王東方

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033)

0 引言

熔石英材料因其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、透紫外性、均勻性和耐輻射性，廣泛應(yīng)用于高能量激光窗口、航空航天、短波光學(xué)、微電子及其他光學(xué)領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對(duì)光學(xué)元器件的要求也越來(lái)越苛刻，不但要求元件表面質(zhì)量達(dá)到超光滑表面，同時(shí)對(duì)加工效率也提出了極高的要求，為此各國(guó)相繼開(kāi)展一系列關(guān)于超光滑表面加工技術(shù)方面的研究。目前適用于熔石英材料的加工技術(shù)種類很多，但是都不同程度地存在各自的缺點(diǎn)。例如，對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械研拋法，諸如浴法拋光(Bowl Feed Polishing)[1]、浮法拋光(Float Polishing)[2]、磁流變拋光(MRF，Magnetorheological Finishing)[3]，以及近幾年新發(fā)展的氣囊拋光技術(shù)(Bonnet Polishing)[4]等，雖然能夠得到較低的表面粗糙度值，但是由于這些拋光方法主要是基于機(jī)械作用力實(shí)現(xiàn)去除材料，因而由機(jī)械力造成的表層及亞表層損傷是不可避免的。這會(huì)嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)的整體性能。而對(duì)于彈性發(fā)射加工(EEM，Elastic Emission Machining)[5]等方法，雖然能夠得到表層損傷小甚至沒(méi)有表層損傷的光學(xué)表面，但是存在拋光效率極低、拋光時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。對(duì)于離子束拋光(IBP，Ion Beam Polishing)[6]、真空等離子體輔助化學(xué)拋光(PACE，Plasma Assisted Chemical Etching)[7]等方法，不僅效率低，同時(shí)還存在設(shè)備昂貴、真空維護(hù)成本高的缺點(diǎn)。

大氣等離子體化學(xué)加工(APPP，Atmospheric Pressure Plasma Processing)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型光學(xué)材料加工技術(shù)。與其他加工技術(shù)相比，大氣等離子體加工技術(shù)是在大氣壓環(huán)境下通過(guò)活性粒子與工件材料發(fā)生常溫下不容易發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料去除的一種加工方法。不同于真空離子束修形。不但可以避免真空條件帶來(lái)的維護(hù)成本高、工件材料尺寸受限制等缺點(diǎn)，還具有加工效率高、加工成本低、不產(chǎn)生加工變質(zhì)層、不會(huì)對(duì)元件表面造成二次損傷等優(yōu)點(diǎn)，因而受到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注。目前，日本大阪大學(xué)的大氣等離子體化學(xué)蒸發(fā)加工(PCVM，Plasma Chemical Vaporization Machining)、美國(guó)加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的反應(yīng)原子等離子體加工(RAPT，Reactive Atom Plasma Technology)和德國(guó)的萊布尼茨學(xué)會(huì)的大氣等離子體射流加工(APJM，Atmospheric Plasma Jet Machining)都已經(jīng)將此技術(shù)應(yīng)用于光學(xué)元件的加工制造中。而我國(guó)在該方向的研究尚處于起步階段。

本文在前期成功應(yīng)用于硅片拋光的基礎(chǔ)上[8]，開(kāi)展大氣等離子體對(duì)熔石英材料加工方面的研究，實(shí)現(xiàn)了大幅度提高熔石英光學(xué)元件拋光效率的效果。該問(wèn)題的解決對(duì)于我國(guó)國(guó)防、航空航天事業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)突破有重要意義。

1 大氣等離子體加工原理

1.1 大氣等離子體工作原理

大氣等離子體加工熔石英材料的工作原理是惰性氣體(He，Ar等)在射頻電場(chǎng)激勵(lì)下激發(fā)成等離子體態(tài)，反應(yīng)氣體CF4在等離子體氛圍中被激發(fā)產(chǎn)生高密度的活性F原子，熔石英的成分是玻璃態(tài)的SiO2，活性F原子與熔石英材料表面的原子接觸并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成強(qiáng)揮發(fā)性氣體從工件表面逸出，從而實(shí)現(xiàn)材料去除。相關(guān)化學(xué)反應(yīng)如式(1)所示:

由其工作原理可知，大氣等離子體加工過(guò)程中不存在機(jī)械力的作用，因而可以避免機(jī)械力作用對(duì)材料表層及亞表層造成的損傷，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)表面損傷的加工表面。此外，該加工方法與工件材料的硬度沒(méi)有關(guān)系，可以有效解決了機(jī)械拋光加工脆硬材料效率低的問(wèn)題[9]。

1.2 等離子體炬的改進(jìn)設(shè)計(jì)

等離子體炬是大氣等離子體加工系統(tǒng)中激發(fā)活性粒子的裝置。等離子體炬能否產(chǎn)生活性度高、均勻性好的等離子體直接關(guān)系著等離子體系統(tǒng)能否加工出高質(zhì)量的工件表面。

圖1(a)為前期加工硅片設(shè)計(jì)的電容耦合等離子體炬[8]，該炬對(duì)硅有明顯的去除效果。但是加工SiO2時(shí)，沒(méi)有觀察到明顯的去除效果。原因是由于該炬結(jié)構(gòu)龐大，在相同功率下，電極間功率密度相對(duì)低，產(chǎn)生的等離子體活化能低。而Si-O之間的結(jié)合能(460 kJ/mol)比Si-Si之間的結(jié)合能(176 kJ/mol)大得多，這就意味著需要更大的能量來(lái)拆分Si-O之間的結(jié)合能，所以為了克服該電極炬的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出如圖1(b)的等離子體炬。該炬采用了同軸放電的方式，中心電極接射頻電源，外電極接地，中間的陶瓷噴頭作為介質(zhì)阻擋層。加工過(guò)程中，在炬端部的外電極與內(nèi)電極間產(chǎn)生等離子體，并從噴嘴噴出。同時(shí)在外電極外圍增加了冷卻腔，通過(guò)循環(huán)水來(lái)降低等離子體炬的溫度。實(shí)驗(yàn)表明該炬對(duì)融石英具有良好的去除效果，后面的實(shí)驗(yàn)都是采用此炬進(jìn)行加工的。

圖1 等離子體炬結(jié)構(gòu)示意圖

2 熔石英去除效率影響因素實(shí)驗(yàn)

由大氣等離子加工原理可知，該加工過(guò)程是活性F原子與熔石英材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，因而反應(yīng)過(guò)程中活性F原子的濃度以及反應(yīng)過(guò)程中的溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)有重要的影響。為了研究大氣等離子體加工熔石英材料過(guò)程中氣體配比、電源輸入功率和加工時(shí)間等因素對(duì)熔石英材料加工效率的影響規(guī)律，采用微型光纖光譜儀(AvaSpec-2048，Avantes Inc.)測(cè)量等離子體中F原子的相對(duì)光譜強(qiáng)度，采用紅外熱像儀(SAT-HY6800)測(cè)量大氣等離子體加工熔石英過(guò)程中反應(yīng)中心區(qū)域的溫度，采用Form Talysurf PGI1240型輪廓儀測(cè)量大氣等離子體對(duì)熔石英的加工去除率。實(shí)驗(yàn)采用單因素法分別研究CF4氣體含量、O2氣體含量、加工功率以及加工時(shí)間對(duì)去除率的影響。

2.1 氣體配比對(duì)去除率的影響

2.1.1 CF4流量對(duì)去除率的影響

CF4是大氣等離子體化學(xué)加工中活性F原子的提供者，因此CF4的含量與大氣等離子體中反應(yīng)原子F濃度密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)采用單因素法改變CF4的含量，研究不同的CF4含量對(duì)加工過(guò)程中溫度、F光譜強(qiáng)度等過(guò)程的影響規(guī)律。表1是CF4流量對(duì)去除率影響的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表1 CF4流量對(duì)去除率影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖2分別給出了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加工區(qū)溫度變化、F光譜強(qiáng)度變化和相應(yīng)加工去除率隨CF4流量變化的趨勢(shì)圖。

圖2 CF4流量對(duì)加工過(guò)程影響趨勢(shì)圖

從圖2(a)、(c)可知，熔石英的去除深度和加工中心區(qū)的溫度變化趨勢(shì)基本相同，二者均先隨CF4流量的增加而增加，當(dāng)CF4流量達(dá)到70 mL/min時(shí)，二者均達(dá)到最大，之后隨著CF4流量繼續(xù)增加，二者則迅速下降。這說(shuō)明了在加工過(guò)程中處于激發(fā)態(tài)的F原子濃度與未被激發(fā)的F原子濃度是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)CF4的流量小于70 mL/min時(shí)，CF4在He等離子體中幾乎全部分解轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)F原子，當(dāng)CF4的流量達(dá)到70 mL/min時(shí)(CF4與He的流量比為3.5%)，能量轉(zhuǎn)移達(dá)到飽和狀態(tài)，之后隨著CF4流量繼續(xù)增加，過(guò)剩的處于基態(tài)的CF4分子在粒子間相互“碰撞”中吸收能量使處于激發(fā)態(tài)的F原子損失能量，減少活性F原子的濃度，從而使得化學(xué)反應(yīng)過(guò)程減弱。從圖2(b)數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)原子的光譜強(qiáng)度隨著CF4流量的增加而逐漸降低，與加工深度變化趨勢(shì)相反。這種現(xiàn)象與客觀事實(shí)不相符合，究其原因，主要是增加CF4的含量會(huì)導(dǎo)致等離子體中心活性F原子光譜發(fā)生“自吸”現(xiàn)象[10]。本試驗(yàn)也說(shuō)明了可以通過(guò)監(jiān)控加工過(guò)程的溫度變化來(lái)診斷大氣等離子加工過(guò)程狀態(tài)變化的可能性。

2.1.2 O2流量對(duì)去除效率的影響

雖然F原子是化學(xué)反應(yīng)的主要參與者，但是研究表明在反應(yīng)氣體中加入適量O2會(huì)大大提高反應(yīng)效率。表2是O2流量對(duì)去除率影響的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表2 O2流量對(duì)去除率影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖3分別給出了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中O2流量變化對(duì)加工過(guò)程中F光譜相對(duì)強(qiáng)度、加工區(qū)溫度和相應(yīng)去除率的影響趨勢(shì)圖。

圖3 O2流量對(duì)加工過(guò)程影響趨勢(shì)圖

從圖3可以看出，等離子體中F原子的相對(duì)光譜強(qiáng)度、加工區(qū)域的反應(yīng)溫度和熔石英去除率隨著O2流量的增加而提高。O2的加入使得熔石英去除率加大，可能是由于反應(yīng)氣體CF4在解離過(guò)程中產(chǎn)生的等中間產(chǎn)物容易與O2結(jié)合生成COF2、CO2或者CO，雖然該結(jié)合過(guò)程不會(huì)影響活性F原子的最終產(chǎn)率，但是可以阻止等離子體中活性粒子的重新復(fù)合。活性原子在重新復(fù)合過(guò)程中會(huì)消耗大量活性粒子的能量，使得處于激發(fā)態(tài)的活性F原子濃度下降，而O2的出現(xiàn)則可能抑制了這一過(guò)程，從而使得更多的活性F原子參與了與工件材料的化學(xué)反應(yīng)[11]。

2.2 功率對(duì)去除率的影響

為了探究輸入功率與加工去除率的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中分別在輸入功率220 W和280 W間等間隔取4個(gè)水平。表3是輸入功率對(duì)去除率影響的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表3 輸入功率對(duì)去除率影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4是輸入功率對(duì)去除率的影響曲線，從圖4可知，在一定范圍內(nèi)輸入功率和材料去除率基本呈線性關(guān)系。這表明適當(dāng)增大功率可以提高熔石英加工效率。但是輸入功率過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致等離子體炬兩電極間發(fā)生“拉弧”現(xiàn)象，即電極間發(fā)生擊穿現(xiàn)象，而且功率增大會(huì)導(dǎo)致加工區(qū)溫度急劇增加，影響工件的穩(wěn)定性。所以實(shí)際加工過(guò)程中并不能無(wú)限制的增加系統(tǒng)輸入功率。

2.3 加工時(shí)間與去除率的關(guān)系

大氣等離子體化學(xué)加工中去除率與加工時(shí)間的關(guān)系直接影響后續(xù)大氣等離子體數(shù)控編程系統(tǒng)的復(fù)雜程度[12]。為了研究加工時(shí)間與去除率的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)分別取1 min，3 min，5 min，7 min四個(gè)水平，表4是加工時(shí)間對(duì)去除率影響的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表4 加工時(shí)間對(duì)去除率影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖5是加工時(shí)間對(duì)去除深度的影響曲線。從圖5可知，在本試驗(yàn)條件下，熔石英的去除深度與加工時(shí)間基本呈線性關(guān)系，這說(shuō)明在大氣等離子體加工過(guò)程中熔石英的去除率基本保持不變。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果為后續(xù)數(shù)控系統(tǒng)的搭建提供了重要參考依據(jù)。

圖4 輸入功率對(duì)去除率的影響曲線

圖5 加工時(shí)間對(duì)去除深度的影響曲線

3 結(jié)論

(1)不同的氣體配比對(duì)大氣等離子體化學(xué)加工去除率有明顯影響，氣體配比存在最佳組合。隨著CF4氣體含量的增加，去除率先隨之增加，當(dāng)CF4與He比例為3.5%時(shí)，熔石英的去除率每分鐘最高達(dá)3.5 μm，遠(yuǎn)高于目前傳統(tǒng)拋光工藝效率，之后去除率則隨著CF4含量的增加而逐漸減小。

(2)加入適量的O2能夠有效的提高去除率，隨著O2流量的增加，去除率呈拋物線關(guān)系增大。

(3)隨著輸入功率增大，去除率呈近似線性關(guān)系增大，基本不隨加工時(shí)間發(fā)生變化。

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