一种等离子体刻蚀装置

1.本发明涉及一种等离子体刻蚀加工设备，特别是一种等离子体刻蚀装置。


背景技术：

2.等离子体是物质的第四态，具备独特的理化性质，可以很好的服务于制造业。低温等离子体可作用于大多数无机非金属材料的表面，实现化学刻蚀和表面改性，且不会造成基体的损伤，可作为非接触加工手段用于半导体材料的刻蚀加工或者表面改性后的辅助加工。常规的等离子体刻蚀技术主要在光刻领域用于芯片加工，全部采用真空低气压的等离子体发生装置，比如反应离子刻蚀(rie)，感应耦合等离子体(icp)等，真空和低压环境使等离子体易于激发，但由于设备昂贵，环境条件苛刻反而限制等离子体刻蚀技术在其它领域的应用。因此，开发大气压低温等离子体发生装置，拓展等离子体刻蚀和表面改性技术在更多领域的应用是十分必要的。
3.低温大气压等离子体发生装置，多采用介质阻挡放电(dbd)，以射流形式输出，可作为能量束对材料进行刻蚀加工和表面改性，但由于射流尺寸的局限，射流内部活性物质和温度的非均匀分布，导致刻蚀加工或者表面改性只能在工件表面以扫描的形式进行，不能够满足对刻蚀和改性均匀性较高的场合，并且无法在一个较大尺寸范围内提供均匀、稳定的等离子体氛围，很大程度上限制了大气压等离子体在表面微结构加工、改性辅助加工方面的应用。为了实现大面积的均匀刻蚀加工和表面改性工艺，开放式的平板电极dbd放电等离子体发生装置，必须突破尺寸的限制、增加电极间距，实现在大气压力条件下的辉光放电，以产生具有高活性粒子密度的均匀等离子体空间场，为实现低成本刻蚀加工和表面改性提供可靠的设备基础。
4.目前，平板电极介质阻挡放电主要有以下三种：分别覆于两电极表面的双介质型、只覆于第二电极的单介质型、置于两电极中间的单介质型。第一种可以将等离子体和电极隔绝，防止金属电极被腐蚀；第二种能将放电过程中生成的热量通过另外一侧的电极消散掉；第三种的优势在于可以在介质两侧生成不同成分的等离子体。这些放电模式可以用于材料的表面处理，但因电场分布和场强峰值的限制，在大气压下难以实现大面积、均匀辉光放电，并且在加入工件后会导致放电不稳定、刻蚀不均匀的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对现有平板电极介质阻挡放电在大气压下难以实现大面积、均匀辉光放电，并且在加入工件后会导致放电不稳定、刻蚀不均匀的问题，提供一种等离子体刻蚀装置。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种等离子体刻蚀装置，包括相对设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极之间具有用于放置待加工件的加工区域，还包括驱动装置，所述第一电极上靠近所述第二电极的一侧设置有呈阵列布置的尖端，所述尖端的尖部指向所述第二电极，所述驱动
装置能够驱动所述第一电极回转。
8.本技术所述的一种等离子体刻蚀装置，所述第一电极上靠近所述第二电极的一侧设置有呈阵列布置的尖端，使得所述第一电极成为一种表面带有尖端阵列的电极，这种电极相较于现有的平板电极，多出了很多表面曲率大的尖端，这些尖端的尖部附近的物理空间等电位面密，电场强度被急剧放大。从而使得本技术所述的等离子体刻蚀装置在刻蚀时不需要对电源电压有太高的要求，或者再同等电源电压的条件下极大的提升了改性粒子的能量密度。同时，使用驱动装置能够驱动所述第一电极回转，进而带动待加工件可以在一定速度范围内旋转，其配合尖端以实现对待加工件较为均匀的刻蚀效果。
9.具体地，驱动装置具体为调速电机或伺服电机。
10.具体地，所述尖端与所述第一电极可拆卸连接。
11.进一步具体地，所述尖端沿尖部的指向方向与所述第一电极螺纹连接，即可以使得所述尖端与所述第一电极可拆卸链接，方便更换尖端，而且能够调解所述尖端冒出所述第一电极的高度，使得所述尖端的尖部处于同一平面内。
12.优选地，本技术所述的一种等离子体刻蚀装置，还包括底座，所述第一电极水平设置，所述第二电极位于所述第一电极的上方，所述第一电极上设置有第一电极轴，所述第一电极轴贯穿所述底座，所述驱动装置通过与所述第一电极轴驱动连接来带动所述第一电极绕所述第一电极轴回转。
13.优选地，所述底座下方设置有升降平台，所述驱动装置设置于所述升降平台上，所述第一电极轴能够沿其轴向相对于所述底座运动，还包括限位装置，所述限位装置用于将所述升降平台与所述底座相对固定。
14.具体地，限位装置为螺母。
15.优选地，所述升降平台包括沿竖向相互滑动配合的支撑架和支撑板，所述支撑架和支撑板均设置于所述底座下方，所述支撑架与所述底座相连接，所述驱动装置设置于所述支撑板上，所述限位装置与所述支撑架相连接，且所述限位装置能够相对于所述支撑架竖向移动，所述限位装置抵接于所述支撑板的下方。
16.优选地，所述第二电极的中部竖向连接有第二电极轴，所述第二电极轴和所述第一电极轴对应设置。
17.优选地，所述第二电极轴上套设连接有固定件，所述第一电极水平方向的两侧设置有立柱.所述立柱底部与所述底座相连接，所述固定件与两侧所述立柱分别通过横柱相连接，所述固定件沿所述横柱周向与横柱转动配合，所述立柱沿所述横柱轴向与横柱螺纹连接，使得能够通过调整横柱旋入立柱的长度来调解固定件，进而使得第二电极轴和所述第一电极轴同轴。
18.优选地，所述加工区域外侧套设有腔壁，所述第二电极靠近所述第一电极的一侧贴合有第二介质，所述腔壁下部与所述底座密封配合，所述腔壁上部与第二介质密封配合、底座和第二介质围成用于容纳所述加工区域的密封腔室。
19.上述方案中，第二介质为绝缘介质，优选绝缘板。
20.优选地，所述尖端上部设置有第一介质。
21.上述方案中，第一介质为绝缘介质，优选绝缘板。
22.在第二电极和第一电极之间加入绝缘介质，用作介质阻挡(dbd)，可以实现相对均
匀的辉光放电。介质阻挡可以是双介质，即同时存在第二电极和第一电极，也可以是单介质，即只有第二电极或第一电极，图4中展示的是双介质，拿掉其中一个介质，依然可以运行。
23.优选地，还包括抽气装置，所述抽气装置与所述密封腔室相连通，且所述抽气装置能够抽取所述密封腔室内的至少一部分气体。
24.优选地，所述腔壁上贯穿设置有与所述密封腔室相连通进气通道，所述进气通道的轴线与所述第一电极轴之间的距离l＞0，使得工作气体进入密封腔室为切向进气，其配合第一电极的旋转，使得密封腔室内气体均匀布满工作空间、气体放电更均匀，刻蚀效果更理想。
25.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
26.1、本技术所述的一种等离子体刻蚀装置，所述第一电极上靠近所述第二电极的一侧设置有呈阵列布置的尖端，使得所述第一电极成为一种表面带有尖端阵列的电极，这种电极相较于现有的平板电极，多出了很多表面曲率大的尖端，这些尖端的尖部附近的物理空间等电位面密，电场强度被急剧放大。从而使得本技术所述的等离子体刻蚀装置在刻蚀时不需要对电源电压有太高的要求，或者再同等电源电压的条件下极大的提升了改性粒子的能量密度。同时，使用驱动装置能够驱动所述第一电极回转，进而带动待加工件可以在一定速度范围内旋转，其配合尖端以实现对待加工件较为均匀的刻蚀效果。
27.2.本技术所述的一种等离子体刻蚀装置，密封腔室下端可接抽气装置，优选真空抽气泵，使得工作气压在常压——低压的范围内可调。针对不同的气体及工件做出参数改变，以丰富设备的多样性。
28.3.本技术所述的一种等离子体刻蚀装置，第一电极的旋转、切向进气使得腔内气体均匀布满工作空间、气体放电更均匀，刻蚀效果更理想。
附图说明
29.图1是本发明的一种等离子体刻蚀装置的结构主视示意图。
30.图2是本发明的一种等离子体刻蚀装置的结构立体示意图。
31.图3是本发明的一种等离子体刻蚀装置的结构俯视示意图。
32.图4是本发明的附图3中a-a剖视图。
33.图5是本发明的第一电极和尖端的配合示意图。
34.图6是本发明的第一电极的结构示意图。
35.图7是本发明的尖端的结构示意图。
36.图8是本发明的进气通道与第一电极轴之间相对位置示意图。
37.图标：1-底座；2-立柱；3-拐角型螺纹接头；4-横柱；5-固定件；6-第二电极轴；7-第二电极；8-第二介质；9-腔壁；10-导电滑环；11-第一电极轴；12-第一电极；13-尖端；14-第一介质；15-支撑架；16-支撑板；17-驱动装置；18-绝缘联轴器；19-限位装置；20-支角；21-加工区域；22-尖部；23-孔一；24-第一通孔；25-第二通孔；26-孔二；27-第三通孔；29-螺纹盲孔；30-进气通道。
具体实施方式
38.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.实施例1
41.如图1-7所示，本实施例所述的一种等离子体刻蚀装置，包括相对设置的第一电极12和第二电极7，第一电极12和第二电极7之间具有用于放置待加工件的加工区域21，还包括驱动装置17，所述第一电极12上靠近所述第二电极7的一侧设置有呈阵列布置的尖端13，所述尖端13的尖部22指向所述第二电极7，所述驱动装置17能够驱动所述第一电极12回转。
42.本实施例所述的一种等离子体刻蚀装置，所述第一电极12上靠近所述第二电极7的一侧设置有呈阵列布置的尖端13，使得所述第一电极12成为一种表面带有尖端阵列的电极，这种电极相较于现有的平板电极，多出了很多表面曲率大的尖端13，这些尖端13的尖部22附近的物理空间等电位面密，电场强度被急剧放大。从而使得本技术所述的等离子体刻蚀装置在刻蚀时不需要对电源电压有太高的要求，或者再同等电源电压的条件下极大的提升了改性粒子的能量密度。同时，使用驱动装置17能够驱动所述第一电极12回转，进而带动待加工件可以在一定速度范围内旋转，其配合尖端13以实现对待加工件较为均匀的刻蚀效果。
43.具体地，驱动装置17具体为调速电机或伺服电机。
44.具体地，所述尖端13与所述第一电极12可拆卸连接。
45.进一步具体地，所述尖端13沿尖部22的指向方向与所述第一电极12螺纹连接，即可以使得所述尖端13与所述第一电极12可拆卸链接，方便更换尖端13，而且能够调解所述尖端13冒出所述第一电极12的高度，使得所述尖端13的尖部22处于同一平面内。
46.本技术所述的一种等离子体刻蚀装置，还包括底座1，所述第一电极12水平设置，所述第二电极7位于所述第一电极12的上方，所述第一电极12上设置有第一电极轴11，所述第一电极轴11贯穿所述底座1，所述驱动装置17通过与所述第一电极轴11驱动连接来带动所述第一电极12绕所述第一电极轴11回转。
47.所述底座1下方设置有升降平台，所述驱动装置17设置于所述升降平台上，所述第一电极轴11能够沿其轴向相对于所述底座1运动，还包括限位装置19，所述限位装置19用于将所述升降平台与所述底座1相对固定。
48.具体地，限位装置19为螺母。
49.所述升降平台包括沿竖向相互滑动配合的支撑架15和支撑板16，所述支撑架15和支撑板16均设置于所述底座1下方，所述支撑架15与所述底座1相连接，所述驱动装置17设置于所述支撑板16上，所述限位装置19与所述支撑架15相连接，且所述限位装置19能够相对于所述支撑架15竖向移动，所述限位装置19抵接于所述支撑板16的下方。
50.所述第二电极7的中部竖向连接有第二电极轴6，所述第二电极轴6和所述第一电极轴11对应设置。
51.所述第二电极轴6上套设连接有固定件5，所述第一电极12水平方向的两侧设置有立柱2.所述立柱2底部与所述底座1相连接，所述固定件5与两侧所述立柱2分别通过横柱4
相连接，所述固定件5沿所述横柱4周向与横柱4转动配合，所述立柱2沿所述横柱4轴向与横柱4螺纹连接，使得能够通过调整横柱4旋入立柱2的长度来调解固定件5，进而使得第二电极轴6和所述第一电极轴11同轴。
52.所述加工区域21外侧套设有腔壁9，所述第二电极7靠近所述第一电极12的一侧贴合有第二介质8，所述腔壁9下部与所述底座1密封配合，所述腔壁9上部与第二介质8密封配合、底座1和第二介质8围成用于容纳所述加工区域21的密封腔室。
53.上述方案中，第二介质8为绝缘介质，优选绝缘板。
54.所述尖端13上部设置有第一介质14。
55.上述方案中，第一介质14为绝缘介质，优选绝缘板。
56.在第二电极7和第一电极12之间加入绝缘介质，用作介质阻挡dbd，可以实现相对均匀的辉光放电。介质阻挡可以是双介质，即同时存在第二电极7和第一电极12，也可以是单介质，即只有第二电极7或第一电极12，图4中展示的是双介质，拿掉其中一个介质，依然可以运行。
57.本实施例所述的一种等离子体刻蚀装置，还包括抽气装置，所述抽气装置与所述密封腔室相连通，且所述抽气装置能够抽取所述密封腔室内的至少一部分气体。
58.所述腔壁9上贯穿设置有与所述密封腔室相连通进气通道30，所述进气通道30的轴线31与所述第一电极轴11之间的距离l＞0，使得工作气体进入密封腔室为切向进气，其配合第一电极12的旋转，使得密封腔室内气体均匀布满工作空间、气体放电更均匀，刻蚀效果更理想。
59.本实施所述的一种等离子体刻蚀装置，包括相对设置的第一电极12和第二电极7，还包括底座1和至少两根立柱2，第一电极12和第二电极7之间具有用于放置待加工件的加工区域21，所有所述立柱2位于所述第一电极12的外侧，且沿所述第一电极12周向布置，以两根立柱2为例，所述第一电极12位于两根立柱2之间，所述底座1上设置有孔一23，所述孔一23与立柱2间隙配合，使得两根立柱2下端插入所述底座1，
60.所述立柱2通过拐角型螺纹接头3分别与两根横柱4相连、两根横柱4的内端与固定件5的左右两个孔间隙配合，所述固定件5的中央位置垂直设置有第一通孔24，所述第一通孔24与第二电极轴6螺纹配合，保证第二电极7和第一电极12的对准程度；
61.拐角型螺纹接头3可以与所述立柱2做成一体，成为所述立柱2的一部分。
62.第二电极轴6的下端与第二电极7螺纹连接，上端外接高压电，中部贯穿固定件5，第二电极7下表面紧贴有第二介质8，第二介质8与腔壁9、腔壁9与底座1之间的结构间隙中设置有密封环，使用过程中，旋转第二电极轴，产生预紧力使得第二电极7压紧第二介质8，再使用螺钉将腔壁9与底座1压紧，以上两步均使得结构间隙中的密封环产生形变，以此实现整个腔室的密封，形成密封腔室；
63.底座1的中央留有第二通孔25，导电滑环10通过螺钉固定在第二通孔25中，导电滑环10的中央位置设置有第三通孔27，第一电极轴11与第三通孔27由径向螺钉固定在一起，以上三者构成同轴嵌套，第一电极轴11的上端与第一电极12螺纹连接，第一电极12上开有若干螺纹盲孔29，这些螺纹盲孔29与对应数量的尖端13螺纹连接，在尖端13上部附有第一介质14，此处需强调的是：底座1与下方的四个支撑架15螺纹配合，四个支撑架15与相应位置开了四个孔二26的支撑板16孔轴间隙配合，支撑板16上摆放着调速电机17，调速电机17
的输出轴通过绝缘联轴器18与第一电极轴11相连，以实现第一电极轴的旋转；
64.支撑架15末端设计有螺纹，使用同型号的限位装置19旋合在支撑架末端的螺纹上，限位装置19在支撑板16下方，并顶着支撑板16，当想改变两电极之间的距离时先拧松导电滑环10与第一电极轴11的径向螺钉，再旋转支撑板16下方的四个限位装置19顶着调速电机17上下移动，达到调节第二电极7和第一电极12之间极板距离的效果，支撑架15的最下端设置四个支角20，使得整个设备摆放得更稳定。
65.在上述基础上，进一步优选的方式，所述第一电极12上靠近所述第二电极7的一侧设置有呈阵列布置的尖端13，使得所述第一电极12成为一种表面带有尖端阵列的电极，这种电极相较于现有的平板电极，多出了很多表面曲率大的尖端13，这些尖端13附近的物理空间等电位面密，电场强度被急剧放大。通过试验可得，刻蚀区域的电场强度被放大了十几倍，从而不需要对电源电压有太高的要求，并且极大的提升了改性粒子的能量密度。同时，使用驱动装置17通过绝缘联轴器18与第一电极轴11相连，使得待加工件摆放在第一介质上可以在一定速度范围内旋转。在等离子体作用于材料表面的同时进行切向运动，配合旋转第一电极12上两两间隔、呈正方形紧密排布的阵列尖端提升电场强度，实现较为均匀的刻蚀效果。
66.在上述过程中，尖端和工件可以没有相对运动，第一电极12旋转是为了动态场强分布相对均匀；第一电极12带动待加工件旋转是为了非完全均匀分布的等离子体在工件表面最终的刻蚀效果变得更均匀。
67.第一电极12旋转和切向进气在结构上是独立的，第一电极12在旋转，而切向进气可以使第一电极12和第二电极7之间的气体流场也是旋转的，使得气体与待加工件之间的相对运动更充分。
68.密封腔室下端可接抽气装置，优选真空抽气泵，使得工作气压在常压——低压的范围内可调。针对不同的气体及工件做出参数改变，以丰富设备的多样性。
69.在上述方案中：
70.a.一般来说，第二电极7与第一电极12形状相适配，第二电极轴6和第一电极轴11的安装位置也相互对应，固定件5、横柱4、拐角型螺纹接头3和立柱2的配合使第二电极轴6和第一电极轴11同轴，为了使它们的投影面积最大程度的重合，保证较大的有效刻蚀区域。
71.b.导电滑环10实现第一电极12的在旋转的同时能够导电。
72.c.呈阵列布置的尖端13使改性粒子能量密度更高。
73.d.第二介质8、腔壁9、底座1的轴向间隙是为了添加密封环来密封气体，第二介质8与腔壁9之间通过密封圈密封，腔壁9与底座1之间也通过密封圈密封。
74.e.底座1底部还开有螺纹通孔，可以联通腔室与外部，用于排气和调节腔室内的压力，以方便通过气动快插接头连接抽气泵实现腔内气压的调控和废气处理。
75.本实施例所述的等离子体刻蚀装置的工作过程如下：
76.a.先将所述立柱2、横柱4、固定件5、第二电极轴6和第二电极7抬出所属底座1，使得第二电极7和第二介质8分离，然后抬起第二介质8，将待加工件摆放在第一介质14中间，随后放下第二介质8，再将所述立柱2、横柱4、固定件5、第二电极轴6和第二电极7复位；
77.b.打开进气阀，设定不同气体的流量、打开电机电源并调节到合适的转速、打开抽气泵，最后打开工作电源，上第一电极分别接高电压、接地，腔内气体开始放电，产生等离子
体对a放置的待加工件进行表面改性；
78.c.等待一段时间后，加工结束，关闭所有阀门及电源，取出待加工件。
79.本发明面向硬脆半导体材料的难加工问题，使用等离子体对硅基材料进行表面改性。相较于普通dbd表面改性，本专利具有以下优点：
80.(1)采用腔室压力接近大气压可调的工作状态。
81.非真空的放电环境大大降低了工作成本，常压-低压的调控也可以提高放电均匀性；
82.(2)采用尖端阵列改善极板间的电场条件，通过改善极板结构来使得放电气隙具有极大的电场强度，从而降低对电源电压的要求，让极板间的气体更容易被击穿，降低成本和工作难度，提高刻蚀效果；
83.(3)能够采用多种腔室气体混合：可针对不同的难加工材料采取不同的气体混合，让多种流体同时在腔内循环。由于基本去除化学原理不同，含f、al、h2o的刻蚀气体也可分别对硅基材料、陶瓷材料、蓝宝石等多种材料进行表面改性，使得设备具有更多的用途；
84.(4)第一电极12可旋转、切向进气：第一电极12的旋转、切向进气使得腔内气体均匀布满工作空间、气体放电更均匀，刻蚀效果更理想。
85.目前，平板dbd放电装置的结构尺寸受限、对工作环境的要求比较苛刻且成本高昂，尤其是通入cf4等刻蚀气体的时候，很难实现大气压下的均匀放电，更无法达到大面积刻蚀加工或均匀表面改性的工艺需求。为了解决上述问题，本实施例所述的等离子体刻蚀装置，在大气压的工作模式下提升粒子能量密度和放电均匀性，采取以下方法：
86.1.改良第一电极的结构，得到一种表面带有尖端阵列的电极。这种电极相较于原来的平板电极，通过试验验证，可以将刻蚀区域的电场强度放大至少十几倍，能够满足工作气在气压下的激发场强。尖端更容易聚集大量的电荷，电势高很多，所以产生的场强也大，从而不需要对电源电压有太高的要求，并且极大的提升了改性粒子的能量密度。
87.2.使用一个调速电机通过绝缘联轴器与第一电极轴相连，使得待加工件摆放在第一介质上，可以在一定速度范围内旋转。在等离子体作用于材料表面的同时进行切向运动，实现较为均匀的放电、得到更好的刻蚀效果。
88.3.腔室下端可接真空抽气泵，使得工作气压在常压——低压的范围内可调。针对不同的气体及工件做出参数改变，以丰富设备的多样性。
89.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。