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, 需要昂贵的模版及复杂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1 mm 以下的柱形放电管或微结构中, 可实现局部无掩膜刻蚀, 甚至可以在各种非平面样品表面进行三维立体加工 。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, 作者课题组提出了一种基于并行探针驱动的扫描等离子体无掩膜加工方法, 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, 并将其通过倒金字塔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。
A novel technique was developed to fabricate the insulting polyimide ( PI) thin film for micro-plasma reactor.
The impacts of the PI imidization and the ion etching conditions, including the react ive ion etching rate, gas flowrate, gas compositions, and cleaning procedures, on the etching rate, film quality and etching residues were evaluated. Adedicated circuitry was developed to measure the dielectric coefficient and breakdown intensity of the PI films.The results show that the imidizat ion mode and ion etching conditions strongly affects the film quality and the etching rate. For instance,high etching rate and good PI films could be obtained with the PI raw films imidized by stepped heating and etchedunder the following conditions: a reactive etching power of 60W, an oxygen flow rate of 60 cm3/ min( standard state) , in asolution of 5% SF6 or 10% CHF3. Its dielectric coefficient and breakdown intensity were found to be 218 and 125 V/ Lm,respectively. The fabricated micro-plasma reactor with PI insulat ion structure was capable of stably discharging at 10 kPaSF6.
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/ 绝缘层/ 阴极金属三层结构, 其中绝缘层选择具有良好热电性能的聚酰亚胺( PI) 。制作性能优异的PI 膜是微放电器制作中至关重要的工艺, 包括制备和图形化步骤, 处理不当将会出现裂纹、残留物等问题, 影响其性能。另外, 由于所设计的倒金字塔微放电器的特征尺寸有50, 100 Lm 两种, 槽深分别约为35, 70 Lm, 深槽的存在使PI 膜的图形化工艺难度大大增加。
微放电器的电极材料为Ni, 厚度为200 nm, PI选择ZKPI-305, 厚度为8 Lm, 基片选择< 100> 晶向的Si 片 。简化的倒金字塔微放电器的工艺流程, 首先用湿法刻蚀获得倒金字塔, 接着溅射阴极Ni, 制备PI 绝缘层, 然后涂覆光刻胶并实现反转图形化、溅射阳极Ni 并实现剥离, *后将PI 图形化。
本文主要研究了应用于微放电器的聚酰亚胺绝缘层的工艺及性能, 重点分析了PI 制备过程中亚胺化程度和图形化过程中RIE 刻蚀功率、气体流量、气体成分、清洗等因素对于刻蚀裂纹、刻蚀速率和残留物的作用, 实验表明PI 热环化采用阶梯升温方式, RIE刻蚀功率为60 W、O2 流量为60 cm3/min、加入5%SF6 或10% CHF3 时可保证较好的质量且获得较高的刻蚀速率。设计电路测得PI 相对介电常数为218, 介电击穿强度为125 V/ Lm。*后将该PI 成功的应用于微放电器中, 测得了微放电器在SF6 中稳定放电的V-I 特性, 为后续的无掩膜扫描等离子体刻蚀加工奠定了基础。
