基于并行探針驅(qū)動的掃描等離子體加工技術(shù)的研究.pdf

1、基于掃描探針的微細(xì)加工技術(shù)作為一種無掩模的掃描微細(xì)加工技術(shù)，因其所需設(shè)備簡單和加工精度高達(dá)納米量級，目前已在納米機(jī)械加工等諸多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注和研究。但這種加工技術(shù)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(jìn)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(qū)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(chǔ)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(jié)構(gòu)的微小等離子體反應(yīng)器的產(chǎn)生機(jī)理和參數(shù)尺度效應(yīng)，并對其放電過程進(jìn)行了數(shù)值仿真。數(shù)值仿真的結(jié)果顯示當(dāng)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(dǎo)出和實現(xiàn)高效率的刻蝕加工提供了理論依據(jù)。

3、 2)首次提出了一種新的基于并行探針驅(qū)動的掃描等離子體加工技術(shù)。該方法通過將微小等離子體反應(yīng)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)給和自檢測，當(dāng)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(yīng)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(jìn)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(yīng)器的電學(xué)性能和光譜特性。由實驗結(jié)果得到，當(dāng)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(chǎn)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(jìn)一步驗證了微小等離子體反應(yīng)器中產(chǎn)生了高濃度的氟原子，將其應(yīng)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(xì)加工技術(shù)，通過在掃描探針上集成微小等離子體反應(yīng)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(yīng)器可產(chǎn)