CN105118767A

CN105118767A - 等离子体刻蚀设备

Info

Publication number: CN105118767A
Application number: CN201510445160.1A
Authority: CN
Inventors: 郑锦华; 王俊杰; 廖晓燕; 吴双; 魏新煦
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2035-07-27
Also published as: CN105118767B

Abstract

本发明提供一种等离子体刻蚀设备，包括有阴极结构，所述阴极结构包括阴极板、用于罩所述阴极板的阳极罩筒和绝缘板，所述阳极罩筒的一端用于设置玻璃工件，使所述玻璃工件与所述阳极罩筒和所述绝缘板配合形成电气绝缘腔，以使所述阴极板与所述阳极罩筒电绝缘。所述等离子体刻蚀设备简单，加工效率高；而且该设备采用低温等离子技术降低等离子体对加工工件的热辐射，达到在加工工件表面进行低温快速、高效细微刻蚀加工的目的。

Description

等离子体刻蚀设备

技术领域

本发明涉及一种等离子体刻蚀设备，尤其涉及一种用于在硅系材料表面，如玻璃表面进行刻蚀的等离子体刻蚀设备。

背景技术

玻璃属于无机硅物质中的一种，非晶态固体，易碎、透明，现代人已不再满足于物理式机械手段进行表面纹理的制作，主要是因为机械刻蚀手段的效率低且不易加工微纳米量级的表面纹理，所以，目前人们主要致力于采用化学、等离子体刻蚀或激光等方式对玻璃表面进行表面纹理的加工。

现有的关于等离子体刻蚀设备的专利也不少，如，申请号为“201310541608.0”、发明名称为“等离子体刻蚀设备及方法”的发明专利申请公开一种等离子体刻蚀设备包括综合工艺腔室；综合工艺腔室包括转台、转台轴、升降卡盘、沉积反应腔室与刻蚀反应腔室；转台上设置多个晶片卡槽，晶片卡槽用于放置晶片；每个沉积反应腔室或每个刻蚀反应腔室分别对应一个升降卡盘；转台轴带动转台将晶片卡槽中的晶片分别多次交替转到沉积反应腔室和刻蚀反应腔室，并由所述升降卡盘推进所述沉积反应腔室和刻蚀反应腔室，经多次薄膜沉积及刻蚀，达到提高刻蚀选择比的目的。该种设备虽然可以在玻璃等硅系材料中进行刻蚀，但需要沉积反应腔室和刻蚀反应腔室，使得该等离子体刻蚀设备的结构比较复杂，而且难以在硅系材料表面进行微纳细微刻蚀的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种等离子体刻蚀设备，以解决上述问题。

本发明提供一种等离子体刻蚀设备，包括有设置有气体原料进气口的等离子体发生室、与所述等离子体发生室连通的抽真空装置、设置在所述等离子体发生室内部的阳极结构和与所述阳极结构间隔设置的阴极结构，所述阳极结构和所述阴极结构分别设置所述等离子体发生室内部相对设置的两端，所述阳极结构与所述等离子体发生室电连接，所述阴极结构与所述等离子体发生室电绝缘，其中，所述阴极结构包括阴极板、用于罩所述阴极板的阳极罩筒和绝缘板，所述阳极罩筒的一端用于设置玻璃工件，使所述玻璃工件与所述阳极罩筒和所述绝缘板配合形成电气绝缘腔，以使所述阴极板与所述阳极罩筒电绝缘。

其中，所述阴极板固定在所述绝缘板上，所述阴极板处于所述阳极罩筒、玻璃工件和所述绝缘板所围成的封闭空间内，使得所述封闭空间内等离子体无法发生。所述阴极板通过绝缘板与所述等离子体电离室电绝缘。所述阴极结构不受形状的限制，所述阴极结构的形状与所述玻璃工件的形成对应，即，所述阴极结构的形状基本上与所述玻璃工件的形状一致，例如圆形对应圆形玻璃，方形对应方形玻璃，而多边形对应多边形玻璃，但基本结构形态并不改变。所述等离子体发生室与地线连接。

基于上述，所述阴极板上连接有阴极导入线，所述阴极导入线通过绝缘套与所述等离子体电离室电绝缘。

基于上述，所述阴极结构设置于所述等离子体发生室的底端，所述绝缘板位于所述等离子体发生室内部底端，所述阴极板位于所述绝缘板的上方，所述阳极罩筒用于罩所述阴极板和所述绝缘板。

基于上述，所述抽真空装置使得所述等离子体发生室中的真空度不低于5×10^-3Pa。

基于上述，所述阴极板与所述阳极罩筒的内侧壁的间隙为1～2mm，所述阴极板与所述玻璃工件之间的距离为4～5mm。

基于上述，所述阳极结构包括与所述等离子体反应室电连接的阳极板和调节所述阳极板与所述阳极罩筒之间间距的距离调节器，如波纹管式距离调节器。其中，在所述阴极结构中，所述玻璃工件与所述阴极板不接触，而使其处于所述阳极罩筒之上，与所述阳极结构直接对应，所述玻璃工件的高绝缘性并不妨碍所述阴极板和所述阳极板之间在交变电场中形成等离子体；因此，在所述等离子体发生室中，所述阳极板与玻璃工件间的间距ST可调，其调整范围可在0到100mm范围内，所述等离子体刻蚀设备通过控制ST距离可以控制等离子体的刻蚀强度，以得到不同密度的表面纹理结构。优选地，所述阳极板与所述玻璃板之间的距离为30～70mm之间。

所述等离子体刻蚀设备还包括分别与所述阳极结构和所述阴极结构连接的等离子发生源。其中，所述等离子发生源为交变等离子发生电源、高频交变等离子发生源，如RF射频电源等，或者为微波等离子发生源等。

其中，所述等离子体刻蚀设备适用于各种硅酸盐玻璃的表面纹理刻蚀处理，如石英玻璃、钠钙玻璃、高硅氧玻璃、铝硅酸盐玻璃、铅硅酸盐玻璃和硼硅酸盐玻璃等。所述等离子体刻蚀设备还包括与所述气体原料进气口连接的供气系统。

与现有技术相比，本发明提供的等离子体刻蚀设备，在所述等离子体发生室中，等离子体发生时，由于所述阴极板被封闭，处于所述阳极罩筒和所述玻璃工件的包容中，所述阴极板与所述阳极罩筒的内侧壁的间隙为1～2mm，所述阴极板与所述玻璃工件之间的距离为4～5mm，使得相互之间的间隙比较小，等离子体不能在所述绝缘封闭空间内形成，等离子体只能处于所述阳极板和所述玻璃工件之间，并对处于等离子体侧的玻璃表面进行刻蚀，形成表面纹理结构，因此，该设备不需要额外增加反应沉积室，使得该等离子体刻蚀设备的结构比较简单；另外，该等离子体刻蚀设备不用通过额外的加热器加热玻璃工件，依靠等离子体的辐射使得玻璃工件自然升温，并通过控制所述等离子体发生室中的气压和等离子发生源的输入功率控制加热温度，实现了采用低温等离子技术降低等离子体对玻璃的热辐射，从而达到低温快速、高效刻蚀的目的；此外，所述等离子体刻蚀设备还能够快速在玻璃等硅系材料表面形成一定粗糙度的刻蚀表面，且表面纹理密度可控，满足不同的表面纹理需求的要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的等离子体设备的结构示意图。

图2是玻璃工件置于图1中的阴极结构上的工作原理示意图。

图3是由图1所述的等离子体设备在玻璃工件表面纹理结构的一个显微照片。

图4是由图1所述的等离子体设备在玻璃工件表面纹理结构的一个显微照片。

图5是由图1所述的等离子体设备在玻璃工件表面纹理结构的一个显微照片。

其中，各图中的元件符号1、气体原料进气口，2、等离子体发生室，3、阳极结构，4、阴极结构，5、阳极板，6、波纹管式距离调节器，7、阴极板，8、阳极罩筒，9、绝缘板，10、玻璃工件，11、阴极导入线，12、绝缘套，13、抽真空装置，14、RF射频等离子发生源，15、供气系统。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

请参见图1和图2，本发明实施例提供一种用于刻蚀玻璃工件10的等离子体刻蚀设备，其包括设置有气体原料进气口1的等离子体发生室2、与所述等离子体发生室2连通的抽真空装置13、设置在所述等离子体发生室2内部的阳极结构3和与所述阳极结构3间隔设置的阴极结构4。所述阳极结构3设置在所述等离子体发生室2的顶部并与所述等离子体发生室2电连接，所述阴极结构4设置在所述等离子体发生室2的底部并与所述等离子体发生室2电绝缘。

本实施例中，所述等离子体刻蚀设备还包括有分别与所述阳极结构3和所述阴极结构4连接的RF射频等离子发生源14，该RF射频等离子电源14的正极接地，所述等离子体发生室2的外壳也接地，并且所述阳极结构3与所述等离子体发生室2的外壳连通，形成电场回路。其中，在其他实施例中，所述等离子体发生电源还可以用高频等离子发生电源、微波等离子发生电源，或其他交变等离子发生电源代替。

本实施例中，所述抽真空装置13采用两级真空系统，主真空泵采用分子真空泵或扩散真空泵，初级泵采用旋片式真空泵，确保系统真空达到5×10^-3Pa以上。

所述阳极结构3包括阳极板5和波纹管式距离调节器6。所述阳极板5与所述等离子体反应室2电连接，并与所述等离子体发生电源的阴极连接。所述波纹管式距离调节器6用于调节所述阳极板5与所述玻璃工件10之间的间距ST的，使得所述等离子体刻蚀设备通过所述波纹管式距离调节器6控制ST距离，以达到控制等离子电场强度的目的。

所述阴极结构4包括阴极板7、用于罩所述阴极板7的阳极罩筒8和位于所述阴极板7下的绝缘板9。所述阳极罩筒8为两端开口的筒状结构，所述阳极罩筒8的一端用于设置所述玻璃工件10，使所述玻璃工件10与所述阳极罩筒8和所述绝缘板9形成电气绝缘腔，从而使得所述阴极板7与所述阳极罩筒8电绝缘。本实施例中，所述阴极板7与等离子发生源的负极连接，所述玻璃工件10与所述阴极板7相隔一定的距离，并置于所述阴极板7上侧；所述阳极罩筒8为两端开口的圆筒状结构，并与所述阴极板7间由所述绝缘板9隔离，保持电气绝缘状态，所述玻璃工件10与所述绝缘板9之间间隔4～5mm，所述绝缘板9位于所述等离子体发生室2底部，所述绝缘板9与所述阳极罩筒之间的环向间隙为1～2mm；所述阴极板7上连接有阴极导入线11，所述阴极导入线11通过绝缘套12与所述等离子体发生室2电绝缘。关于所述阴极结构4，在外形几何形状方面的改变仍然适用，例如圆形玻璃对应圆柱形阴极，方形玻璃对应四方形阴极等。

所述玻璃工件10被放置在阳极罩筒8之上，使所述阴极板7被封闭在一个由所述玻璃工件10、所述阳极罩筒和所述绝缘板9围城的空间内，避免在所述空间内产生等离子体，使得所述玻璃工件10处于等离子体内，而等离子体也无法穿越所述玻璃工件10到达所述阴极板7上，阴阳极之间的电场被所述玻璃工件10隔离。

使用本实施例提供的所述等离子体刻蚀设备可以在玻璃工件表面形成纹理结构，具体使用方法步骤如下：

步骤一、首先将所述玻璃工件10放置在所述阴极结构4中的所述阳极罩筒8上，调整所述玻璃工件10与所述阳极板5之间的距离至30～70mm，利用与所述等离子体发生室2连通的抽真空装置13将所述等离子体发生室2内的真空压力抽至5×10^-3Pa以上。其中，所述玻璃工件10为圆形玻璃板。

步骤二、打开与所述等离子体发生室2连通的供气系统15中的Ar气阀门，将Ar导入所述等离子体发生室2内，并调整所述等离子体发生室2内的压力至0.5Pa后，保持Ar气流量不变；打开RF射频电源14，射频频率13.56MHz，负偏压4000V，输出功率100W，对所述玻璃工件10进行10分钟的等离子轰击，清除所述玻璃工件表面的污染物。

步骤三、保持Ar气流量不变，将Ar气分压维持在0.5Pa，打开供气系统15中的C₂H₂阀门，将乙炔气体导入所述等离子体发生室2内，并调整分压至1Pa后，保持乙炔流量不变；然后打开H₂阀门，将氢气导入所述等离子体发生室2内，并调整分压至5Pa后，保持氢气流量不变；此时，发生室内气体总压为6.5Pa。保持RF射频电源的输出功率100W不变，对玻璃工件表面持续等离子轰击30min后，关闭RF射频电源和各供气阀门，完成对所述玻璃工件表面的刻蚀过程。最后得到了在所述玻璃工件表面带有“蝴蝶斑”纹的表面纹理结构。

其中，当步骤一中调整所述等离子体发生室中阳极板3与玻璃工件10之间的距离为30mm时，采用所述等离子体刻蚀设备在所述玻璃工件10上形成的纹理结构如图3所示，从图3中能够观察到大量碳元素在纹理沟槽中牢固附着，形成了“蝴蝶斑”。

当步骤一中调整所述等离子体发生室中阳极板3与玻璃工件10之间的距离为50mm时，采用所述等离子体刻蚀设备在所述玻璃工件10上形成的纹理结构如图4所示，在所述玻璃工件10的表面形成了不连续的“蝴蝶斑”表面纹理结构。这意味着由于ST间距的变大，等离子的刻蚀强度减弱，表面纹理密度减小。

当步骤一中调整所述等离子体发生室中阳极板3与玻璃工件10之间的距离为60mm时，采用所述等离子体刻蚀设备在所述玻璃工件10上形成的纹理结构如图5所示，在所述玻璃工件10的表面形成的“蝴蝶斑”表面纹理密度有明显的减小，并且出现了亚微米尺度的纹理结构。

本发明实施例提供的等离子体刻蚀设备，在所述等离子体发生室2中，等离子体发生时，由于所述阴极板7被封闭，处于所述阳极罩筒8和所述玻璃工件10的包容中，且相互之间的间隙比较小，如在4～5mm之内，等离子体不能在所述绝缘封闭空间内形成，等离子体只能处于所述阳极板5和所述玻璃工件10之间，并对处于等离子体侧的玻璃表面进行刻蚀，形成表面纹理结构，因此，该设备不通过额外的加热器加热玻璃工件，依靠等离子体的辐射使得玻璃工件自然升温，并通过控制所述等离子体发生室中的气压和等离子发生源的输入功率控制加热温度，实现了采用低温等离子技术降低等离子体对玻璃的热辐射，从而达到低温快速、高效刻蚀的目的；所述等离子体刻蚀设备简单，加工效率高。在玻璃工件刻蚀过程中，所述等离子体刻蚀设备能够快速在玻璃工件表面形成一定粗糙度的刻蚀表面，且表面纹理密度可控，满足不同的表面纹理需求的要求。

另外，使用本发明实施例提供的等离子体刻蚀设备在玻璃表面形成纹理结构，主要是将所述玻璃工件置于等离子体气氛中，从而达到对玻璃工件表面刻蚀的目的，并采用碳源气体为刻蚀气体，在能够达到增加玻璃表面的比表面积的目的同时，可以在表面纹理内“根植”了C元素，对于含碳薄膜的表面粘附提供了可靠的化学键合基础，例如DLC薄膜在沉积玻璃表面时，可以提高玻璃的耐磨强度及耐刻画能力，增强红外透过率，作为一种典型的C膜，解决DLC薄膜高化学惰性而难以在界面上形成化学键的问题，使DLC薄膜中的C与表面纹理内的C键合，达到提高界面的结合强度的目的。该技术克服了传统玻璃表面刻蚀方法所存在的弊端，达到了节能环保的目标；另外，采用的所述刻蚀气体与碳膜沉积气体为同种气体，能够实现玻璃表面的纹理织构形成和薄膜沉积在同一过程中完成，消除了不同工艺条件下玻璃的空间转移问题，防止玻璃表面的二次污染问题，进一步提高了膜基界面的结合强度。

使用本发明实施例提供的等离子体刻蚀设备在玻璃表面形成纹理结构的方法是将所述玻璃工件置于等离子体气氛中，从而达到对玻璃工件表面刻蚀的目的。该方法的显著特点是：刻蚀气体采用碳氢化合物气体，在等离子电场中通过碳氢离子实现对SiO₂的分解与去除。该方法防止了化学刻蚀所带来的设备腐蚀及环境污染问题；同样避免采用含F气体的等离子刻蚀所引起的设备腐蚀及环境污染问题；解决了利用物理刻画和激光刻蚀技术的低效率、高成本和难以微纳细微刻蚀的问题。

因此，在使用本发明实施例提供的所述等离子体刻蚀设备在玻璃工件表面上形成纹理结构的过程中，采用气体作为刻蚀气体，不但可以在整个纹理结构形成工艺过程中无废液、废渣和废气排放，消除过程污染；由于纹理的形成过程在高真空的条件下进行，排放的过量气体很少，所用的原料气中无污染性气体，主要为Ar和H₂，均不构成对大气的污染，是一个全程无污染的绿色工艺过程。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims

1.一种等离子体刻蚀设备，包括有设置有气体原料进气口的等离子体发生室、与所述等离子体发生室连通的抽真空装置、设置在所述等离子体发生室内部的阳极结构和与所述阳极结构间隔设置的阴极结构，所述阳极结构和所述阴极结构分别设置所述等离子体发生室内部相对设置的两端，所述阳极结构与所述等离子体发生室电连接，所述阴极结构与所述等离子体发生室电绝缘，其特征在于：所述阴极结构包括阴极板、用于罩所述阴极板的阳极罩筒和绝缘板，所述阳极罩筒的一端用于设置玻璃工件，使所述玻璃工件与所述阳极罩筒和所述绝缘板配合形成电气绝缘腔，以使所述阴极板与所述阳极罩筒电绝缘。

2.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀设备，其特征在于：所述阴极板上连接有阴极导入线，所述阴极导入线通过绝缘套与所述等离子体电离室电绝缘。

3.根据权利要求1或2所述的等离子体刻蚀设备，其特征在于：所述阴极结构设置于所述等离子体发生室的底端，所述绝缘板位于所述等离子体发生室内部底端，所述阴极板位于所述绝缘板的上方，所述阳极罩筒用于罩所述阴极板和所述绝缘板。

4.根据权利要求3所述的等离子体刻蚀设备，其特征在于：所述抽真空装置使得所述等离子体发生室中的真空度不低于5×10^-3Pa。

5.根据权利要求3所述的等离子体刻蚀设备，其特征在于：所述阴极板与所述阳极罩筒的内侧壁的间隙为1～2mm。

6.根据权利要求1或2所述的等离子体刻蚀设备，其特征在于：所述阳极结构包括与所述等离子体反应室电连接的阳极板和调节所述阳极板与所述阳极罩筒之间间距的距离调节器。