CN105895489A - 基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工装置和方法，加工装置包括大气压等离子体喷管、集成在喷管下端的喷嘴针尖阵列，所述喷嘴针尖阵列的下部设有三维精密移动台，喷嘴针尖阵列包括多个设有微纳米孔的喷嘴针尖，每个喷嘴针尖均设有倒金字塔形状的空心微腔。将大气压等离子体喷管放置于大气压环境下，喷管内持续通入反应气体，反应气体在电场作用下产生电离生成反应等离子体，通过喷嘴针尖阵列用于形成等离子体纳米射流阵列。通过三维精密移动台控制等离子体微射流装置与被加工样品的相对移动，能实现对多种材料的低成本、高精度、高效率的无掩膜刻蚀、沉积加工以及表面改性，以满足小批量、多品种的微纳米器件加工应用的要求。

Description

基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工装置和方法

技术领域

本发明涉及一种微纳米加工技术，尤其涉及一种基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工装置和方法。

背景技术

在半导体技术和微机电系统(MEMS)领域，等离子体刻蚀和薄膜沉积技术因其具有刻蚀速率高，刻蚀的选择性和薄膜沉积的均匀性好，刻蚀的过程中通入不同的反应气体即可以加工特定材料，通过反应气体放电产生的固态生成物在样品表面的沉积，实现薄膜沉积等优点，从而得到了广泛的应用。在实际应用中，常常需要在样品表面上刻蚀加工不同深度，不同形状的图形。在传统等离子体刻蚀中所应用的是宏观等离子体，即等离子体作用在整个样品表面，如若进行选择性刻蚀，必须采用光刻掩模来实现，该方法价格昂贵，成本高，不适合多品种，小批量器件的加工。

针对上述问题，近年来，很多学者进行了广泛的研究，并提出了许多不同结构，不同机理的等离子体加工方法。这些用于无掩模等离子体加工的方法大致可以分为低气压环境加工方式和大气压环境方式两种类型。比较而言，低气压加工方式主要是利用微放电器或者微反应室中产生的反应等离子体，采用压力差或偏置电压的方法将其导出形成等离子体束流，利用该束流在样品实现直接的刻蚀加工。J.Voigt等利用微细管道和亚微米尺度的微孔，将微波等离子体的下游辉光形成微小的活性反应成分束流，引入到硅片表面，实现刻蚀加工，加工图形最小线宽为200nm(J.Voigt,F.Shi,K.Edinger,et al.,“Nanofabrication with scanning nanonozzle‘Nanojet’”MicroelectronicEngineering vol.57–58,2001,pp.1035–1042)。低气压环境加工方法是在真空环境下工作，需要特定的真空系统，存在设备复杂成本高，器件寿命短等缺点。大气压环境加工方式主要是利用大气压等离子体微喷管进行加工，利用微喷管进出口两端的压力差，使在喷管内产生的等离子体从喷管导出形成等离子体微射流，从而实现在样品表面的直写刻蚀和沉积加工。其优点是无需复杂的真空系统，可在大气压下工作，结构简单，成本低，刻蚀速率快；但刻蚀图形精度受限于喷管喷嘴的尺寸，加工均匀性较差。Dong Ye利用CO2激光器将石英管加热后拉伸出口径最小为2μm的微管，可实现无掩模扫描直写掺杂加工，掺杂线宽精度达到10μm，其缺点是石英微管结构脆弱，喷管口径变小时，会使得气体着火电压大大升高，难以实现稳定均匀的等离子体放电，且单个喷管加工效率低，无法实现高效的并行加工。(Dong Ye，Shu Qun Wu and Yao Yu et.al,“Patterned graphene functionalization via mask-free scanning of micro-plasma jetunder ambient condition”Applied Physics Letters.,vol.10,no.1,Mar.2014,pp.50–54)。Ryutaro Shimane等利用微细加工技术在硅片上加工出2μm直径圆柱形微孔喷嘴阵列和排气沟，将花粉颗粒吸附在喷嘴口，利用等离子体产生的光辐照效应，可实现对花粉颗粒的表面改性，但该方法无法导出等离子体微射流，被加工样品必须与喷嘴接触，不适合扫描加工(Ryutaro Shimane，Shinya Kumagai and Minoru Sasaki et.al,“Localized plasma irradiation through a micronozzle for individual cell treatment”Japanese Journal of Applied Physics.,vol.3,2014,pp.1-5)。

上述这些等离子体加工方法虽然在一定程度上能实现无掩膜加工，但仍存在反应等离子体均匀性差，加工分辨率无法进一步提高到亚微米和纳米量级，无法实现高效率的并行扫描加工等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能实现对多种材料的低成本、高精度、高效率加工的基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工装置，包括大气压等离子体喷管、集成在喷管下端的微纳米喷嘴阵列，所述喷嘴阵列的下部设有三维精密移动台；

所述的大气压等离子体喷管包括由内向外依次布置的阳极金属管、石英管、绝缘管，所述绝缘管的下端设有阴极金属环，所述阳极金属管与阴极金属环之间连接有电压激励装置和限流电阻；

所述电压激励装置为直流脉冲电压发生装置或高频交流激励装置或射频激励装置或微波激励装置；

所述喷嘴阵列包括多个设有纳米孔的喷嘴针尖，每个喷嘴针尖均设有倒金字塔形状的空心微腔，或者所述喷嘴阵列是尺度为亚微米至微米范围的圆柱孔阵列或圆锥孔阵列；

所述大气压等离子体喷管的上端设有进气口，所述进气口通过所述阳极金属管内部的中空结构与所述喷嘴阵列相通。

本发明的基于大气压等离子体喷管的扫描等离子体加工方法，将上述大气压等离子体喷管放置于大气压环境下，喷管内持续通入所需的反应气体，在所述阳极金属管与阴极金属环之间加载直流脉冲、高频交流、射频或微波激励电源，反应气体在电场作用下产生电离生成反应等离子体，通过所述喷嘴针尖阵列用于形成等离子体微纳米射流阵列，通过所述三维精密移动台控制等离子体微纳米射流装置与被加工样品的相对移动，对不同材料进行无掩膜刻蚀或沉积加工出所需的微纳米结构阵列，并可以对材料的表面进行改性。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工方法，由于将扫描探针加工技术与大气压等离子体喷管技术相集合，从而可实现对多种材料的低成本、高精度、高效率的无掩膜刻蚀、沉积加工以及表面改性，以满足小批量、多品种的微纳米器件加工应用的要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工方法的结构示意图。

图2是本发明实施例中带纳米喷嘴的倒金字塔针尖阵列的结构示意图。

图中：

1、进气口，2、阳极金属管，3、绝缘管，4、阴极金属环，5、石英管，6、喷嘴针尖阵列，7、样品，8、三维移动台，9、直流脉冲电压，10、限流电阻，11、空腔，12、氧化硅，13、金属膜，14、微孔，15、硅胶。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工装置，其较佳的具体实施方式是：

包括大气压等离子体喷管、集成在喷管下端的微纳米喷嘴阵列，所述喷嘴阵列的下部设有三维精密移动台；

所述的大气压等离子体喷管包括由内向外依次布置的阳极金属管、石英管、绝缘管，所述绝缘管的下端设有阴极金属环，所述阳极金属管与阴极金属环之间连接有电压激励装置和限流电阻；

所述电压激励装置为直流脉冲电压发生装置或高频交流激励装置或射频激励装置或微波激励装置；

所述喷嘴阵列包括多个设有纳米孔的喷嘴针尖，每个喷嘴针尖均设有倒金字塔形状的空心微腔，或者所述喷嘴阵列是尺度为亚微米至微米范围的圆柱孔阵列或圆锥孔阵列；

所述大气压等离子体喷管的上端设有进气口，所述进气口通过所述阳极金属管内部的中空结构与所述喷嘴阵列相通。

所述的喷嘴针尖为湿氧氧化SiO₂针尖。

所述湿氧氧化SiO₂针尖内壁设有一层金属膜，所述喷嘴阵列通过硅胶或专用夹具贴在所述石英管的下端。

所述喷嘴阵列的材料为硅基材料或金属或石英玻璃。

本发明的基于大气压等离子体喷管的扫描等离子体加工方法，其较佳的具体实施方式是：

将上述大气压等离子体喷管放置于大气压环境下，喷管内持续通入所需的反应气体，在所述阳极金属管与阴极金属环之间加载直流脉冲、高频交流、射频或微波激励电源，反应气体在电场作用下产生电离生成反应等离子体，通过所述喷嘴针尖阵列用于形成等离子体微纳米射流阵列，通过所述三维精密移动台控制等离子体微纳米射流装置与被加工样品的相对移动，对不同材料进行无掩膜刻蚀或沉积加工出所需的微纳米结构阵列，并可以对材料的表面进行改性。

在用于等离子体无掩模加工中，按如下步骤进行：

步骤一、产生反应等离子体：

所述等离子体产生的机理是属于介质阻挡放电式的气体放电，根据不同的被加工样品材料，在大气压等离子体喷管中通入相应的反应气体；将喷管的电极上施加直流脉冲激励或交流高频激励或射频激励或微波激励，当电源的电压超过气体的着火电压时，气体被电离产生反应等离子体；

步骤二、导出等离子体微纳米射流阵列：

所述等离子体微纳射流阵列由集成在等离子体喷管出口端的纳米喷嘴阵列形成；

所述等离子体的导出方法是利用等离子体喷管入口与出口端的压力差形成驱动力，驱使等离子体喷管中产生的反应等离子体通过集成在等离子体喷管出口处的纳米喷嘴阵列时被约束形成微射流阵列，将被加工样品放置在金属样品台上后，喷管的阳极金属棒和样品台之间的电场增强作用，能进一步提高微纳米射流阵列的导出距离；

步骤三、等离子体微射流阵列在样品表面微小区域刻蚀、沉积和表面改性：

通过三维移动台调整被加工样品的位置，通过所述的等离子体微纳米射流阵列在样品表面微小区域刻蚀或沉积加工出设定的图形或结构的阵列，以及对样品微小区域进行表面改性；

实际加工时，根据不同的被加工材料，选择相应的反应气体；

所述三维移动台为三自由度，能在x,y,z方向精确控制其移动的移动平台，通过精确控制移动台X,Y向移动，即根据设计在样品上加工的图案，使等离子体微纳米射流装置的喷嘴阵列与样品在水平面方向产生相对移动，实现高效并行扫描加工；

被加工样品为硅、氧化硅、氮化硅，或为光刻胶高分子聚合物材料，或为金属材料。

一方面，微等离子体射流要求整个等离子体在大气压环境下产生，这样可以摆脱复杂的真空系统，从而简化装置，降低成本；另一方面，要将反应等离子体进行导出，使其形成纳米-微米尺度的射流阵列，从而可以在微米或纳米尺度实现并行无掩膜扫描刻蚀和沉积加工，提高任意图形加工的精度和效率；此外，针对不同的被加工材料选择相应的反应气体，从而可实现多种材料的刻蚀和沉积加工。本发明的基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工方法，针对现有技术中的不足，将扫描探针加工技术与大气压等离子体喷管技术相集合，从而实现对多种材料的低成本、高精度、高效率的无掩膜刻蚀、沉积加工以及表面改性，以满足小批量、多品种的微纳米器件加工应用的要求。

本发明所述的并行加工方法，将喷嘴针尖阵列与样品接近，驱动样品台在x,y方向的移动，能同时加工多个相同的图形阵列，实现对样品表面的并行加工，结构稳固简单，成本低，可实现对多种样品的高效率、高精度的无掩膜直写加工。

在实际使用中，通过控制大气压等离子体喷管的放电电压、放电频率和气体流量等，可以控制反应等离子体的浓度和功率密度，从而控制喷嘴出口处的活性成分的浓度和速率分布，进而提高刻蚀图形的深宽比和刻蚀速率。通过控制孔的尺寸和形状，可以提高刻蚀或沉积图形的精度和加工分辨率。

与现有的微小等离子体加工方法相比，本发明由于在大气压等离子体喷管上集成了带有微纳米孔的喷嘴针尖阵列，兼具了扫描探针加工和大气压等离子体喷管的长处，因此该方法具有以下优点：

无需复杂的真空腔系统，可在常压下工作；装置简单，成本低；并且装置本身的耐刻蚀性较强，使用寿命长。

大气压等离子体喷管利用了喷管两端压力差，能形成较长的等离子体射流，可导出高密度的活性基团；利用金属移动台和喷管阳极之间的电场增强作用，可进一步提高微纳米射流的导出距离；

通过控制针尖处孔的尺寸，以及喷嘴针尖阵列和被加工样品之间的距离，可以实现不同精度的图形加工(以及跨尺度图形加工)，通过控制等离子体喷管的放电参数和加工时间，可在同一样品上不同区域一次性加工出不同深度的任意图形，从而满足不同应用的需求。

大气压等离子体喷管上集成的扫描探针纳米喷嘴阵列，可实现多个纳米射流的并行扫描加工，可从而大大提高加工效率，并可实现大面积加工。

针对不同的被加工材料，选用相应的反应气体，从而实现对多种样品的刻蚀、沉积和表面改性。

扫描探针微纳米喷嘴阵列的加工，完全采用了半导体加工技术和MEMS工艺，可批量化加工，工艺简单，成本低。

具体实施例：

参见图1，本实施例是用于并行扫描等离子体加工的大气压等离子体喷管微纳米射流装置，它由大气压等离子体喷管，带微纳米喷嘴的针尖阵列以及三维移动台构成。大气压等离子体喷管由进气口1，阳极金属管2，绝缘管3，阴极金属环4和石英管5组成，绝缘管3的材料可以为聚四氟乙烯等绝缘材料，电极2，4的材料可以为铜等不易氧化的金属。

纳米喷嘴针尖阵列如图2所示，为金属层/氧化层二层结构的器件，器件的基底为单晶硅硅片，利用KOH刻蚀液各向异性刻蚀得到倒金字塔状的空腔11。表面湿氧氧化形成一层氧化硅12，通过磁控溅射镀膜在硅上镀金属膜13，材料可以是镍等。利用感应耦合等离子体刻蚀或湿化学方法从背面刻蚀硅片，利用氧化层为掩模释放针尖。利用聚焦离子束刻蚀在针尖出得到所需的微孔14。利用硅胶15或专用夹具将喷嘴针尖阵列黏附于大气压等离子体喷管的出口端。

参见图1，本实施例在实行并行扫描无掩模加工时的操作步骤如下：

将大气压等离子体喷管微射流装置固定，样品放置在三维移动台8上；

在大气压等离子体喷管的进气口1持续通入一定流量的反应气体，反应气体类型根据被加工样品7而定，如刻蚀SiO2或者Si3N4材料时，反应气体可选CHF3；刻蚀Si时，反应气体选择SF6；刻蚀PI或者光刻胶等有机物时，反应气体选择O2等；

在大气压等离子体喷管的金属管2加载直流脉冲或高频正弦或射频或微波激励9，阴极金属环4接地，在电路高压端串联一个限流电阻10，减小电路电流；

大气压等离子体喷管中的反应气体在电场的作用下产生反应等离子体，其中的化学活性粒子通过喷嘴针尖阵列上的微米或纳米孔引入到样品7上，阳极金属管和金属样品台之间的电场增强作用可以提高喷出的微射流长度；

精确调整针尖与样品的间距，保证有足够的化学活性粒子能够到达样品表面产生刻蚀或沉积加工及对样品的表面改性；

通过移动工作台8扫描工作方式实现微射流阵列在样品表面批量加工特定的图形阵列。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工装置，其特征在于，包括大气压等离子体喷管、集成在喷管下端的微纳米喷嘴阵列，所述喷嘴阵列的下部设有三维精密移动台；

所述的大气压等离子体喷管包括由内向外依次布置的阳极金属管、石英管、绝缘管，所述绝缘管的下端设有阴极金属环，所述阳极金属管与阴极金属环之间连接有电压激励装置和限流电阻；

所述电压激励装置为直流脉冲电压发生装置或高频交流激励装置或射频激励装置或微波激励装置；

所述喷嘴阵列包括多个设有纳米孔的喷嘴针尖，每个喷嘴针尖均设有倒金字塔形状的空心微腔，或者所述喷嘴阵列是尺度为亚微米至微米范围的圆柱孔阵列或圆锥孔阵列；

所述大气压等离子体喷管的上端设有进气口，所述进气口通过所述阳极金属管内部的中空结构与所述喷嘴阵列相通。

2.根据权利要求1所述的基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工装置，其特征在于，所述的喷嘴针尖为湿氧氧化SiO₂针尖。

3.根据权利要求2所述的基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工装置，其特征在于，所述湿氧氧化SiO₂针尖内壁设有一层金属膜，所述喷嘴阵列通过硅胶或专用夹具贴在所述石英管的下端。

4.根据权利要求1所述的基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工装置，其特征在于，所述喷嘴阵列的材料为硅基材料或金属或石英玻璃。

5.一种基于大气压等离子体喷管的扫描等离子体加工方法，其特征在于，将权利要求1至4任一项所述大气压等离子体喷管放置于大气压环境下，喷管内持续通入所需的反应气体，在所述阳极金属管与阴极金属环之间加载直流脉冲、高频交流、射频或微波激励电源，反应气体在电场作用下产生电离生成反应等离子体，通过所述喷嘴针尖阵列用于形成等离子体微纳米射流阵列，通过所述三维精密移动台控制等离子体微纳米射流装置与被加工样品的相对移动，对不同材料进行无掩膜刻蚀或沉积加工出所需的微纳米结构阵列，并可以对材料的表面进行改性。

6.根据权利要求5所述的基于大气压等离子体喷管的并行无掩模扫描微纳米加工方法，其特征在于，在用于等离子体无掩模加工中，按如下步骤进行：

步骤一、产生反应等离子体：

所述等离子体产生的机理是属于介质阻挡放电式的气体放电，根据不同的被加工样品材料，在大气压等离子体喷管中通入相应的反应气体；将喷管的电极上施加直流脉冲激励或交流高频激励或射频激励或微波激励，当电源的电压超过气体的着火电压时，气体被电离产生反应等离子体；

步骤二、导出等离子体微纳米射流阵列：

所述等离子体微纳射流阵列由集成在等离子体喷管出口端的纳米喷嘴阵列形成；

所述等离子体的导出方法是利用等离子体喷管入口与出口端的压力差形成驱动力，驱使等离子体喷管中产生的反应等离子体通过集成在等离子体喷管出口处的纳米喷嘴阵列时被约束形成微射流阵列，将被加工样品放置在金属样品台上后，喷管的阳极金属棒和样品台之间的电场增强作用，能进一步提高微纳米射流阵列的导出距离；

步骤三、等离子体微射流阵列在样品表面微小区域刻蚀、沉积和表面改性：

通过三维移动台调整被加工样品的位置，通过所述的等离子体微纳米射流阵列在样品表面微小区域刻蚀或沉积加工出设定的图形或结构的阵列，以及对样品微小区域进行表面改性；

实际加工时，根据不同的被加工材料，选择相应的反应气体；

所述三维移动台为三自由度，能在x,y,z方向精确控制其移动的移动平台，通过精确控制移动台X,Y向移动，即根据设计在样品上加工的图案，使等离子体微纳米射流装置的喷嘴阵列与样品在水平面方向产生相对移动，实现高效并行扫描加工；

被加工样品为硅、氧化硅、氮化硅，或为光刻胶高分子聚合物材料，或为金属材料。