一种新型微小等离子体发生器

　　1　引言

　　在半导体技术和微机电系统(MEMS)领域,等离子体加工技术由于刻蚀精度高、加工能力强等优点,得到广泛的应用^[1-3] ,如各种微纳米薄膜的刻蚀、淀积、生长等。传统等离子体刻蚀中所应用的是宏观等离子体,即等离子体作用在整个样品表面,若要进行选择性刻蚀,必须采用掩膜来实现。利用局域化的微小等离子体进行直接刻蚀的无掩膜加工,则可提高效率,简化工艺,目前正成为国内外学者广泛关注的热点。微小等离子体即在局域化的微小尺度内产生的等离子体,目前也受到国内外研究者的广泛关注^[4-7] 。在微小等离子体刻蚀领域,Wilson^[4] 在硅片上利用平面结构的微放电装置,可同时实现对不同区域的刻蚀加工,刻蚀速率达到6μm/min~17μm/min,图形精度达到10μm,其缺点是只能实现一次性刻蚀,不可重复使用。Sankaran^[5] 等利用带有圆形或条形微孔的微放电装置,贴近硅片,可实现对硅片的高速刻蚀,但可刻蚀的图形结构取决于微放电器件的几何结构,不适合加工复杂图形。

　　扫描探针作为一种无掩膜的纳米加工技术,因其所需设备简单且加工精度达纳米量级,正受到广泛的重视和研究^[8-9] 。利用扫描探针技术可以克服现有的微小等离子体刻蚀技术所存在的问题,实现刻蚀的可重复性和可加工图形的任意性。鉴于扫描探针加工和微小等离子体技术各自的特点,提出了一种基于并行探针驱动的扫描等离子体加工新方法,通过在并行探针针尖上集成微小等离子体发生器,从而实现无掩膜的扫描加工。该加工技术兼有等离子体加工刻蚀效率高和适用材料范围广的优点,以及探针扫描加工分辨率高和无需掩膜的长处。针对不同的加工材料选用相应的反应气体,可以对多种材料的特定微纳米级区域进行有效刻蚀。利MEMS技术加工的并行探针技术,可以实现多个探针同时加工,极大地提高了整体加工效率,为探索加工小批量、多品种的微纳米器件提供了新思路。

　　本文设计了一种用于扫描等离子体加工用的悬臂梁探针结构,该悬臂梁探针将微小等离子体反应器集成在探针针尖上,通过针尖处的微孔,将微小等离子体引入样品表面,实现扫描刻蚀加工。对集成于探针针尖处的微小等离子体反应器在不同条件下的特性参数进行了数值仿真。结果表明,所设计的这种微小等离子体反应器能够满足扫描刻蚀加工的要求。

　　2　扫描加工用微小

　　等离子体发生器

　　扫描等离子体加工技术是一种将等离子体技术与扫描探针技术相结合的新方法,图1为扫描等离子体加工用悬臂梁探针的结构示意图。该结构由带有空心针尖的扫描探针和集成在针尖上的微小等离子体发生器构成,将扫描探针和样品置于特定压力的反应气体环境中,在等离子体发生器的微电极间加上直流驱动电压,在电场作用下产生的局域反应等离子体经探针针尖处的微孔引入样品表面,从而实现样品表面微区的反应离子刻蚀。