CN103945630A - 无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，包括：绝缘圆柱、高压电极、绝缘微针、接地电极、高压低频率电压源和样品，其中：所述高压低频率电压源的高压端与所述高压电极连接、低压端与所述接地电极共地连接；所述绝缘圆柱外接所述绝缘微针和所述高压电极；所述接地电极设置在所述绝缘微针外壁处；所述绝缘微针的端部设置有喷嘴，在所述绝缘微针的喷嘴与所述样品之间存在线宽处于微米尺度的等离子体射流。本发明无需使用真空设备，无需掩膜板，结构简单，操作方便，制作成本低，能非常好地图形化聚合物薄膜，形成微结构，该装置在大规模柔性电子制备中具有很好的应用前景。

Description

无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置

技术领域

本发明涉及大气压等离子体技术领域，具体地，涉及一种应用于微纳刻蚀技术领域和大规模柔性电子制造领域的用于无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置。

背景技术

现阶段，等离子体加工技术已在微电子和微纳制造等领域中得到较广泛地应用。工业上，等离子体加工技术中所使用的等离子体指的是低温等离子体，这种低温等离子体是由低气压辉光放电所产生，必须借助真空系统才能实现。另外，传统上的等离子加工技术刻蚀加工材料是以光刻技术为基础。这些苛刻的条件极大地限制了低温等离子体微纳加工技术在工业上大规模应用。

大气压等离子体射流因为具有功耗低、温度低、无需使用真空系统、运行成本地等特点，受到了各个领域研究者的广泛关注,尤其近年来其在材料表面改性，材料的沉积，材料去除中的应用倍受关注。

经对现有技术文献的检索发现，Ichiki等人在《Journal of Applied Physics》(2004)撰文“Localized and ultrahigh-rate etching of silicon wafers using atmospheric-pressure microplasma jets”,该文提供了一种100MHz超高频激励的石英放电管微等离子体射流装置，并实现了硅和石英玻璃基片的超高速局域刻蚀。Fricke等人在《Plasma Processes andPolymers》(2011)51-58撰文“High rate etching of polymers by means of an atmosphericpressure plasma jet”，该文作者釆用1MHz射频电源激励在石英管使稀有气体Ar放电形成等离子体射流对各种聚合物材料进行了选择性地去除。然而，这些大气压等离子体射流线宽一般为毫米级，而且要想产生均匀稳定的等离子体射流必须使用大量的惰性气体。因此，通过以Ar/O₂混合气体为工作气体产生的等离子体射流刻蚀聚合薄膜效率低，成本高，操作不方便，会造成聚合物碳化，最主要的是无法对聚合物薄膜进行微加工。

另外，柔性电子技术可能带来一场电子技术革命，引起全世界的广泛关注并得到了迅速发展。柔性电子制造技术的关键是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造特征尺寸更小的柔性电子器件。传统的低温等离子加工技术在大规模制备柔性电子上受到了极大的约束。因此，要是有一种大气压下无掩膜刻蚀聚合物薄膜的简易的等离子体加工设备将极大地促进柔性电子的发展。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，该装置实现了对聚合物薄膜进行均匀的无掩膜刻蚀，并且避免了热作用造成聚合物薄膜的碳化。

为实现以上目的，本发明提供一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，包括：绝缘圆柱、高压电极、绝缘微针、接地电极和高压低频率电压源，其中：所述高压低频率电压源的高压端与所述高压电极连接，所述高压低频率电压源的低压端与所述接地电极共地连接；所述绝缘圆柱外接所述绝缘微针和所述高压电极；所述接地电极设置在所述绝缘微针外壁处；所述绝缘微针的针尖处设置有喷嘴，在所述绝缘微针的喷嘴与所述样品之间存在线宽处于微米尺度的等离子体射流。

优选地，所述的绝缘圆柱内部中空，绝缘圆柱的直径为4mm～20mm，空腔形状及大小可根据实际需要调整；绝缘圆柱的底面中心设有一个直径为0.5～4mm的连通空腔的圆孔，绝缘圆柱的顶部中心设有一个直径为50-500μm的连通空腔的圆孔；在顶部中心两侧设有多个直径为0.2mm～6mm的连通空腔的圆孔；这些圆孔供工作气体空气进入，圆孔具体数目根据实际需要来设计。

优选地，所述的高压电极为直径为50-500μm的不锈钢电极、钨电极、铂电极。

优选地，所述的绝缘微针的外径为0.5～6mm、内径为0.25～5mm，绝缘微针的喷嘴内径为5um～400μm。

优选地，所述的接地电极为金属环，金属环的下边缘位于高压电极尖端之上、宽度大小可以根据实际需要定制。

优选地，所述的高压低频率电压源的频率为5kHz～60kHz、电压在0～50kV之间可调。之所以使用高压低频电压源，是因为射频电流产生等离子体射流时，会伴随大量的热量产生，为保证等离子体射流的稳定性，需要使用循环水来冷却放电装置，这样导致整个装置复杂，使用不方便。另外，使用高压低频电源，更加有利于在小管径绝缘微针中产生等离子体。

优选地，所述的样品由导电基底和聚合物薄膜组成，导电基底上形成一层聚合物薄膜。

本发明所述装置采用空气作为工作气体，不用使用任何供气设备，高压低频率电压源与高压电极相连接，采用金属环作为地极，金属环的宽度及材质可以根据实际需要进行调整，当一定电压施加在高压电极上时，并形成等离子体射流从绝缘微针喷嘴喷射而出，这种等离子体射流的线宽为微米级的且含有大量的活性粒子，当射流到达样品上能有效地局部刻蚀基底上的聚合物薄膜，并且不会造成聚合物薄膜碳化。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述装置无需使用真空设备，无需掩膜板，结构简单，操作方便，制作成本低，能非常好地图形化聚合物薄膜，形成微结构，该装置在大规模柔性电子制备中具有很好的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例结构示意图；

图2为本发明一实施例中绝缘圆柱底部的结构示意图；

图3为本发明一实施例中绝缘圆柱顶部的结构示意图；

图4为本发明一实施例的放电效果图；

图5为本发明一实施例所产生的微等离子体射流刻蚀聚合物薄膜的实际效果图，刻蚀过程中样品保持不动；

图6为本发明一实施例所产生的微等离子体射流刻蚀聚合物薄膜的实际效果图，刻蚀过程中样品往返直线匀速运动；

图中：1为高压低频率电压源、2为绝缘圆柱、3为高压电极、4为接地电极、5为空气入口处、6为绝缘微针、7为样品。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，包括高压低频率电压源1、绝缘圆柱2、高压电极3、接地电极4、空气入口处5、绝缘微针6和样品7，其中：所述高压低频率电压源1的高压端与所述高压电极3连接、低压端与所述接地电极4共地；所述绝缘圆柱2外接所述绝缘微针6和所述高压电极3；所述接地电极4设置在所述绝缘微针6外壁处；所述绝缘微针6的针尖处设置有喷嘴，在所述绝缘微针6的喷嘴与所述样品7之间存在线宽处于微米尺度的等离子体射流。

本实施例中，所述绝缘圆柱2为聚四氟乙烯空腔圆柱，与绝缘微针6和高压电极3用环氧树脂胶连接固定；绝缘圆柱2的直径为8mm，空腔是圆柱形的、直径为6mm；绝缘圆柱2底面的中心设有一个直径为1mm的连通空腔的圆孔（如图2所示），绝缘圆柱2顶部的中心设有一个直径为100μm的连通空腔的圆孔，在绝缘圆柱2顶部中心两侧设有2个直径为0.5mm的连通空腔的圆孔，工作气体从圆孔（空气入口处5）进入放电装置（如图3所示）。

本实施例中，所述绝缘圆柱2与绝缘微针6和高压电极3用环氧树脂胶连接固定。

本实施例中，所述高压低频率电压源1的高压输出端与高压电极3相连接、低压输出端与接地电极4共地连接起来。

本实施例中，接地电极4由铜箔缠绕而成，接地电极4下边缘位置需要位于高压电极3下尖端之上，其具体宽度不受限制，可以根据实际情况进行设计，本实施例中接地电极4的宽度为6mm，下边缘与高压电极3下尖端之间的间距为7mm。

本实施例中，所述绝缘微针6用拉针仪拉制石英玻璃管得到，一端外径为1mm，内径为0.5mm；另一端的内径为100um；绝缘微针6设置在绝缘圆柱2底部正中心，通过环氧树脂胶连接固定；绝缘微针6的喷嘴与样品7之间距离为0～10mm，具体间距可以根据实际需要进行设计，本实施例中绝缘微针6的喷嘴与样品7之间的间距为1mm。

本实施例中，所述高压电极3为直径100μm不锈钢电极，位于绝缘圆柱2顶部正中心，通过环氧树脂胶连接固定，并保证高压电极3位于绝缘微针6内且处于中心位置，高压电极3下尖端接近绝缘微针6管径渐变处。

本实施例中，所述绝缘圆柱2与绝缘微针6和高压电极3用环氧树脂胶连接固定

本实施例中，所述样品7通过parylene沉积系统在硅基底上沉积一定厚度的parylene-C薄膜得到。

本实施例中，所述装置直接在大气环境下，使用空气作为放电气体且无需使用任何供气设备。

在本实施例中，以空气作为工作气体，当施加电压达到4.5kV时，高压电极3与接地电极4之间空气开始发生放电，产生均匀的等离子体，随着电压进一步增大，高压电极3尖端开始放电，形成等离子体射流，并从绝缘微针6的喷嘴喷射而出形成微等离子体射流。同时，在样品7中导电基底作用下，微等离子体射流长度变长且聚集在样品7表面处，同时，由于该等离子体射流是空气直接放电形成的，故这种微等离子体射流含有大量的氧活性粒子，它们能聚合物薄膜发生作用形成易挥发气体，如CO，CO₂，H₂O。另外，等离子体射流的热作用不强，避免了等离子体射流与聚合物作用时造成聚合物碳化。

图5是本实施例装置所产生的微等离子体射流刻蚀parylene-C薄膜的实际效果图；刻蚀过程中样品固定不动，施加电压为5.5kV，绝缘微针6的喷嘴与样品7之间的间距为0.5mm，刻蚀时间为2min。

图6是本实施例装置所产生的微等离子体射流刻蚀parylene-C薄膜的实际效果图；刻蚀过程中样品7往返直线匀速运动，施加电压为5.5kV，绝缘微针6的喷嘴与样品7之间的间距为0.5mm，刻蚀时间为4min。因此，这种空气微等离子体射流能有效地选择性地刻蚀聚合物薄膜，且不会造成聚合物薄膜碳化，能应用于大规模柔性电子制备。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，其特征在于，包括：绝缘圆柱、高压电极、绝缘微针、接地电极和高压低频率电压源，其中：所述高压低频率电压源的高压端与所述高压电极连接，所述高压低频率电压源的低压端与所述接地电极共地连接；所述绝缘圆柱外接所述绝缘微针和所述高压电极；所述接地电极设置在所述绝缘微针外壁处；所述绝缘微针的针尖处设置有喷嘴，在所述绝缘微针的喷嘴与所述样品之间存在线宽处于微米尺度的等离子体射流。

2.根据权利要求1所述的一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，其特征在于，所述的绝缘圆柱内部中空，绝缘圆柱的直径为4mm～20mm，空腔形状及大小可调整；绝缘圆柱的底面中心设有一个直径为0.5～4mm的连通空腔的圆孔，绝缘圆柱的顶部中心设有一个直径为50-500μm的连通空腔的圆孔；在顶部中心两侧设有多个直径为0.2mm～6mm的连通空腔的圆孔。

3.根据权利要求1所述的一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，其特征在于，所述的高压电极为直径为50-500μm的不锈钢电极、钨电极或铂电极。

4.根据权利要求1所述的一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，其特征在于，所述的绝缘微针的外径为0.5～6mm、内径为0.25～5mm，绝缘微针的喷嘴内径为5um～400μm。

5.根据权利要求1所述的一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，其特征在于，所述的接地电极为金属环，金属环下边缘位于高压电极尖端之上。

6.根据权利要求1所述的一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，其特征在于，所述的高压低频率电压源的频率为5kHz～60kHz、电压在0～50kV之间可调。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，其特征在于，所述的样品由导电基底和聚合物薄膜组成，导电基底上形成一层聚合物薄膜。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，其特征在于，所述的装置使用空气作为工作气体，且无需使用供气设备。