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用于无掩膜刻蚀的微小等离子体反应器的工艺制备和性能测试

作　者: 张秋萍
导　师: 褚家如；文莉
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 精密仪器与机械
关键词: 无掩膜刻蚀微放电器工艺优化性能测试
分类号: TN305.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

等离子体刻蚀技术因其较高的刻蚀速率、良好的方向性和材料选择性等优势得到了广泛应用。但在传统的刻蚀加工中,等离子体作用于整个样品表面,需要昂贵的设备及复杂的图形转移工艺来实现局域加工。近年来,许多研究者尝试将等离子体限制在1mm以下的微结构中,可实现局部无掩膜刻蚀。然而,这些微等离子体无掩膜刻蚀器件通常只能达到百微米的刻蚀分辨率,远不能满足更高精度加工的需求。为此,我们提出了一种基于并行探针驱动的扫描等离子无掩膜体加工方法,即将倒金字塔微放电器集成在扫描探针的针尖上,利用倒金字塔空心阴极效应放电产生高浓度等离子体,并将其通过针尖尖端的纳米孔导出到样品表面,实现亚微米量级的无掩膜扫描加工。倒金字塔微放电器是无掩膜扫描等离子体刻蚀系统中的关键器件,主要包括阳极金属Ni/聚酰亚胺(PI)绝缘层/阴极金属Ni三层结构,并且具有倒金字塔空心阴极。本文研究了该微放电器的尺寸优化、工艺制备、测试系统搭建和性能测试,实现了微放电器在SF6中稳定放电。由于倒金字塔微放电器集成在探针上,这引起倒金字塔中电场的改变,从而引起等离子体分布和性能的改变。因此,本文使用ANSYS软件对微放电器电场仿真,重点研究了阴阳电极和绝缘层几何尺寸等对电场分布的影响,获得了有利于等离子体产生和维持的结构尺寸。制作过程中,微放电器中倒金字塔深槽的存在使得阳极Ni的图形化、PI绝缘层的制备和图形化相当困难。针对以上工艺难点,本文重点做了以下几方面的研究:(1)利用溅射反转法剥离工艺实现阳极Ni的图形化,提高了电极图形精度和薄膜质量,并简化了工艺过程。(2)研究PI制备中固化工艺参数对PI膜厚、亚胺化程度和介电特性的作用,并优化工艺参数,得到质量、性能良好的PI膜。(3)研究PI图形化中RIE刻蚀参数对PI刻蚀速率、表面粗糙度和刻蚀残留物的影响,优化试验参数,在保证PI图形化质量的同时,提高刻蚀速率。基于以上制作工艺,成功制作出了质量良好的倒金字塔微放电器。最后,本文设计并搭建了微放电器性能测试系统,测得了微放电器在SF6中稳定放电的电学性能和光谱特性,分析了放电器特征尺寸、放电气体压强、放电气体成分、测试电路等对于放电性能的影响,从而为后续的无掩膜扫描刻蚀加工的研究奠定了坚实的基础。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-6
第一章绪论  6-17
  1.1 微小等离子体反应器  6-12
    1.1.1 微小等离子体反应器概述  6-9
    1.1.2 微小等离子体放电过程的尺度效应  9-10
    1.1.3 微小等离子体反应器发展和应用  10-12
  1.2 局域等离子体刻蚀技术  12-14
  1.3 论文研究目的和意义  14-15
  1.4 论文主要研究内容及结构  15-17
第二章微小等离子体反应器的结构尺寸优化  17-27
  2.1 微小等离子体反应器特征尺寸  17-18
  2.2 微小等离子体反应器基本结构模型  18-20
  2.3 微小等离子体反应器结构分析  20-26
    2.3.1 微放电器功能材料尺寸的作用  20-23
    2.3.2 绝缘层中气泡的作用  23
    2.3.3 倒金字塔特征尺寸的作用  23-24
    2.3.4 倒金字塔特征和平面微放电器的区别  24
    2.3.5 结构仿真总结  24-26
  2.4 本章总结  26-27
第三章微小等离子体反应器的工艺制备  27-41
  3.1 微小等离子体反应器工艺概述  27-28
  3.2 金属图形化工艺  28-34
    3.2.1 图像反转剥离工艺  29-33
    3.2.2 阴极负胶剥离工艺  33-34
  3.3 PI 制备及刻蚀工艺  34-40
    3.3.1 PI 工艺研究  35-39
    3.3.2 PI 性能研究  39
    3.3.3 PI 性能研究总结  39-40
  3.4 本章总结  40-41
第四章微小等离子体反应器的性能测试  41-54
  4.1 微小等离子体反应器测试系统  41-45
    4.1.1 微放电器夹持支架  41-42
    4.1.2 微放电器电学性能测试部分  42-43
    4.1.3 光谱性能测试部分  43-45
    4.1.4 测试系统总结  45
  4.2 微小等离子体反应器测试结果及分析  45-53
    4.2.1 电学性能测试分析  46-51
    4.2.2 光谱性能测试  51
    4.2.3 刻蚀性能  51-52
    4.2.4 器件破坏分析  52-53
  4.3 本章总结  53-54
第五章总结与展望  54-57
  5.1 总结  54-55
    5.1.1 论文研究内容总结  54-55
    5.1.2 论文创新性总结  55
  5.2 展望  55-57
参考文献  57-61
攻读硕士学位期间发表的论文  61-63
致谢  63

用于无掩膜刻蚀的微小等离子体反应器的工艺制备和性能测试

内容摘要

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