大气等离子体抛光系统设计及实验研究

论文摘要

随着现代光学及微电子学的发展,对表面质量的要求越来越苛刻,超光滑表面的加工也日趋受到各相关领域的关注。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,在该领域亟需有一些突破性的进展。本文围绕等离体抛光系统的设计制造及系统的相关使用方法对大气等离子体抛光进行了初步研究。稳定可用的等离体抛光系统是实验研究的基础,为了进行大气等离子体抛光的相关工艺实验研究,本文自主研制了一套大气等离子体抛光系统,本文所设计的基于介质阻挡放电原理工作的等离子体炬可以在常压大气条件下产生均匀稳定的等离子体,配合本文所设计的冷却系统、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,满足大气等离子体抛光相关实验研究的要求。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,而在实际加工过程中可控制的主要加工参数为激发等离体的放电参数。本文通过光谱分析的方法,测量了不同放电参数下活性粒子的相对激发强度,建立了可控放电参数与活性粒子浓度之间的曲线对应关系,将加工参数与加工过程中的可控参数联系在了一起,增加了加工过程的可操作性。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,结合实验结果找到了一条避免沉积物生成的途径,并且通过原子发射光谱图分析了各控制参数之间的内在联系。通过改变放电参数及加工条件,基本解决了加工中的沉积问题,并得到了表面粗糙度值达到1nm以内的光滑表面。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 本课题的研究目的和意义
• 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及其存在的问题分析
• 1.3.2 大气等离子体抛光的国内外研究现状
• 1.4 本课题主要研究的内容
• 第2章 大气等离子体抛光系统设计
• 2.1 大气等离子体抛光系统总体方案设计
• 2.2 大气等离子体抛光系统各组成部分设计
• 2.2.1 射频电源及阻抗匹配网络
• 2.2.2 气体供应系统
• 2.2.3 等离子体炬的设计
• 2.2.4 密封工作舱及工作台设计
• 2.2.5 尾气处理系统及冷却系统
• 2.3 系统调试
• 2.4 本章小结
• 第3章 大气等离子体抛光机理及其实验研究
• 3.1 等离子体抛光的反应原理
• 3.1.1 等离子体的电离激发机制
• 3.1.2 等离子体与材料表面的相互作用
• 3.1.3 大气等离子抛光反应过程分析
• 3.2 放电参数对反应粒子浓度的影响研究
• 3.2.1 射频输入功率对反应粒子浓度影响的实验研究
• 3.2.2 气体配比对反应粒子浓度影响的实验研究
• 3.2.3 放电间隙对反应粒子浓度影响的实验研究
• 3.3 大气等离子体抛光实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 抛光过程中沉积问题研究
• 4.1 沉积物的成分分析
• 4.2 避免沉积物生成的实验研究
• 4.3 沉积物的成因分析
• 4.4 实验验证
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢