Σχεδιασμός και κατασκευή νέων πηγών πλάσματος σε χαμηλή και ατμοσφαιρική πίεση για χημική και μορφολογική τροποποίηση πολυμερικών υλικών
Authors: Ζένιου Άγγελος 
Published: November 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο “Σχεδιασμός και κατασκευή νέων πηγών πλάσματος σε χαμηλή και ατμοσφαιρική πίεση για χημική και μορφολογική τροποποίηση πολυμερικών υλικών”, εντάσσεται στον τομέα της τεχνολογίας ηλεκτρικών εκκενώσεων πλάσματος, καθώς και της τεχνολογίας επιφανειακής κατεργασίας υλικών. Οι στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι: α) o σχεδιασμός, η ανάπτυξη, κατασκευή, και μελέτη πρωτότυπων καινοτόμων αντιδραστήρων πλάσματος για την χημική και μορφολογική τροποποίηση υλικών σε χαμηλή (<0.1Torr) και σε ατμοσφαιρική πίεση. β) Ο έλεγχος της μορφολογίας και συγκεκριμένα της τραχύτητας που δημιουργείται στα υλικά κατά την διάρκεια της εγχάραξης με χρήση των πρωτότυπων αντιδραστήρων και γ) η μελέτη της επίδρασης της μορφολογίας στις επιφανειακές ιδιότητες των υλικών με στόχο την κατασκευή «έξυπνων» πολυ-λειτουργικών επιφανειών και διατάξεων. Σε όλη την παρούσα εργασία χρησιμοποιείται ανισοτροπική (δηλαδή κατευθυνόμενη κάθετα στην επιφάνεια του δείγματος) εγχάραξη (αφαίρεση) κυρίως πολυμερικών υλικών με πλάσμα Οξυγόνου. Η εγχάραξη είναι συνεργατική δράση των ατόμων και των ιόντων του οξυγόνου για την μετατροπή του πολυμερούς σε πτητικά προϊόντα, και κανονικά έχει σαν αποτέλεσμα ομαλές ή σχεδόν ομαλές επιφάνειες με μειωμένο σε σχέση με το αρχικό πάχος κατά το ποσό που αφαιρείται με εγχάραξη. Τονίζεται ότι ο βασικός μηχανισμός εκτράχυνσης και μορφολογικής τροποποίησης των υλικών κατά την διάρκεια της ανισοτροπικής τους εγχάραξης με πλάσμα είναι η «νανοπαρεμπόδιση»: Πρόκειται δηλαδή για ταυτόχρονη με το πλάσμα πρόσπτωση πάνω στην επιφάνεια στοιχείων, ή συσσωματωμάτων μετάλλων ή οξειδίων που δεν εγχαράσσονται, και τοπικά δρουν σαν «νανομάσκες» παρεμποδίζοντας την εγχάραξη και οδηγώντας σε δημιουργία κάθετων στην επιφάνεια νανονημάτων λόγω της κατευθυντικότητας (ανισοτροπίας) της εγχάραξης. Ο μηχανισμός αυτός έχει ήδη αποδειχθεί από την ομάδα του πλάσματος και επιβεβαιώνεται στην παρούσα εργασία με φασματοσκοπία δευτερογενούς εκπομπής ιόντων (SIMS) στο κεφάλαιο 5. Το ερώτημα όμως είναι από που προέρχονται οι παρεμποδιστές της εγχάραξης. Είναι γνωστό ότι οι παρεμποδιστές προέρχονται από ιοντοβολή των επιφανειών με τις οποίες το πλάσμα έρχεται σε επαφή. Το ερώτημα είναι ποιες επιφάνειες συνεισφέρουν στην μεγαλύτερη ροή παρεμποδιστών και πώς αυτή μπορεί να ελεγχθεί. Συνεπώς η κατασκευή των καινοτόμων αντιδραστήρων της παρούσας διατριβής εστιάζει στον έλεγχο της νανο παρεμπόδισης και της ταυτόχρονης χημικής τροποποίησης. H διατριβή κινείται σε τέσσερεις ενότητες. H πρώτη περιλαμβάνει την ανάπτυξη νέων πηγών πλάσματος επαγωγικής σύζευξης της ισχύος. Για την κατασκευή των πηγών αυτών αναπτύσσονται νέες επαγωγικές κεραίες πλάσματος, σχεδιάζεται η ηλεκτροστατική θωράκιση αυτών, και η ενσωμάτωση τους σε αντιδραστήρα πλάσματος υψηλής πυκνότητας. Οι διατάξεις πλάσματος που κατασκευάζονται συγκρίνονται με την υπάρχουσα πηγή και κεραία σε πλάσμα Οξυγόνου όσον αφορά την εγχάραξη και την εκτράχυνση πολυμερών υλικών. Η ενότητα αυτή παρουσιάζεται στα κεφάλαια 3 και 4. Η μελέτη αυτή οδήγησε στην σχεδίαση και κατασκευή μίας νέας επαγωγικής κεραίας πλάσματος η οποία έχει την δυνατότητα αλλαγής του τρόπου λειτουργίας μεταξύ επαγωγικής σύζευξης και κεραίας ελικοειδών κυμάτων. Παρατηρήθηκε αυξημένος ρυθμός εγχάραξης στην κεραία επαγωγικής σύζευξης σε σύγκριση με την υπάρχουσα εμπορική κεραία η οποία είναι μία κεραία ελικοειδών κυμάτων τύπου μισής Nagoya, και ίδιος περίπου ρυθμός εγχάραξης όταν η συνδεσμολογία της νέας κεραίας είναι αυτή των ελικοειδών κυμάτων. Επιπλέον για τον έλεγχο της νανο-παρεμπόδισης η οποία προέρχεται από το υλικό του διηλεκτρικού κυλίνδρου, προστέθηκε μία μεταβλητή ηλεκτροστατική θωράκιση ανάμεσα στην κεραία και τον διηλεκτρικό κύλινδρο. Τα πειράματα μας απέδειξαν ότι ο διηλεκτρικός κύλινδρος δεν είναι η κύρια πηγή παρεμποδιστών της εγχάραξης.Η δεύτερη ενότητα, που παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 5, αφορά μία νέα μέθοδο για τον έλεγχο της νανο-παρεμπόδισης χάρις στην κατασκευή μίας μεταβλητής θωράκισης για τον δακτύλιο συγκράτησης των δειγμάτων με απώτερο σκοπό τη προστασία του από τον βομβαρδισμό με ιόντα, και συνεπώς την μείωση των παρεμποδιστών που προέρχονται από την επιφάνεια του. Η συγκεκριμένη μέθοδος είχε ως αποτέλεσμα για πρώτη φορά τον έλεγχο της ανάπτυξης της τραχύτητας χωρίς να χρειάζεται να αλλάξει κάποια άλλη παράμετρος της διεργασίας. Επιβεβαιώθηκε ότι η κύρια πηγή παρεμποδιστών είναι το ηλεκτρόδιο πάνω στο οποίο βρίσκεται το δείγμα και μάλιστα ο δακτύλιος συγκράτησης του δείγματος, καθώς αυτές οι επιφάνειες δέχονται μεγάλο βομβαρδισμό με ιόντα ενέργειας αρκετών δεκάδων έως εκατοντάδων Volt. Η μέθοδος ελέγχου της παρεμπόδισης μας έδωσε επιπλέον ένα σημαντικό πλεονέκτημα, την δυνατότητα μετάβασης από αυτό- οργανωμένες νανοδομές σε τυχαίες ιεραρχικές δομές αλλάζοντας την ροή των παρεμποδιστών. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται και η λεπτομερής ανάλυση της μορφολογίας μέσω του μετασχηματισμού Fourier των εικόνων ηλεκτρονικης μικροσκοπίας, καθώς και η συσχέτιση της μορφολογίας και των οπτικών ιδιοτήτων. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ξεκάθαρα ότι η εξέλιξη της κατοπτρικής ανάκλασης και διαπερατότητας εξαρτάται από την ανάπτυξη της δεύτερης κλίμακας της τραχύτητας καθώς μεταβάλλεται η μεταβλητή θωράκιση.Η τρίτη ενότητα (Κεφάλαιο 6) αφορά την κατασκευή ενός πρωτότυπου αντιδραστήρα πλάσματος υψηλής πυκνότητας και την ανάπτυξη διεργασιών πλάσματος σε εφαρμογές που εργάζεται η ομάδα και αφορούν την ανάπτυξη τραχύτητας σε επιφάνειες για βιολογικές εφαρμογές, αλλά και σε τεχνολογία MOS. Συγκεκριμένα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας νέος αντιδραστήρας πλάσματος για την επεξεργασία υλικών και την εκτράχυνση αυτών και έγινε η ενσωμάτωση των επί μέρους πρωτότυπων κεραιών και πηγών (που παρουσιάστηκαν σε προηγούμενα κεφάλαια), σε ένα αυτόματο σύστημα που μπορεί να δοθεί για χρήση στα μέλη του εργαστηρίου και του Ινστιτούτου. Αναπτύχθηκαν δύο διεργασίες στο νέο σύστημα: α) Μία για την ανάπτυξη της τραχύτητας σε πλακίδια πολυστυρενίου για την προσκόλληση και πολλαπλασιασμό κυττάρων, και β) μία με πλάσμα οξυγόνου για επανοξείδωση του λεπτού υμενίου Al2O3 σε δομές GeOx/Ge ως ενδιάμεσο βήμα για την δημιουργία πυκνωτών MOS. Υπάρχουν εφαρμογές που δεν είναι τεχνικά ή οικονομικά εφικτό να γίνουν σε χαμηλή πίεση, και χρειάζεται να αναπτυχθούν σε ατμοσφαρική πίεση. Ομως οι πηγές ατμοσφαιρικου πλάσματος που κυριαρχούν διεθνώς είναι τύπου τζέτ (δέσμης) πλάσματος και έχουν δυσκολία στην κατεργασία μεγάλων επιφανειών. Η τέταρτη ενότητα η οποία παρουσιάζεται στα Κεφάλαια 7 και 8 πραγματεύεται το σχεδιασμό και την κατασκευή μιας πηγής πλάσματος σε ατμοσφαιρική πίεση για την χημική τροποποίηση και εγχάραξη υλικών καθώς και επεξεργασία και ενεργοποίηση υγρών. Συγκεκριμένα κατασκευάστηκε ένας πρωτότυπος αντιδραστήρας πλάσματος σε ατμοσφαιρική πίεση ικανός να επεξεργαστεί μεγάλες επιφάνειες (π.χ. 10 x 10 εκατοστά) χωρίς την χρήση συστημάτων κενού. Η πηγή αυτή χαρακτηρίστηκε ως προς τα ηλεκτρικά και οπτικά χαρακτηριστικά της καθώς και για την αποτελεσματικότητά της, στην επεξεργασία πολυμερών κάνοντας μετρήσεις ρυθμού εγχάραξης και γωνίας επαφής με σταγόνες νερού, σε πολυμερικά υμένια. Η πηγή που έχει δημιουργηθεί επιτρέπει τη δημιουργία πλάσματος αίγλης σε μια ευρεία περιοχή. Παρουσιάζει υψηλή ομοιομορφία, και ελέγχεται καλά ρυθμίζοντας τη ροή του αερίου, τη σύνθεση του μείγματος αερίων και την ισχύ.Οι αντιδραστήρες πλάσματος σε κενό και σε ατμοσφαιρική πίεση είναι τα εργαλεία για την τροποποίηση και επεξεργασία όλων των επιφανειών και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές στους τομείς της μικροηλεκτρονικής, ηλεκτρονικής, πολυμερών, οπτικών επιφανειών κ.α. Συγκεκριμένα η χημική και μορφολογική τροποποίηση που δημιουργείται με αυτά τα συστήματα συμβάλει στην δημιουργία «έξυπνων» επιφανειών, που μιμούνται την φύση. Η παρούσα μελέτη ανέδειξε μία νέα μέθοδο ελέγχου της ανάπτυξης της τραχύτητας, αυτή της νανο-παρεμπόδισης, μέσω ελέγχου της ιοντοβολής της επιφάνειας γύρω από το δείγμα κατά την διάρκεια εγχάραξης με πλάσμα. Η παρούσα μελέτη είναι από τις ελάχιστες η οποία πραγματεύεται τον έλεγχο της εξέλιξης της τραχύτητας μέσω του ελέγχου της ιοντοβολής των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα και έχει σαν δυνατό σημείο το εύρος τεχνολογικής στάθμης που καλύπτει, καθώς ξεκινάει από την σύλληψη και της απόδειξη της ιδέας του ελέγχου της τραχύτητας, στην κατασκευή πρωτότυπων πηγών, και τελικά την κατασκευή ενός πρωτότυπου σύστηματος εγχάραξης με πλάσμα για ευρεία χρήση στο εργαστήριο. Η εργασία καταλήγει με μία σύνοψη των σημαντικότερων αποτελεσμάτων, σε συμπεράσματα και σε προοπτικές της παρούσας μελέτης. Η εργασία αυτή οδήγησε στην συγγραφή των δημοσιεύσεων και των ευρεσιτεχνιών που αναφέρονται παρακάτω.