[發明專利]基于大氣壓等離子體噴管的并行無掩模掃描微納米加工裝置和方法

有效

• 申請號: 201610296788.4
• 申請日: 2016-05-04
• 公開（公告）號: CN105895489B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 文莉;戴一川
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01J37/32
• 分類號: H01J37/32;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司11260
• 代理人: 鄭立明,趙鎮勇

1.一種基于大氣壓等離子體噴管的并行無掩模掃描微納米加工裝置，其特征在于，包括大氣壓等離子體噴管、集成在噴管下端的微納米噴嘴陣列，所述噴嘴陣列的下部設有三維精密移動臺；

所述的大氣壓等離子體噴管包括由內向外依次布置的陽極金屬管、石英管、絕緣管，所述絕緣管的下端設有陰極金屬環，所述陽極金屬管與陰極金屬環之間連接有電壓激勵裝置和限流電阻；

所述電壓激勵裝置為直流脈沖電壓發生裝置或高頻交流激勵裝置或射頻激勵裝置或微波激勵裝置；

所述噴嘴陣列包括多個設有納米孔的噴嘴針尖，每個噴嘴針尖均設有倒金字塔形狀的空心微腔，或者所述噴嘴陣列是尺度為亞微米至微米范圍的圓柱孔陣列或圓錐孔陣列；

所述大氣壓等離子體噴管的上端設有進氣口，所述進氣口通過所述陽極金屬管內部的中空結構與所述噴嘴陣列相通；

所述的噴嘴針尖為濕氧氧化SiO₂針尖；

所述濕氧氧化SiO₂針尖內壁設有一層金屬膜，所述噴嘴陣列通過硅膠或專用夾具貼在所述石英管的下端。

2.根據權利要求1所述的基于大氣壓等離子體噴管的并行無掩模掃描微納米加工裝置，其特征在于，所述噴嘴陣列的材料為硅基材料或金屬或石英玻璃。

3.一種權利要求1或2所述的基于大氣壓等離子體噴管的并行無掩模掃描微納米加工裝置實現基于大氣壓等離子體噴管的并行無掩模掃描微納米加工方法，其特征在于，將所述大氣壓等離子體噴管放置于大氣壓環境下，噴管內持續通入所需的反應氣體，在所述陽極金屬管與陰極金屬環之間加載直流脈沖、高頻交流、射頻或微波激勵電源，反應氣體在電場作用下產生電離生成反應等離子體，通過所述噴嘴陣列用于形成等離子體微納米射流陣列，通過所述三維精密移動臺控制等離子體微納米射流裝置與被加工樣品的相對移動，對不同材料進行無掩膜刻蝕或沉積加工出所需的微納米結構陣列，并可以對材料的表面進行改性。

4.根據權利要求3所述的基于大氣壓等離子體噴管的并行無掩模掃描微納米加工方法，其特征在于，在用于等離子體無掩模加工中，按如下步驟進行：

步驟一、產生反應等離子體：

所述等離子體產生的機理是屬于介質阻擋放電式的氣體放電，根據不同的被加工樣品材料，在大氣壓等離子體噴管中通入相應的反應氣體；將噴管的電極上施加直流脈沖激勵或交流高頻激勵或射頻激勵或微波激勵，當電源的電壓超過氣體的著火電壓時，氣體被電離產生反應等離子體；

步驟二、導出等離子體微納米射流陣列：

所述等離子體微納米射流陣列由集成在等離子體噴管出口端的納米噴嘴陣列形成；

所述等離子體的導出方法是利用等離子體噴管入口與出口端的壓力差形成驅動力，驅使等離子體噴管中產生的反應等離子體通過集成在等離子體噴管出口處的納米噴嘴陣列時被約束形成微射流陣列，將被加工樣品放置在金屬樣品臺上后，噴管的陽極金屬棒和樣品臺之間的電場增強作用，能進一步提高微納米射流陣列的導出距離；

步驟三、等離子體微納米射流陣列在樣品表面微小區域刻蝕、沉積和表面改性：

通過三維移動臺調整被加工樣品的位置，通過所述的等離子體微納米射流陣列在樣品表面微小區域刻蝕或沉積加工出設定的圖形或結構的陣列，以及對樣品微小區域進行表面改性；

實際加工時，根據不同的被加工材料，選擇相應的反應氣體；

所述三維移動臺為三自由度，能在x,y,z方向精確控制其移動的移動平臺，通過精確控制移動臺X,Y向移動，即根據設計在樣品上加工的圖案，使等離子體微納米射流裝置的噴嘴陣列與樣品在水平面方向產生相對移動，實現高效并行掃描加工；

被加工樣品為硅、氧化硅、氮化硅，或為光刻膠高分子聚合物材料，或為金屬材料。