CN1219419C - 基底电极材料加工装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
基底电极等离子体发生装置由小间隙薄膜电极对1，2，3，4陈列构成，通过在具有氧化表面的硅基底5上溅射和干腐蚀钨形成这些电极对。
Description
本发明涉及一种新的等离子体发生装置以及使用该装置处理物质和材料的方法，例如薄膜形成，基底或物质的表面处理，和化学反应。
使用等离子体发生装置的材料处理技术被广泛地应用于先进的材料的制备，当前具有代表性的是电子器件和ULSI。但是，其所具有的问题包括产生新物质和材料时的成本高，尺寸大，能耗高，工艺难，和效率低。特别地，还没有能够在任意小区域产生等离子体以及使用等离子体进行处理的装置。
根据上述情况，本发明的一个目的是提供一种等离子体发生装置，其价格低廉，尺寸小，能耗低，允许简化工艺，并使新物质和材料产生和发展的效率提高。本发明的另一个目的是提供使用该等离子体发生装置来处理物质和材料的方法，包括在基底的多个任意小区域中的薄膜形成，表面处理，和化学反应。
为了实现所述目的，根据本发明的基底电极等离子体发生装置具有在同一基底上布置的一对以上电极，其在该电极对之间产生等离子体，并且在任意气体气氛中产生等离子体。
在本发明的上述基底电极等离子体发生装置的另一个实施例中，在上述电极对之间产生的等离子体是直流等离子体或交流等离子体。而且，在上述基底电极等离子体发生装置中，上述的任意气氛是真空、气体或液体。在上述基底电极等离子体发生装置中，上述电极对是包括设置在基底上的薄膜的电极对。而且，在上述基底电极等离子体发生装置中，在同一基底上设置有多个电极对，但每一电极对被单独地控制。
利用上述基底电极等离子体发生装置，在常规的上下电极之间产生的等离子体可以在同一基底表面的任何位置形成多处的少量等离子体。
为了实现上述目的，物质和材料处理方法使用上述基底电极等离子体发生装置，在一分离的基底或物质上的任何位置形成包括任何材料的薄膜。关于本发明另一个实施例的物质和材料处理方法使用上述基底电极等离子体发生装置，在同一基底上的任何位置形成包括任意材料的薄膜。另外，在该有关另一个实施例的方法中，所述薄膜的源材料是气体或液体。本发明的再一个实施例使用上述基底电极等离子体发生装置来进行表面处理，例如灰化，腐蚀，清洗，和重新形成另一基底表面。
本发明另一个实施例使用上述基底电极等离子体发生装置以便在另一基底的任何位置上使用任意材料来引起化学反应。本发明另一个实施例通过在同一基底的任何位置上使用任意材料来引起化学反应。
上述物质和材料处理方法使得能够在同一或不同基底上，在一个表面上的多个任意小区域上形成包括任意材料的薄膜，或进行诸如灰化、腐蚀、清洗、重新形成和化学反应等表面处理。此外，本发明另一个实施例使用喷墨方法作为在工艺中使用的涂敷任意液体材料的方法。
在本发明物质和材料处理方法的再一个实施例中，所述喷墨方法使用多个喷嘴并涂敷一种或多种类型的液体材料。
通过本发明使用喷墨方法的该物质和材料处理方法，可以容易地向多个小等离子体形成区域提供所需数量的一种或多种液体材料。
图1是显示基底电极等离子体发生装置的整体结构的示意图；
图2是使用扫描电子显微镜得到的一对基底电极的顶视图；
图3是使用扫描电子显微镜得到的基底电极的视图；(A)是基底电极阵列的顶视图；(B)是等离子体产生区域的邻近区域的侧视图；
图4是显示由图2中的基底电极产生等离子体的状况的示意图；(A)显示等离子体产生之前的状况；(B)显示等离子体产生过程中的状况；
图5显示使用基底电极等离子体发生装置在同一或不同基底上的任意位置形成各种薄膜的过程；
图6显示使用基底电极等离子体发生装置的基底表面处理方法；
图7显示利用基底电极等离子体发生装置和喷射涂印装置的组合来形成微光学薄膜的过程；以及
图8显示使用基底电极等离子体发生装置的硅腐蚀。
下面参考附图对优选实施例进行说明。
第一实施例
图1显示基底电极等离子体发生装置的整体视图。在带有氧化表面的硅基底5上溅射和淀积钨，并利用干腐蚀形成小间隙的薄膜电极对1-4。此处显示了一等离子体阵列装置，包括两两布置的四对等离子体发生电极，但是也可根据所需的等离子体处理采用在任何位置的任何数量电极的布置方式。以矩阵形式将各个电极用导线连接在一起，使得每一对电极之间能够产生等离子体。而且，可通过由诸如晶体管的有源元件在任何电极对之间施加电压来控制等离子体的产生。
图2是利用扫描电子显微镜得到的一对基底电极的显微图。以其间为5μm的间隙9形成钨电极7和8。基底电极的大小可以是μm到cm的数量级。
表1
| 压力(大气压) | 0.5 | 1 | 1.5 | 2 | 2.5 | 3 | 3.5 | 4 | 4.5 | 5 |
| 击穿电压 | 330 | 340 | 310 | 280 | 270 | 280 | 280 | 290 | 300 | 320 |
表1显示在氩气氛中压力与击穿电压的关系。
而且，对于在其间具有5μm到10μm间隙的钨电极和铂电极，在施加400V电压的情况下观察了在一个大气压下的空气或氢气中等离子体的产生。
图3(A)显示了基底电极阵列的顶视显微照片。图3(B)显示了等离子体产生区域9的邻近区域的侧显微照片。
图4是显示利用基底电极产生等离子体的状况的示意图；(A)显示等离子体产生之前的状况；(B)显示等离子体产生观察中的状况。
目前为止，还没有使用基底上的电极在微小区域中产生等离子体的例子；本发明首先使这一点得以实现。本发明的基底电极等离子体发生装置能够在同一基底表面的多个任意位置产生微细的等离子体。
第二实施例
图5是显示使用基底电极等离子体发生装置在同一或分离的基底上的任意位置上形成各种薄膜的过程的示意图。如图5(a)所示，将硅基底12放置为与基底电极等离子体发生装置10相对；在将三乙氧基硅烷(TEOS)气体引入空气或氧气气氛中的同时，通过在任何所需位置产生等离子体可以在该位置形成SiO2薄膜。在图5(b)中，在将三甲氧基铝(TMA)引入真空中的同时，在另一电极对处产生等离子体时形成了铝薄膜。接着，图5(c)显示当将甲硅烷(SiH4)引入真空中时在一分离的位置形成了硅薄膜。以这种方式，使用基底电极等离子体发生装置，可以通过改变反应气体而在任意位置上形成并构成包括任意材料的薄膜图形。此外，通过引入用于激光磨蚀和离子掺杂的装置，可以在任意位置形成各种元件，例如TFT。
图5(d)显示当基底电极等离子体发生装置引入三乙氧基硅烷(TEOS)时在同一基底上形成了SiO2绝缘膜。通过控制反应气体的类型和等离子体产生区域，可以在同一基底上的任何位置形成薄膜、半导体膜等等。
而且，当引入不是气体状态(而是液体状态)的反应材料例如丙烯酸单体时，由通过产生等离子体得到的等离子体聚合可以在基底上形成丙烯酸。通过控制单体的类型和等离子体状态，也可以在同一基底上形成具有不同折射率的微光学元件。
第三实施例
图6显示使用基底电极等离子体发生装置进行基底表面处理的过程。在氧气气氛中对包括有在玻璃基底19上形成的聚酰亚胺膜18的基底进行等离子体处理。这一过程可以在空气中进行或是当引入氧气时进行。如图6(b)所示，可以使该表面的任意位置具有亲水性。该氧气等离子体处理还对聚酰亚胺残留物具有灰化的效果。接着，通过移动基底或基底电极等离子体发生装置，并在引入CF4气体的同时进行对未处理的聚酰亚胺表面的等离子体处理，可以形成疏水表面。反应气体还可以是另一种氟气，例如SiF4。因此，如图6(d)所示，可以重新形成同一基底上的表面的任何位置以获得亲水性或疏水性。
第四实施例
图7显示利用基底电极等离子体发生装置和喷墨涂印装置的组合来形成微光学薄膜的过程。喷墨涂印装置26具有喷墨头27，28，29，30，从这些喷墨头中喷射出SiO2前体墨31并在具有由聚酰亚胺形成的隔离区24的玻璃基底25上在所需玻璃表面上构成图形。例如，优选使用包括聚硅氨烷的液体作为SiO2前体墨。利用基底电极对33和34产生等离子体37，并使用包括基底电极对33，34，35，36的基底电极等离子体发生装置32形成SiO2薄膜。此外，如图7(c)所示，从喷墨头28，29和30喷射出TiO2前体墨39。使用包括诸如四异丙氧化钛的金属烃氧化物的液体作为TiO2前体墨。最后，如图7(d)组合基底电极等离子体发生装置和喷墨装置，使得能够在单个基底上简单地形成四种类型的薄膜，TiO2，SiO2，SiO2/TiO2层叠膜，和(Si，Ti)O2混和膜。通过形成包括具有不同折射指数的材料，例如TiO2，SiO2，(Si，Ti)O2的薄膜，可以在同一基底上形成具有不同折射指数的光学薄膜。通过层叠具有不同折射指数的薄膜还可以形成DBR镜。
第五实施例
图8显示使用基底电极等离子体发生装置进行的硅基底局部腐蚀。可以在任何位置进行硅腐蚀。可使用诸如CF4的氟气作为有效的气氛气体。
如上所述，本发明的基底电极等离子体发生装置尺寸小，价格低廉，比常规等离子体装置能耗少，并且能够实现简单和高效的物质和材料处理方法，例如在基底上任何位置的多个微小区域上形成功能性薄膜，表面处理，化学反应。通过将等离子体发生装置与喷墨涂印装置组合，能够实现简单的功能性薄膜形成方法，和用于上述功能性薄膜和物质及材料的宽广范围的物质和材料处理方法。
Claims (14)
1.一种基底电极材料加工装置，用于在真空、气体、或液体氛围中的材料上进行加工，该装置包括：
单一的基底；
在所述单一基底上设置的至少一对电极，用于在真空、气体、或液体氛围中，在所述至少一对电极之间产生等离子体，所述至少一对电极与所述基底相对于所述材料的位置是这样设置的：能够使得所生成的等离子体在所述材料上进行加工；
其中所述电极对是包括设置在基底上的薄膜的电极对。
2.根据权利要求1的基底电极等离子体发生装置，其中所述电极间隙很小，并且等离子体在所述电极对之间的小区域产生。
3.根据权利要求1的基底电极等离子体发生装置，其中所述电极间隙是5μm到10μm。
4.根据权利要求1的基底电极等离子体发生装置，其中利用所述电极对产生的等离子体是直流等离子体，交流等离子体或高频等离子体。
5.根据权利要求1的基底电极等离子体发生装置，其中所述任意气氛是真空，气体或液体。
6.根据权利要求1的基底电极等离子体发生装置，其中在同一基底上建立多个电极对，同时独立地对每个所述电极对进行控制。
7.一种物质和材料处理方法，其中通过使用根据权利要求1-6中任何一项的基底电极等离子体发生装置，在一分离的基底或材料上的任意位置形成包括任意材料的薄膜。
8.一种物质和材料处理方法，其中通过使用根据权利要求1-6中任何一项的基底电极等离子体发生装置，在同一基底上的任意位置形成包括任意材料的薄膜。
9.根据权利要求7或8的物质和材料处理方法，其中所述薄膜的源材料是气体或液体。
10.一种物质和材料处理方法，用于通过使用根据权利要求1-6中任何一项的基底电极等离子体发生装置，进行以下至少一种类型的表面处理：灰化，腐蚀，清洗，和分离基底表面的重新形成。
11.一种物质和材料处理方法，用于通过使用根据权利要求1-6中任何一项的基底电极等离子体发生装置，在一分离基底上的任意位置使用任意材料进行化学反应。
12.一种物质和材料处理方法，用于通过使用根据权利要求1-6中任何一项的基底电极等离子体发生装置，在同一基底上的任意位置使用任意材料进行化学反应。
13.根据权利要求7中任何一项的物质和材料处理方法，其中使用喷墨方法作为在进行所述物质和材料处理方法中使用的涂敷任意液体材料的方法。
14.根据权利要求13的物质和材料处理方法，其中在所述喷墨方法中使用多个喷嘴来涂敷一种或多种类型的液体材料。
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