冷等離子體微細(xì)加工

1、冷等離子體微細(xì)加工現(xiàn)狀及展望曹修全摘要：本文從等離子體本質(zhì)動身，介紹了冷等離子體的定義及分類。重點(diǎn)介紹了冷等離子體 在微細(xì)加工方面的應(yīng)用現(xiàn)狀及將來的進(jìn)展趨勢。冷等離子體主要應(yīng)用于含碳、硅等元素的材 料加工，采用冷等離子體內(nèi)的高化學(xué)活性的粒子，在不給加工件施加切削力的狀況下依靠化 學(xué)反響到達(dá)加工的H的。H前，冷等離子體加工硅材料外表精度已經(jīng)可達(dá)O.lum以上。但 冷等離子體微細(xì)加工仍舊存在一些難點(diǎn)，如冷等離子體源的高可控性、加工精度的進(jìn)一步提 高等。關(guān)鍵詞：冷等離子體、微細(xì)加工、現(xiàn)狀引言隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)展，人們對零部件的外表微細(xì)加工要求越來越高。傳 統(tǒng)加工方法加工微細(xì)外表一般采納車削+磨削的

2、切削加工方式。雖然在諸多科研 工作者的努力下，采納傳統(tǒng)的切削加工方法已經(jīng)能到達(dá)諸多場合對微細(xì)加工的要 求，如余德公平人采用壓電陶瓷改建的快速伺服系統(tǒng)就能在硬脆材料外表加工出 微納米級的曲面。但是，由于傳統(tǒng)切削加工是依靠刀具的切削而去除材料到達(dá)加 工的目的，切削過程中必定會給加工件一個(gè)切削力而導(dǎo)致工件的變形，尤其是在 加工瘦長桿時(shí)。同時(shí)，切削過程中產(chǎn)生的熱也將引起加工件的微小變形。對于微 細(xì)加工而言，任何變形都將導(dǎo)致加工精度的降低，阻礙加工精度的進(jìn)一步提高。 此外，傳統(tǒng)切削加工主要適合于金屬加工件的加工，雖然近年來進(jìn)展了各種非金 屬材料切削加工，但可加工的非金屬種類照舊較少。因此，必需查找一種新

3、的加 工方法來克服傳統(tǒng)切削加工存在的缺乏以更合適的方式完成非金屬外表的微細(xì) 加工。冷等離子體微細(xì)加工應(yīng)運(yùn)而生，它以化學(xué)反響為加工基礎(chǔ)，不給加工件任 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）的微納米級微 細(xì)加工。等離子體是指由局部電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離 子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣 外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。通常依據(jù)其宏觀溫度的凹凸將等離子體分為熱等離子體 和冷等離子體。熱等離子體1主要是指其宏觀溫度可達(dá)幾萬度甚至更高，其重 粒子溫度與電子溫度接近的平衡態(tài)等離子體，如核聚變、電弧等離子體等，常被 應(yīng)用于焊接、切割等熱

4、加工領(lǐng)域2,垃圾燃燒等環(huán)保領(lǐng)域3,納米材料制備4 等諸多領(lǐng)域。而冷等離子體5, 6是指重粒子溫度遠(yuǎn)低于電子溫度而形成的局部 非平衡態(tài)等離子體，其宏觀溫度較低，通常只有室溫到幾百度。由于冷等離子體 中包含多種高化學(xué)活性的基團(tuán)，如0、F、H等基團(tuán)，而其宏觀溫度又較低，因此 而被廣泛的應(yīng)用于零部件外表的微細(xì)加工7-17、紡織品的外表改性18, 19、 污水凈化處理20、廢氣（如汽車尾氣）等的凈化21-23、外表清洗24等諸 多領(lǐng)域。冷等離子體微細(xì)加工就是采用冷等離子體產(chǎn)生的高活性基團(tuán)與加工件產(chǎn) 生化學(xué)反響而到達(dá)去除加工件外表多余材料的目的。本文從傳統(tǒng)切削加工微細(xì)外表可能存在的問題動身說明進(jìn)展冷等離子

5、體微 細(xì)加工的必要性，接著介紹了冷等離子體的定義及其分類并結(jié)合國內(nèi)外局部科研 工作者的科研成果分析了冷等離子體的進(jìn)呈現(xiàn)狀及其加工優(yōu)勢，最終就作者所知 對冷等離子體技術(shù)的進(jìn)展提出了自己的看法。冷等離子體分類冷等離子體5, 6是指在高能量的作用下，工作氣體少量電離，其電離度在 0.00%之間，從而形成的電子溫度遠(yuǎn)大于重粒子溫度的非平衡混合氣體。依 據(jù)其產(chǎn)生方法的不同，可以分成輝光放電冷等離子體、電暈放電冷等離子體、介 質(zhì)阻擋放電冷等離子體、射頻放電冷等離子體等幾種常見形式。輝光放電冷等離子體。其產(chǎn)生原理如圖1所示。是在封閉的容器內(nèi)放置兩個(gè) 電極，采用電子將中性原子和分子激發(fā)，當(dāng)粒子由激發(fā)態(tài)(exc

6、ited state)降回 至基態(tài)(ground stale)時(shí)會以光的形式釋放出能量。電源可以為直流電源也可以 是溝通電源。圖1輝光放電原理圖電暈放電冷等離子體。其產(chǎn)生原理如圖2所示。氣體介質(zhì)在不勻稱電場中的 局部自持放電，是最常見的一種氣體放電形式。在曲率半徑很小的尖端電極四周， 由于局部電場強(qiáng)度超過氣體的電離場強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，因而消失電 暈放電。發(fā)生電暈時(shí)在電極四周可以看到光亮，并伴有喳曖聲。電暈放電可以 是相對穩(wěn)定的放電形式，也可以是不勻稱電場間隙擊穿過程中的早期進(jìn)展階段。圖2電暈放電原理圖介質(zhì)阻擋放電冷等離子體。其產(chǎn)生原理如圖3所示。是有絕緣介質(zhì)插入放電 空間的一種非平衡態(tài)

7、氣體放電又稱介質(zhì)阻擋電暈放電或無聲放電。介質(zhì)阻擋放電 能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內(nèi)工作，通常的工作氣壓為1010。電源頻率 可從50Hz至1MHz。電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式多種多樣。在兩個(gè)放電電極之間布滿某 種工作氣體，并將其中一個(gè)或兩個(gè)電極用絕緣介質(zhì)掩蓋，也可以將介質(zhì)直接懸掛 在放電空間或采納顆粒狀的介質(zhì)填充其中，當(dāng)兩電極間施加足夠高的溝通電壓時(shí), 電極間的氣體會被擊穿而產(chǎn)生放電，即產(chǎn)生了介質(zhì)阻擋放電。圖3介質(zhì)阻擋放電原理圖射頻放電冷等離子體。其產(chǎn)生原理如圖4所示。其采用高頻高壓使電極四周 的空氣電離而產(chǎn)生的低溫等離子體。由于射頻低溫等離子的放電能量高、放電的 范圍大，現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用于材料的外表

8、處理和有毒廢物清除和裂解中。射頻等離 子可以產(chǎn)生線形放電，也可以產(chǎn)生噴射形放電。圖4射頻放電原理圖在微細(xì)加工方面的應(yīng)用冷等離子體微細(xì)加工是指采用等離子體中局部粒子的化學(xué)活性，讓其具有高 化學(xué)活性的基團(tuán)，如0、H、F基團(tuán)等，與待加工外表進(jìn)行化學(xué)反響，從而到達(dá) 去除多余材料的目的。冷等離子體微細(xì)加工典型原理如圖5所示。由圖5可知， 在加工含硅元素的加工件時(shí)，在工作氣體Ar中加入適量的CF4氣體，從而產(chǎn)生 出含有F基團(tuán)的高活性射流，其與硅元素發(fā)生化學(xué)反響，從而蝕除工件外表多余 的材料，到達(dá)加工的目的。通過在工作氣體中加入不同的其它氣體可以加工含有 不同元素的加工件。圖5冷等離子體微細(xì)加工原理圖和其他

9、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展一樣，國外在冷等離子體微細(xì)加工方面相比我們國家 更早，科研成果更為突出。早在 1990 年，美國 Hughs 公司25就采納 PACE (Plasma assisted chemical etching)等離子體幫助拋光技術(shù)，采用具有化學(xué)活性的等離子體與工件外表物質(zhì) 發(fā)生化學(xué)反響，到達(dá)去除材料的目的。采用該技術(shù)對石英玻璃進(jìn)行微細(xì)加工，其 去除速率為100um/min,外表粗糙度也到達(dá)亞納米級，面形誤差為幾十微米。 而1993年，日本Nikon高校26-28的科研工作者就開頭采納等離子體化學(xué)氣相 加工技術(shù)原理，射頻（RF150MHz）激勵(lì)的作用下，在拋光室中產(chǎn)生等離子體。該技 術(shù)對

10、石英玻璃的去除速率為200 Hm/min,外表粗糙度到達(dá)亞納米級，面形誤差 為亞微米級。近年來，以德國T. Arnold等人7-10采用冷等離子體技術(shù)在SiC外表進(jìn)行微 納米加工，并對其機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的討論。他們采用等離子體技術(shù)在SiC外表加 工拋物線鏡面，其外表精度從4.7um下降到了 O.lum,如圖6 （a）所示。同時(shí)， 他們采納屢次使用等離子體技術(shù)加工的方法進(jìn)一步提高了其外表精度，如圖6（b） （c）所示，從（b）提高到了 （c）o而在SiC平面上采納冷等離子體技術(shù)進(jìn)行加 工，使其精度從672nm提高到了 65nm,如圖7所示。圖6冷等離子體微細(xì)加工SiC上加工拋物線鏡面：（a）加工拋

11、物線鏡面，（b） 一次加工 的鏡面微觀外表精度，（c）屢次加工后的鏡面微觀外表精度。圖7冷等離子體微細(xì)加工SiC平面：（a）未加工前的平面外表精度，（b）經(jīng)三次冷等離 子體加工后的外表精度。而在我們國家，冷等離子體微細(xì)加工技術(shù)起步較晚，與國外先進(jìn)技術(shù)相比還 存在較大的差距。但在我們國家科研工作者的不懈努力下，也已經(jīng)取得了肯定的 成果。西安工業(yè)高校王穎男等人12對光學(xué)元件的冷等離子體微細(xì)加工工藝進(jìn)行 了討論，并查找到了最合適的加工工藝參數(shù)。哈爾濱工業(yè)高校張巨帆等人14,15 也討論了冷等離子體技術(shù)在超光滑硅外表加工中的應(yīng)用。大連理工高校劉艷紅等 人11卜也對冷等離子體技術(shù)在電路板刻蝕方面的微細(xì)加

12、工進(jìn)行了討論?？傊?，隨 著社會進(jìn)展的需要，我們國家已經(jīng)有越來越多的科研工作者投身到了冷等離子體 微細(xì)加工領(lǐng)域。在大家的共同努力下，我們國家冷等離子體加工技術(shù)必將取得長 足的進(jìn)展進(jìn)步。冷等離子體微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)展展望雖然在國內(nèi)人科研工作者的共同努力下，冷等離子體微細(xì)加工技術(shù)己經(jīng)取得 了可喜的成就，并被廣泛的應(yīng)用于光學(xué)元件的加工、電路板刻蝕等方面，但仍舊 存在一些需要進(jìn)一步進(jìn)展的地方。.冷等離子體源的研制。由于產(chǎn)生冷等離子體的方法較多，但每種方法都有 肯定的局限性，需要查找一種新的方法集合各種方法的優(yōu)勢，彌補(bǔ)其缺乏，從而 研制出一種其射流可控性好、穩(wěn)定性好、直徑大小可調(diào)至微米級的冷等離子體源。.加工

13、材料的多樣性。當(dāng)前冷等離子體微細(xì)加工主要集中于含C、Si等元素 的工件，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步探究其他種類材料的加工，從而擴(kuò)寬其應(yīng)用。.加工精度的進(jìn)一步提高。由于當(dāng)前冷等離子體源的射流直徑的限制，無法 加工出更高精度的微外表，因此需要查找新的加工工藝等以進(jìn)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王建偉，楊建，李榮先，采納熱等離子體系統(tǒng)處理醫(yī)療垃圾.王建偉，鍋爐技術(shù)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)張鳳濤，唐淑娟，韓連順，陸海明，低溫等離子體技術(shù)及其處理裝置，化

15、纖與紡織技術(shù) (2005) 17-20.|6|江南，曹那么賢，大氣壓冷等離子體射流討論進(jìn)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劉艷紅，等離子體技術(shù)在微細(xì)加工中的應(yīng)用，半導(dǎo)體雜志23(1998)40-44.12王穎男，杭凌俠

18、，胡敏達(dá)，等離子體加工光學(xué)元件工藝討論，外表技術(shù)37 (2022)51-53.13|李娜，王波，金會良，袁野，楊允利，微結(jié)構(gòu)光學(xué)零件的大氣等離子體數(shù)控加工，光學(xué)精密 工程 21 (2022)934-940.H4J張巨帆，王波，董申，大氣等離子體拋光技術(shù)在超光滑硅外表加工中的應(yīng)用，光學(xué)精密工程 15 (2007) 1749-1755.15張巨帆,王波，董申，用于超光滑外表加工的常壓低溫等離子體拋光系統(tǒng)設(shè)計(jì)，納米技術(shù)與 精密工程 6 (2022) 222-226.16要彥清，李金洋，吳建杰，陳方，祁志美，銀酸鋰干法刻蝕的討論進(jìn)展，微納電子技術(shù)49 (2022) 197-207.17李效白，等離子體

19、微細(xì)加工技術(shù)的新進(jìn)展，真空科學(xué)與技術(shù)20(2000)179-186.18|尤慶亮，甘立新，孟月東，汪建華，低溫等離子體對聚合物外表改性的討論，化學(xué)新型材料 33 (2004) 10-17.19池海濤，李雄偉，陳英，低溫等離子體技術(shù)在羊毛染整加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀，毛紡科技(2007) 60-63.20張穎，靳少培，姬亞芹，王秀艷，污水除臭技術(shù)的應(yīng)用及討論現(xiàn)狀，環(huán)境污染與防治35 (2022)81-85.21黃后學(xué)，周波，李蕊，曹斌宏，王寧，機(jī)動車尾氣等離子體凈化技術(shù)的現(xiàn)狀與進(jìn)展，汽車節(jié) 能(2022).22竹濤，萬艷東，方巖，徐東耀，舒新前，低溫等離子體自光催化技術(shù)降解燃油尾氣中的苯系 物，石油學(xué)報(bào)(2022) 922-927.23王玲玲，張建平，低溫等離子體在廢氣處理中的應(yīng)用，技術(shù)與工程應(yīng)用1(2022)35-37.24王守國，常壓射頻冷等離子體清洗技術(shù)介紹，清洗世界20 (2004) 32-34.25| B. D, G. G, S, J, Rapid, non-contact o