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出发，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未来的发展趋势冷等离子体主要应用于含碳、硅等元素的材料加工，利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情况下依靠化学反应达到加工的目的目前，冷等离子体加工硅材料表面精度已经可达0.1um以上但冷等离子体微细加工仍然存在一些难点，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发展，人们对零部件的表面微细加工要求越来越高传统加工方法加工微细表面一般采用车削+磨削的切削加工方式虽然在诸多科研工作者的努力下，采用传统的切削加工方法已经能达到诸多场合对微细加工的要求，如余德平等人利用压电陶瓷改建的快速伺服系统就能在硬脆材料表面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达到加工的目的，切削过程中必然会给加工件一个切削力而导致工件的变形，尤其是在加工细长杆时同时，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，虽然近年来发展了各种非金属材料切削加工，但可加工的非金属种类依旧较少因此，必须寻找一种新的加工方法来克服传统切削加工存在的不足以更合适的方式完成非金属表面的微细加工冷等离子体微细加工应运而生，它以化学反应为加工基础，不给加工件任何力的作用而迅速完成加工件（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，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根据其宏观温度的高低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、切割等热加工领域［2］，垃圾焚烧等环保领域［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表面的微细加工［7-17］、纺织品的表面改性［18,19］、污水净化处理［20］、废气（如汽车尾气）等的净化［21-23］、表面清洗［24］等诸多领域。
冷等离子体微细加工就是利用冷等离子体产生的高活性基团与加工件产生化学反应而达到去除加工件表面多余材料的目的本文从传统切削加工微细表面可能存在的问题出发说明发展冷等离子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部分科研工作者的科研成果分析了冷等离子体的发展现状及其加工优势，最后就作者所知对冷等离子体技术的发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0.01%~10%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根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，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态(excitedstate)降回至基态(groundstate)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交流电源需光族电I■加弄固于厉)|.同貫空)Ai十阳投离于itn\乳殛11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所示气体介质在不均匀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附近，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，因而出现电晕放电发生电晕时在电极周围可以看到光亮，并伴有咝咝声电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段■■电子fifvir；f」賊収引20,n-MniFgi干I'1S~：□迁囲干吉耳他空％廿奇I*L芦圭1B笳正■干图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10〜10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充满某种工作气体,并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖,也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流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T■±母比电0/皿电剛＞恳敢图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所示其利用高频高压使电极周围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表面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利用等离子体中部分粒子的化学活性，让其具有高化学活性的基团，如O、H、F基团等，与待加工表面进行化学反应，从而达到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应，从而蚀除工件表面多余的材料，达到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爭Centulgas(s.g.Ar»CF^tShHsWgasCisg“寸Grexni^edsheW]PlRt!EllfCllIXtE!EmendedaJi*ekJ站thflpatLTfiiPlasmsjfi[|mns+odscInoM■*■noutr^ls)RjxilGal|rt0g.AlamisflutmffF|S+4F->SiF4r图5冷等离子体微细加工原理图和其他科学技术的发展一样，国外在冷等离子体微细加工方面相比我国更早，科研成果更为突出早在1990年，美国Hughs公司［25］就采用PACE（Plasmaassistedchemicaletching）等离子体辅助抛光技术，利用具有化学活性的等离子体与工件表面物质发生化学反应，达到去除材料的目的。
利用该技术对石英玻璃进行微细加工，其去除速率为100》m/min,表面粗糙度也达到亚纳米级，面形误差为几十微米而1993年，日本Nikon大学［26-28］的科研工作者就开始采用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石英玻璃的去除速率为200》m/min，表面粗糙度达到亚纳米级，面形误差为亚微米级近年来，以德国T.Arnold等人［7-10］利用冷等离子体技术在SiC表面进行微纳米加工，并对其机理进行了系统的研究他们利用等离子体技术在SiC表面加工抛物线镜面，其表面精度从4.7um下降到了0.1um，如图6（a）所示同时，他们采用多次使用等离子体技术加工的方法进一步提高了其表面精度，如图6（b）（c）所示，从（b）提高到了（c）而在SiC平面上采用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）加工抛物线镜面，（b）—次加工的镜面微观表面精度，（c）多次加工后的镜面微观表面精度舅你E」X（mni|图7冷等离子体微细加工SiC平面：（a）未加工前的平面表面精度，（b）经三次冷等离子体加工后的表面精度。
而在我国，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国科研工作者的不懈努力下，也已经取得了一定的成果西安工业大学王颖男等人［12］对光学元件的冷等离子体微细加工工艺进行了研究，并寻找到了最合适的加工工艺参数哈尔滨工业大学张巨帆等人［14,15］也研究了冷等离子体技术在超光滑硅表面加工中的应用大连理工大学刘艳红等人［11］也对冷等离子体技术在电路板刻蚀方面的微细加工进行了研究总之，随着社会发展的需要，我国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，我国冷等离子体加工技术必将取得长足的发展进步冷等离子体微细加工技术发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已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，但仍然存在一些需要进一步发展的地方1. 冷等离子体源的研制由于产生冷等离子体的方法较多，但每种方法都有一定的局限性，需要寻找一种新的方法集合各种方法的优势，弥补其不足，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2. 加工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，应该进一步探索其他种类材料的加工，从而扩宽其应用。
3. 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表面，因此需要寻找新的加工工艺等以进一步提高加工精度References:[1]P.Fauchais,A.Vardelle,ThermalPlasma,IeeeTransactionsOnPlasmaScience25(1997)1258-1280.[2]C.Wu,WeldingThermalProcessesandWeldPoolBehaviors，ChinaMachinePress，2007.[3]王建伟,杨建,李荣先,采用热等离子体系统处理医疗垃圾_王建伟,锅炉技术37(2006)63-66.[4]H.Lin,S.Liao,S.Hung,ThedcthermalplasmasynthesisofZnOnanoparticlesforvisible-lightphotocatalyst,JournalOfPhotochemistryAndPhotobiologyA-Chemistry174(2005)82-87.[5]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,化纤与纺织技术(2005)17-20.[6]江南,曹则贤,大气压冷等离子体射流研究进展,物理40(2011)734-741.[7] T.Arnold,G.B.Ohm,R.Fechner,J.Meister,A.Nickel,F.Frost,T.H.Ansel,A.Schindler,Ultra-precisionsurfacefinishingbyionbeamandplasmajettechniques—statusandoutlook,Nuclearinstrumentsandmethodesinphysicsresearch616(2010)147-156.[8] T.Arnold,G.Boehm,I.Eichentopf,M.Janietz,J.Meister,A.Schindler,PlasmaJetMachining--Anoveltechnologyforprecisionmachiningofopticalelements,PlasmaTechnology22(2010)10-16.[9] T.Arnold,G.Bohm,Applicationofatmosphericplasmajetmach。