等离子体发生器电极的制作方法

本实用新型涉及等离子技术领域，尤其涉及一种等离子体发生器电极。

背景技术：

等离子体是一种物质的存在形态，含有大量的带正负电荷的粒子且具有较高的物理、化学活性，因此被广泛应用于薄膜生成、结构刻蚀、表面处理、有害气体分解等领域。各种等离子体应用从本质上讲都是能量的转移，为了提高等离子体的应用效率，需要在同样的驱动条件下提高等离子体发生器产生的电子/离子密度。传统的等离子体发生方式包括高能量射线如X射线、加热激发、激光等，其安全性的保障有较高难度。相对较为安全稳定的方式为高强电场下的气体放电产生等离子体，安全方面难度主要集中在高电压驱动，机理方面主要问题在于正常气压下气体放电的可控性和效率低，应用方面主要问题在于放电产生的等离子体分布不均匀，容易产生流柱消耗能量，很难在发生器外的空间维持足够的带电粒子密度。

为了解决上述技术问题，针对性的方案被提出。比如，针对高电压，利用较小的电极间距可以在一定的电压条件下获得更高的电场强度或者减小了一定电场强度条件下所需加载的电压，但是相应地，减少了带电粒子在空间中的碰撞几率从而抑制了整体上放电产生等离子体的效率，或者缩小了等离子体的分布区间从而制约了其应用范围；降低放电气压，不仅需要复杂的真空系统，同时制约了应用范围；减少集中放电和流柱产生引入了介质阻挡放电，一般仅在平行电极间形成细丝电流，无法达到较大空间范围的带电粒子分布，目前该方向研究的重点在于所需的脉冲激励或高频高压电源的相关技术难题。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种等离子体发生器电极，以在较低电压驱动的条件下高效率地形成较大范围的高密度等离子体分布。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种等离子体发生器电极，包括：

基底；

柱状结构阵列，形成在所述基底上,所述柱状结构阵列包括若干柱状结构；

针状结构阵列，形成在所述若干柱状结构外的所述基底上以及所述若干柱状结构的底部，所述针状结构阵列包括若干针状结构。

其中，所述针状结构的高度远低于所述柱状结构的高度。

在本实用新型的一个实施例中，所述若干柱状结构的顶端和/或侧壁上也形成有针状结构。

在本实用新型的一个实施例中，所述针状结构的顶端与金属颗粒形成异质结结构。

在本实用新型的一个实施例中，单个柱状结构的长径比不小于2，高度不小于100微米。

在本实用新型的一个实施例中，所述柱状结构阵列中相邻柱状结构之间的间距不小于所述柱状结构的直径。

在本实用新型的一个实施例中，单个针状结构的长径比不小于10，直径不大于10微米。

在本实用新型的一个实施例中，所述柱状结构阵列由所述基底通过刻蚀形成。

在本实用新型的一个实施例中，所述刻蚀采用图形化的催化剂薄膜作为催化剂。

在本实用新型的一个实施例中，所述图形化的催化剂薄膜包括下层薄膜，所述下层薄膜与基底接触，所述下层薄膜的材料为贵金属，用于催化所述基底的刻蚀。

在本实用新型的一个实施例中，所述图形化的催化剂薄膜还包括上层薄膜，所述上层薄膜位于所述下层薄膜上，所述上层薄膜的材料为铁、金、银、钛、钯、镍、镓、锌及其合金和/或氧化物中的任一种或其结合，用于催化所述针状结构的生长。

在本实用新型的一个实施例中，所述基底为硅片。

本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，存在以下的优点和积极效果：

1)本实用新型提供的等离子体发生器电极，充分利用了柱状结构和针状结构跨尺度的配合，其中针状结构在几何上的尖端效应(即高长径比的结构顶端能产生局部增强电场)，集聚局部电场促进气体向等离子体状态的直接转化；而柱状结构的侧壁含有大量的表面态，可进一步促进等离子体在空间中的扩散中的增殖和维持，从而能够实现在较低电压驱动的条件下高效率地形成较大范围的高密度等离子体分布。

2)本实用新型提供的等离子体发生器电极的柱状结构除了底部分布有针状结构以外，柱状结构的顶端和/或侧壁上也能形成针状结构，所具有的尖端效应和表面态效应同样能在较低驱动电压下形成较大范围的高密度等离子体分布。

3)本实用新型提供的等离子体发生器电极，其针状结构的顶端与金属颗粒形成有金属颗粒-针状结构的异质结结构，该异质结结构可提供较多表面态，使得气体分子在被电离形成等离子体的过程中，电子有更大几率脱离中性气体分子从而进一步促进等离子体的产生效率。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的等离子体发生器电极的主视示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的等离子体发生器电极的制造方法的流程示意图；

图3A-图3C是本实用新型一实施例提供的等离子体发生器电极的制造方法的各步骤对应的器件结构示意图。

图中：1-基底，2-柱状结构，3-针状结构，4-催化剂薄膜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的等离子体发生器电极作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

在提出本本实用新型之前，本申请的实用新型人对目前可能的等离子体发生器电极进行了充分的研究，具体研究如下：

1)已报道的等离子体发生器的电极结构，为了增强局部电场，直接引入微米甚至纳米尺度的针状结构，虽然能在降低所需驱动电压阈值的同时对等离子体的生成效率有一定的提升，但是作用范围十分有限，仅依赖针状结构顶部的尖端效应；同时，申请人进行的实验结果表明，如发生不均匀的放电，例如产生高能量、高电子通量的流柱，细小的针状结构将会遭到破坏而失效。

2)已报道的等离子体发生器的电极结构，如直接引入微纳米尺度的针状结构，在微观上还利用了针状结构所提供的表面态，已被证明可促进更多电离时所需的电荷能量转移，但是由于仅采用针状结构，其有效范围仍然限于针状结构表面，在等离子体扩散、漂移的空间未能得到有效地维持和促进。

3)申请人通过对等离子体产生机理方面的研究和大量的气体放电产生等离子体的实验，发现直径在几微米至纳米尺度的针状结构与微米尺度柱状结构相结合，可有效地改善等离子体发生器电极微细结构在产生等离子体过程中作用范围有限的缺陷，使得等离子体生成的增强效果从针状结构的尖端局部延伸至柱状结构所构成的扩散空间。

基于上述研究，本申请的实用新型人创造性地设计了一种等离子体发生器电极，请参考图1，如图1所示，本实用新型实施例提供的等离子体发生器电极包括基底1、在基底1上形成的柱状结构阵列以及针状结构阵列；其中，柱状结构阵列包括若干柱状结构2；针状结构阵列具体形成在若干柱状结构外的基底上以及若干柱状结构的底部，针状结构阵列包括若干针状结构3。本实用新型提供的等离子体发生器电极，充分利用了柱状结构和针状结构跨尺度的配合，其中针状结构在几何上的尖端效应(即高长径比的结构顶端能产生局部增强电场)，集聚局部电场促进气体向等离子体状态的直接转化；而柱状结构的侧壁含有大量的表面态，可进一步促进等离子体在空间中的扩散中的增殖和维持，从而能够实现在较低电压驱动的条件下高效率地形成较大范围的高密度等离子体分布。

其中，所述针状结构3的高度远低于所述柱状结构2的高度，也就是从整体上来看，针状结构3位于底部。

作为一优选实施例，若干柱状结构2的顶端和/或侧壁上也形成有针状结构，从而提供了与等离子体更大的接触面积和机会，该结构对等离子体移动中的维持和增殖有积极的促进作用。

作为进一步优选实施方式，针状结构3的顶端与金属颗粒形成异质结结构，从而能在尖端效应上叠加由金属颗粒提供的表面态效应，进一步促进等离子体生成。

其中，所述基底1硅片，为了保证驱动信号的有效传输，优选电阻率较低的高导硅片,其中,高导硅片指的是电阻率在几十欧姆.厘米级别以下的硅片。当然，本实用新型并不以此为限，还可以选择其它的材料作为基底。柱状结构阵列由基底通过刻蚀形成，单个柱状结构2的长径比(宽深比)不小于2，高度不小于100微米。优选地，柱状结构阵列中相邻柱状结构2之间的间距不小于所述柱状结构2的直径，以保证在等离子体增殖和运动过程中有足够的几何效应和提供足够的表面态。其中，刻蚀采用图形化的催化剂薄膜作为催化剂。具体地，图形化的催化剂薄膜包括下层薄膜，所述下层薄膜与基底1接触，所述下层薄膜的材料为贵金属，用于催化所述基底的刻蚀，以形成柱状结构。所述图形化的催化剂薄膜还包括上层薄膜，所述上层薄膜位于所述下层薄膜上，所述上层薄膜的材料为铁、金、银、钛、钯、镍、镓、锌及其合金和/或氧化物中的任一种或其结合，用于催化所述针状结构的生长。

在本实用新型的一个实施例中，单个针状结构3的长径比不小于10，直径不大于10微米，以保证针状结构3在等离子体产生过程中的尖端效应。

上述等离子体发生器电极的制造方法，包括以下步骤：

S1:提供一基底；

S2:在所述基底上形成柱状结构阵列，所述柱状结构阵列包括若干柱状结构；

S3:在所述若干柱状结构外的所述基底上以及所述若干柱状结构的底部形成针状结构阵列，所述针状结构阵列包括若干针状结构。

在本实用新型的一个实施例中，在步骤S3中，所述针状结构还形成在所述柱状结构的顶端和/或侧壁上。

在本实用新型的一个实施例中，还包括步骤S4：在所述针状结构的顶端形成金属颗粒-针状结构的异质结结构。

在本实用新型的一个实施例中，所述步骤S1与步骤S2之间还包括步骤S12：在所述基底上沉积催化剂薄膜并图形化该催化剂薄膜。

在本实用新型的一个实施例中，所述步骤S2具体为：由图形化的催化剂薄膜在刻蚀液中催化刻蚀所述基底形成所述柱状结构阵列。

在本实用新型的一个实施例中，所述步骤S3具体为：以所述图形化的催化剂薄膜作为催化剂，催化所述针状结构的生长，形成针状结构阵列。

在本实用新型的一个实施例中，所述图形化的催化剂薄膜包括下层薄膜，所述下层薄膜与基底接触，所述下层薄膜的材料为贵金属，用于催化所述基底的刻蚀。

在本实用新型的一个实施例中，所述图形化的催化剂薄膜还包括上层薄膜，所述上层薄膜位于所述下层薄膜上，所述上层薄膜的材料为铁、金、银、钛、钯、镍、镓、锌及其合金和/或氧化物中的任一种或其结合，用于催化所述针状结构的生长。

以下给出具体实施例对本实用新型的等离子体发生器电极的制造方法进行说明。

实施例1

请参考图2以及图3A-图3C，结合图2及图3A-图3C，本实施例提供的等离子体发生器电极的制造方法包括以下步骤：

S101:提供一基底1

该基底1具体为硅片，优选为电阻率较低的高导硅片，以保证驱动信号的有效传输。

S102:在基底1上沉积催化剂薄膜4并图形化该催化剂薄膜，该步骤完成后的器件结构如图3A所示。

其中，催化剂薄膜4包括下层薄膜与上层薄膜，下层薄膜与基底1接触，其材料为贵金属，用于催化所述基底1的刻蚀；贵金属以上的上层薄膜的材料为铁、金、银、钛、钯、镍、镓、锌及其合金和/或氧化物中的任一种或其组合，用于催化所述针状结构3的生长。

催化剂薄膜4沉积在所述基底1表面的方法包括溅射和溶胶涂覆，其中溅射是一定能量的粒子(离子或中性原子、分子)轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面并位移至目标板(即本申请中的基底1)表面形成薄膜的工艺；溶胶涂覆是指先将所需催化剂材料在纳米尺度的颗粒分散在液体分散剂中制得液溶胶，然后将该液溶胶附着在目标板(即本申请中的基底1)表面形成薄膜的工艺。

其中催化剂薄膜的图形化有两种方式：1)首先在所述基底1的表面沉积催化剂薄膜，然后在催化剂薄膜上利用标准的半导体加工工艺的光刻胶旋涂、光刻、显影，用保留的光刻胶保护住部分催化剂薄膜而暴露出需要去除催化剂薄膜部分的图形，利用离子轰击(干法)、化学腐蚀(湿法)去除被暴露部分的催化剂薄膜材料，即形成所述柱状结构2的上表面(顶面)；2)首先在所述基底1的表面利用标准的半导体加工工艺的光刻胶旋涂、光刻、显影，用保留的光刻胶形成了所述柱状结构2的上表面图形，而暴露出需要刻蚀部分的图形，然后用前述薄膜沉积工艺将催化剂薄膜沉积在已图形化的光刻胶表面，其中需刻蚀部分的图形位置催化剂薄膜直接与所述基底1接触，而柱状结构2上表面位置因为有光刻胶保护所以催化剂薄膜将沉积在光刻胶表面，利用丙酮在溶解该部分光刻胶的同时将其上的催化剂材料从所述基底1溶脱去除，即形成了如图2所示的图形化的催化剂薄膜4。

S103:将表面沉积有图形化催化剂薄膜4的基底1放入刻蚀液中进行湿法刻蚀，形成柱状结构阵列；该步骤完成后的器件结构如图3B所示。

其中，在所述基底1为硅片的情况下，刻蚀液为标准的氢氟酸(体积摩尔浓度为1.87mol/L)和双氧水(体积摩尔浓度为8.94mol/L)混合溶液，反应温度为室温(18℃)，如需加速反应过程，可将氢氟酸浓度升高为2倍同时将反应溶液温度提高至50℃。反应时间根据刻蚀深度(即柱状结构2的高度)要求、图形的复杂程度、柱状结构2与柱间间距的比例关系而设定，具体实施过程中可依据测量结果作调整。

为使所述的柱状结构阵列达到更好的规整性，优选地，在所述的催化剂薄膜4中，与所述基底1直接接触的贵金属层上方加入磁性材料，如铁、钴、镍，然后在刻蚀液外加入磁场，使贵金属与基底1材料的接触界面受到一定方向的压力，可进一步促进所述柱状结构2的阵列中个体之间的有序性。

S104:以残留在基底以及柱状结构底部的图形化催化剂薄膜为催化剂，生长针状结构，形成针状结构阵列；该步骤完成后的器件结构如图3C所示。

刻蚀结束后，所述图形化的催化剂薄膜4将保留在所述基底1以及所述柱状结构2的底部，因为在刻蚀的过程中，金属材料基本上不被消耗，因而会随着硅片的刻蚀过程而跟随硅片下沉，最终仍然会保留在刻蚀后的基底1的表面上以及柱状结构2的底部上。图形化的催化剂薄膜4中所含的促进所述针状结构3生长的组分将在对应的条件下发挥催化作用。作为所述基底1的硅片的典型刻蚀催化剂材料——金颗粒，申请人验证了其作为所述针状结构3生长的催化特性：氢气作为环境气体，砷源和镓源的比例为14.2，气压为10mBar，反应温度控制在430℃的条件下，可生长出砷化镓纳米晶须的所述针状结构3阵列，其长度在100纳米到500纳米之间，直径小于10纳米。结果还表明，部分催化剂材料金颗粒如保留在所述柱状结构2的侧壁表面或者上表面，也同样能催化作为所述针状结构3的砷化镓纳米晶须的生长过程。

S105:残留在针状结构3顶部的金属颗粒与针状结构3结合，形成金属颗粒-针状结构的异质结结构。

催化剂材料如果是一直处于针状结构3顶端的贵金属，则在针状结构的生长工艺完成后稳定的贵金属颗粒将最终被保存在针状结构3的顶端，所形成的金属颗粒-针状结构组合而成的异质结构，能在尖端效应上叠加由催化金属提供的表面态效应，进一步促进等离子体生成。

当然，上述实施例仅是本实用新型的一优选实施例，步骤S105是作为本实用新型的优选步骤，是可选的，在其它实施例中也可以省略该步骤。

本实用新型提供的等离子体发生器电极的制造方法，巧妙地利用贵金属催化刻蚀基底形成柱状结构后余留在柱状结构底部(此处底部指的是柱状结构底部的基底及柱状结构本身的底部结构)，继续作为后续针状结构生长的催化剂，达到了高效、节省、连贯的跨尺度微加工效果。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。