[发明专利]无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置

说明书

技术领域

本发明涉及大气压等离子体技术领域，具体地，涉及一种应用于微纳刻蚀技术领域和大规模柔性电子制造领域的用于无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置。

背景技术

现阶段，等离子体加工技术已在微电子和微纳制造等领域中得到较广泛地应用。工业上，等离子体加工技术中所使用的等离子体指的是低温等离子体，这种低温等离子体是由低气压辉光放电所产生，必须借助真空系统才能实现。另外，传统上的等离子加工技术刻蚀加工材料是以光刻技术为基础。这些苛刻的条件极大地限制了低温等离子体微纳加工技术在工业上大规模应用。

大气压等离子体射流因为具有功耗低、温度低、无需使用真空系统、运行成本地等特点，受到了各个领域研究者的广泛关注,尤其近年来其在材料表面改性，材料的沉积，材料去除中的应用倍受关注。

经对现有技术文献的检索发现，Ichiki等人在《Journal of Applied Physics》(2004)撰文“Localized and ultrahigh-rate etching of silicon wafers using atmospheric-pressure micro plasma jets”,该文提供了一种100MHz超高频激励的石英放电管微等离子体射流装置，并实现了硅和石英玻璃基片的超高速局域刻蚀。Fricke等人在《Plasma Processes and Polymers》(2011)51-58撰文“High rate etching of polymers by means of an atmospheric pressure plasma jet”，该文作者釆用1MHz射频电源激励在石英管使稀有气体Ar放电形成等离子体射流对各种聚合物材料进行了选择性地去除。然而，这些大气压等离子体射流线宽一般为毫米级，而且要想产生均匀稳定的等离子体射流必须使用大量的惰性气体。因此，通过以Ar/O₂混合气体为工作气体产生的等离子体射流刻蚀聚合薄膜效率低，成本高，操作不方便，会造成聚合物碳化，最主要的是无法对聚合物薄膜进行微加工。

另外，柔性电子技术可能带来一场电子技术革命，引起全世界的广泛关注并得到了迅速发展。柔性电子制造技术的关键是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造特征尺寸更小的柔性电子器件。传统的低温等离子加工技术在大规模制备柔性电子上受到了极大的约束。因此，要是有一种大气压下无掩膜刻蚀聚合物薄膜的简易的等离子体加工设备将极大地促进柔性电子的发展。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，该装置实现了对聚合物薄膜进行均匀的无掩膜刻蚀，并且避免了热作用造成聚合物薄膜的碳化。

为实现以上目的，本发明提供一种无掩膜刻蚀聚合物薄膜的大气压空气微等离子体射流装置，包括：绝缘圆柱、高压电极、绝缘微针、接地电极和高压低频率电压源，其中：所述高压低频率电压源的高压端与所述高压电极连接，所述高压低频率电压源的低压端与所述接地电极共地连接；所述绝缘圆柱外接所述绝缘微针和所述高压电极；所述接地电极设置在所述绝缘微针外壁处；所述绝缘微针的针尖处设置有喷嘴，在所述绝缘微针的喷嘴与所述样品之间存在线宽处于微米尺度的等离子体射流。

优选地，所述的绝缘圆柱内部中空，绝缘圆柱的直径为4mm～20mm，空腔形状及大小可根据实际需要调整；绝缘圆柱的底面中心设有一个直径为0.5～4mm的连通空腔的圆孔，绝缘圆柱的顶部中心设有一个直径为50-500μm的连通空腔的圆孔；在顶部中心两侧设有多个直径为0.2mm～6mm的连通空腔的圆孔；这些圆孔供工作气体空气进入，圆孔具体数目根据实际需要来设计。

优选地，所述的高压电极为直径为50-500μm的不锈钢电极、钨电极、铂电极。

优选地，所述的绝缘微针的外径为0.5～6mm、内径为0.25～5mm，绝缘微针的喷嘴内径为5um～400μm。

优选地，所述的接地电极为金属环，金属环的下边缘位于高压电极尖端之上、宽度大小可以根据实际需要定制。

优选地，所述的高压低频率电压源的频率为5kHz～60kHz、电压在0～50kV之间可调。之所以使用高压低频电压源，是因为射频电流产生等离子体射流时，会伴随大量的热量产生，为保证等离子体射流的稳定性，需要使用循环水来冷却放电装置，这样导致整个装置复杂，使用不方便。另外，使用高压低频电源，更加有利于在小管径绝缘微针中产生等离子体。