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，超光滑表面不但強調(diào)小于Ra1nm的極低粗糙度值，還要嚴(yán)格限制由加工過程引起的材料表層及亞表層損傷。研究高效、無表面損傷的超光滑表面加工技術(shù)對于上述領(lǐng)域具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

2、
　　目前，常用的超光滑表面加工方法，如傳統(tǒng)的機械研拋技術(shù)、機械-化學(xué)拋光方法等都會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、對操作者經(jīng)驗依賴嚴(yán)重等諸多問題，難以滿足現(xiàn)代科技發(fā)展對表面提出的越來越苛刻的要求，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)的方式實現(xiàn)原子級的材料去除，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、活性更強的反應(yīng)粒子，因而可以實現(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。拋光過程依靠氣-固界面的原子間的化學(xué)作用實現(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。
　　針對大氣低溫等離子體拋光的原理及特點，設(shè)計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。
　　針對大氣低溫等離子體拋光過程的超光滑表面形成機理進(jìn)行了理論研究。理論分析采用了基于量子化學(xué)理論的模擬計算方法，針對光學(xué)表面的典型微觀形貌進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)過程的分析。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，并研究了各個因素的影響規(guī)律，得到了合理的工藝范圍。針對加工過程中出現(xiàn)的沉積現(xiàn)象，初步分析了沉積物的成分和成因，并通過工藝分析提出了避免沉積物生成的幾點建議。
　　

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現(xiàn)表面質(zhì)量的整體提高。針對性的加工和檢測實驗證實了大氣低溫等離子體拋光在單晶硅片上實現(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，表面的硬度和彈性模量等機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)測結(jié)果還顯示，大氣低溫等離子體拋光可以實現(xiàn)較低溫度下的高效、高質(zhì)量加工，更具應(yīng)用優(yōu)勢。針對