(优选)等离子体抛光详解.
等离子体抛光
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❖ 可加工直径为米的非球面,加工后面形精度小 于λ/50，表面粗糙度小于0.2nm。
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三、等离子体辅助抛光设备
抛光过程是一个闭环反馈系统的控制过程。
抛光头位于工件表面上方几mm处垂直于被加工表面， 由一个5轴CNC(CNC即数控机床)来控制，以满足不同 表面需要。
通过控制抛光头的相关参数可使抛光头的去除函数 形状在抛光过程中改变，更加有效提高收敛速度。
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几种材料及其抛光气体和化学反应式
材料
抛光气体
反应方程式
SiO2(石英)
CF4
SiC
NF3
Be
Cl2
SiO2+ CF4→SiF4↑+CO2↑ SiC+ NF3→SiFx↑+CFy↑
Be + Cl2 → BeCl2
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❖ 优点:根据多数工艺实验的结果发现,此方法 原理明了,设备简单
❖ 缺点：加工的方向性与选择性差，加工效率 不高
利用材料去除量控制设备可实时监控表面去除量， 进而实现闭环控制。材料去除量是驻留时间的函数， 控制精度可达1％。
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❖ 由四部分组成：等离子体发生系统、多轴联 动工作台及其运动控制系统、反应气体供给 系统、尾气排放及无害化处理系统。
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❖ 反应气体供给装置：负责为等离子体发生装 置提供适当配方的反应气体。因此, 应能够精 确地调整各种气体的比例, 并能够保证反应气 体流速的高稳定性。这是生成稳定的等离子 体放电的重要前提。
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3.低温等离子辅助抛光技术
（PACE，Plasma Assisted Chemical Etaching ）， 主要的刻蚀原理为等离子体中的活性自由基与被加工 件表面原子间发生化学反应,产生挥发性强的物质,不 引入新的表面污染,实现以化学作用为主的材料去除。 此方法抛光效率高,加工后无亚表层损伤,可加工球面 与非球面。因为此方法使用射频放电激发等离子体, 离子在电场中的加速时间变短,使等离子体中的离子 能量比较低,离子轰击物理效应带来的被加工表面晶 格结构破坏微弱,能够获得良好的抛光效果。
等离子体表面技术及应用
等离子表面技术原理
2） 引入官能基团:高分子材料用N2、NH3、O2、SO2等气体的等离子体处理, 可以改变表 面的化学组成,引入相应新的官能基团: -NH2、-OH、-COOH、-SO3H 等.这些官能团可使 聚乙烯,聚丙烯,聚苯乙烯，聚四氟乙烯等这些完全惰性的基材变成官能团材料,可以提高表面 极性,浸润性,可粘结性，反应性,极大地提高了其使用价值。与氧等离子体相反,而经含氟气体 的低温等离子体处理, 可在基材表面引入氟原子, 使基材具有憎水性。
等离子表面技术原理
4） 等离子体的接枝: 就是通过等离子体前处理使高分子材料表面生成活性自由基,由此引发乙烯基单体在材料表面 上聚合。等离子体还可以引发一些不规则的表面(如瓶子的内壁) 进行接枝反应。选择适当的 接枝单体,控制恰当的接枝反应条件可改变材料的亲水或拒水性、粘附性、防腐、耐磨、导电 性及渗透选择性及生物相容性等。因此等离子体接枝是极富创造性和应用前景的。
等离子表面技术的应用
血液过滤器的内壁和滤芯都需要等离子体的抗血凝处理,以提高其过滤能力和使 用寿命.
等离子表面技术的应用
医学免疫测试用的测试板和测试管经等离子体的官能团化以后,实现了抗体在上面的共价 结合, 克服了以前只靠物理吸附,产品不稳定,变异系数大,成本高的缺点.
等离子表面技术的应用
生物传感器的电极 碳膜经过等离子体 活化,提高了酶和 抗体固定的稳定性 ,可以实现电极重 复使用.
等离子表面技术的应用
• 生物医用材料 • 是指用于医疗的能植入生物体或能与生物组织相结合的材料。 因此作为生物医用材料,除了
要具有一定的功能特性和力学性能外,还必须满足生物相容性的基本要求。包括血液相容性和 组织相容性两部分。前者表示材料与血液之间相互适应的程度,而后者反映材料与除了血液以 外的其他组织之间相互适应的能力。
等离子抛光技术原理
等离子抛光技术原理
等离子抛光技术是在普通光学玻璃表面通过等离子体放电，对玻璃表面进行抛光处理，以提高其表面平整度的一种新技术。
该技术是在普通光学玻璃表面均匀施加高电压，利用高速电子和离子在电场中的加速与偏转作用，对玻璃表面进行均匀抛光。
与传统的磨光方法相比，等离子体抛光方法具有如下的优点：
1.可以在普通光学玻璃表面加工出各种复杂形状和高精度的抛光图案。
2.等离子体抛光可以根据需要选择不同的功率和气体种类。
3.由于等离子体抛光是在玻璃表面施加高电压，所以不会损坏玻璃，也不会对被加工表面造成污染。
4.可加工的材料范围广泛。
5.由于等离子体抛光可以使玻璃表面具有光滑的外观，所以它可以应用于制作各种表面形状和尺寸的光学器件，如透镜、棱镜、棱锥等。
6.等离子体抛光可以降低加工成本，并且提高产品质量。
等离子抛光技术目前主要应用于超硬材料（如金刚石）以及金属材料的加工，在超硬材料加工领域中应用最为广泛。
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等离子体表面处理技术在材料加工中的应用
等离子体表面处理技术在材料加工中的应用随着科技的发展和应用的广泛，等离子体表面处理技术在材料加工中的应用也越来越广泛。
等离子体表面处理技术，简单说来就是将物质置于等离子体中进行表面处理的技术。
等离子体是一种激发态的气体，具有高能量、高速度和高活性，因此可以有效改善材料表面的化学和物理性能。
下面我们将从不同的角度探究等离子体表面处理技术在材料加工中的应用。
一、改善表面性质等离子体表面处理技术可以有效改善材料的表面性质，主要包括表面清洁、脱气和改性。
在加工过程中，表面常常会有许多微观缺陷，这些缺陷会影响材料的物理和化学性质，而等离子体表面处理技术可以有效地去除这些缺陷，使得表面更加光滑。
同时，等离子体还可以使材料表面脱气，减少表面的氧化状态，从而增强材料的耐腐蚀性和导电性。
除此之外，等离子体还可以实现材料表面的改性，如提高表面光泽度、改变表面颜色、使表面硬度增加等。
二、应用于涂层制备在材料加工中，涂层技术是一种常用的表面处理方法。
通过在材料表面形成一层薄膜，可以提高材料的性能，如耐腐蚀性、磨损性等。
等离子体表面处理技术可以用于涂层制备的前处理，可以大大提高涂层的附着力和均匀性。
同时，等离子体表面处理技术还可以用于后处理，如表面抛光、刻蚀等，使得涂层更加牢固和耐用。
三、应用于工业制造等离子体表面处理技术在现代工业制造中也得到了广泛的应用。
例如，在电子行业中，等离子体表面处理技术可以用于显示器制造、电子集成电路制造等。
在航空航天等重要行业，等离子体表面处理技术可以用于加工高温材料，如钨、钼等，以及高强度合金。
此外，在精密机械加工和汽车零部件制造中，等离子体表面处理技术也可以有效提高零件表面的质量和加工精度。
需要注意的是，在等离子体表面处理技术中，需要考虑等离子体的特性和加工参数的设置。
不同等离子体条件和加工参数会对加工结果产生不同的影响，因此需要针对具体的材料和加工要求，选择合适的等离子体条件和加工参数进行加工。
等离子抛光
等离子抛光
等离子抛光是一种新型的表面处理方法，能够将金属表面格外光滑，大大提高
表面硬度并赋予金属表面持久不变的大气耐候性、耐热性和耐化学腐蚀性。
等离子抛光，也称为plasma polishing ，是一种基于等离子体的表面处理技术。
这种技术通过利用专业的抛光粉末、蒸气和高速带电等离子体及其他支持介质刺激表面，从而实现其光滑作用。
等离子抛光的操作方法主要有三种，第一种方法是添加抛光粒子的方法，这种
方法一般使用微米级的金属微粒子作为抛光粉，当金属微粒子被等离子体辐照时，它们会产生一种抛光效果，可以有效的改善表面的粗糙度。
第二种方法是熔融抛光法，这种方法依赖于“熔解-凝固”反应进行抛光，目的是溶解原有长距离结构，
这样可以改善表面光洁度，同时其厚度尺寸可调节均匀性质也能够得到改善。
第三种方式则是一种改进版的抛光法，这种方式在抛光粉末中加入了一定的蒸汽，利用蒸汽室压强化表面抛光，从而获得更好的抛光效果。
等离子抛光用于金属表面处理的时候，对待处理的物体的温度要求稍低于常温，以达到保护金属表面的最佳效果，也就是所谓的“冷抛”抛光。
要获得更佳的抛光效果，应进一步采取相关抛光技术，如增加抛光时间和加速抛光力度等技术参数优化。
总之，等离子抛光是一种新型的表面处理技术，其效果优异，对金属表面的抛
光作用显著，而且使表面的硬度提高，耐候性大大提高，耐热性和耐化学腐蚀性也更强，无论从节省能源和材料成本方面，还是从质量控制以及快速的表面处理方法，等离子抛光都是一种理想的选择。
等离子体表面处理PPT课件
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阴极溅射的主要特点
（1）一个粒子轰击阴极表面可溅射出的原子 数，称为溅射系数。
溅射系数随加速电压的增大而增大，但是当加 速电压过高时，由于轰击的正离子撞入阴极材 料内部的几率增大，一旦撞入内部，能量将平 均散逸给大量的周围原子，不能使个别原子获 得逸出的能量。
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（2）阴极电位降和轰击粒子的质量越大， 阴极溅射越激烈。
当气体和阴极的种类一定时，阴极位降 将随电流密度增加而增加，溅射量近似 地与电流密度平方成正比，与气压和极 间距离的乘积成反比。
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（3）在其它条件一定时，气压越小溅射 越严重，当气压大时，由于溅出的粒子 易与周围高密度的气体碰撞而返回表面， 因而溅出量减少。
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离子轰击渗镀的基 本方法如图所示。
以工件为阴极， 容器壁为阳极，调 节渗剂送气和抽气 速率，使维持 133～1333Pa的压 力，极间施以300V 以上的直流电压， 使产生辉光放电。
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用离子轰击进行渗镀，有以下优点：
（1）由于离子对表面的轰击可使表面高 度活化，加之离子和随离子一起冲击表 面的活性原子都易被表面吸收，因而渗 镀速度特快。
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②运动中的电子与气体碰撞几率与气体 的密度或压力成正比。
设 为电子连续两次碰撞的平均距离， 称平均自由程，显然碰撞几率与 成反 比。而平均自由程又与气压成反比，即；
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③电子在低压气体电场E中的动能 ， 可以下式表示：
可见，在场强E一定的情况下，电子的动能与气压 成反比。这就是说，如果气压P太小， 电子在单位 距离内与气体碰撞的几率太小，或者说电子所获得
等离子体抛光
等离子体抛光特点
PACE抛光在真空室内进行。
该方法只有表面的化学反应，工件不受机械压 力，没有相应的机械变形和损伤，无亚表面破 坏，无污染，工件边缘无畸变。 材料的去除率控制精度高，可获得精确面形。 去除率高，可为0～10μm/min。
二、发展历程
1.传统的等离子体抛光
传统的真空等离子体表面加工技术通常使用六 氟化硫、四氟化碳等具有腐蚀作用的气体,利用高频 电场激发产生等离子体,等离子体中的活性自由基能 够与被加工材料表面原子产生化学反应,生成强挥发 性气体,在此过程中产生抛光效果。
由四部分组成：等离子体发生系统、多轴联 动工作台及其运动控制系统、反应气体供给 系统、尾气排放及无害化处理系统。
反应气体供给装置：负责为等离子体发生装 置提供适当配方的反应气体。因此, 应能够精 确地调整各种气体的比例, 并能够保证反应气 体流速的高稳定性。这是生成稳定的等离子 体来自电的重要前提。谢谢大家！
几种材料及其抛光气体和化学反应式
材料 SiO2(石英) SiC Be 抛光气体 CF4 NF3 Cl2 反应方程式 SiO2+ CF4→SiF4↑+CO2↑ SiC+ NF3→SiFx↑+CFy↑ Be + Cl2 → BeCl2
优点:根据多数工艺实验的结果发现,此方法 原理明了,设备简单 缺点：加工的方向性与选择性差，加工效率 不高
4.大规模集成电路基板
在以磁记录头、大规模集成电路基片等器件 为主的电子工业领域,不但要求表面光滑,而且要求 具有完整的晶格排布并且没有加工损伤层。为了制 备具有亚微米级线宽与间隔的大规模集成电路,需要 表面应力小、无亚表层损伤的超光滑基板。另外,晶 体和陶瓷振荡器的加工中也需要超光滑表面。
离子束和等离子体加工
离子束和等离子体加工的原理和特点及这两种加工技术在高精度表面抛光中应用。
1.离子束加工的基本原理所谓离子束抛光, 就是把惰性气体氩、氮等放在真空瓶中, 用高频电磁振荡或放电等方法对阴极电流加热, 使之电离成为正离子, 再用5千至10万伏高电压对这些正离子加速, 使它们具有一定的能量。
利用电子透镜聚焦，将它们聚焦成一细束,形成高能量密度离子流，在计算机的控制下轰击放在真空室经过精磨的工件表面, 从其表面把工件物质一个原子一个原子地溅射掉。
用这种方法对工件表面进行深度从100 埃到10微米左右的精密加工。
2.等离子体加工的基本原理等离子体加工又称为等离子弧加工，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气体去除材料的。
等离子体又被成为物质的第四种状态。
等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，理解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体的正负离子数目和正负电荷仍相等，因此称为等离子体，具有极高的能量密度。
3. 离子束加工主要的特点（1）属于原子级逐层去除加工，加工精度高（2）加工生产污染小（3）加工应力、变形小（4）加工范围广（利用机械碰撞能量加工）（5）易实现自动化（6）设备复杂、价格贵4. 等离子体加工主要的特点由于等离子体电弧对材料直接加热，因而比用等离子体射流对材料的加热效果好得多。
因此，等离子体射流主要用于各种材料的喷镀及热处理等方面；等离子体电弧则用于金属材料的加工、切割以及焊接等。
等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。
适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度，以及喷射距离，可以利用一个电极加工不同厚度和多种材料。
5.离子束抛光的典型应用离子束抛光是 1965 年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。
目前，美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备，并应用于生产。
此外，日本、英国、法国等国也已开发和研究了这一新技术。
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❖ 可加工直径为米的非球面,加工后面形精度小 于λ/50，表面粗糙度小于0.2nm。
三、等离子体辅助抛光设备
抛光过程是一个闭环反馈系统的控制过程。 抛光头位于工件表面上方几mm处垂直于被加工表面，
由一个5轴CNC(CNC即数控机床)来控制，以满足不同 表面需要。 通过控制抛光头的相关参数可使抛光头的去除函数 形状在抛光过程中改变，更加有效提高收敛速度。 利用材料去除量控制设备可实时监控表面去除量， 进而实现闭环控制。材料去除量是驻留时间的函数， 控制精度可达1％。
3.低温等离子辅助抛光技术
（PACE，Plasma Assisted Chemical Etaching ）， 主要的刻蚀原理为等离子体中的活性自由基与被加工 件表面原子间发生化学反应,产生挥发性强的物质,不 引入新的表面污染,实现以化学作用为主的材料去除。 此方法抛光效率高,加工后无亚表层损伤,可加工球面 与非球面。因为此方法使用射频放电激发等离子体, 离子在电场中的加速时间变短,使等离子体中的离子 能量比较低,离子轰击物理效应带来的被加工表面晶 格结构破坏微弱,能够获得良好的抛光
抛光气体
反应方程式
SiO2(石英)
CF4
SiC
NF3
Be
Cl2
SiO2+ CF4→SiF4↑+CO2↑ SiC+ NF3→SiFx↑+CFy↑
Be + Cl2 → BeCl2
❖ 优点:根据多数工艺实验的结果发现,此方法 原理明了,设备简单
❖ 缺点：加工的方向性与选择性差，加工效率 不高
等离子体抛光
一、概念知识
等离子体抛光是一种利用化学反应来去除表面材料而实 现超光滑抛光的方法。该方法始于二十世纪九十年代，现在 水平已达面形精度λ/50，表面粗糙度优于0.5nm。加工范围 广，适用于各种尺寸和面形，是一种很有前途的超精加工方 法。
❖ 等离子体： 英文名plasma,是由部分电子被 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。
4.大规模集成电路基板
在以磁记录头、大规模集成电路基片等器件 为主的电子工业领域,不但要求表面光滑,而且要求 具有完整的晶格排布并且没有加工损伤层。为了制 备具有亚微米级线宽与间隔的大规模集成电路,需要 表面应力小、无亚表层损伤的超光滑基板。另外,晶 体和陶瓷振荡器的加工中也需要超光滑表面。
六、知识串联
四、应用领域
1.空间光学元件
空间光学元件,如天文卫星、光望远镜以及激光陀 螺等,要求元件分辨率高、尺寸大、精度高、表面粗 糙度小。由于这些光学系统的大部分光学元件的工 作波段是超短波,波长为纳米级,比可见光波长小个 数量级,要求光学元件为超光滑表面。
2.高功率激光器
在高功率激光器中,为了减小散射损失,提高元件 的抗激光损伤闭值,防止在光学元件加工过程中产生 的破坏层、麻点、划痕及抛光粉、磨具的污染等影 响光学系统,要求激光器中的谐振腔反射镜面非常光 滑且面形良好。
3.紫外、X射线光学系统
由光学元件表面粗糙度带来的光散射损失与波 长的四次方成反比,因此,在紫外、射线波段等范围 要求光学元件的表面粗糙度尽可能低。对于白光或 波长为632.8nm的激光而一言,表面均方根粗糙度为 1—2nm已经算光滑表面了,但是对于波长为80nm的X 射线而一言表面均方根粗糙度则偏高。在制造软X射 线多层膜反射镜时,反射镜基底表面粗糙度决定了反 射镜的反射率,所需光学基板的粗糙度要在0.1nm以 下。
等离子体抛光特点
PACE抛光在真空室内进行。 该方法只有表面的化学反应，工件不受机械压
力，没有相应的机械变形和损伤，无亚表面破 坏，无污染，工件边缘无畸变。 材料的去除率控制精度高，可获得精确面形。 去除率高，可为0～10μm/min。
二、发展历程
❖ 1.传统的等离子体抛光
传统的真空等离子体表面加工技术通常使用六 氟化硫、四氟化碳等具有腐蚀作用的气体,利用高频 电场激发产生等离子体,等离子体中的活性自由基能 够与被加工材料表面原子产生化学反应,生成强挥发 性气体,在此过程中产生抛光效果。
2.反应离子刻蚀技术
（RIE，Reactive Ion Etching）成为等离子体抛光 技术的研究重点,此方法的抛光原理是利用高频电场 激发等离子体,产生气体辉光放电,利用等离子体中 离子轰击的物理效应与活性自由基的化学反应效应 共同去除被加工件的表面材料。
❖ 优点：刻蚀速率高,方向性与选择性好。 ❖ 缺点：由于加工过程中有离子轰击的物理 效应,很容易破坏被加工件表面的晶格结构, 使表面粗糙度增加。
❖ 由四部分组成：等离子体发生系统、多轴联 动工作台及其运动控制系统、反应气体供给 系统、尾气排放及无害化处理系统。
❖ 反应气体供给装置：负责为等离子体发生装 置提供适当配方的反应气体。因此, 应能够精 确地调整各种气体的比例, 并能够保证反应气 体流速的高稳定性。这是生成稳定的等离子 体放电的重要前提。