基于大气压微等离子体射流的无掩膜刻蚀聚合物薄膜研究

摘要

现阶段，柔性电子技术引起了全世界的高度关注和重视，并在工业界和学术界得到迅速的发展。简易方便的高分辨率图形化技术是柔性电子技术发展的关键。由于大气压等离子体射流具有能在高气压下工作，电子密度高，热力学非平衡性等优点，使得大气压等离子体射流刻蚀技术在柔性电子制造领域具有潜在的应用，并成为一个研究热点。
　　相比低气压等离子体刻蚀技术，现有的大气压等离子体射流刻蚀技术虽然突破了低气压或真空条件的限制，但这些刻蚀系统一般需要制冷系统，结构复杂，并且大多数情况下需要使用掩膜板来实现微加工。因此，现有的大气压等离子体射流刻蚀技术在柔性电子制造领域中应用受到了极大的限制。本论文在分析总结以前研究工作的基础之上，通过自行研制的大气压微等离子体射流无掩膜刻蚀装置开展一系列理论和试验探索。
　　首先，无掩膜刻蚀装置是通过电晕介质阻挡放电来产生等离子体，并借助玻璃微针来得到微细等离子体射流。通过控制玻璃微针尖端的内径，可产生不同线宽的微等离子射流。此外，该装置产生的等离子射流含有大量的活性粒子和电子，这些活性粒子和电子能与聚合物薄膜发生物理化学作用，从而实现对聚合物进行改性和刻蚀。
　　其次，虽然在一定条件下，大气压 Ar/O2等离子体射流源可以产生均匀的微细等离子体射流，并能刻蚀Parylene-C薄膜。但是，Ar/O2等离子体射流易受施加电压的影响，刻蚀过程中易造成聚合物薄膜热损伤。而本文所研制的大气压空气等离子体射流源不仅能产生均匀稳定的微细等离子体射流，而且能图形化刻蚀加工聚合物薄膜且不会对聚合物薄膜造成热损伤。刻蚀加工出的微孔的最小直径为65μm，微沟槽的最小线宽为200μm。通过控制刻蚀时间和玻璃微针与样品的间距，该无掩膜刻蚀装置能加工出各种形状的微结构。此外，空气微等离子体射流刻蚀Parylene-C薄膜是通过引发聚合物中的苯环开环和化学键逐步断裂，生成可挥发的小分子来实现刻蚀目的。
　　最后，本论文所研制的无掩膜刻蚀装置，能够直接在大气压下工作，可与Roll-to-Roll系统结合起来，实现大规模无掩膜刻蚀加工，有助于大规模柔性电子器件的制备，这将极大地促进柔性电子的发展。

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第一章 绪论

1.1柔性电子发展需求

1.2等离子刻蚀技术概述

1.3大气压低温等离子体研究概况

1.4本论文的研究内容和意义

1.5论文的结构安排

第二章 实验原理及装置

2.1大气压微等离子体射流的产生原理

2.2等离子体与固体表面之间的相互作用

2.3聚合物在MEMS领域的应用

2.4无掩膜刻蚀装置

2.5刻蚀结果表征

2.6本章小结

第三章 大气压Ar/O2微等离子体无掩膜刻蚀Parylene-C薄膜

3.1大气压Ar/O2微等离子体射流

3.2刻蚀结果分析与讨论

3.3本章小结

第四章 大气压空气微等离子体射流无掩膜刻蚀聚合物薄膜

4.1大气压空气微等离子体射流

4.2刻蚀结果分析与讨论

4.3微等离子体射流刻蚀Parylene-C薄膜的机理分析

4.4本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文及专利