聚合物薄膜的大气微冷等离子体射流图案化刻蚀机理与方法研究

Micropatterning of polymer film is one of the key processes in the fabrication of flexible electronics and MEMS devices. Atmospheric microplasma jet is an efficient method to achieve low-cost and high-efficiency micropatterning of polymer film. But this method has some problems such as low etching accuracy, poor controllability and easy occurrence of polymer residue. On the basis of previous studies, this project proposes a fluid-assisted focusing method to achieve high precision, controllable and residue-free processing of polymer films with the atmospheric microplasma jet. This project firstly investigates the reason of the residue by intensive study of the etching mechanism of polymer film with the plasma jet. The fluid dynamics model of polymer film etching by the atmospheric microplasma jet is established. Combining theoretical and experimental analysis, the mechanism of fluid-assisted focusing of plasma jet is revealed. The influence of etching process parameters on the etching line width and etching morphology of polymer film is analyzed. On these foundations, the process parameters are optimized, and the mapping relationship between material removal function and the process parameters is established. Finally, patterned etching experiments of different polymer films are carried out and the etching results are evaluated. The implementation of the project is of great significance to the development and application of atmospheric microplasma jet processing theory and polymer film microprocessing technology.

聚合物薄膜图案化微加工是柔性电子、MEMS器件制备中的关键工艺之一，大气微冷等离子体射流是实现低成本、高效图案化微加工的一种重要方法，但存在刻蚀精度低、可控性差、易出现聚合物残渣等问题。本项目在前期研究基础上，提出一种流体辅助聚焦方法实现大气微冷等离子体射流对聚合物薄膜的高精度、可控与无残余物刻蚀加工。通过深入研究等离子体射流刻蚀聚合物薄膜机理，揭示聚合物残渣出现的原因；建立等离子体射流刻蚀聚合物薄膜的流体动力学模型，结合数值仿真与实验研究，揭示等离子体射流的流体辅助聚焦机理，分析刻蚀工艺参数对聚合物薄膜刻蚀线宽与刻蚀形貌的影响规律；在此基础上优化等离子体射流刻蚀工艺，并建立材料去除函数与工艺参数的映射关系；最后开展不同聚合物薄膜的图案化刻蚀实验并测试评价。项目实施对大气微冷等离子体射流加工理论与聚合物薄膜微加工技术的发展与应用具有重要意义。

聚合物薄膜图案化微加工是柔性电子、MEMS器件制备中的关键工艺之一，大气微冷等离子体射流是实现低成本、高效图案化微加工的一种重要方法，但存在刻蚀精度低、可控性差、易出现聚合物残渣等问题。本项目提出基于流体辅助聚焦方法实现等离子体射流对聚合物薄膜的高精度、可控与无残余物加工。建立了等离子体射流流体动力学模型，探究了聚焦气体流量、管口形状等参数对工作气体摩尔浓度分布、气体流速的影响规律；发现聚焦气体作用下，氮气流量越大和管口距离差越大，聚焦效果越明显。建立了等离子体射流的扩散限制刻蚀模型，揭示了活性粒子在待刻蚀材料表面的扩散过程和刻蚀形貌演化过程，获得了运动几率和扩散系数等参数对刻蚀结果的影响规律，建立了材料去除函数与关键工艺参数的对应关系；发现活性粒子数量越多，接触线宽和刻蚀深度越大；运动几率越大，刻蚀深度越大；扩散系数越大，接触线宽越大。通过单独研究带电粒子、含氧活性粒子和紫外光子刻蚀聚合物薄膜后物理形貌和化学组分变化，发现带电粒子的物理轰击和含氧活性粒子的化学反应蚀刻都主导了刻蚀过程，但这两种刻蚀机制都应同时参与蚀刻过程，以实现聚合物薄膜的快速有效去除；发现带电粒子物理轰击和电极间电场分布不均匀是聚合物残渣出现的重要原因。通过优化环电极结构改善了聚合物薄膜刻蚀质量，发现采用铜块环电极可以使电场强度分布更均匀、强电场区域更大且最大场强值更小；利用该电极产生的等离子体刻蚀聚合物薄膜后区域内无烧蚀与碳化现象，且薄膜氧化程度低。最后，开展了基于流体辅助聚焦的大气微冷等离子体射流图案化刻蚀实验，对喷嘴直径为5μm的等离子体射流，实际刻蚀的图案线宽控制在了2倍的喷嘴直径以内，且刻蚀图案边界清晰，无聚合物残渣出现。项目实施对大气等离子体加工理论与聚合物薄膜微加工技术的发展与应用具有重要意义。