冷等离子体微细加工

1、冷等离子体微细加工现状及展望曹修全摘要：本文从等离子体本质动身，介绍了冷等离子体的定义及分类。重点介绍了冷等离子体 在微细加工方面的应用现状及将来的进展趋势。冷等离子体主要应用于含碳、硅等元素的材 料加工，采用冷等离子体内的高化学活性的粒子，在不给加工件施加切削力的状况下依靠化 学反响到达加工的H的。H前，冷等离子体加工硅材料外表精度已经可达O.lum以上。但 冷等离子体微细加工仍旧存在一些难点，如冷等离子体源的高可控性、加工精度的进一步提 高等。关键词：冷等离子体、微细加工、现状引言随着科学技术的不断进展，人们对零部件的外表微细加工要求越来越高。传 统加工方法加工微细外表一般采纳车削+磨削的

2、切削加工方式。虽然在诸多科研 工作者的努力下，采纳传统的切削加工方法已经能到达诸多场合对微细加工的要 求，如余德公平人采用压电陶瓷改建的快速伺服系统就能在硬脆材料外表加工出 微纳米级的曲面。但是，由于传统切削加工是依靠刀具的切削而去除材料到达加 工的目的，切削过程中必定会给加工件一个切削力而导致工件的变形，尤其是在 加工瘦长杆时。同时，切削过程中产生的热也将引起加工件的微小变形。对于微 细加工而言，任何变形都将导致加工精度的降低，阻碍加工精度的进一步提高。 此外，传统切削加工主要适合于金属加工件的加工，虽然近年来进展了各种非金 属材料切削加工，但可加工的非金属种类照旧较少。因此，必需查找一种新

3、的加 工方法来克服传统切削加工存在的缺乏以更合适的方式完成非金属外表的微细 加工。冷等离子体微细加工应运而生，它以化学反响为加工基础，不给加工件任 何力的作用而快速完成加工件（尤其是含硅、碳等元素的加工件）的微纳米级微 细加工。等离子体是指由局部电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离 子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气 外，物质存在的第四态。通常依据其宏观温度的凹凸将等离子体分为热等离子体 和冷等离子体。热等离子体1主要是指其宏观温度可达几万度甚至更高，其重 粒子温度与电子温度接近的平衡态等离子体，如核聚变、电弧等离子体等，常被 应用于焊接、切割等热

4、加工领域2,垃圾燃烧等环保领域3,纳米材料制备4 等诸多领域。而冷等离子体5, 6是指重粒子温度远低于电子温度而形成的局部 非平衡态等离子体，其宏观温度较低，通常只有室温到几百度。由于冷等离子体 中包含多种高化学活性的基团，如0、F、H等基团，而其宏观温度又较低，因此 而被广泛的应用于零部件外表的微细加工7-17、纺织品的外表改性18, 19、 污水净化处理20、废气（如汽车尾气）等的净化21-23、外表清洗24等诸 多领域。冷等离子体微细加工就是采用冷等离子体产生的高活性基团与加工件产 生化学反响而到达去除加工件外表多余材料的目的。本文从传统切削加工微细外表可能存在的问题动身说明进展冷等离子

5、体微 细加工的必要性，接着介绍了冷等离子体的定义及其分类并结合国内外局部科研 工作者的科研成果分析了冷等离子体的进呈现状及其加工优势，最终就作者所知 对冷等离子体技术的进展提出了自己的看法。冷等离子体分类冷等离子体5, 6是指在高能量的作用下，工作气体少量电离，其电离度在 0.00%之间，从而形成的电子温度远大于重粒子温度的非平衡混合气体。依 据其产生方法的不同，可以分成辉光放电冷等离子体、电晕放电冷等离子体、介 质阻挡放电冷等离子体、射频放电冷等离子体等几种常见形式。辉光放电冷等离子体。其产生原理如图1所示。是在封闭的容器内放置两个 电极，采用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态(exc

6、ited state)降回 至基态(ground stale)时会以光的形式释放出能量。电源可以为直流电源也可以 是沟通电源。图1辉光放电原理图电晕放电冷等离子体。其产生原理如图2所示。气体介质在不匀称电场中的 局部自持放电，是最常见的一种气体放电形式。在曲率半径很小的尖端电极四周， 由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而消失电 晕放电。发生电晕时在电极四周可以看到光亮，并伴有喳暧声。电晕放电可以 是相对稳定的放电形式，也可以是不匀称电场间隙击穿过程中的早期进展阶段。图2电晕放电原理图介质阻挡放电冷等离子体。其产生原理如图3所示。是有绝缘介质插入放电 空间的一种非平衡态

7、气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电 能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的工作气压为1010。电源频率 可从50Hz至1MHz。电极结构的设计形式多种多样。在两个放电电极之间布满某 种工作气体，并将其中一个或两个电极用绝缘介质掩盖，也可以将介质直接悬挂 在放电空间或采纳颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的沟通电压时, 电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。图3介质阻挡放电原理图射频放电冷等离子体。其产生原理如图4所示。其采用高频高压使电极四周 的空气电离而产生的低温等离子体。由于射频低温等离子的放电能量高、放电的 范围大，现在已经被应用于材料的外表

8、处理和有毒废物清除和裂解中。射频等离 子可以产生线形放电，也可以产生喷射形放电。图4射频放电原理图在微细加工方面的应用冷等离子体微细加工是指采用等离子体中局部粒子的化学活性，让其具有高 化学活性的基团，如0、H、F基团等，与待加工外表进行化学反响，从而到达 去除多余材料的目的。冷等离子体微细加工典型原理如图5所示。由图5可知， 在加工含硅元素的加工件时，在工作气体Ar中加入适量的CF4气体，从而产生 出含有F基团的高活性射流，其与硅元素发生化学反响，从而蚀除工件外表多余 的材料，到达加工的目的。通过在工作气体中加入不同的其它气体可以加工含有 不同元素的加工件。图5冷等离子体微细加工原理图和其他

9、科学技术的进展一样，国外在冷等离子体微细加工方面相比我们国家 更早，科研成果更为突出。早在 1990 年，美国 Hughs 公司25就采纳 PACE (Plasma assisted chemical etching)等离子体帮助抛光技术，采用具有化学活性的等离子体与工件外表物质 发生化学反响，到达去除材料的目的。采用该技术对石英玻璃进行微细加工，其 去除速率为100um/min,外表粗糙度也到达亚纳米级，面形误差为几十微米。 而1993年，日本Nikon高校26-28的科研工作者就开头采纳等离子体化学气相 加工技术原理，射频（RF150MHz）激励的作用下，在抛光室中产生等离子体。该技 术对

10、石英玻璃的去除速率为200 Hm/min,外表粗糙度到达亚纳米级，面形误差 为亚微米级。近年来，以德国T. Arnold等人7-10采用冷等离子体技术在SiC外表进行微 纳米加工，并对其机理进行了系统的讨论。他们采用等离子体技术在SiC外表加 工抛物线镜面，其外表精度从4.7um下降到了 O.lum,如图6 （a）所示。同时， 他们采纳屡次使用等离子体技术加工的方法进一步提高了其外表精度，如图6（b） （c）所示，从（b）提高到了 （c）o而在SiC平面上采纳冷等离子体技术进行加 工，使其精度从672nm提高到了 65nm,如图7所示。图6冷等离子体微细加工SiC上加工抛物线镜面：（a）加工抛

11、物线镜面，（b） 一次加工 的镜面微观外表精度，（c）屡次加工后的镜面微观外表精度。图7冷等离子体微细加工SiC平面：（a）未加工前的平面外表精度，（b）经三次冷等离 子体加工后的外表精度。而在我们国家，冷等离子体微细加工技术起步较晚，与国外先进技术相比还 存在较大的差距。但在我们国家科研工作者的不懈努力下，也已经取得了肯定的 成果。西安工业高校王颖男等人12对光学元件的冷等离子体微细加工工艺进行 了讨论，并查找到了最合适的加工工艺参数。哈尔滨工业高校张巨帆等人14,15 也讨论了冷等离子体技术在超光滑硅外表加工中的应用。大连理工高校刘艳红等 人11卜也对冷等离子体技术在电路板刻蚀方面的微细加

12、工进行了讨论。总之，随 着社会进展的需要，我们国家已经有越来越多的科研工作者投身到了冷等离子体 微细加工领域。在大家的共同努力下，我们国家冷等离子体加工技术必将取得长 足的进展进步。冷等离子体微细加工技术进展展望虽然在国内人科研工作者的共同努力下，冷等离子体微细加工技术己经取得 了可喜的成就，并被广泛的应用于光学元件的加工、电路板刻蚀等方面，但仍旧 存在一些需要进一步进展的地方。.冷等离子体源的研制。由于产生冷等离子体的方法较多，但每种方法都有 肯定的局限性，需要查找一种新的方法集合各种方法的优势，弥补其缺乏，从而 研制出一种其射流可控性好、稳定性好、直径大小可调至微米级的冷等离子体源。.加工

13、材料的多样性。当前冷等离子体微细加工主要集中于含C、Si等元素 的工件，应当进一步探究其他种类材料的加工，从而扩宽其应用。.加工精度的进一步提高。由于当前冷等离子体源的射流直径的限制，无法 加工出更高精度的微外表，因此需要查找新的加工工艺等以进一步提高加工精度。References:HI P. Fauchais, A. Vardelle, Thermal Plasma, leee Transactions On Plasma Science 25 (1997) 1258-1280.2 C. Wu, Welding Thermal Processes and Weld Pool Behavior

14、s, China Machine Press, 2007.3王建伟，杨建，李荣先，采纳热等离子体系统处理医疗垃圾.王建伟，锅炉技术37 (2006) 63-66.H. Lin, S. Liao, S. Hung, The de thermal plasma synthesis of ZnO nanoparticlcs for visible-light photocatalyst. Journal Of Photochemistry And Photobiology A-Chemistry 174 (2005) 82-87.15)张凤涛，唐淑娟，韩连顺，陆海明，低温等离子体技术及其处理装置，化

15、纤与纺织技术 (2005) 17-20.|6|江南，曹那么贤，大气压冷等离子体射流讨论进展,物理40 (2022) 734-741.T. Arnold, G.B. Ohm, R. Fechner, J. Meister, A. Nickel. F. Frost, T.H. Ansel, A. Schindler, Ultra-precision surface finishing by ion beam and plasma jettechniques-status and outlook. Nuclear instruments and methodes in physics researc

16、h 616 (2022) 147-156.T. Arnold, G. Boehm, I. Eichcntopf, M. Janictz, J. Meister, A. Schindler Plasma Jet MachiningA novel technology for precision machining of optical elements. Plasma Technology 22 (2022) 10-16.T. Arnold. G. Bohm, Application of atmospheric plasma jet machining (PJM) for effective

17、surface figuring of SiC, Precision Engineering 36 (2022) 546-553.M. Janictz, T. Arnold, Surface fi guring of glass substrates by local deposition of silicon oxide with atmospheric pressure plasma jet. Surface & Coatings Technology 205 (2022) 351-354.11刘艳红，等离子体技术在微细加工中的应用，半导体杂志23(1998)40-44.12王颖男，杭凌侠

18、，胡敏达，等离子体加工光学元件工艺讨论，外表技术37 (2022)51-53.13|李娜，王波，金会良，袁野，杨允利，微结构光学零件的大气等离子体数控加工，光学精密 工程 21 (2022)934-940.H4J张巨帆，王波，董申，大气等离子体抛光技术在超光滑硅外表加工中的应用，光学精密工程 15 (2007) 1749-1755.15张巨帆,王波，董申，用于超光滑外表加工的常压低温等离子体抛光系统设计，纳米技术与 精密工程 6 (2022) 222-226.16要彦清，李金洋，吴建杰，陈方，祁志美，银酸锂干法刻蚀的讨论进展，微纳电子技术49 (2022) 197-207.17李效白，等离子体

19、微细加工技术的新进展，真空科学与技术20(2000)179-186.18|尤庆亮，甘立新，孟月东，汪建华，低温等离子体对聚合物外表改性的讨论，化学新型材料 33 (2004) 10-17.19池海涛，李雄伟，陈英，低温等离子体技术在羊毛染整加工中的应用现状，毛纺科技(2007) 60-63.20张颖，靳少培，姬亚芹，王秀艳，污水除臭技术的应用及讨论现状，环境污染与防治35 (2022)81-85.21黄后学，周波，李蕊，曹斌宏，王宁，机动车尾气等离子体净化技术的现状与进展，汽车节 能(2022).22竹涛，万艳东，方岩，徐东耀，舒新前，低温等离子体自光催化技术降解燃油尾气中的苯系 物，石油学报(2022) 922-927.23王玲玲，张建平，低温等离子体在废气处理中的应用，技术与工程应用1(2022)35-37.24王守国，常压射频冷等离子体清洗技术介绍，清洗世界20 (2004) 32-34.25| B. D, G. G, S, J, Rapid, non-contact o