用于微等离子体无掩膜刻蚀的微悬臂梁探针的设计和加工

　　微小等离子体( 或微放电) 是指被限制在一个有限空间范围 ( 尺度在 1 μm ～ 1 mm 量级) 内的低温、非平衡等离子体，它具有低功耗、高密度、高稳定性以及可以在较高的气压甚至大气压下工作等优点，目前已成功应用于等离子体平板显示、微化学分析系统、生物医学等领域[1].

　　近年来，微等离子体作为一种新的等离子体源被用于材料表面的无掩膜刻蚀加工，因其具有很好的应用潜力而受到各国学者的广泛关注. 其优点是刻蚀过程中无需掩膜，刻蚀速率快，可以在大气压或近大气压下工作，使用方便灵活; 目前的文献报道中主要有两种形式的微小等离子体无掩膜刻蚀结构: 一种是薄膜微电极结构[2-3]，另一种是等离子体微喷结构[4-6]. 二的主要缺点是刻蚀图形精度不高( 通常在几十微米到几百微米) ，难以批量阵列化制作，不适合加工复杂图形. 为此，笔者提出了一种新的微等离子体无掩膜刻蚀加工方法[7]，即将具有倒金字塔结构的微放电器集成在扫描探针的针尖上，等离子体通过探针针尖处的纳米孔导出，在不同的气体氛围下，通过样品和针尖之间的相对扫描，即可实现对不同材料高效、高精度的无掩膜反应离子刻蚀. 该方法可实现纳米级加工精度，刻蚀速率快，能利用 MEMS 工艺批量阵列化制作，可加工出任意的复杂图形. 文中设计了集成微放电器的微悬臂梁探针的结构和加工工艺，并成功制作出带空心针尖的 SiO2悬臂梁探针阵列和能在 Ar、SF6中稳定放电的倒金字塔型微放电器.

　　1 结构设计

　　图 1 是集成微放电器的悬臂梁探针的结构示意.图中，微放电器集成在悬臂梁探针端部的空心针尖上，探针的结构层为热氧化法生成的 SiO2，这是因为 SiO2在薄膜状态下是优良的弹性体，且热氧化法生成的SiO2结构致密，质量优良，在悬臂梁的背面释放时可充当自截止层，释放更容易控制，其设计厚度为 1. 6μm. 微放电器是具有倒金字塔空心阴极的金属-绝缘层-金属三明治结构，其上、下电极材料为 Ni，这是因为Ni 的化学性能比较稳定，与氧、硫、氯等元素不相互作用，同时它具有较高的熔点和较低的溅射产额，价格便宜，满足等离子体放电时对电极材料的要求. 电极层的设计厚度为 200 nm. 中间绝缘层材料选择为聚酰亚胺( PI: PI305IIG) ，这是因为 PI 具有较低的相对介电常数和良好的绝缘性能、机械性能和耐高温性能，且工艺简单，制造成本低，满足微放电器对于绝缘层的要求.由于 PI 介电击穿强度约为 200 V/μm，而微放电器的工作电压在350 ～550 V 之间，为了保证工作过程中 PI薄膜不发生击穿，PI 膜的设计厚度为 8 μm. 倒金字塔的正方形孔口尺寸设计为 50 μm 和 100 μm 两种. 为了使产生的等离子体能从空心针尖内导出，以实现有效的扫描刻蚀，倒金字塔底部还需加工出一个亚微米至纳米尺度的孔. 在扫描刻蚀过程中，为了防止针尖结构层被等离子体刻蚀，提高针尖寿命，在空心针尖的外部侧壁上沉积了 200 nm 的 Ni 薄膜作为保护层. 悬臂梁的长度尺寸为 750 μm，宽度尺寸为 250 μm. 悬臂梁各层材料的弹性模量、密度和厚度参数见表 1.