基于并行探針驅動的掃描等離子體加工技術的研究.pdf

1、基于掃描探針的微細加工技術作為一種無掩模的掃描微細加工技術，因其所需設備簡單和加工精度高達納米量級，目前已在納米機械加工等諸多領域受到廣泛關注和研究。但這種加工技術在實用化之前，還存在諸如加工效率低，可加工材料有限，無法實現(xiàn)對功能材料的直接加工等不足。利用局域化的微小等離子體進行直接刻蝕加工，則是解決上述問題的重要途徑。我們將微小等離子體發(fā)生裝置集成在掃描探針上，提出了一種新的基于并行探針驅動的掃描等離子體刻蝕加工方法。 論文的

2、主要研究工作如下：1)在直流等離子體放電和空心陰極放電的理論基礎上，研究了掃描等離子體刻蝕加工系統(tǒng)的核心器件——倒金字塔結構的微小等離子體反應器的產生機理和參數尺度效應，并對其放電過程進行了數值仿真。數值仿真的結果顯示當放電氣體為SF6，工作氣壓在5-9kPa之間時，有效刻蝕成分——氟原子濃度在1×1010-1.5×1012cm-3之間變化，并集中分布在靠近空心陰極底部區(qū)域，為后續(xù)微小等離子體的導出和實現(xiàn)高效率的刻蝕加工提供了理論依據。

3、 2)首次提出了一種新的基于并行探針驅動的掃描等離子體加工技術。該方法通過將微小等離子體反應器集成在掃描探針微懸臂梁上，并通過針尖處的微孔將等離子體約束后引入到基片表面實現(xiàn)直接刻蝕加工。通過使用微小等離子體進行的直接刻蝕加工，加工效率高，可加工多種功能材料，有效解決了基于掃描探針的加工方法效率低，可加工材料有限的缺點。通過含亞微米尺度微孔的空心針尖，可實現(xiàn)微小等離子體有效導出和約束，提高了刻蝕加工的分辨率。通過集成在微懸臂梁上的

4、壓電陶瓷薄膜可實現(xiàn)加工過程中的自進給和自檢測，當采用微懸臂梁陣列時可實現(xiàn)并行掃描加工。通過對微小等離子體反應器、空心針尖和壓電陶瓷薄膜制作方法的研究，驗證了用特種壓電陶瓷微懸臂梁進行掃描刻蝕加工的可行性。 3)組建了一套實驗測量系統(tǒng)，表征了微小等離子體反應器的電學性能和光譜特性。由實驗結果得到，當器件特征尺寸在50-100μm，工作氣壓在5-12kPa之間，工作電壓在350-480V之間時，可產生穩(wěn)定的放電，且可觀測到顯著的氟原

5、子特征光譜，在實驗角度進一步驗證了微小等離子體反應器中產生了高濃度的氟原子，將其應用到掃描等離子體加工中去是切實可行的。基于以上研究，本文在以下方面具有創(chuàng)新之處：1)掃描等離子體加工是本文首次提出的全新的掃描無掩模微細加工技術，通過在掃描探針上集成微小等離子體反應器，可實現(xiàn)直接的掃描刻蝕加工，并具有刻蝕效率高，可加工材料廣泛以及裝置簡單、分辨率高等優(yōu)點，適合于多品種、小批量的微納米器件的加工。2)通過倒金字塔形狀的微小等離子體反應器可產