流理 论，并且用 fluent 应用软件对冲击射流的速度分布进行初步数值模拟分析，对 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 等离子体射流速度、压力物理特性有一定的了解。 4.探寻避免抛光过程中在被加工表面产生沉积物的方法。针对在加工实验中发 现的伴随抛光过程会在被抛光表面产生严重影响表面质量的沉积物的问题，分析 等离子体射流的速度、压力特性并对应沉积分布特征，确定沉积生成 原因，初步 建立气流速度与沉积之间的联系，并用实验验证。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 第2章 大气等离子体抛光系统及加工机理 大气等离子体抛光系统是大气等离子抛光的加工平台，因其在常压大气条件 下进行加工，就等离子体发生来说，不同于以往在真空条件下容易产生均匀稳定 的等离子体，因此等离子体发生装置是大气等离子体抛光系统设计的重点之一。 了解活性粒子的激发机制及大气等离子体抛光的化学本质，对理解大气等离子体 加工超光滑表面有重要意义。 2.1 大气等离子体抛光系统组成 图 2-1 大气低温等离子体抛光系统实物图 如图 2-1 所示，大气等离子抛光系统由射频电源供应系统、水冷系统、气体供 应系统、等离子体发生炬、三自由度可控运动工作台、密封加工舱和废气净化处 理装置等几部分组成。 加工时，首先将清洗好的待加工工件放置在工作舱内的运动工作台上，调节 好等离子体炬到工件表面的距离，经由具有精确气体流量控制功能的气体供给系 冷却系统 气体供给 流量控制 等 离 子 体 炬 及工作台 密封工作舱 运动控制 射频电源 尾气回收处理 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 统将刻蚀反应气体及等离子体激发气体通入等离子体炬，之后由已实现良好阻抗 匹配的射频电源为等离子体的激发提供能量，反应气体在等离子体中被激发，从 而在常压条件下产生高密度的活性反应原子。反应活性原子由气流带动吹向工件 表面并与表面原子发生化学反应，生成强挥发性的气体生成物，实现高效的、原 子级的材料去除，同时又不会在工件表面产生表层或亚表层损伤。整个抛光过程 在密封工作舱内进行，抛光过程中由水冷系统对等离子体炬进行冷却，同时反应 后的混合气体由尾气处理装置回收进行无害化处理后排放到空气当中。 2.1.1 射频电源 射频电源是大气等离子抛光系统的重要组成部分之一，它将两相交流电转换 为可供等离子体激发所使用的射频电流。射频(radio-frequency)是一种高频交流变 化电磁波的简称，射频电源的性能优劣，直接关系着激发等子体的稳定性。 本论文中大气等离子抛光系统所采用射频电源为中科院微电子研究中心研制的 sy 型射频功率源，其输出频率为 13.56 mhz，电源采用它激式石英晶体稳频，效 率高、输出功率大，且体积小。 射频电源的阻抗匹配采用的是中科院微电子研究中心研制的 sp-i 型可调节射 频功率阻抗匹配器，匹配器采用可调的 l 型网络。在使用过程中通过旋转功率调 节旋钮可以改变所输出功率的大小，在等离子体放电过程中，通过调节 c1 和 c2 的调节旋钮，可以使等离子体和射频电源之间实现阻抗匹配，使等离子体均匀稳 定，并且通过选用可调阻抗匹配箱，方便了实验过程不同放电参数下的阻抗匹 配。 2.1.2 气体供给系统 大气等离子体抛光利用反应气体激发产生的活性粒子与工件表面反应实