（精密仪器及机械专业论文）基于并行探针驱动的扫描等离子体加工技术的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

捅要 摘要 攀于扫攒捺针豹皴绥船工技术作为一零孛无掩模的扫撼微细热工按术， 因其所需设备简单和加工精度高达纳米量级，目前已在纳米机械加工等诸多 领域受割广泛关注和研究。键这耱青嚣工按术在实霸纯之前，还存在诸翔糯工 效率低，可加工材料有限，无法实现对功能材料的囊接加工等不足。利用局 域化的微小等离子体进行直接刻蚀加工，则是解决上述问题的重要途径。我 镪穆微小等褰子体发生装嚣篾戚在糖绉探钟上，提出了一尊孛荔豹基予并行攘 针驱动的扫描等离子体刻蚀加工方法。 论文酶主要研究工作如下： 1 1 在直流等离子体放电和空心阴极放电的理论熬础上，研究了扫描等离 子体刻蚀加工系统的核心器件倒金字塔结构的微小等离子体反应器的产 生祝蘧帮参数尺度效应，莠对其放魄过程进行了数毽傍真。数 直仿真的缝粜 显示当放电气体为s f 6 ，工作气压在5 - 9 k p a 之间时，有效刻蚀成分一一氟 漾子浓度在l 1 0 1 1 5 1 0 撼。m 。之淹交伲，并集中分布在黎近空心溺极底帮 区域，为后续微小等离子体的导出和实现高效率的刻蚀加工提供了理论依 据。 2 营次提如了一穆耨豹纂子并行攘针驱动的扫攒等离子髂热工技术。该 方法通过将微小等离子体反应器集成在扫撒探针微悬臂梁上，并通过针尖处 的徽孑l 将等离子体魏策后弓l 入到萋笄表面实璇壹缓豢i 镀蠡工。逶过使爱微小 等离子体进行的直按刻蚀加工，加工效率高，可加工多种功能材料，有效解 决了基于扫描探针的加工方法效率低，可加工材料有限的缺点。通过含弧微 岽尺发微孔豹空心针尖，可实瑷微小等离子体有效导出和约束，掇高了劐蚀 加工的分辨率。通过集成在微悬臂梁上的压电陶瓷薄膜可实现加工过程中的 串辫秘举技术犬学博士学位论文 囊进绘帮自检测，当采用微懋甓梁黪列时可实现劳行扫描加工。通过对微小 等离子体反应嚣、空心针失葶蠢舔宅鬻瓷薄搂涮作方法熬研究，验证了建特秘 压电陶瓷微愚猎粱遥行箱播粼德蕊王的可行往。 3 ) 组建了一粪实验测量系统，表征了微小等离子体反应器的电学性能和 光谱特瞧。由实验结禁搿到，当器件特征尺寸在5 0 。l o o g m ，5 2 作气压在5 + 1 2 k p a 之间，： 俘电压在3 5 0 4 8 0 v 之间时，可产生稳定的放电，且可观测 裂显蔫静氟琢予特徭光谱，在实验霸凄送一步验淫了徽，l 、等离子体反应嚣中 产生了寄浓度豹氟蠹予，将熬应甭到扫绉等离子体麓工中去怒切实魂1 亏二懿。 基于以上研究，本文在以下方面鼠有创新之处：1 ) 扫掐等离予体加工 跫本文首次提出的全瓤骢扫攒无掩摸微细加工技术，通过在扫描探针上集成 微小篱离子 本反应嚣，可实现囊接的扫描刻蚀加工，蒡具有刻蚀效率商，可 蕊工丰芎料广泛班获装溪篱草、分辨率离等优点，逶台予多熬耪、小撤蹩懿微 镝米器件的蕊工。2 ，透过铡金字塔形状的微，j 、等离子俸反应器可产生高浓 媵、稳定的放电，且其中的有效刻蚀成分含量高，可用于高效率的扫描刻蚀 热工。3 ) 通过带有豫微米尺度微孔结构的空心针尖，可实现微小等离子侮 有效约隶季h 导出，为扫描刻蚀加工的分辨章的提高提供了保证。 关键谲扫籀深钟技术，微小等离予落，扫攒等离予体蕊王，徽小等离子髂 反应器，伏安特性，发麓光诺 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et oi t ss i m p l es t r u c t u r em a dh i g hr e s o l u t i o n ，s e a n n i n g p r o b eb a s e d m i c r o f a b r i c a t i o na t t r a c t sw o r l d w i d ea t t e n t i o n s t h e r ea r es t i l ls o m ep r o b l e m st o b eo v e r c o m eb e f o r ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，s u c ha s ：l o wp r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n d f e wm a c h i n a b l em a t e r i a l s m i c r o p l a s m ab a s e dd i r e c te t c h i n gm a ys o l v et h e s e p r o b l e m sw ep r o p o s ean e wt e c h n o l o g y - - - - s c a n n i n gp l a s m ae t c h i n gb a s e do n p a r a l l e lp r o b ea c t u a t i o n t h em a i nw o r k so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s eo np h y s i c a im e c h a n i s mo fd cp l a s m aa n dh o l l o wc a t h o d ed i s c h a r g e ， t h es c a l el a w so fm i c r o p l a s r n ar e a c t o ra n di t si n f l u e n c e si ns i l i c o ne t c h i n ga r e a n a l y z e d t h em i c r o p l a s m ai ss i m u l a t e db yat w od i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i c m o d e l e l e c t r o na n dr a d i c a ld e n s i t ya r ei n v e s t i g a t e d ，t h ef l u o r i n ei s c o n c e n t r a t e di nt h ec a t h o d ec a v i t y f l u o r i n ed e n s i t yr a n g e sf r o m1 10 1 0 1 5 1 0 1 2 c m 一i tv a l i d a t e st h a tt h em i c r o p l a s m ar e a c t o ri ss u i t a b l ef o rs i l i c o n e t c h i n gi nt h e o r y ( 2 ) as c a n n i n gp l a s m ae t c h i n gs y s t e mb a s e do np a r a l l e lp r o b ea c t u a t i o ni s p r o p o s e dh e r e m i c r o p l a s m ai sg e n e r a t e di nt h em i c r o p l a s m ar e a c t o r ，a n d e j e c t e dt h r o u g h a n a p e r t u r ep r o b e t h ef e e d i n ga n dd e t e c t i o ns y s t e mi s r e a l i z e db yt h ep z tm i c r o - c a n t i l e v e r t h ef a b r i c a t i o np r o c e s s i n go ft h e s y s t e mi sa n a l y z e da n dv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s ( 3 ) t h ec h a r a c t e r i z a t i o ns y s t e mo ft h em i c r o p l a s m ar e a c t o ri sd e v e l o p e d i - v c u r v ea n do p t i c a le m i s s i o ns p e c t r aa r eo b t a i n e d s t a b l es f 6d i s c h a r g ec a nb e g e n e r a t e d i n m i c r o p l a s m a r e a c t o r t h es p e c i a l s p e c t r a lc o r r e s p o n d i n gt o l i i 中国科学技术火学博：l 学位论文 a t o m i cf l u o r i n es h o w sr e m a r k a b l ep e a k si tv a l i d a t e st h a tm i c r o p l a s m a r e a c t o ri ss u i t a b l ef o rs i l i c o ne t c h i n g k e y w o r d ss c a n n i n gp r o b e ，m i c r o p l a s m a ，s c a n n i n g p l a s m a e t c h i n g m i c r o p l a s m ar e a c t o r ，i - vc u r v e ，o p t i c a le m i s s i o ns p e c t r a i v _ 第1 旗绪论 第 章绪论 1 1 微细加工技术概述 隧羞擞抚电系绞( m e m s ) 弱发震，徽缀麴工菝术馋为实瑷m e m s 鼓零故 关键日f 起各国研究者和工业界的极大关注。要想加工出高精度的m e m s 器 件，必须要具备稽应的微纲黼工技术。骰缁船工技术是m e m s 丰支术的棱心 技术，是m e m s 技术的关键和基础，也是m e m s 技术研究中最活跃的领域 【1 ，”。离丌了先进、可靠的微细加工技术，m e m s 的研发将受到极大的制 鹭，羹不麓形鼓生产麓力，m e m s 器辫和系绞豹磅究也只能是空中搂耀。 微细加工技术( m i c r o f a b r i c a t i o n ) 起源于半导体制造工艺，是指加工尺 度在微米级范围静加：【方式，在m e m s 磷究领域中，它楚微米缀、亚徽零 级乃至纳米缎微细加工的通称。且谢，常用的微细加工技术多为采用掩模的 微细加工技术，主要步骤为光刻和刻蚀。 光舞技零俸为攮模微缨加工技零豹关键步骤，其栩工分瓣率巍按决定了 掩模微细加工的精度。光刻技术即酋先在揍底材料上涂覆光刻胶，然后利用 极限分辨率缀商的光荣来避过掩模对光刻胶迸行曝光( 或称光亥1 ) 。显影愿， 在光刻胶上获得了与掩模图形相同的微图形。利用后续的剡蚀方法，便可在 基底材料上制造出徽图形缩构。目前，光蠹0 技术主要采用的曝光技术有：x 袈线曝光技术阱1 和紫努曝光技术5 , 6 1 。党粼技术具有较毫瓣分瓣霉筹霹加工效 率，且技术已发展得相当完善。但其分辨率提高受光学衍射效应局限。 刻蚀技术通常分为温法猁蚀稳于法麴镄。澄法麴链是捌霞亥l 镄液进行浆 化学刻蚀方法，于法刻蚀则是通过气态刻蚀刿进行的刻蚀加工方法。 湿法刻蚀【7 1 具有加工效率高，选择性好等优点。但它作为一种化学刻蚀 中潮科学技术大学博士学位论文 方法，加工精度较低，一般只能达到微米量级。 干法刻蚀蔗靠刻蚀剂的气态分子与被刻蚀的样晶表面竣触来宴璇刻蚀 功能的。干法刻蚀主要有离子刻蚀( i e ) 8 、离子京刻蚀( i b e ) 9 1 、等褰子体 剡蚀( p e ) 、反应离子刻蚀( r i e ) 1 1 1 和反应离子束刻蚀( r i b e ) 1 2 1 等。其中等 凄孑体亥l 锤或反应离予麴馁薏鋈前主簧栗爱豹手法荆蚀工艺。蘸誊主要是气 体放电产生的游离基对基体的化学刻蚀过程，选择j 胜好；后者对基体的刻蚀 既有反应中性游离基的作用，又有反应离子的作用，所隧既有化学刻蚀过 程，又有物理剡蚀过磁。这些_ i 艺的特点是刻蚀速率较高，可如：鸯誊辩弛类 广泛。 除了上述涎掩模徽囊女& 王方法，酲翦毽骞一些其他掩挟徽缀翻工方法 得到了应用，血h l t g a 技术等。 l i g a 是由德文l i t h o g r a p h i e ( n i j 敝术) 、g a l v a n o f o m u n g ( 俦成形) 和 a b f o m u n g ( i + 燮臻三个词生成的练写调，是一弛快速微加工技术。l i g a 技 术 13 - 1 6 】包括三个工艺过程：深度同步辐射x 射线光刻、电铸成形和注塑。 l i g a 技术所抽工麓咒何结秘不受耪瓣特性秘络晶方裔豹隰澍，瑟以澍遥麦 各种金属材料、塑料制作的微机械。l i g a 技术可以制造具有很大纵横比的 三维徽结构。纵向尺寸可达数百微米，最小横向尺寸为1 微米。尺寸精度达 亚微米缀，两且有根蕊数垂赢没、平行度和蘧复糖度。此外，人们又发展了 利用常规的紫外光光刻方法的准l i g a i 艺f 】。但l i g a 技术存在采用昂贵的 曝光光滚，工艺步骤较复杂等不是之楚。 l 。2 扫搓无掩模微细如王技术磷究进鼹 采用粱焦能量束等方法进行的无掩模加工技术，可省却掩模制作过程。常 用的无掩模微细加工技术有聚焦离子束加工技术( f i b ) 1 8 _ 2 m ，电子寐加工技 第l 肇绻论 术、无掩模光刻技术【2 2 】和基于扫描探针的微细加工技术【2 3 】等。聚焦离子 束加工技术又分为聚焦离子乘刻蚀f i l 1 9 和聚焦离子束辅助亥蚀【2 锨技术。聚 焦裹予京加工采用聚焦到极小直径的离子柬进行材料直接去除加工，可以加 工各种功能材料，且加工精度高。但它需要复杂的离子聚焦系统，作为单束 宰行掘工时，还存在麓工效率羝懿钦点。w i l l i a mp a r k e r 等刚大邋过采簿多 柱、多发射灏相结合的多电子束系统可以同时实现6 4 3 2 个电子柬的并行加 工，解决了普通电予束加工方法单柬串行加工效率低的闫熬。但电子束加工 技术和无掩横光刻技术还存在可加工材料有限，加工精度受衍射效应局限等 不足。 图i - 1 ：利用扫描探针的微缩加工技术用予加工金耩一氧化物器件的示意淄 剩用扫撼攘针的徽细加工技术作为一转有效的器件加工手段，可以加 工出传统光刻技术难以加工的纳米尺度的器件。采用扫描探针的微细加工即 翻瘸扫籀隧遂显徽辘( s t m ) $ i i 缀予力显微镶( a f m ) 等工具亲进行纳涨尺凌鳃 微图形化的纳米加工技术【孙1 。其中应用最为广泛的是利用在大气环境下工 作的导电a f m ( 或s t m ) 针尖进行的样晶表面的选择往粥极氧亿拉“。掬工 愿理类似于传统的电化学氧化反应( 图1 - 1 ) ：a f m s t m 针尖代替了电化学过 程中的阴极，在探针针尖和样品表丽间形成的微小尺度的液膜作为电解液， 当在针尖上麓鼗受向臻嚣电悉时，缮品表露靠近针尖静区域会影成横肉尺发 中国科学技术大学博l ：学位论文 1 0 1 0 0n m ，深度1 1 0n m 的氧化层。氧化层图形的大小取决于样品的材 料、针尖形状和工作条件。 基于扫描探针的微细加工方法目前已经广泛应用于各种领域【2 4 。0 1 ，如： 加工用于选择性刻蚀的掩模2 6 1 ，用自组装薄膜( s a m s ) 进行模板图形化生长 2 7 】，导电薄膜上的纳米导线图形化 2 8 , 2 9 】，材料的直接刻蚀加工【3 。在这些 应用领域中，扫描探针极高的加工精度和优越的成像能力使得其成为一种器 件加工的有效工具。另外，随着m e m s 器件加工工艺的发展，使得加工大 规模的a f m 探针阵列成为可能t 3 0 , 3 1 1 。上述这些进展，使得基于扫描探针的 微细加工成为一。神潜在的高效微细加工技术。 但是，目前基于扫描探针的加工技术还存在如下一些问题：1 、图形加 工可重复性差，2 、加工速度陧、效率低，3 、在功能半导体或金属器件上操 作的困难性。如何解决上述的问题，以便使基于扫描探针的微细加工技术适 用于实际器件的加工，目前受到广泛关注。 下面我们简要两种基于并行探针的扫描无掩模微细加工技术。 美国西北大学m i r k i n 首先提出了蘸水笔纳米加工技术( d p n ：d i pp e n n a n 0 1 i t h o g r a p l l y ) 3 2 ，实现样品表面高精度图形的直接加工。d p n 利用原子 力显微镜a f m ( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ) 探针将s a m 材料沉积在样品表 面，得到单分子层的沉积图形。图1 2 即d p n 的加工原理图3 2 1 。操作前， 通过浸入s a m 溶液或蒸发镀膜的方法在探针表面上沉积一层s a m 薄膜。 工作时，探针针尖与样品表面接触，因空气中存在水蒸汽，在毛细管效应的 作用下，针尖和样品表面之间形成弯月形液面的微液滴( 如图1 2 中所示) 。 沉积在针尖表面的s a m 材料溶解在液滴中，在浓度梯度的作用下，沿着探 针表面扩散到样品表面。探针沿着样品表面做扫描运动，其经过的区域内， s a m 分子发生自组装，并被表面的原子或分子吸附，沉积在样品表面形成 第1 黎姥论 单分予层薄膜。探针针尖的尺度小至纳米遗缴，因此可以加工线宽小于1 0 0 h 掰懿錾形。 圈1 2 ；d p n 加工原理圈 到羯m e m s 技术加王褥到的徽怨譬粱攥针辫烈可实瑷并行般工，提麓 热王效率 3 3 ；3 4 , 3 5 。已有采爝疆静类黧懿搽钟阵列褥到应照f 3 5 j ：氮化醚探针 阵列，探针问距1 0 0 “m ，探针数目为3 2 ；带有硼掺杂磁针尖的探针阵列， 探钳闻距为3 1 0 f 脒，探钟数鹜鸯8 。 爵前，d p n 已缀能够在金属，半导体，绝缘材料的表丽上进行薄膜 沉织，在金膜上得到的l 一十八烷硫醇( 1 一o d t ：o c t a d e c a n e t h i 0 1 ) 形，最小线 交为6 0 a m t ：引。 毽d p n 加工技术仍存在热下些翊越：l ，可船工裂影豹露发仪限零分 子滕，2 可沉积的材料种炎有限，坷；能直接避行功能材料的加工。 德国卡寨尔大学的j ，v o i g t 等人提出种采用掴播徽喷嘴授术的徽缁翔 3 2 方法纳米喷流加工( n a n o j e t ) 陋3 9 。该技术通过微波源产生高密度 懿铎离子体，凄霸深搂壤姆英弓| 入到撵撼淡嚣，实现了纳米尺度豹局域剡 蚀。鬣1 - 3 为n a n o j e t 懿黎理示惑 3 6 1 。电中性瓣活牲鑫由基淘微波源中 产生，在气压梯度( 因等离子体源和样品所在真空腔之间的气体压力不问， 在姆管内形成了魏阗1 - 4 中所示方向向下的气压梯度) 的作厨下，沿导管经 中国科学技术大学博二 - 学位论文 纳米尺度直径的喷嘴导出，形成直径极小的活性自由基粒子束投射到样品表 面，实现局域选择性刻蚀。 图1 3 ：等离子产生和工作原理图 图1 - 4 ：n a n o j e t 加工与检测示意图 图】一4 为n a n o j e t 的加工与检测原理图，以纳米喷嘴作为a f m 探针 针尖可对表面形貌进行成像。目前，n a n o j e t 技术已经应用在硅的刻蚀加 工【3 8 。采用直径为1 0 0 n m 的喷嘴，可得到硅刻蚀图形的最小线宽为 1 4 0 n m 38 1 。通过采用纳米喷嘴阵列实现并行加工，可进一步提高加工效率， 目前已得到含4 个纳米喷嘴的n a n o j e t 阵列 3 8 ，但还没有相关并行加工的 实验结果。 n a n o j e t 通过采用纳米尺度的微孔将微波源中产生的活性自由基导入 第1 帮绪论 到样品表面实现局域选择性刻蚀，具有刻蚀速率高，可加工材料广泛，无需 复杂的粒子聚焦系统，加工精度可运纳米羹缀等优点。但它存在如下一些阀 题；l 、通过气压梯度驱动粒子束，对反应象的真空度要求赢；2 、搽针簿判 相互位置固定，不可移动，无法实现单个探针的独立控制；3 、探针阵列中 各个搽锋由予麓工耩渡的误蓑，两形藏戆尺寸不一毁，奁劳行壹羹王时较滚绦 证探针和样品间距的一致性。 采用扫攒探针的微细加工技术存在仅可加工有黼种类的材料，较难实琥 在功熊材辩表蕊直接嬲工的缺点。如 可提赢基于扫攒探针的微细热工技术的 加工效率和实现功能材料的蕴接加工，目前已受到广泛关注。 1 3 等离子体微细加工技术和等离予体微型亿研究遴展 1 3 1 等离予体微细加工技术概述 在半导体技术和强梳毫系统( m e m s ) 领域，等离子体徽绍鸯骚王技零褥爨 广泛的应用。等离予体微细加工即刹用反应气体进行的各种材料的刻蚀加工 a o - 4 7 。 传统等亵子体微鳃加工方法主要采用乎行乎投i “1 、感应勰会 4 9 - 5 1 】以及 电子回旋 5 2 , 5 3 】等离子体反应器。这些等离子微细加工方法都是以宏观等离子 体为藿穑静，主要遥稻子大麦凳模豹半导体器l 宰蕊王，热工精度一般在徽岽到 亚微米尺度。等离子体微细加工是一种掩模加工技术，在进行选择性刻蚀 时，都需要在基片表面采用掩模材料保护无需加工的区域，其加工精度取决 予掩模毽形光劐曝光豹精度，无法遗用于小舞乏量、多品静的微纳米器 牛的加 工。如何将等离子体技术与扫描探针技术结合，则涉及到等离予体的微型 化。我嚣j 将在下面讨论等离子髂镦型纯豹研究遂震，重点分绥麴露产生密终 中田科学技术火学博士学位论文 束小尺度的等离子体。 1 3 2 等离子体微型化的研究进展 微小等离子体即在微观尺度约束下实现的等离子体发生方法，由于其结 构简单，对真空度要求低等独特优势而被广泛应用。目前已有许多微小尺度 等离子体器件出现，主要应用在显示领域5 ”。其他的应用领域包括光谱 学、废物处理，火炬系统，刻蚀和沉积等。 等离子体微型化的思想来源于显示技术。1 9 5 0 年代在数字显示领域出现 了基于等离子体发光的字符显示器件，又称数码管5 ”。数码管的结构为内 部具有公共阳极的空心玻璃管，阳极与1 2 0v 电压相连；十个约3c m 高， 形状分别为数字1 1 0 的独立阴极，其上加载一4 0v 的偏置电压以维持玻璃 管内的扩散等离子体。当偏置电压为一6 0v 时，对应的字符阴极被点亮，其 上对应的字符由于二次电子发射产生辉光放电。上述器件最大的问题是阴极 上的金属材料会被溅射到玻璃罩上，可通过在玻璃管后面加上带有网孔的金 属屏来减小溅射效应。 另外一种更好的解决方法是在器件内加入汞蒸汽，可避免电极材料的溅 射效应。上述设计思想来源于另外一种等离子体器件，即由w e s t i n g h o u s e 工程师j o s e p hs l e p i a n 和l e o nl u d w i g 于1 9 4 0 年代发明的放电管 ( i g n i t r o n ) ；5 6 , 5 7 1 。放电管是一种三电极结构的器件。电极材料为石墨，并安装 在充满汞蒸汽的密封圆筒中。放电管的电极l 和电极3 之间加载高压，直到 电极2 和3 之间产生火花，两者之间的通道因存在导电汞粒子和电子而导 通。 数码管技术的一种延伸即等离子体显示屏。n a t i o n a lu n i o n 的a m s k e l l e t 发明了基于直流驱动的等离子体显示屏，由含有平行电极阵列的玻 中田科学技术火学博士学位论文 束小尺度的等离子体。 1 3 2 等离子体微型化的研究进展 微小等离子体即在微观尺度约束下实现的等离子体发生方法，由于其结 构简单，对真字度要求低等独特优势而被广泛应用。目前已有许多微小尺度 等离子体器件出现，主要应用在显示领域l 。其他的应用领域包括光谱 学、废物处理，火炬系统，刻蚀和沉积等。 等离子体微型化的思想来源于显示技术。1 9 5 0 年代在数字显示领域出现 了基于等离子体发光的字符显示器件，又称数码管”i 。数码管的结构为内 部具有公共阳极的空心玻璃管，阳极与1 2 0v 电压相连；十个约3c 高， 形状分别为数字1 1 0 的独立阴极，其上加载一4 0r 的偏置电压以维持玻璃 管内的扩散等离子体。当偏置电压为6 0y 时，对应的字符阴极被点亮，其 上对应的字符由于二次电子发射产生辉光放电。上述器件最大的问题是阴极 卜的金属材料会被溅射到玻璃军上，可通过在玻璃管后面加上带有网孔的金 属屏来减小溅射效应。 另外一种更好的解决方法是在器件内加入汞蒸汽，可避免电极材料的溅 射效应。上述设计思想来源于另外一种等离子体器件，即由w e s t i n g h o u s e 工程师j o s e p hs l e p i a n 和l e o nl u d w i g 于1 9 4 0 年代发明的放电管 f i g n i t r c ，n ) r 5 6 , 5 7 1 。放电管是一种三电极结构的器件。电极材料为石墨，并安装 在充满汞蒸汽的密封圆筒中。放电管的电极1 和电极3 之旬加载高压，直到 电极2 和3 之间产生火花，两者之问的通道因存在导电汞粒子和电子而导 通。 数码管技术的一种延伸即等离子体显示屏。n a t i o n a lu n i o n 的am s k e l l e t 发明了基于直流驱动的等离子体显示屏，由含有平行电极阼列的玻 s k e l l e t 发明了基于直流驱动的等离子体显示屏，由含有平行电极阼列的玻 第1 章绪论 璃平板组成1 5 “。基本结构如l 一5 所示，两电极之间用带网孔的平板隔开，阳 极为显示部件，其中每个象素单元上加工小孔作为光传输的通道。这种器件 的主要问题是：当给某个放电单元加载电压时，则不仅其对应的等离子体象 素点被点亮，相邻象素区域也被点亮，即便采用可调阻抗的方法也不能完全 避免【59 | 。1 9 6 3 年，t h o m p s o n 在空腔中串联电阻，用来维持空间电压，实现 了单个单元的点燃，器件为1 0 x 1 0 的阵列，密度为每英尺2 0 个单元 6 0 1 。 图l 一5 ：直流等离子体显示屏 等离子体显示屏采用直流驱动方式的最大的局限性在于：反应等离子 体所带来的电极材料的溅射效应，导致器件寿命无法提高。1 9 6 4 年i l l i n o i s 大学，作为交互式计算机系统的一个局部器件，b i t z e r 等人将电极放置在玻 璃平板的外侧，制造了第一个交流等离子体显示屏【6 ”。显示屏结构如1 6 所 示，采用交流驱动方式，此时所需的驱动电压比直流驱动方式小，原理如图 1 7 所示：如果加载在维持电极上的电压大于点燃电压，其对应象素点空腔 内产生等离子体，该象素点处于开状态( 导通) ；当交流等离子体放电空腔处 于开状态，则维持电极的电压为正，等离子体中的电子被吸引到维持电极的 侧壁上；由于电荷守恒，对面电极上的电压逐渐上升，同时维持电极上的电 中国科学技术犬学博士学位论文 压逐渐下降，当两者之间的电压差下降到某一阶段后，等离子体将会熄灭； 当等离子体熄灭后，空腔内无电流，因此对面侧壁上保持一定数量的电荷； 当维持电压下降时，对面侧壁仍保持f 电压，因此与点燃等离子体相比，只 需一个较低的电压来维持等离子体。 b a r r i gr i bj d d e l e o 札d e 图1 6 ：交流等离子体显示屏图1 7 ：等离子体显示屏的电压波形图 1 9 6 6 年在器件中加入独立的写入和维持电极，这样每个象素都可以实 现独立写入和擦除吲。第一个商业化的等离子体显示屏由o w e n s c o r n i n g 在1 9 6 8 年制造，采用的是n e a r 混合气体，维持电压1 2 0v 。自从等离子 体显示屏出现以来，在商业化方面f 6 3 , 6 4 1 和电极结构设计方法, 6 5 , 6 6 1 以及等离 子体模拟6 7 1 都取得了显著的进展，这项技术已经在工业界得到充分的认同 6 8 1 。直流驱动的等离子体显示屏采用了溅射产率低的材料制造。在商业化 显示技术中，采用钼材料制造的微小锥形阴极得到了成功的应用 6 。上述 简单结构的器件，又称为微空心阴极( m h c s ) ，在显示技术的研究中受到广 泛的关注【7 0 】。m h c s 被看作是一种潜在的光谱分析工具或紫外光源，以 及在空间技术领域的离子推进源【7 2 1 。它们采用的是导体一绝缘体一导体结 构，在阴极和绝缘体上加工个空腔。阴极上的开口用来作为发光光源。因 此阴极必须具有抗溅射性，一般采用钼材料。具有机械柔韧性的微放电器件 目前已有报导州。 销1 章绪论 在许多其他器件和实验中也有小型化等离子体或等离子体弧的应用。利 用无定型硅材料制造的类l e d 器件中应用了内弧光的原理 7 4 , 7 5 1 。在深度偏 置的p i n 二极管7 6 1 以及其他很多类型的半导体器件 7 7 , 7 8 1 中的缺陷周围有微 等离子体产生。在声致发光泡沫中的辉光，从直观上来看可能与类似微小等 离子的现象有关7 9 1 。在d e h m e l t 阱中的二到三个离子也被认为是微等离子 体8 0 】。在火炬系统中也应用了微小等离子体技术1 8 1 , 8 2 。激光微等离子体用 来研究熔融的惰性局域等离子体 8 3 , 8 4 。以及光谱学方面的应用 8 5 , 8 6 l 。 在大气压下，间距为几十厘米到几个厘米的平行平板之间会产生类弧光 的等离子体。上述器件又称为介质阻塞放电，主要应用在有毒废气处理方面 1 8 7 。在光谱学研究中经常应用直流放电的微型( 2 1 0c m ) 玻璃灯泡( 8 8 】。在玻 璃基底上应用的微小i c p 等离子体，可以应用在气体光谱分析领域89 1 。在 玻璃基底上加工有尺度为2 5m m 的金线圈，以及接线点和负载电容。上述 结构构成了平板型微小i c p 系统，驱动微波源频率在g h z 范围。等离子体 在基片另外一侧的真空度为l 一5t o r r 的管道内产生。最近的实验结果表明在 t o r r 范围真空下，即使没有管道存在，也会产生自特等离子体5 9 刚。 目前微小等离子体主要采用物理结构上的器壁来对等离子体进行微型 化，放电气体通常采用惰性气体。应用领域包括显示屏技术，火炬系统，光 谱学以及刻蚀加工等。 1 4 扫描等离子体刻蚀加工的研究目的和意义 本论文基于教育部博士点基金项目“并行无掩模扫描等离子体加工技术 的研究”( 2 0 0 3 0 3 5 8 0 1 8 ) 。并行无掩模扫描加工是适用多品种、小批量的微纳 米器件加工的重要手段，可快速地实现对微纳米器件表面的微结构直接的刻 蚀加工，成为微纳米器件加工研究的重要课题。 中圈科学技术人学博士学位论文 基于扫描探针的加工技术作为一种无掩模的纳米加工技术，因其所需 设备简单和加工精度达纳米量级，受到广泛关注。但在实用化之前，还存在 诸如加工效率低，可加工材料有限，无法实现对功能材料的直接加工等不 足。聚焦离子束随加工精度高达几十纳米，但作为一种单束加工手段，其加 工效率低下，尚无法应用于实际微纳米器件的加工。微小等离子体技术由于 其具有结构简单，可产生高浓度等离子体等优点，使其成为国外内学者研究 的热点问题。利用局域化的微小等离子体进行直接刻蚀的无掩模加工，则可 提高加工效率，简化加工工艺。国内外对于采用扫描探针技术的直接刻蚀加 工还处于起步阶段，还有许多工作有待于深入的研究。 本文基于扫描探针技术和微小等离子体技术，将微小等离子体反应器 集成在扫描探针技术中，集合扫描探针加工精度高达纳米量级和设备简单的 优点和微小等离子体技术可加工材料广泛、加工效率高的长处，研究了一种 新型的扫描加工方法一一基于并行探针驱动的扫描等离子体加工技术，为小 批量、多品种的微纳米器件加工提供一种有效的加工手段。扫描等离子体加 工方法通过将微小等离子体反应器集成在压电陶瓷微悬臂梁上，并通过针尖 处亚微米尺度的微孔将反应等离子体引入到工件表面，实现扫描硅刻蚀加 工。其中微小等离子体反应器是其核心器件，其产生机理和特性参数对于扫 描硅刻蚀加工的效率和稳定性具有至关重要的影响。硅刻蚀加工的精度则与 等离子体的导出结构一一空心针尖密切相关，刻蚀加工过程中的进给和检测 则由集成在微悬臂梁上的压电陶瓷薄膜来实现。上述三个方面是本课题需要 研究的主要内容，对于扫描等离子体加工系统应用到实际的器件加工具有重 要的研究意义。 第l 章绪论 1 5 论文主要研究内容 本论文主要是对基于并行探针技术的扫描等离子体刻蚀加工及其关键技 术进行理论和实验研究，论文的主要研究内容包括： 1 ) 在直流等离子体放电和空心阴极放电的基础上，分析扫描等离子体刻 蚀中的核心器件微小等离子体反应器中等离子体的产生机理和参数尺度 效应，及其对扫描刻蚀加工的影响。 2 1 根据二维流体模型，对微小等离子体反应器中的反应等离子体产生过 程进行数值仿真，分析其中电子浓度，氟原子浓度在反应器内部的浓度分布 情况对扫描刻蚀加工精度和速率的影响，对其在后续扫描刻蚀加工中应用可 行性进行了理论分析。 3 1 研究扫描等离子体加工系统的总体设计，主要分析其中的微小等离子 体反应器、等离子体导出装置空心针尖和驱动用压电陶瓷微悬臂梁的设 计原理和结构。 4 1 研究扫描等离子体加工用特种微悬臂梁的制造技术及其工艺特点，并 逐一研究其中的微小等离子体反应器、空心阴极针尖和驱动用压电陶瓷微悬 臂梁的制作工艺和核心技术。 5 1 研究扫描等离子体加工中的核心器件微小等离子体反应器的特性 表征，组建一套特性表征的实验系统，测量微小等离子体反应器的电学性能 和光谱特性，并将实验结果与数值仿真结果进行比较和分析，为优化扫描等 离子体加工系统提供可靠的依据。 中国科学技术大学博士学位论文 第2 章微小等离子体反应器的理论基础 2 1 引言 在扫拙等离子体加工中，其核心器件为微小等离子体反应器。微小等离 子体反应器中产生的等离子体参数影响刻蚀加工的精度和速率。作为一种微 放电等离子体源，微小等离子体反应器在物理机理上是一种直流等离子体中 的微空心阴极放电。因此本章首先从直流等离子体的基本理论入手，分析直 流等离子体影响参数和产生机理，进而揭示空心阴极放电机理，并在此基础 上分析微小等离子体反应器中的尺度效应及其对等离子体产生和刻蚀加工的 影响。 2 2 直流等离子体的理论基础 2 2 1 等离子体概述 n ( c m 4 ) 图2 - 1 ：由电子温度疋和带电离子浓度一分类的空间和实验等离子体( 9 1 1 筇2 章微小等离子体反应器的理论基础 “等离子体”一般用来描述部分或完全电离的气体，主要由电子、离子 和中性粒子组成。一般来说任何气体都存在一定程度的电离，因此等离子体 的严格定义为：“一种表现出集体行为的含有带电粒子和中性粒子的准电中 性气体”【9 2 1 。 准电中性指的是在等离子体内部微观区域内空间正电荷和负电荷相互平 衡，整个等离子体从宏观上可认为处于电中性。如果局域电荷浓度上升，则 由空间电荷不平衡所引起的静电力将使该区域快速恢复到电中性状态。等离 子体中的集体行为是长程力一一库伦力作用的结果，表现为等离子体内部不 同区域间的相互作用。上述这些特征使得等离子体区别于中性气体和电离气 体。 等离子体一般采用带电粒子的数密度( 粒子数c m 3 ) 和平均动能或温度 n 来表征。对于电正性的等离子体，由准电中性条件可知电子浓度”。，离 子浓度n ，两者相等，可用带电粒子浓度一来表示，即等离子体浓度。在一个 电场驱动的弱电离气体所产生的等离子体中，电子、离子和中性粒子的平均 温度在不同的等离子体态下具有显著的变化。等离子体中，一般电子首先被 电场加热，且不与气体中其他粒子发生能量交换过程，因此平均电子温度 r 远大于平均离子温度王和中性气体温度丁。 通过上述参数可以充分解释等离子体中的各种物理现象和特征。如图2 1 所示，由。和r 的不同可以将等离子体分为各种不同的类型。其中两种类型 的反应等离子体是与本文所研究的扫描刻蚀加工中的等离子体发生装置相 关：低压辉光放电和高压电弧放电。低压辉光放电一般工作在1 到1 0 0 0 n ，其等离子体参数一般在如下范围：瓦= l - 1 0e l ，瓦 i t ， = 中国科学技术大学博士学位论文 1 0 8 1 0 ”c m 一。高压电弧放电一般在近大气压条件下工作，其等离子体参数一 般在如下范围：t=o 1 2e v ，月= 1 0 1 4 _ 1 0 ”c m 。电弧放电一般被看作是 “热”等离子体，其中的粒子近似处于热平衡状态：t t fz r 。虽然上述 两种等离子体放电的特征具有显著的区别，但是二者在材料加工中都得到广 泛的应用。辉光放电一般被当作小型的“化学工厂”来使用，气体在电场作 用下被分解成离子和化学活性粒子，这些活性粒子成分可被用来实现表面加 工工艺【9 “。电弧等离子体一般应用在金属的加热、熔化、蒸发和切割工艺 1 9 1 】。 微放电等离子体是一种特征介于辉光放电和电弧放电等离子体之涮的新 型等离子体源。同电弧等离子体一样，微放电等离子体可工作在近一个大气 压下。但微放电等离子体的电子温度和非平衡性特征则更类似于辉光放电。 因此，微放电等离子体通常被看作一种“高压辉光放电”。为了详细了解微 小等离子体的特性，我们在下面的章节中将讨论直流等离子体的机理和微放 电等离子体的工作原理。 2 2 2 直流等离子体的物理机理 在研究微小等离子体反应器的尺度效应前，有如下几个等离子体基本概 念需要特别关注：气体的平均自由程，等离子体中的碰撞过程和电子碰撞截 面。我们首先对上述几个相关概念进行逐一的分析和介绍，进而分析直流等 离子体击穿机制以及辉光结构。 2 2 2 1 平均自由程 等离子体中粒子的平均速度用下式描述【9 3 1 ： ( 2 1 ) 塑删 ，、 i i c 笙三整壁三| = 量塞：三竺墨璺逖塑些堡愁型 一 方程2 - 1 中州为粒予的分予量，k 为b o l t z m a n n 常数，t 为温度。平均速度 的含义即粒子的速度星函数分布。在宏观等离子体中，电子能量分布假设为 a x w e l t 。b o l t z m a 越分毒。分布番数如下 9 1 t ： 塞= 烈- 兰x j 3 2 九印r ( 一i , n c 2 2 k t2 k t c 。固 如口啦lj 。一。lj 、 方程2 - 2 中霉为速度在c 到c + d c 之间的粒子数。方程2 - 2 中假定等离子 体中的中性粒子、离子和电子处于m a x w e l l i a n 分布，且粒子之间存在足量 碰攘，处予燕平衡状态，不考虑舞酃宅场对粒子稳速度分布貔影酾。魏时， 粒子的任何宏观漂移速度都远小于粒子的平均热速度。但是在微等离子体 中，上述这些假设则不一定成立，艨囡将在后续的章节中讨论。 霸来表薤建蓬瓣基本貔理量怒磋撞截粪o r ( v , ) ，v ，为粒子麴速凄。在硬 球模型中，粒子的磁撞截面为： 盯( v r ) = 刀d j ( 2 3 ) 方程2 - 3 中疗j 2 为磁撞粒子鞠嚣标粒子的半径之和a l + a 2 。在疆舔模型中，碰 撞截面与速发无关。真实的粒子具有一定的电荷分布，因此其碰撞截面与粒 子速度和碰撞粒子类型相关联。另外一个需要关心的物理量为睁3 j ： 冀：l( 2 - 4 ) 1 唿盯 碰撼粒子鹄平均裔奄程，舔碰撞蓊粒子蘸平筠平移踅离e 微小等离子体的典型工作气压为5t o r r 左右。在该气压下，s f 6 的平均 自由程约为1 6 “m 。该尺度与微等离子反应器中的电极间距相当a 因为气体 分孑阑要发生充分碰撞，方能满是缝量载m a x w e l l i a n 分琏i ，但是对于微等 离子体则不定完全满足上述假设条件。 中国科学技术火学博= 匕学位论文 粒子的碰撞频率与平均自由程紧密相关，为 9 3 】： v = v g 口d ( 2 5 1 碰撞频率为粒子能量传输的基本物理量。 电子与中性粒子的碰撞截面随电子能量变化很大。在下面的章节中将讨 论电子一中性粒子的几种碰撞类型。 2 2 2 2 等离子体中的碰撞过程 在等离子体中有几种类型的粒子碰撞。最常见的碰撞为弹性散射碰撞， 即电子与中性粒子，或中性粒子与中性粒子之间的碰撞，其他碰撞都属于非 弹性碰撞。如果碰撞过程中发生除动能以外其他的能量传递过程，则该碰撞 为非弹性碰撞，最典型的例子就是电离碰撞。在电离碰撞中，电子能量完全 传递给分子。 当质量分布为m 。( 初始移动质量块) 和埘。( 初始静止质量块) 的两个粒 子之间以与中心轴成0 角发生弹性碰撞，在碰撞中发生动量和能量传递。由 线性动量守恒可得： m , v 。c o s o = m i l l ，+ m f “f ( 2 - 6 ) 方程2 - 6 中v ，为。的初始速度，“，为m i 的最终速度，“，为m ，的最终速度。 由能量守恒可得： 圭、，? = i 1 。( “? + 订s i n 2 口) + j 1m ，“? ( 2 - 7 ) 对上述两个方程求解，可得m i 和b , t 2 _ i u l 的能量传输比( e t e ，) 为： 墨：墨c o s 2 0( 2 8 ) e i ( 蚂+ m ) 2 。 当余弦值为1 ，即发生正向碰撞时，能量传递最大。电子和离子或分子能 笫2 章微小等离子休反应器的理论基础 量差异很大，如在电子一s f 6 弹性碰撞，s f 6 分子和电子之间能量比只有 1 0 一。 与维持放电相关的最重要的碰撞过程为电离碰撞，即主电子与气体原 子或分子发生碰撞，并使之失去一个电子，例如： g + 5 e 叶2 p 十职+ + ，( 2 - 9 ) 释放出的电子在电场中加速，产生更多的电离过程，从而使放电过程得以维