微小等离子体反应器的制作及性能测试

设计了基于并行探针驱动的扫描刻蚀加工系统,用于微纳米尺度的刻蚀加工。研究了系统的核心器件-微小等离子体反应器的电学特性和发射光谱特性,以了解反应器中产生的反应等离子体性能的变化规律。基于微机电系统(MEMS)加工工艺制备了中间带有倒金字塔形状微型空腔的金属-绝缘体-金属3层结构的微小等离子体反应器。搭建了可测量等离子体伏安特性和发射光谱特性的实验系统,对放电气体为SF6,工作气压在5～12kPa,直流驱动模式下的微小等离子体反应器的电学和光谱特性进行了测试。实验结果表明,放电电流随着放电电压的增加而近似线性递增,放电电流由5kPa时的2.1～2.82μA递增到12kPa时的3.6～4.2μA,表明所产生的微小等离子体处于异常辉光放电模态。当器件特征尺寸由150μm减小至30μm时,微小等离子体发射光谱中氟原子特征谱线(703.7nm)峰值增大了约56%,表明微小等离子体的浓度随尺度缩小而增强。实验结果表明,设计的微小等离子体反应器基本满足扫描刻蚀加工所需的高浓度等离子体源的性能要求。

微小等离子体反应器的导出机理研究

提出了一种通过空心阴极底部的微孔及外加偏置电场的方法实现微小等离子体导出的机制,并采用二维流体模型对其进行了数值仿真研究。当工作气体为SF6、工作气压为2～9kPa、微孔半径为0.25μm时,F原子最大束流密度在(1.53～5.62)×1014cm-3.s-1之间,SF5+最大束流密度在(2.46～7.83)×1016cm-3.s-1之间。工作气压为5kPa时,样品表面处F的平均能量为3.82eV,散射角在-14°～14°之间;SF5+的平均能量为25eV,散射角为-13°～14°。当偏置电压在10～50V之间变化时,SF5+平均能量在52～58eV之间变化。上述F、SF5+密度满足硅基底材料的有效刻蚀需要,验证了扫描刻蚀加工的可行性。

O2介质阻挡放电微等离子体制备O3

介质阻挡放电(DBD)是工业生产臭氧(O3)最有效的方法。研究以O2为原料气采用DBD微等离子体放电制备O3,研究了放电间距、放电长度、放电功率以及停留时间对产生O3的影响。此外,通过向正弦AC等离子体电源中叠加调制脉冲,探讨了脉冲占空比与调制频率对O3生成的影响。结果表明:O3浓度与DBD反应器的放电间距呈负相关,与O2的停留时间呈正相关,放电功率及有效放电长度对O3浓度的影响呈现火山形变化趋势。综合考虑O3浓度及能量产率确定了适宜的参数。与普通正弦交流电源相比,在其基础上叠加脉冲调制电源有利于O3的产生,而能量产率与占空比呈正相关,与调制频率呈负相关,据此确定了合适的占空比与调制频率。

用于扫描刻蚀加工的微小等离子体反应器的设计和实验

提出了一种新的基于并行探针的扫描等离子体刻蚀加工方法,设计并研制了其中的核心器件——微小等离子体反应器,测量了该器件的伏安特性曲线,分析了其电学性能随工作气压和器件尺寸的变化规律,以及器件损坏的机制,实验结果表明,当放电气体为SF6,工作气压在2 000-6 000 Pa之间变化时,该器件能产生较为稳定的微等离子体,放电电压在390-445 V之间,功率密度在10-150 W/cm2之间,从而为进一步将其应用到扫描硅刻蚀加工提供可能。

利用溅射反转剥离工艺实现微放电器Ni电极图形化

研究了实现微放电器Ni电极图形化的溅射反转剥离工艺,即采用磁控溅射沉积Ni薄膜,利用图像反转法实现金属剥离.以硅为基底分析了转型烘烤和显影等因素对AR-U4030光刻胶反转的作用,研究了Ni膜溅射功率、时间以及超声振洗等条件对剥离的影响.实验表明,剥离Ni膜厚度为200nm时,图形精度可达2μm.最后,利用溅射反转剥离工艺实现了倒金字塔深槽中金属的剥离,简化了微放电器Ni电极的图形化工艺,由此制备的微放电器在SF6等离子体中稳定放电.