基于DBD微放电器针尖阵列的高效可逆纳米加工方法的研究

Nanomanufacturing, as one of the commanding heights in international competition, has become major national strategic needs and academic frontiers in the next few decades.In order to resolve the compatibility issues of resolution, efficiency, cost and materials in current nanofabrication technologies, a novel high-efficiency low-cost large-area reversible nanofabrication method based on scanning probe tip arrays integrated with microplasma devices is proposed. The main research topics include: Generation mechanism of DBD microplasma, ejection method of reaction particles from nano-aperture at the hollow tip, and the physical and chemical mechanism of microplasma material etching and deposition.Design and fabrication of large-scale scanning probe tip arrays integrated with DBD microplasma device. Experimental investigation of 3D nanoscale etching, deposition of thin-film and nano-particles synthesis with the special nanofabrication system above. Control of operation condition and parameters during etching and deposition reversible fabrication; Exploring new applications in micro and nano devices fabrication. The subject of this research provides a new fabrication method for mass-production nanostructure and nanodevice with high-precision, high-efficiency and low-cost.

纳米制造不仅是国际竞相争夺的战略制高点，而且已成为我国未来10～20年内的重大战略需要和前瞻性的重大学科发展前沿。本课题针对现有纳米加工技术中分辨率、效率、成本、材料适用性不可兼得的难题，研究基于大规模微放电器针尖阵列的高效、低成本、大面积可逆纳米加工的机理和关键技术。主要研究内容有：研究微尺度下介质阻挡放电（DBD）等离子体的产生、从针尖纳米孔中的导出、以及对不同材料刻蚀和沉积的物理化学机理；设计并微加工出集成DBD微放电器的大规模扫描探针针尖阵列；并以它为工具，实验研究对材料的三维纳米刻蚀、纳米粒子合成和薄膜沉积、以及刻蚀和沉积相结合的可逆纳米加工的条件和参数控制，探索其在微纳米结构器件加工中的新应用。本课题的研究能够为高精度、高效率、低成本、批量化的微纳米结构和器件制造提供一种新的思路和方法，具有重要的理论意义和实用价值。

纳米制造是我国未来10-20年内的重大战略需要和前瞻性的重大学科发展前沿。本项目设计并加工了一种微放电器针尖阵列，即将微等离子体集成在扫描探针空心针尖阵列上，倒金字塔空腔内产生的等离子体经由针尖纳米孔导出，可实现对不同材料高效、高精度、低成本的无掩膜微纳米加工。主要开展的研究工作如下：.1)对DBD微等离子体的产生、导出和刻蚀机理进行理论仿真。对高频正弦电压激励下倒金字塔空腔内等离子体的产生机理、从空心针尖纳米孔中的导出机制，以及对材料的刻蚀形貌和刻蚀速率等进行仿真，为微放电器针尖阵列的结构设计以及微等离子体放电参数的选择和优化提供理论依据。.2)设计并成功制作出质量良好的微空心阴极和DBD微放电器针尖阵列。通过数值仿真，对阵列的间距参数进行了优化；通过数值仿真和实验研究，对DBD微放电器针尖阵列中介质阻挡层氮化硅的沉积工艺参数进行了优化；采用MEMS工艺，成功制作出不同阵列数质量良好的微放电器阵列、薄壁空心针尖以及针尖上的纳米孔。.3)对微放电器针尖阵列在Ar、SF6、CHF3不同反应气体中的放电特性进行表征。实验研究了不同外阻、不同微放电器特征尺寸、不同阵列数、不同工作气压以及不同气体混合比等实验条件对微放电器阵列放电性能的影响。.4)构建DBD微等离子体无掩膜材料处理系统，成功实现对聚合物材料的无掩膜高效并行刻蚀加工以及微尺度官能化加工。对系统在不同气体混合比、不同喷嘴样品间距、不同加工时间等参数条件下的刻蚀和官能化效果进行了表征。