一種SiC光學材料加工設備的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種SiC光學材料加工設備，包括電感耦合等離子體發生裝置、工作氣體供給源（8）和反應氣體供給源（9），所述反應氣體供給源（9）中裝有能通過電感耦合等離子體發生裝置激發后與SiC發生化學反應的反應氣體，所述電感耦合等離子體發生裝置包括等離子體炬管（34）和套設于等離子體炬管（34）外的感應線圈（35），所述工作氣體供給源（8）和反應氣體供給源（9）與等離子體炬管（34）相連，所述感應線圈（35）的一端與射頻電源（4）相連，所述感應線圈（35）的另一端通過可調電阻器R1接地。本發明具有結構簡單、成本低廉，加工過程無亞表面損傷、無殘余應力層產生，加工效率高等優點。
【專利說明】—種SiC光學材料加工設備
【技術領域】
[0001]本發明主要涉及光學材料加工設備領域，特指ー種SiC光學材料加工設備。
【背景技術】
[0002]隨著空間天文光學、衛星遙感技術和大型地基光學系統的迅猛發展，光學系統的工作波段、成像分辨率、熱穩定性以及系統重量等指標的要求越來越嚴格，因此，光學系統正沿著反射式、大口徑、輕量化趨勢發展。在光學系統設計中，選擇合適的反射鏡材料對滿足上述指標具有重要意義。由于空間光學系統存在制造難度大、發射和運行成本高以及エ作環境特殊等制約因素，空間用反射鏡材料的選擇必須考慮以下幾個方面:(1)各向同性，尺寸穩定。(2)可拋光性。良好的可拋光性是反射鏡材料的基本要求，良好的可拋光性是決定反射鏡性能的重要指標。(3)可進行高反射率鍍膜。(4)抗輻射，保證在空間輻射條件下反射鏡的面形保持不變。由于在空間工作環境下，鏡體在受到宇宙高能射線的輻射后，形狀和物理性質方面必須保持穩定，優先選擇輻射穩定性較好的材料。(5)比剛度大，熱變形系數小。比剛度大，則可減小鏡體以及框架的質量，增加輕量化率，提高面形精度的穩定性；熱變形系數小，則可降低熱控系統的要求。綜上所述，SiC光學材料是制作空間反射鏡以及大型地基反射鏡的最佳材料。
[0003]由于SiC光學材料的硬度高，因此，其加工效率低，往往低于玻璃的十分之一。另夕卜，大多數SiC光學材料存在著多種組分，使其難以實現亞納米級超光滑表面加工。
[0004]目前，SiC光學材料的加工方法主要包括傳統研拋方法、磨削方法和計算機控制確定性拋光方法。
[0005]傳統研拋方法適用于SiC光學材料的小件和單件加工，結合手工修拋還可以解決部分非球面的加工問題，但其加工效率較低，精度收斂較慢，產品質量與加工周期不易保證。
[0006]磨削方法具有較高的材料去除率，但是在磨削過程中會產生亞表面損傷，同時，在エ件表面形成殘余應カ層。
[0007]計算機控制確定性拋光方法是加工獲得較高面型精度的關鍵技術，可以用于加工SiC光學材料的方法主要有雙轉子小工具拋光方法、離子束修形方法和磁流變拋光方法，但是，上述方法加工效率較低。

【發明內容】

[0008]本發明要解決的技術問題在于:針對現有技術存在的不足，提供ー種結構簡單、成本低廉，加工過程無亞表面損傷、無殘余應カ層產生，加工效率高的SiC光學材料的加工設備。
[0009]為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
[0010]ー種SiC光學材料加工設備，包括電感耦合等離子體發生裝置、工作氣體供給源和反應氣體供給源，所述反應氣體供給源中裝有能通過電感耦合等離子體發生裝置激發后與SiC發生化學反應的反應氣體，所述電感耦合等離子體發生裝置包括等離子體炬管和套設于等離子體炬管外的感應線圈，所述工作氣體供給源和反應氣體供給源與等離子體炬管相連，所述感應線圈的一端與射頻電源相連，所述感應線圈的另一端通過可調電阻器R1接地。
[0011]作為本發明的進ー步改進:
[0012]所述感應線圈與等離子體炬管外壁之間設有屏蔽金屬板，所述屏蔽金屬板通過可調電容C3接地。
[0013]所述感應線圈的一端通過阻抗匹配器與射頻電源相連。
[0014]所述反應氣體供給源和工作氣體供給源與等離子體炬管的連接線路上設有質量流量控制器。
[0015]所述等離子體炬管安裝于一具有至少三軸聯動功能的數控運動平臺上。
[0016]所述數控運動平臺位于一封閉加工室中，所述封閉加工室連接一尾氣處理裝置。
[0017]所述工作氣體供給源與等離子體炬管的連接線路上設有點火裝置。
[0018]所述感應線圈連接一水冷機。
[0019]所述工作氣體供給源與等離子體炬管的中管和外管相連，所述反應氣體供給源與等離子體炬管的內管相連；或者，所述工作氣體供給源與等離子體炬管的外管相連，所述反應氣體供給源與等離子體炬管的中管相連。
[0020]所述反應氣體供給源為SF6氣瓶或NF3氣瓶或CF4氣瓶。
[0021]與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0022]1、本發明的SiC光學材料加工設備，結構簡單、成本低廉，采用等離子體加工技木，并基于化學反應實現SiC光學材料去除，エ件表面無亞表面損傷，無殘余應カ層產生；
[0023]2、本發明的SiC光學材料加工設備，其電感耦合等離子體發生裝置采用光譜儀設備中常用的等離子體炬管，可產生穩定的等離子體，而且技術成熟、成本低廉；
[0024]3、本發明的SiC光學材料加工設備，感應線圈通過可調電阻器接地，可調節感應線圈接地端的電壓，通過適當調高接地端的電壓，就可提高感應線圈在工作中的電勢，從而提高等離子體的電勢，通過高電勢等離子體撞擊SiC光學材料，可輕松破壞SiC光學材料中的S1-c鍵，而且高電勢等離子體的撞擊作用，使得SiC光學材料的加工過程成為物理與化學相結合的反應過程，加工速率大大提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發明的結構示意圖。
[0026]圖2為圖1的局部結構示意圖。
[0027]圖3為本發明中等離子體炬管產生等離子體焰炬時的結構示意圖。
[0028]圖4為本發明中電感耦合等離子體發生裝置工作時的等效電路圖。
[0029]圖5為本發明中基于CC0S成型原理實現SiC光學材料加工流程圖。
[0030]圖例說明:1、加工室；2、數控運動平臺；4、射頻電源；5、阻抗匹配器；6、點火裝置；
7、水冷機；8、工作氣體供給源；9、反應氣體供給源；10、質量流量控制器；11、尾氣處理裝置；31、Z軸轉接板；32、安裝座；33、炬管安裝套；34、等離子體炬管；35、感應線圈；36、屏蔽金屬板；37、等離子體焰炬?！揪唧w實施方式】
[0031]以下結合附圖和具體實施例對本發明作進ー步詳細說明。
[0032]如圖1所示，本發明的SiC光學材料加工設備，包括電感耦合等離子體發生裝置、工作氣體供給源8和反應氣體供給源9，反應氣體供給源9中裝有能通過電感耦合等離子體發生裝置激發后與SiC發生化學反應的反應氣體，如SF6或NF3或CF4。電感耦合等離子體發生裝置包括等離子體炬管34和套設于等離子體炬管34外的感應線圈35，等離子體炬管34用來產生等離子體焰炬37 (參見圖3)，等離子體炬管34采用Fassel炬管，其廣泛應用于ICP-0ES光譜儀設備中，成本低，技術成熟，可以用來產生穩定的等離子體，并激發反應氣體。其中，工作氣體供給源8與等離子體炬管34的中管和外管相連，反應氣體供給源9與等離子體炬管34的內管相連。當然，在其他實施例中，也可使工作氣體供給源8與等離子體炬管34的外管相連，反應氣體供給源9與等離子體炬管34的中管相連。感應線圈35的一端與射頻電源4相連，感應線圈35的另一端通過可調電阻器R1接地(參見圖4)。由于SiC材料中極強的S1-C鍵很難被破壞，因此將感應線圈35通過可調電阻器R1接地，可調電阻器R1可調節感應線圈35接地端的電壓，通過適當調高接地端的電壓，就可提高感應線圈35在工作中的電勢，從而提高等離子體的電勢。通過高電勢等離子體撞擊SiC光學材料，就可輕松破壞SiC光學 材料中的S1-C鍵，而且高電勢等離子體的撞擊作用，使得SiC光學材料的加工過程成為物理與化學相結合的反應過程，加工速率大大提高。
[0033]本實施例以工作氣體為Ar，反應氣體為SF6為例，SF6氣體在等離子體發生裝置中被激發，產生激發態的氏F*原子與SiC光學材料表面接觸，并與SiC中的Si相發生如下化學反應:
[0034]Si+4F* — SiF4 ?
[0035]反應所產生的物質SiF4為氣體,將與SiC光學材料表面脫離進入大氣中，從而實現材料的去除。本發明依靠化學反應實現材料去除，因此，材料去除過程中無亞表面損傷，無殘余應カ層產生。
[0036]另外，為增加SiC光學材料的去除速率，可設置02氣體供給源，用于在工作時通入少量02氣體，其所發生化學反應為:
[0037]SiC+4F*+02 — SiF4 丨 +C02 ?
[0038]本實施例中，為防止等離子體電勢過高，影響加工過程中等離子體的穩定性，在感應線圈35與等離子體炬管34外壁之間設有屏蔽金屬板36，屏蔽金屬板36通過可調電容C3接地(參見圖4)，以減少加工過程中等離子體焰炬37接觸具有半導體性質的SiC光學材料時所發生的二次放電現象，提高加工穩定性?？烧{電容C3用來調節等離子體電勢高低，提聞等尚子體穩定性。
[0039]本實施例中，感應線圈35通過阻抗匹配器5與射頻電源4相連，以實現射頻能量高效率傳輸。
[0040]本實施例中，等離子體焰炬37模型可等效為圖4中所示等效電路中的電感器L2和電阻器R2所組成的模型，感應線圈35可等效為圖4中電感器L1，感應線圈35按照圖4中等效電路圖所示與阻抗匹配器5相連，調節電容器C1和C2進行阻抗匹配，屏蔽金屬板36按照圖4中等效電路圖所示通過可調電容C3接地。[0041]本實施例中，反應氣體供給源9和工作氣體供給源8與等離子體炬管34的連接線路上設有質量流量控制器10，用來對氣體流量進行控制。
[0042]本實施例中，等離子體炬管34安裝于一具有至少三軸聯動功能的數控運動平臺2上，可完成至少XYZ三軸聯動，以實現平面、球面和非球面的SiC光學材料加工；使用數控運動平臺2的エ件裝夾臺實現エ件的安裝，可提高加工精度和加工過程的穩定性；在數控運動平臺2上基于CC0S (計算機控制光學表面成型技術)成型原理實現SiC光學材料加工，可提高加工精度和加工效率。具體地，參見圖2，數控運動平臺2的Z軸轉接板31上連接ー安裝座32，等離子體炬管34通過ー炬管安裝套33安裝于安裝座32上。
[0043]本實施例中，數控運動平臺2位于一封閉加工室1中，封閉加工室1連接一尾氣處理裝置11。封閉加工室1將加工區域與外界隔開，可提高SiC光學材料加工穩定性，并將加エ過程中所產生的廢氣抽取，送入尾氣處理裝置11中進行處理后再排入大氣中，防止污染環境。
[0044]本實施例中，工作氣體供給源8與等離子體炬管34的連接線路上設有點火裝置6，用來對工作氣體進行放電，使其攜帯少量自由電子進入電磁場區域進行加速和碰撞，以產生穩定等離子體。
[0045]本實施例中，感應線圈35連接一水冷機7，可對加工過程中產生的熱量進行冷卻，提高加工穩定性和安全性。
[0046]本發明的具體操作步驟為:
[0047]步驟一:啟動水冷機7;
[0048]步驟ニ:預熱射頻電源4和質量流量控制器10，預熱時間為5分鐘；
[0049]步驟三:打開工作氣體供給源8和反應氣體供給源9，并調節質量流量控制器10，控制氣體Ar和SF6流量，加工前通入氣體約5分鐘；
[0050]步驟四:啟動射頻電源4 ；
[0051]步驟五:啟動點火裝置6，并逐漸調節射頻電源4至功率最大，待等離子體焰炬37形成后逐漸調節射頻電源4功率至加工需要值；
[0052]步驟六:啟動數控運動平臺2，按照圖5所示流程圖中所生成的數控代碼進行加エ。
[0053]以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.ー種SiC光學材料加工設備，其特征在于:包括電感耦合等離子體發生裝置、工作氣體供給源(8 )和反應氣體供給源(9 )，所述反應氣體供給源(9 )中裝有能通過電感耦合等離子體發生裝置激發后與SiC發生化學反應的反應氣體，所述電感耦合等離子體發生裝置包括等離子體炬管(34)和套設于等離子體炬管(34)外的感應線圈(35)，所述工作氣體供給源(8)和反應氣體供給源(9)與等離子體炬管(34)相連，所述感應線圈(35)的一端與射頻電源(4)相連，所述感應線圈(35)的另一端通過可調電阻器R1接地。
2.根據權利要求1所述的SiC光學材料加工設備，其特征在于:所述感應線圈(35)與等離子體炬管(34)外壁之間設有屏蔽金屬板(36)，所述屏蔽金屬板(36)通過可調電容C3接地。
3.根據權利要求1或2所述的SiC光學材料加工設備，其特征在于:所述感應線圈(35)的一端通過阻抗匹配器(5)與射頻電源(4)相連。
4.根據權利要求1或2所述的SiC光學材料加工設備，其特征在于:所述反應氣體供給源(9)和工作氣體供給源(8)與等離子體炬管(34)的連接線路上設有質量流量控制器(10)。
5.根據權利要求1或2所述的SiC光學材料加工設備，其特征在于:所述等離子體炬管(34)安裝于一具有至少三軸聯動功能的數控運動平臺(2)上。
6.根據權利要求5所述的SiC光學材料加工設備，其特征在于:所述數控運動平臺(2)位于一封閉加工室(1)中，所述封閉加工室(1)連接一尾氣處理裝置(11)。
7.根據權利要求1或2所述的SiC光學材料加工設備，其特征在于:所述工作氣體供給源(8)與等離子體炬管(34)的連接線路上設有點火裝置(6)。
8.根據權利要求1或2所述的SiC光學材料加工設備，其特征在于:所述感應線圈(35)連接一水冷機(7)。
9.根據權利要求1或2所述的SiC光學材料加工設備，其特征在于:所述工作氣體供給源(8)與等離子體炬管(34)的中管和外管相連，所述反應氣體供給源(9)與等離子體炬管(34)的內管相連；或者，所述工作氣體供給源(8)與等離子體炬管(34)的外管相連，所述反應氣體供給源(9)與等離子體炬管(34)的中管相連。
10.根據權利要求1或2所述的SiC光學材料加工設備，其特征在于:所述反應氣體供給源(9)為SF6氣瓶或NF3氣瓶或CF4氣瓶。
【文檔編號】H01L21/263GK103456610SQ201310366741
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月21日 優先權日:2013年8月21日
【發明者】解旭輝, 史寶魯, 李圣怡, 戴一帆, 周林, 廖春德 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學