摘要 摘要 等離子體刻蝕技術(shù)因其較高的刻蝕速率、良好的方向性和材料選擇性等優(yōu)勢(shì) 得到了廣泛應(yīng)用。但在傳統(tǒng)的刻蝕加工中，等離子體作用于整個(gè)樣品表面，需要 昂貴的設(shè)備及復(fù)雜的圖形轉(zhuǎn)移工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)局域加工。近年來(lái)，許多研究者嘗試將 等離子體限制在l m m 以下的微結(jié)構(gòu)中，可實(shí)現(xiàn)局部無(wú)掩膜刻蝕。然而，這些微等 離子體無(wú)掩膜刻蝕器件通常只能達(dá)到百微米的刻蝕分辨率，遠(yuǎn)不能滿足更高精度 加工的需求。為此，我們提出了一種基于并行探針驅(qū)動(dòng)的掃描等離子無(wú)掩膜體加 工方法，即將倒金字塔微放電器集成在掃描探針的針尖上，利用倒金字塔空心陰 極效應(yīng)放電產(chǎn)生高濃度等離子體，并將其通過針尖尖端的納米孔導(dǎo)出到樣品表 面，實(shí)現(xiàn)亞微米量級(jí)的無(wú)掩膜掃描加工。 倒金字塔微放電器是無(wú)掩膜掃描等離子體刻蝕系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，主要包括 陽(yáng)極金屬n i 聚酰亞胺( p i ) 絕緣層陰極金屬n i 三層結(jié)構(gòu)，并且具有倒金字塔空心 陰極。本文研究了該微放電器的尺寸優(yōu)化、工藝制備、測(cè)試系統(tǒng)搭建和性能測(cè)試， 實(shí)現(xiàn)了微放電器在s f 6 中穩(wěn)定放電。 由于倒金字塔微放電器集成在探針上，這引起倒金字塔中電場(chǎng)的改變，從而 引起等離子體分布和性能的改變。因此，本文使用a n s y s 軟件對(duì)微放電器電場(chǎng) 仿真，重點(diǎn)研究了陰陽(yáng)電極和絕緣層幾何尺寸等對(duì)電場(chǎng)分布的影響，獲得了有利 于等離子體產(chǎn)生和維持的結(jié)構(gòu)尺寸。 制作過程中，微放電器中倒金字塔深槽的存在使得陽(yáng)極n i 的圖形化、p i 絕 緣層的制備和圖形化相當(dāng)困難。針對(duì)以上工藝難點(diǎn)，本文重點(diǎn)做了以下幾方面的 研究：( 1 ) 利用濺射反轉(zhuǎn)法剝離工藝實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極n i 的圖形化，提高了電極圖形精 度和薄膜質(zhì)量，并簡(jiǎn)化了工藝過程。( 2 ) 研究p i 制備中固化工藝參數(shù)對(duì)p i 膜厚、 亞胺化程度和介電特性的作用，并優(yōu)化工藝參數(shù)，得到質(zhì)量、性能良好的p i 膜。 ( 3 ) 研究p i 圖形化中p i e 刻蝕參數(shù)對(duì)p i 刻蝕速率、表面粗糙度和刻蝕殘留物的 影響，優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，在保證p i 圖形化質(zhì)量的同時(shí)，提高刻蝕速率?；谝陨?制作工藝，成功制作出了質(zhì)量良好的倒金字塔微放電器。 最后，本文設(shè)計(jì)并搭建了微放電器性能測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)得了微放電器在s f 6 中穩(wěn)定放電的電學(xué)性能和光譜特性，分析了放電器特征尺寸、放電氣體壓強(qiáng)、放 電氣體成分、測(cè)試電路等對(duì)于放電性能的影響，從而為后續(xù)的無(wú)掩膜掃描刻蝕加 工的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：無(wú)掩膜刻蝕微放電器工藝優(yōu)化性能測(cè)試 a b s t r a c t a b s t r a c t p l a s m ae t c h i n gi sw i d e l yu s e db e c a u s eo ft h es u p e r i o r i t yo f h i g h e re t c h i n gr a t e ，g o o d d i r e c t i v i t y , m a t e r i a ls e l e c t i v i t ya n ds oo n h o w e v e r i nt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s p l a s m a a c to nw h o l es u r f a c eo ft h es a m p l e ，w h i c h r e q u i r ec o s t l ye q u i p m e n t sa n dc o m p l i c a t e d p r o c e s sf o rp a t t e r n i n gt r a n s f e r r e c e n t l y , s o m er e s e a r c h e r sc o n f i n et h ep l a s m ai nt h e m i c r o s t r u c t u r el e s st h a nlm mt or e a l i z el o c a lm a s k l e s se t c h i n g t h e s ed e v i c e sc a n o n l ya c h i e v eh u n d r e d m i c r o nr e s o l u t i o n ，b u tc a n te x p e c tm o r e h e r e ，w ep r o p o s ea m a s k l e s ss c a n n i n gp l a s m ae c t h i n gs y s t e m ( m s p e ) b a s e do np a r a l l e lp r o b ea c t u a t i o n ， i nw h i c hai n v e r t e dp y r a m i d a lm i c r o p l a s m ar e a c t o r ( i p m r ) i si n t e g r a t e do nt h e s c a n n i n gp r o b ea n dr e l e a s e dn a n o - a p e r t u r ea tt h et i po ft h eh o l l o wc a v i t y p l a s m a p r o d u c e di ns f 6a r ee x p o a e dt h r o u g ht h ea p e r t u r et oe t c ht h es i l i c o nw a f e ru n d e r n e a t h ， w h i c hc a na c h i e v es u b m i c r o nr e s o l u t i o n i p m r ，h a v i n gm e t a l ( n i ) d i e l e c t r i c ( p i ) m e t a l ( n i ) s a n d w i c hs t r u c t u r ew i t hi n v e r t e d p y r a m i d a lh o l l o wc a t h o d e ，i st h ek e yc o m p o n e n to fm s p e i nt h i st h e s i s ，w es t u d yt h e s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，f a b r i c a t i o n p r o c e s s ，t e s t i n gs y s t e ma n dd e v i c ep e r f o r m a n c e i p m ri si n t e g r a t e do nt h es c a n n i n gp r o b e ，w h i c hi n f l u e n c et h ed i s t r i b u t i o no fe l e c t r i c f i e l da n dt h ep l a s m ai nt h eh o l l o wc a t h o d e t h e r e f o r e ，w ed os o m es i m u l a t i o nf o rt h e e l e c t r i cf i e l du s i n ga n s y ss o f t w a r et oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo ft h ee l e c t r o d ea n d d i e l e c t r i cl a y e r , a n dt oo b t a i nt h eb e t t e rs t r u c t u r et op r o d u c ea n dm a i n t a i np l a s m a d u et ot h ed e e pi n v e r t e dp y r a m i d a lh o l l o wc a v i t y , t h ep r o c e s ss u c ha sf a b r i c a t i o no f p i ，p a t t e r n i n go fa n o d ea n dp ia r em u c hh a r d e r t os o l v et h e s ed i f f i c u l t y , w ed ow o r k a sf o l l o w i n g ：( 1 ) r e a l i z et h ea n o d ep a t t e r n i n gu s i n gt h es p u a e f i n gr e v e r s a l l i t t - o f f p r o c e s s ，w h i c hi m p r o v et h ee l e c t r o d ea c c u r a c y , q u a l i t ya n ds i m p l i f yt h ep r o c e s s ( 2 ) i n v e s t i g a t ei n f l u e n c eo fc u r i n gp a r a m e t e r so nt h et h i c k n e s s ，i m i d a t i o nd e g r e ea n d d i e l e c t r i cp r o p e r t yo fp i ，t h e no p t i m i z et h e mt og a i nf a v o r a b l ep il a y e r ( 3 ) o p t i m i z e t h er e a c t i v ei o ne t c h i n gp a r a m e t e r st o i m p r o v et h ee t c h i n gr a t ea n de n s u r et h e p a t t e r i n gq u a l i t y b a s e do nt h eo p t i m i z e dp r o c e s s ，w ef a b r i c a t et h ef a v o r a b l ei p m r f i n a l l y ，w es e tu pt h em e a s u r e m e n ts y s t e mt ot e s tt h ee l e c t r i c a la n do p t i c a lp r o p e r t yo f t h ed e v i c ed i s c h a r g e ds t a b l yi ns f 6 , a n da n a l y s et h ea n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h e d e v i c ec h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o n ，p r e s s u r e ，g a sc o m p o n e n ta n dt h et e s tc i r c u i to nt h e d i s c h a r g e ，w h i c hl a yaf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ho f t h em s p e k e yw o r d s ：m a s k l e s se t c h i n g ，m i c r o p l a s m ar e a c t o r , p r o c e s so p t i m i z a t i o n ， p e r f o r m a n c et e s t n 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性和授權(quán)使用聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作 所取得的成果。除已特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任 何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究 所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明。 本人授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：學(xué) 校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 版，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 作者簽名：一壑卑 乞4 d t o 年6 月8 日 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作所取得的 成果。除己特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作 了明確的說明。 作者簽名：j 啐 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 作為申請(qǐng)學(xué)位的條件之一，學(xué)位論文著作權(quán)擁有者授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu) 送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文編入中 國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)等有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描 等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。本人提交的電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi) 容相一致。 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 口么開口保密( 年) 作者簽名：立& 盤童 一 簽字同期：塑絲車! 璺璺璺 導(dǎo)師簽名： 簽字日期： 第章緒論 1 1 微放電器 第一章緒論 111 微放電器概述 微放電器是在較高氣壓下通過電場(chǎng)檄勵(lì)使不平衡的低溫等離子體在l m m 以下的微結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生并維持穩(wěn)定的輝光放電的一種器件。微放電器有很多的類型 和分類方法，從微放電器的激勵(lì)方式來(lái)分，可以分為直流、交流、脈沖和射頻等 微放電器；從微放電器的結(jié)構(gòu)來(lái)分，可以分為平面結(jié)構(gòu)放電器、空心陰極放電器、 梳齒狀電極結(jié)構(gòu)放電器、介質(zhì)阻擋放電器?？招年帢O微放電器是微放電器中的 一種典型結(jié)構(gòu)，具有等離子體密度高、放電持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)因此具有廣泛的 應(yīng)用前景。以下主要針對(duì)空心陰極微放電器做了詳細(xì)的介紹和論述。 圖1 - 1 放電管光層區(qū)域分布 酉一越 c a ) 平行平板 ( b ) 空心圓柱 廠” 落蟠程三 c o ) 球形空腔 圖1 2 不同陰極結(jié)構(gòu)的微放電器 ( d ) 倒金字塔 第一章緒論 圖1 1 顯示了一般的平行板輝光放電中，極間存在陰極區(qū)、負(fù)輝區(qū)、正柱區(qū)、 陽(yáng)極區(qū)四個(gè)主要的區(qū)域。如果改變陰極的形狀，采用如圖1 2 所示的平行平板( a ) 、 空心圓柱( b ) 、球形空腔( c ) 、倒金字塔( d ) 等空心陰極結(jié)構(gòu)【2 ，3 1 ，在一定的放 電條件下，原來(lái)的陰極區(qū)和負(fù)輝區(qū)全部移到空心陰極的內(nèi)部。如果是平板空心陰 極，則空心陰極中有三個(gè)區(qū)：兩個(gè)陰極區(qū)和一個(gè)負(fù)輝區(qū)。如果是圓柱空心陰極， 則在陰極內(nèi)只存在兩個(gè)區(qū)：陰極區(qū)和負(fù)輝區(qū)。與平行板電極放電一樣，在空心陰 極放電的陰極區(qū)，電場(chǎng)高且變化快，因而在這樣的電場(chǎng)中，電子的運(yùn)動(dòng)是非平衡 的，它們的行為已不能用局域電場(chǎng)和氣體的密度來(lái)確定。 空心陰極放電是直流輝光放電中的一種特殊形式。直流輝光放電可以分為正 常輝光和反常輝光兩種放電方式。直流輝光放電中，最重要的物理過程發(fā)生在靠 近陰極附近，而這兩種放電的根本區(qū)別就是陰極位降是否正常。陰極位降是指陰 極與負(fù)輝區(qū)之間的電位差。正常輝光中，放電電流只從陰極表面的部分流過，隨 著放電電流的增加，陰極被放電電流覆蓋的面積也增加，陰極位降基本上保持不 變。而反常輝光中，放電電流大于某一數(shù)值時(shí)，放電蓋滿了陰極的整個(gè)表面，隨 后電流密度和陰極位降也都在增加。空心陰極放電是一個(gè)高的電離和激發(fā)的等離 子變化過程【4 】，其重要的放電特性是由空心陰極效應(yīng)引起的。 空心陰極微放電器因空心陰極效應(yīng)而得名。所謂空心陰極效應(yīng)，就是將電子 限制到負(fù)輝光區(qū)微小空間里，在相反的陰極位降區(qū)加速振動(dòng)，形成鐘擺式的運(yùn)動(dòng)， 大大的增加了碰撞的概率，因而增加了電子密度和功率密度，可能導(dǎo)致放電電流 上升幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在空心陰極內(nèi)部，由于相對(duì)陰極表面的負(fù)輝光區(qū)相互重疊，使 高能電子被約束在其內(nèi)部產(chǎn)生振蕩運(yùn)動(dòng)，而引起電離效率的增加。因此，電流密 度的增加并不完全依靠正離子轟擊陰極所引起的次級(jí)電子發(fā)射來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是依靠 電子在陰極間的來(lái)回振蕩和紫外光子以及亞穩(wěn)原子轟擊陰極所引起的次縱電子 發(fā)射。空心陰極放電的電子能量分布是非麥克斯韋分布，它包含高濃度的高能電 子和離子，有利于等離子的維持穩(wěn)定性。 圖1 3 顯示了空心陰極放電時(shí)特有的三個(gè)放電區(qū)域，即湯生放電、空心陰極 放電和異常輝光放科5 1 。在電流較低時(shí)，電流隨著電壓的增加呈指數(shù)增加，說明 此時(shí)處于湯生放電狀態(tài)，此時(shí)的氣壓或者電極間距較小，因此等離子體從一個(gè)電 極的外側(cè)延伸到另一個(gè)電極的外側(cè)；在較高的氣壓下或者電極間距下，等離子體 在產(chǎn)生于電極空穴之間，填滿了整個(gè)空心區(qū)域。隨著電流的增加，電極空穴間的 等離子體的傳導(dǎo)性增加，電場(chǎng)從軸向分布變成集中于陰極位降的強(qiáng)烈的的發(fā)射狀 分布。在陰極處，由離子碰撞產(chǎn)生的一小部分電子通過該電場(chǎng)獲得能量在軸線區(qū) 域做鐘擺運(yùn)動(dòng)，并通過電離碰撞損失能量?？招年帢O效應(yīng)導(dǎo)致電流增加，而電壓 下降，即伏安特性曲線呈負(fù)性斜率。隨著電流繼續(xù)增加，正?？招年帢O輝光放電 2 第一章緒論 等離子體超出了整個(gè)陰極表面，延長(zhǎng)了等離子體路徑，等離子體電壓增加，即為 異常輝光放電。此時(shí)的伏安特性曲線顯示為正斜率，即空心陰極放電不需要或者 只要小的外加電阻就可以并行工作，這種工作方式可以大大的增加電流密度，從 而提高功率密度。 c u r r e n t 圖1 - 3 空心陰極放電伏安特性 空心陰極放電的主要有以下重要特性： ( 1 ) 在相同氣體、相同氣壓條件下，空心陰極放電的陰極電流密度比正常輝 光放電的高約1 3 個(gè)數(shù)量級(jí)。二者的管比降相差不很多。 ( 2 ) 在氣體狀況和陰極材料相同的條件下，當(dāng)陰極電流密度明顯大于正常輝 光放電時(shí)，空心陰極放電的管壓降仍然與正常陰極值降值接近。 ( 3 ) 空心陰極的主要發(fā)光區(qū)是負(fù)輝區(qū)，區(qū)中有快速電子群( 能量約為2 0 e v ) ，中 速電子群( 能量約為5 - 6e v ) ，慢速電子群( 能量約為1 e v ) 。研充表明，電子能量分 布情況非常適于激勵(lì)金屬蒸氣離子激光系統(tǒng)。 ( 4 ) 空心陰極放電的陰極濺射雖然比同樣電流密度的反常輝光放電的要小得 多，但是比相同氣體和陰極材料的正常輝光放電的陰極濺射強(qiáng)烈。 微空心陰極放電最吸引人的特征之一是有非熱電子能量分布，導(dǎo)致高電離速 率和高激發(fā)速率，而且微空心陰極放電是比較穩(wěn)定的自持放電，放電區(qū)域形成高 電流密度，這是源自正離子轟擊陰極所產(chǎn)生的二次電子發(fā)射、以及陰極腔中兩相 對(duì)陰極位降區(qū)之間的鐘擺電子。微空心陰極放電的另外一個(gè)獨(dú)特特征是在這些放 電等離子體中有極高的功率密度，典型的直流放電電壓大約為2 0 0 v ，典型放電 電流在毫安量級(jí)，單個(gè)放電區(qū)的電功率在百毫瓦數(shù)量級(jí)。如此高的功率集中在體 積很小的陰極孔，造成了放電極高的功率密度。如此高的功率密度使微空心陰極 放電能夠產(chǎn)生高壓輝光放電非平衡等離子體，當(dāng)大量這樣的放電區(qū)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)， 能夠產(chǎn)生大體積高氣壓輝光放電等離子體i 6 。 盡管倒金字塔微放電器的經(jīng)常被描述為微空心陰極，但缺少傳統(tǒng)的空心陰極 的特征用。傳統(tǒng)的空心陰極放電中兩個(gè)空心陰極表面是相互平行的，使得陰極表 3囂墨一o啦暑一拳一墨11 第一章緒論 面產(chǎn)生的二次電子可以在陰極位降區(qū)被加速，并在陰極鞘層間做振蕩運(yùn)動(dòng)。高能 束流電子被壓縮在兩陰極間的負(fù)輝光區(qū)內(nèi)，從而增強(qiáng)了能量密度，生成高濃度的 等離子體。在微放電器中，由于沒有平行相對(duì)的陰極表面，能夠發(fā)生介于湯生放 電和空心陰極放電現(xiàn)象的躍遷，但是在放電過程中其約束高能電子的能力有所減 弱，沒有空心陰極效應(yīng)中典型的功率密度增加。 1 1 2 微小等離子體放電過程的尺度效應(yīng) 空心陰極放電過程中，電子在兩個(gè)相對(duì)的陰極見來(lái)回振蕩，導(dǎo)致電子與氣體 原子的碰撞次數(shù)增加，電離效率大大提高。因此，兩個(gè)陰極問的距離必須很小， 合并的負(fù)輝區(qū)中產(chǎn)生的紫外光子和亞穩(wěn)原子，很容易落到兩個(gè)陰極上而引起次級(jí) 電子發(fā)射，使陰極發(fā)射增大。在同樣的陰極位降下，電流密度就可以大大增大。 但是，這并不等于說兩個(gè)陰極間的距離越小，電流密度就越大。實(shí)際當(dāng)陰極間距 過分小時(shí)，電流密度不但不會(huì)繼續(xù)增加，反而下降到零。這是因?yàn)樘峁╇娮友┍?的空間太小了。因此，空心陰極放電必須滿足一定的條件才能產(chǎn)生。 微放電器產(chǎn)生等離子體必須遵循帕邢定律，即對(duì)于微放電器來(lái)說工作氣壓p 和陰極、陽(yáng)極之間的距離d 的乘積( p d ) 決定了所需給定的p 、d 值，擊穿電壓， 以及工作氣體的特性。一般來(lái)說，擊穿電壓隨著p d 值的增加的變化過程是先迅速 減小后緩慢增大峰1 。 空心陰極微放電器是微放電器的一種特殊放電形式，因此除了遵循上面的尺 度規(guī)律外，還遵循一條空心陰極放電所特有的尺度規(guī)律 9 1 ，即工作氣壓p 和陰極 間的距離d 的乘積( p d ) 也影響著擊穿電壓、氣體特性等影響放電的因素。當(dāng) p d 在o 1 1 0 t o n e m 的范圍內(nèi)時(shí)，放電形式是階段性的，在不同的放電階段有不 同伏安特性。這條規(guī)律是空心陰極微放電器的主導(dǎo)規(guī)律。 典型的普通輝光模態(tài)下，當(dāng)p d 保持不變時(shí)，則陰極位降電壓也保持不變。 在上述假設(shè)條件下，等離子體中的電離密度與p 2 呈正比。因此從理論上來(lái)說， 利用p d 尺度效應(yīng)，微放電器的幾何尺度可以縮小到幾個(gè) l m ，即與大氣壓下電 子的平均自由程接近。在實(shí)際的微放電器件中，p d 尺度效應(yīng)意味著器件的所有 幾何尺寸都與氣壓成反比。上述的尺度效應(yīng)中，我們假定鞘層或陰極位降區(qū)厚度， d c 。n 剛。僦l ，小于特征尺寸d 。當(dāng)器件的特征尺度減小到與九接近時(shí)，因形成的陰 極位降區(qū)不能夠完全容納在微放電器件內(nèi)部，p d 尺度效應(yīng)不完全適用。因此在 微放電器中，必須具有較高的等離子體濃度，使得d c 妯o d e f a l l 能夠滿足器件的尺寸 要求，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的放電。 根據(jù)以上分析可知，產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)基本條件是：工作氣壓p 和空心陰極 的尺寸d 的乘積( p d ) 應(yīng)在一定的取值范圍內(nèi)，并滿足陰極間距大于兩個(gè)陰極位 降區(qū)長(zhǎng)度?；趐 d 尺度效應(yīng)，當(dāng)微放電器的特征尺度縮小到幾十p m 時(shí)，就可以 4 第一章緒論 在較高氣壓( 幾k p a 至數(shù)十k p a ) 下產(chǎn)生穩(wěn)定的放電。由于微空心陰極的幾何尺度 在幾十l a m 左右，其內(nèi)產(chǎn)生的反應(yīng)等離子體是一種非平衡的等離子體，即在整個(gè) 空心陰極區(qū)域內(nèi)沒有完全準(zhǔn)電中性的區(qū)域存在。其中局域等離子體的陰極位降 d c a t h o d 。f a l l 和德拜長(zhǎng)度b 的尺度為【4 】： 阿i 萬(wàn) 屯埔撕口= ，f 竺也 ( 1 ) v g 一 砧= 贗降卜4 。倒啦 其中：圪，島，q ，怫分別為陰極位降電壓、真空介電常數(shù)、單位電荷、離子濃 度，z 礦的單位用e v 來(lái)表示時(shí)的電子溫度，以為電子濃度。 表1 1 是根據(jù)( 2 ) 式計(jì)算所得到的不同電子溫度和等離子體密度下的德拜長(zhǎng) 度。由于本文所研究的倒金字塔空心陰極放電的電子溫度約為1 - 2 0 e v ，電子密度 約為l0 2 1 1 0 2 3 c m 一，陰極位降約為2 0 0 v ，由此可得德拜長(zhǎng)度約為1 0 0 p m ，陰極位 降約為1 5 p m 。由上述分析可知，微放電器中的等離子體的陰極位降區(qū)和德拜長(zhǎng) 度的尺度同微空心陰極的幾何尺寸相當(dāng)。由此可以證明，在微空心陰極內(nèi)部只存 在陰極位降區(qū)和負(fù)輝光區(qū)，不存在傳統(tǒng)輝光放電的等離子體正柱區(qū)。 表1 1 各種溫度和密度下等離子體德拜長(zhǎng)度的數(shù)值( m ) ： t e 。( e v ) r l c o ( m 3 ) 1 0 1 51 0 1 71 0 1 91 0 2 l l2 3 4 1 0 42 3 4 1 0 - 52 3 4 x1 0 - 6 2 3 4 x1 0 7 1 07 4 0 x1 0 47 4 0 1 0 57 4 0 x1 0 57 4 0 x1 0 7 1 0 02 3 4 1 0 3 2 3 4 x1 0 4 2 3 4 x1 0 52 3 4 1 0 6 1 。1 3 微放電器發(fā)展和應(yīng)用 根據(jù)帕邢定律可知，低壓條件只適用于較大尺度的放電器，由此產(chǎn)生的等離 子體面積較大，滿足不了高精度的應(yīng)用要求。為了實(shí)現(xiàn)等離子體的微型化，即在 微小空心陰極結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生和維持穩(wěn)定的等離子體，就必須提高氣壓。近五十年來(lái)， 等離子體方面的專家在高壓等離子方面做了很多細(xì)致的工作。 1 9 5 9 年，w h i t e 報(bào)道了把氣壓增大到更高空心陰極放電的研究結(jié)果 t o j 。按照 w h i t e a l l i s 相似定理：v = v ( p d ，i d ) ( 這里v 是維持電壓，i 是放電電流，p 是 氣壓，d 是陰極孔徑) 。通過降低陰極孔徑，空心陰極放電可以在高氣壓下運(yùn)行。 根據(jù)這個(gè)原理，w h i t e s l 作了圖1 3 ( c ) 中的空心腔體微放電器，并對(duì)等離子體 的產(chǎn)生、分布以及特性做了詳細(xì)的研究。 1 9 9 3 年，s c h o e n b a c h 等人也發(fā)表了對(duì)于空心陰極放電的帕邢尺度定律研究?jī)?nèi) 第一章緒論 容i l ”，井為高壓輝光放電創(chuàng)造了微空心陰極放電，圖l - 4 描述了兩種用于微空心 陰極放電的電極結(jié)構(gòu)，( a ) 為在陰極具有圓柱狀沉孔的微放電器，( b ) 為在陰極 具有通孔的微放電器。s c h o c n b a c h 和其它研究小組研究了這兩種結(jié)構(gòu)。然而，大 部分研究還是用圖l _ 4 ( b ) 中的電極幾何結(jié)構(gòu)完成的原因是由于這種電極結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，用等離子體噴射和激光打孔方法容易制造大面積馓電極陣列，能夠通過空 心放電區(qū)域進(jìn)行氣體流動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)在后續(xù)其他學(xué)者對(duì)于空心陰極研究中起著奠 基作用。 一m 敬一 一絕綠體一 一聊褫 慟 圖1 _ 4 高壓輝光放電的微空心陰極放電器 硼 l 口冒 一t o p m ；- ：i ，：。夕“ 刪一墜一二i 黽! 罩；! = = ；矛i 再f ：= ， 磐謄謄僦：j 畔葦回骨寧鼉# 產(chǎn) 型型型一“m ( a ) 2 5 0 0 0 0 陣列微放電器 ( b ) 可選址陣列微放屯器 圖1 5 硅基倒金字塔微放電器 1 9 9 7 年開始，i l l i n o i s 大學(xué)的e d c n ：j 、組發(fā)展了基于微機(jī)電加工技術(shù)的硅基倒金 字塔、圓柱等結(jié)構(gòu)的空心陰極馓放電器【m 1 5 l ，在a r 、x e 、n e 等稀有氣體氛圍中 測(cè)定了這些微放電器的電學(xué)和光學(xué)性能，并將其推廣應(yīng)用在光電探測(cè)、平板顯示 等方面。該小組在后續(xù)的工作中不斷地優(yōu)化放電器的結(jié)構(gòu)，提高放電器的性能， 拓展放電器的規(guī)模。2 0 0 5 年，該小組獲得y 2 5 0 0 0 0 陣列倒金字塔微放電器( 圖l - 5 ( a ) ) ，并實(shí)現(xiàn)了均勻穩(wěn)定的放電 l q 。2 0 0 8 年，該小組提出了大規(guī)?？蛇x址陣列 倒金字塔微放電器( 圖1 - 5 ( b ) ) ，進(jìn)一步拓展了空心陰極微放電器的可控性提 高了其應(yīng)用靈活性m 】。 微小空心陰極等離子體因其較高的離子密度和功率密度，具有廣闊的應(yīng)用前 景，吸引了眾多科學(xué)家對(duì)其開展了廣泛的研究。這些研究主要是針對(duì)微放電器在 一露甄 第一章緒論 醫(yī)學(xué)診斷、平板顯示、環(huán)境傳感、光電探測(cè)、污染氣體的消毒、紫外準(zhǔn)分子光源、 薄膜沉積、材料表面改性等領(lǐng)域中展開的。在稀有氣體或稀有氣體與鹵化物的混 合物中，微空心陰極維持輝光放電能夠產(chǎn)生大體積高壓輝光放電等離子體，能夠 被用作氣體激光器的增益介質(zhì)，使連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)準(zhǔn)分子激光器的制造成為可能 1 8 1 。在光電和氣體探測(cè)應(yīng)用中，選擇固定的等離子激發(fā)電壓，調(diào)節(jié)引入的外加光 源光強(qiáng)和氣體流量或成分比例，就可以作為檢測(cè)光電強(qiáng)度和氣體含量的靈敏探測(cè) 器【l 引。在平板照明應(yīng)用中，制作空心陰極微放電器陣列，以x e 、時(shí)等稀有氣體 為背景氣體，選擇合適的放電條件可以獲得直流平板真空紫外光源，其5 0 的輻 射率可以轉(zhuǎn)化為光源，輻射率超過5 0w c m 2 【2 0 ，2 1 】。在材料合成應(yīng)用中，s a n k a r a n 等人在大氣壓下空心陰極等離子體發(fā)生器中充入加和硅烷作為反應(yīng)氣體，合成具 有幾個(gè)納米兩級(jí)的s i 粒子。這種納米s i 粒子在紫外光激勵(lì)下，顯示出峰值為4 2 0 n m 藍(lán)光、量子效率為3 0 的常溫光致效應(yīng)，這種發(fā)光可以在大氣中穩(wěn)定維持?jǐn)?shù)月 2 2 j 。 在工業(yè)上，大體積高氣壓輝光放電等離子體的應(yīng)用更廣泛，特別是大氣壓下大體 積的空氣輝光放電等離子體更有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，它使在大氣中進(jìn)行等離子體加工 成為可能，同時(shí)還能夠大大降低加工所需要的真空條件，減少利用其它氣體放電 對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染。 空心陰極放電作為微小等離子體放電的一種特殊形式，其將近5 0 多年的發(fā) 展過程中一直向著穩(wěn)定、靈敏、小型化、大規(guī)模的趨勢(shì)發(fā)展?，F(xiàn)在，對(duì)于各種結(jié) 構(gòu)的空心陰極微放電器的工藝制備和性能測(cè)試已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，并在材料 加工、光電探測(cè)、光源顯示等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，在于等離子體微 觀的理論方面，尤其是微觀粒子方面對(duì)于原子和分子的等離子體中化學(xué)、物理反 應(yīng)研究的較少。但是，為了本質(zhì)的了解等離子體放電的機(jī)理，必須從粒子的微觀 演變角度來(lái)分析氣體反應(yīng)機(jī)理，這也是后來(lái)學(xué)者需要填補(bǔ)的空缺。 1 2 局域等離子體刻蝕技術(shù) 在半導(dǎo)體技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)( m e m s ) 的發(fā)展過程中，微加工技術(shù)起著舉足 輕重的作用。其中，等離子體刻蝕技術(shù)作為一種優(yōu)異的干法刻蝕技術(shù)，在眾多 m e m s 器件制造時(shí)不可或缺。這種技術(shù)刻蝕速率高，刻蝕方向性好，材料選擇 性較高，對(duì)環(huán)境污染小。并且，由于該技術(shù)可以針對(duì)不同的加工材料選用相應(yīng)的 反應(yīng)氣體，所以幾乎可以對(duì)m e m s 中所有的重要材料，如各種金屬、半導(dǎo)體、 電介質(zhì)和陶瓷材料等取得滿意的刻蝕速率和刻蝕選擇性。 在傳統(tǒng)的等離子體加工過程中，等離子體均勻地作用于整個(gè)樣品表面，因此 只能用帶有一定圖形的掩膜板來(lái)實(shí)現(xiàn)刻蝕區(qū)域的選擇。如果要獲得若干個(gè)不同形 第章緒論 狀和不同深度的圖形，必需經(jīng)過多道對(duì)準(zhǔn)曝光、刻蝕等步驟。這個(gè)過程工藝復(fù)雜、 加工周期長(zhǎng)，并且所需的光刻、刻蝕設(shè)備以及掩膜板成本較高。另外，多次對(duì)準(zhǔn) 光刻往往會(huì)降低圖形的精度，有時(shí)難以保證m e m s 器件所需的加工精度。為了 解決上述問題許多研究者嘗試著將等離子體限制在l m m 以下的微結(jié)構(gòu)中【8 | 2 3 川，使用結(jié)構(gòu)限制所形成的微小等離子體可對(duì)樣品的局部區(qū)域進(jìn)行無(wú)掩膜的直接 刻蝕，甚至可以在各種非平面樣品表面進(jìn)行三維立體加工。 日本東京大學(xué)采用等離子體噴射實(shí)現(xiàn)刻蝕陋卅，其刻蝕系統(tǒng)見圖1 - 6 。在 l m m 口徑的微放電管中產(chǎn)生電感耦臺(tái)等離子體，從口徑為0l m m 的噴嘴中噴出 對(duì)移動(dòng)臺(tái)上的樣品進(jìn)行刻蝕。該刻蝕系統(tǒng)可高速刻蝕硅( 4 0 0 0 9 m m i n ) 、石英玻 璃( 1 4 m n v m i n ) 等材料，但是刻蝕精度受噴嘴限制，只能選到百微米量級(jí)，而 且刻蝕系統(tǒng)比較復(fù)雜。 圖l _ 6 等離子體噴射刻蝕系統(tǒng) ( a ) 金屬，絕緣層結(jié)構(gòu)( b ) 金屬，絕緣層金屬結(jié)構(gòu) 圖l _ 7 微結(jié)構(gòu)等離子體刻蝕系統(tǒng) s 明k 卻蜘和w i l s o n 利用微加工方法制作微放電裝置產(chǎn)生等離子體實(shí)現(xiàn)刻蝕。 s m k a r a n 等制作了具有金屬絕緣層兩層結(jié)構(gòu)的帶有圓形或條形微孔的微放電裝 置口t2 ”，見圖1 - 7 ( a ) ?？涛g前將該裝置貼近硅片，通過金屬和硅基材料對(duì)微放 第一章緒論 電器施加驅(qū)動(dòng)電壓，由此產(chǎn)生的等離子體即可實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片高速刻蝕( 7 r c u r d m i n ) ， 圖形精度為2 0 0 1 1 m 。w i l s o n l 2 9 ，”l 等在硅片上直接加工獲得具有金屬絕緣層，金屬 三層結(jié)構(gòu)的微放電裝置，見圖1 7 ( b ) 。通過對(duì)微放電器開孔的排列設(shè)計(jì)可同 時(shí)在不同區(qū)域產(chǎn)生等離子體，從而實(shí)現(xiàn)選擇性刻蝕加工，刻蝕速率為 4 1 7 m n m i n ，圖形精度達(dá)到5 0 哪。這兩種方法避免了噴射等離子體刻蝕中對(duì)于 復(fù)雜系統(tǒng)的依賴，但是可刻蝕的圖形結(jié)構(gòu)取決于微放電器的幾何結(jié)構(gòu)且只能實(shí) 現(xiàn)一次性刻蝕，不適合用于加工復(fù)雜圖形。 3 論文研究目的和意義 以上所介紹的微等離子體無(wú)掩膜刻蝕器件通常只能達(dá)到百微米的刻蝕分辨 率，遠(yuǎn)不能滿足高精度加工的需求。為此，我們提出了一種基于并行探針驅(qū)動(dòng)的 掃描等離子無(wú)掩膜體加工方法 3 1 a 2 】，圖1 - 8 為該刻蝕系統(tǒng)中一個(gè)加工單元的結(jié)構(gòu) 示意圖。該系統(tǒng)主要包括微放電器、空心針尖和帶有壓電驅(qū)動(dòng)的掃描探針三個(gè)主 要部分。這種方法將空心陰極為倒金字塔結(jié)構(gòu)的微放電器集成在掃描壓電探針 上將掃描探針和樣品置于特定壓力的反應(yīng)氣體環(huán)境中，微放電器電極之間加咀 驅(qū)動(dòng)電壓，空心陰極放電產(chǎn)生高濃度等離子體，通過倒金宇塔尖端的納米孔導(dǎo)出 到樣品表面實(shí)現(xiàn)亞微米量級(jí)的局域掃描加工。 f 1 l 圣一j r 首 堂皇l 圖l - 8 無(wú)掩膜掃描等離子體刻蝕加工單元 基于并行探針驅(qū)動(dòng)的無(wú)掩膜掃描等離子體刻蝕方法兼有等離子體加工刻蝕 效率高、適用材料廣的優(yōu)點(diǎn)，以及探針掃描加工分辨率高的長(zhǎng)處。針對(duì)不同被加 工材料選用相應(yīng)的反應(yīng)氣體，可對(duì)多種材料的特定納米級(jí)區(qū)域進(jìn)行有效刻蝕。而 基于壓電薄膜的探針驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)將使陣列中所有探針完全獨(dú)立加工，極大地提高 9 第一章緒論 整體加工效率。另外，這種方法將刻蝕裝置獨(dú)立于被刻蝕材料，且刻蝕系統(tǒng)相對(duì) 簡(jiǎn)單，并可實(shí)現(xiàn)亞微米量級(jí)的高精度刻蝕，對(duì)于局域等離子體刻蝕的研究具有重 要的推動(dòng)意義，為高效率地加工微納米器件提供了一條有效的方案。 掃描等離子加工系統(tǒng)可以按其結(jié)構(gòu)分解為三個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)部分，其中微放電器 是系統(tǒng)中產(chǎn)生和維持等離子體的關(guān)鍵器件之一，對(duì)其性能和原理的研究也是實(shí)現(xiàn) 整個(gè)系統(tǒng)制備的關(guān)鍵內(nèi)容。 微放電器是產(chǎn)生等離子體的關(guān)鍵器件，其性能優(yōu)劣 對(duì)于整個(gè)刻蝕系統(tǒng)具有舉足輕重的作用。因此，本論文主要圍繞微放電器的機(jī)理 研究、工藝制備和性能測(cè)試展開的。 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面tl 。放電器集成于帶空心針尖的掃描 探針上。目前倒金字塔微放電器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這里將倒金字塔微放電器集成于帶有 空心針尖的掃描探針上，并將在放電器尖端釋放出納米量級(jí)的微孔。2 。放電氣 體主要成分是s f 6 。目前微放電器放電氣體多為a r 、n e 等稀有氣體，主要應(yīng)用 于平板顯示、光電探測(cè)等領(lǐng)域，利用其發(fā)光特性。微放電器用于無(wú)掩膜掃描等 離子體系統(tǒng)，主要對(duì)單晶硅、多晶硅、二氧化硅、氮化硅等硅基材料進(jìn)行刻蝕加 工，因此常選用含f 的刻蝕氣體，如c h f 3 、c f 4 、s f 6 等。其中s f 6 在刻蝕加工 中具有選擇性好、刻蝕效率高以及不會(huì)在刻蝕表面形成積碳等優(yōu)點(diǎn)，因此我們選 擇s f 6 作為微放電器中的反應(yīng)氣體，利用其刻蝕特性。 1 4 論文主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu) 利用局域化的微小等離子體進(jìn)行無(wú)掩膜加工，包括材料生長(zhǎng)、刻蝕和沉積等， 可提高加工效率，簡(jiǎn)化加工工藝，對(duì)于微工藝的發(fā)展有著很好的研究意義和實(shí)用 價(jià)值。本論文中就是利用倒金字塔結(jié)構(gòu)的直流空心陰極微放電器產(chǎn)生和維持微等 離子體，以期實(shí)現(xiàn)局域無(wú)掩膜刻蝕。由此，本論文的主要內(nèi)容是研究該倒金字塔 微放電器的反應(yīng)機(jī)理、制備工藝和性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)刻蝕微等離子體的穩(wěn)定產(chǎn)生， 并將其應(yīng)用在無(wú)掩膜掃描等離子體加工系統(tǒng)中。 論文后續(xù)的研究?jī)?nèi)容主要按照以下思路來(lái)安排： 第二章對(duì)現(xiàn)有的微放電器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用a n s y s 仿真軟 件對(duì)集成于無(wú)掩膜刻蝕掃描探針上的微放電器電場(chǎng)仿真，采用重點(diǎn)研究電極幾何 形狀、絕緣材料的介電性能等對(duì)電場(chǎng)分布的影響，獲得了有利于等離子體產(chǎn)生和 維持的結(jié)構(gòu)尺寸。 第三章介紹了微放電器的工藝流程，主要對(duì)圖像反轉(zhuǎn)法剝離工藝、p i 絕緣 l o 第一章緒論 層固化和性能測(cè)試、e 刻蝕p i 工藝和殘留物去除等關(guān)鍵工藝做了詳細(xì)的研究 和分析。通過實(shí)驗(yàn)比較優(yōu)化了相關(guān)的工藝方法和參數(shù)，制備獲得了質(zhì)量較好、可 用于測(cè)試的器件。 第四章研究了電學(xué)和光譜性能的測(cè)試方法及結(jié)果。搭建了用于微放電器性能 測(cè)試的系統(tǒng)。通過測(cè)試結(jié)果分析了放電器特征尺寸、放電氣體壓強(qiáng)、放電氣體成 分等對(duì)于放電的影響，最終實(shí)現(xiàn)s f 6 基氣體穩(wěn)定放電。 第五章總結(jié)了本論文的主要工作，并對(duì)后期工作提出了展望。 第二章微放電器的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化 第二章微放電器的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化 本章主要研究了微放電器結(jié)構(gòu)尺寸分析和優(yōu)化，基于帕邢定律和功能結(jié)構(gòu) 的要求，重點(diǎn)通過a n s y s 仿真研究了電極幾何形狀、絕緣材料的介電性能等 對(duì)電場(chǎng)分布的影響。 2 1 微放電器特征尺寸 圪2 碉b p d ( 1 ) 1 2 第二章微放電器的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化 極材料、陰極表面雜質(zhì)和粗糙度等因素有關(guān)，這種因素較為復(fù)雜，這里不做具體 的論述。 氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)v 湘( v )p d ( p a c m ) p 0 p a y l 0 0 9 m h 222 7 31 5 3 3 1 5 3 n 22 8 2 5 1 8 9 3 8 9 3 s h 43 6 4 1 4 8 0 0 8 c 0 2 4 44 2 06 8o6 8 s o z 6 4 4 5 74 40 44 s f 6 1 4 6 a r4 01 3 71 2 0 1 2 a 計(jì)2 93 2 77 567 5 6 基于帕邢定律，反應(yīng)器的特征尺寸的確定需要考慮放電時(shí)擊穿電壓、放電 氣壓等條件的約束，這里，為使微放電器在最小擊穿電壓下放電且工作氣壓 在1 0 k p a ( 接近大氣壓) 左右，微放電器的典型特征尺度在1 0 - 1 0 0 1 t m 范圍內(nèi)， 因此，設(shè)計(jì)的微放電器的特征尺寸選擇i 0 0 9 m 或5 0 a 兩種。 2 2 微放電器基本結(jié)構(gòu)模型 這里研究的倒金字塔微放電器是用于無(wú)掩膜掃描等離子體刻蝕的放電器 件，因此需要將微放電器集成于掃描探針的尖端。圈2 - l 是1 0 0 0 m 倒金宇塔微 放電器探針基底和反應(yīng)器剖面圖。倒金字塔微放電器的特征尺寸，即倒金字塔 端部的口徑為1 0 0 1 1 m 或5 0 t u n ，槽深約為7 0 1 u n 或3 5 t t m 。微放電器包括金屬， 絕緣層，金屬三層結(jié)構(gòu)。 s i育曠 圖2 - 1 微放電器探針基底和剖面圖 第二章微放電器的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化 微放電器的電極金屬選擇鎳( n i ) ，這是因此m 的化學(xué)性能比較穩(wěn)定，與 氧、硫、氯等元素不相互作用，在0 2 、c h f 3 和s f 6 等離子中具有優(yōu)異的抗刻蝕 性能，同時(shí)它具有較高的熔點(diǎn)和較低的濺射產(chǎn)額，價(jià)格便宜，滿足等離子體放 電時(shí)對(duì)電極材料的要求。電極層的設(shè)計(jì)厚度為1 2 0 - - 2 0 0 r u n 。 反應(yīng)器中間絕緣層材料選擇聚酰亞胺( p i ) 材料，這種材料具有優(yōu)越的介 電性能、機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，是高溫電絕緣和熱絕緣的理想材料之一。p i 在 s f 6 等離子體中具有較好的抗蝕性能，高溫性能優(yōu)異，加工工藝簡(jiǎn)單，制造成本 低，具有較低的相對(duì)介電常數(shù)和良好的絕緣性能。p i 介電常數(shù)一般約低于38 ， 而介電損耗低于o 0 0 4 ，理論介電強(qiáng)度約在2 0 0 v s u n 左右。由表1 可知，通常 微放電器件在s r 中的工作電壓一般在5 0 0 v 左右，因此為了滿足工作過程中 p i 薄膜不技生擊穿，p i 膜的設(shè)計(jì)厚度為5 - 2 0 s u n 州。 為了實(shí)現(xiàn)無(wú)掩膜等離子體刻蝕的掃描，微放電器必須集成于掃描探針的端 部，見圖2 2 結(jié)構(gòu)模型。因此，反應(yīng)器的電極形狀與放電器的特征尺寸相當(dāng)( 數(shù) 十u m ) ，這會(huì)引起放電器電場(chǎng)，特別是倒金字塔中電場(chǎng)的改變，從而引起等離 子體分布和性能改變。為了獲得良好的探針針尖的驅(qū)動(dòng)形成、位移驅(qū)動(dòng)分辨率 和壓電探針的諧振頻率、位移檢測(cè)分辨率，掃描探針的寬度不應(yīng)超過3 0 0 m ， 長(zhǎng)度不應(yīng)超過1 0 0 0 1 u n i 州。 圖2 - 2 微放電器的結(jié)構(gòu)模型 本文采用a n s y s 軟件對(duì)微放電器電場(chǎng)仿真，重點(diǎn)研究電極幾何形狀、絕 緣材料的介電性能等對(duì)電場(chǎng)分布的影響，仿真時(shí)不考慮等離子體對(duì)于電場(chǎng)分布 的影響。為了簡(jiǎn)化仿真模型，這里使用圓錐結(jié)構(gòu)來(lái)近似倒金字塔結(jié)構(gòu)。由于圓 錐的對(duì)稱性，只考慮平面的電場(chǎng)分布，因此，微放電器的仿真模型如圖2 0 所 示。這里選擇倒金字塔的特征尺寸為5 0 或1 0 0 a n ，對(duì)應(yīng)的深度為3 5 或7 0 1 m p i 的厚度為8 9 r a i 陽(yáng)極和陰極分布如圖中所示，但是由于n i 較薄，電極厚度 忽略不計(jì)。陰極電壓為- 4 0 0 v ，陽(yáng)極接地斌放電器的模擬范圍為4 0 0 - n x 2 0 0 x m 。 s i 、p i 和空氣的相對(duì)介電常數(shù)分別為1 19 、3 和l 。 第二章微放電器的結(jié)構(gòu)r 寸優(yōu)化 圖2 - 3 微放電器的仿真模型 圖2 - 3 中還表示了模擬中對(duì)于倒金字塔、陽(yáng)極、陰極、p i 等關(guān)鍵尺寸的定 義。由于探針的寬度為3 0 0 0 m ，因此，陽(yáng)極、陰極和p i 的最大寬度也不應(yīng)超過 該值。另外為了保證電極在微放電器關(guān)鍵部位的連接，并且容許一定的工藝 誤差，要求陰極、陽(yáng)極和p i 的最小模擬尺寸為5 0 9 i n 。因此，對(duì)于特征尺寸為 l o o p m 的器件，探針寬度選擇3 0 0 p r a ，對(duì)于特征尺寸為5 0 1 a n 的器件，探針寬 度選擇為2 5 0 1 a m 。根據(jù)圖2 _ 3 所定義的各部分的模擬尺寸，5 0 和1 0 0 0 m 器件的 陽(yáng)極、陰極和p j 的最大模擬長(zhǎng)度都為1 0 0 “m 。 2 3 微放電器結(jié)構(gòu)分析 由于掃描探針對(duì)微放電器的尺寸限制，微放電器的電場(chǎng)分布產(chǎn)生了較大的 變化。這里首先分別改變陰極、陽(yáng)極、絕緣層的尺寸，分析這些因素對(duì)于倒金 字塔電場(chǎng)分布的影響；接著模擬分析絕緣層中氣泡、特征尺寸、陰極結(jié)構(gòu)等因 素對(duì)于電場(chǎng)分布的影響。由于分析模型取一半的器件結(jié)構(gòu)，因此各部分長(zhǎng)度按 照一般的絕對(duì)長(zhǎng)度來(lái)表示，比例順序?yàn)榈菇鹱炙宏?yáng)極：p i ：陰極。 231 微放電器功能材料尺寸的作用 2311 陰極尺寸的作用 倒金