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等离子体抛光技术的现状
来源:中唯精工 | 发布日期: 2022-04-24

真空等离子体抛光技术是最早将等离子体技术应用到表面抛光的加工方法,它使用CF4、SF6等气体,在真空和高频电场下产生等离子体,等离子体中的活性粒子与被加工工件表面分子或原子发生化学反应,生成挥发性的气体,从而去除表面材料,达到抛光效果。由于该方法加工效率低,加工的方向性和选择性差,研究人员又提出了一种源自于刻蚀技术的低压低温等离子体辅助抛光技术(PACE,Plasma Assisted Chemical Etching),它采用低气压电容耦合放电的方式,等离子体中的活性自由基与被加工材料表面原子反应生成强挥发性物质,同时不会引入新的表面污染,抛光效率相对较高,通过控制气压、功率以及气体流速等因素可以控制材料的去除速度。美国的Perkin-Elmer公司应用该技术可加工出直径为1m、表面粗糙度值Ra<0.5nm的非球面。
随着等离子体技术的发展,常压等离子体抛光技术以其工作条件为常温常压,不需要真空设备,加工成本低,活性粒子种类多,数量大,化学反应速度快等优势,越来越受到人们的关注。常压等离子体抛光技术在美国和日本的发展最为迅速。美国的Lawrence Livermore实验室在2002年开始反应粒子等离子体技术(PART,Reactive Atom Plasma Technology)的研究,并取得了一定的成果,可以达到1μm/h的去除量,但是由于发生放电的石英管容易受到氟化物的腐蚀作用而老化,导致该技术系统的维护性较差[79]。日本大阪大学提出了等离子体化学气相加工方法 (PCVM,Plasma Chemical Vaporization Machining),如图所示。该方法采用旋转电极来产生等离子体,管电极处于分离状态,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。日本名古屋大学对二氧化硅的常压等离子体抛光进行了研究,抛光去除速度可以达到14μm/min,同时具有很好的表面质量。K.Yamamura提出了一种利用氦和水蒸气混合产生的等离子体辅助机械抛光的加工方法,其加工方式与化学机械抛光类似,只是用等离子体化学反应代替了化学机械抛光中的化学腐蚀。采用这种抛光方法可以获得表面粗糙度值Ra=0.1nm的原子级SiC表面[81]。在国内,哈尔滨工业大学最早对常压等离子体抛光技术进行了研究,采用了电容耦合等离子体射流作为加工工具,对单晶硅的抛光取得了一定的成果,并以SF6作为主反应气体,加入少量氧气,实现了对SiO2的抛光。

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无论是前期的真空等离子体抛光技术,还是近期研究较多的PLNP等离子抛光技术,大多都是利用等离子体内部的活性粒子与加工表面的粒子生成挥发性或者易于被机械抛光去除并能获得优质表面的物质以达到抛光的目的,其抛光的实现很大程度上取决于等离子体化学反应物的状态,而其加工的对象绝大多数是半导体材料,主要应用于光学元件、大规模集成电路基板、光盘存储器的加工。由于等离子体中许多粒子都处于激发状态(包括分子、原子、分子碎片、离子、基团、准分子等),这些粒子之间的反应往往非常复杂,并且反应的过程难以控制。受制于等离子体化学基础理论研究进展缓慢,能够应用于等离子体抛光技术的化学反应很少,相应地可以抛光的材料也主要集中在半导体材料,日常生活和工业加工中广泛使用的不锈钢、低碳钢、铝合金、铜合金几乎都不能用前面提到过的等离子体抛光方法进行加工。然而等离子体抛光成本低、无污染、高效率、高质量的优点在很大程度上代表了未来抛光技术的发展方向,找出一种应用范围更广兼具原有等离子体抛光优点的新型抛光技术成为我国抛光技术领域研究的一个重要课题。

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