大气等离子体刻蚀技术在光学元件与半导体加工中的研究进展

吕航 1,2，惠迎雪1,2，刘卫国1，刘浴岐1,2，巨少甲1,2，陈晓1，葛少博1，张进1（1.西安工业大学 光电工程学院；2.西安市等离子体先进光学制造国际科技合作基地）

摘要：大气等离子体（Atmospheric Pressure Plasma，APP）刻蚀技术凭借非接触加工、常压操作及物理-化学协同去除机制，在光学元件与半导体器件加工领域展现出巨大潜力。然而，现有研究对等离子体-材料原子级相互作用机理、热力学非线性效应及反应副产物控制的系统性认知仍显不足，制约了其规模化应用。为推进APP 刻蚀技术在超精密制造领域的突破，本文系统解析了介质阻挡放电、射频放电及微波放电装置的创新设计，深入探讨了工艺参数协同优化机制与表面质量控制策略。研究发现，通过调控气体组分、激活原子选择性刻蚀模式，可同时实现超高材料去除率与原子级表面平整度；阵列化射流技术可大幅提升体积去除率，显著突破大口径元件加工效率瓶颈。同时，通过建立热效应与工艺参数的耦合模型，动态调整加工过程中的工具作用方式，显著降低了加工残差，而纯Ar 等离子体诱导的台阶-平台自组织重构可有效消除亚表面损伤。本文还综述了APP 刻蚀技术在光学自由曲面、半导体高深宽比结构及第三代半导体器件制造中的创新应用，证实其兼具高效性与原子级精度。最后，前瞻性指出该领域需突破热力学非线性效应控制、难熔副产物层管理、原子级机理认知及大面积均匀等离子体源开发等挑战，为APP 刻蚀技术迈向工业级超精密制造提供理论支撑与技术路线。

关键词：大气等离子体刻蚀；光学元件加工；半导体制造；超光滑表面；原子级制造