一种微等离子体刻蚀加工装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于半导体器件相关技术领域，其公开了一种微等离子体刻蚀加工装置，所述微等离子体刻蚀加工装置包括第一运动机构、第二运动机构及电喷印喷头，所述电喷印喷头连接于所述第一运动机构；所述微等离子体刻蚀加工装置还包括单针式等离子体喷头及扫描式等离子体喷头；所述单针式等离子体喷头及所述扫描式等离子体喷头之一可拆卸地连接于所述第二运动机构上，所述第二运动机构带动所述单针式等离子体喷头或者所述扫描式等离子体喷头进行移动，进而采用直写式或者掩膜式对石墨烯薄膜进行图形化加工。本发明专利技术还涉及微等离子刻蚀加工方法。上述的微等离子体刻蚀加工装置可同时实现直写式及掩膜式，依工况选择直写式或者掩膜式，提高了效率及精度。

Micro plasma etching processing device and method

The invention belongs to the technical field of the semiconductor device, and discloses a micro plasma etching device, micro plasma etching apparatus includes a first movement mechanism, second movement mechanism and the electronic seal nozzle, the nozzle is connected to the electronic seal in operation mechanism; micro plasma etching processing the device also includes a single needle type plasma nozzle and scanning plasma nozzle; the single needle type plasma nozzle and the scanning of plasma nozzle removably connected to the second movement mechanism, the second movement mechanism drives the single needle type plasma nozzle or the scanning plasma nozzle for movement, and the direct writing type or mask type of graphical processing of graphene films. The invention also relates to a micro plasma etching process. The micro plasma etching device can realize the direct writing and the mask type at the same time, and the direct write type or the mask type can be selected according to the working condition, thereby improving the efficiency and the accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种微等离子体刻蚀加工装置及方法
本专利技术属于半导体器件相关
，更具体地，涉及一种微等离子体刻蚀加工装置及方法。
技术介绍
石墨烯是由单层碳原子蜂窝状排列构成的二维晶体，具有高电导率、迁移率、透光性及其他诸多优异性能。大面积高质量的石墨烯一般是借助于化学气相沉积制备的，其成功应用于微电子必将面临图形化刻蚀的问题。石墨烯的图形化及其相关器件的制备已经成为物理、化学、生物以及材料科学领域的一个研究热点。目前常用的石墨烯加工方法有：(1)电子束平板印刷技术，通过紫外光光刻或者电子束光刻等微电子工艺在器件衬底上图形化光刻胶，利用曝光、剥离的方法得到了图形化的石墨烯，但是该技术成本高、工艺难度大，不适用于大面积石墨烯膜的图形化制备，且工艺过程中容易对石墨烯造成污染与损伤；(2)直接生长图形化的石墨烯再进行转移，这种方法无需用到后续的光刻刻蚀工艺，但是工艺难度大，可控性差，且无法将石墨烯精确定位到衬底上；(3)纳米压印法，在需要有图形的地方压印上石墨烯，这种方法方便简单、但是无法得到较为复杂的图形，且模板制备成本较高。相应地，本领域存在着发展一种成本较低且精度较高的适用于石墨烯薄膜的加工方装置及方法的技术需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种微等离子体刻蚀加工装置，其基于石墨烯图形化的特点，针对适用于实现石墨烯图形化的微等离子体刻蚀加工装置及方法进行了设计。所述微等离子体刻蚀加工装置结合了直写式加工方式及掩膜式加工方式，其中，直写式加工方式主要用于需刻蚀部分面积较小的图形化工况，不需要借助任何形式的掩膜版即可实现对石墨烯薄膜的选区刻蚀，避免对石墨烯造成污染或者损伤，可有效地对石墨烯薄膜区域碳原子氧化气化，且不会对辐照区以外的石墨烯原本结构产生破坏，刻蚀过程简单易行，设备成本低廉，可实现大规模生产。掩膜式加工方式主要用于需刻蚀部分面积大的图形化工况，该掩膜式加工方式不同于以往传统光刻式掩膜，利用新型的液体掩膜且结合电喷印与卷到卷技术，不仅能大幅提高分辨率，有效降低成本，而且无污染或者损伤，能实现超洁净的石墨烯薄膜图形化制备。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种微等离子体刻蚀加工装置，所述微等离子体刻蚀加工装置包括第一运动机构、第二运动机构及电喷印喷头，其特征在于：所述第一运动机构及所述第二运动机构间隔设置，所述电喷印喷头连接于所述第一运动机构，所述第一运动机构为两轴机构，其用于带动所述电喷印喷头左右及前后移动；所述第二运动机构为三轴运动机构；所述微等离子体刻蚀加工装置还包括卷到卷机构、单针式等离子体喷头及扫描式等离子体喷头，所述卷到卷机构位于所述第一运动机构及所述第二运动机构的下方，其用于带动制备有石墨烯薄膜的柔性衬底移动，所述电喷印喷头采用电流体喷印技术在所述石墨烯薄膜上制备掩膜层；所述单针式等离子体喷头及所述扫描式等离子体喷头两者之一可拆卸地连接于所述第二运动机构上，所述第二运动机构带动所述单针式等离子体喷头或者所述扫描式等离子体喷头进行前后、左右、上下移动，进而采用直写式或者掩膜式对所述石墨烯薄膜进行图形化加工。进一步地，所述电喷印喷头采用的喷印油墨为丙三醇溶液或者布洛芬溶液。进一步地，所述柔性衬底为PI衬底或者PET衬底。进一步地，所述单针式等离子体喷头包括端盖、针头、螺母、储气管及橡胶圈，所述储气管上形成有进气口；所述橡胶圈收容于所述储气管内，其位于所述端盖下方；所述螺母螺纹连接于所述端盖内，所述针头的一端穿过所述螺母及所述橡胶圈后收容于所述储气管内，另一端连接于所述螺母；所述端盖螺纹连接于所述储气管的一端。进一步地，通过所述端盖与所述螺母之间的螺纹连接来调节所述针头与所述储气管底部的出气口之间的距离；所述单针式等离子体喷头的内径D为1um<D<1mm。进一步地，所述扫描式微等离子体喷头包括储气槽、楔形电极片、电机接头及固定螺钉，所述楔形电极片设置在所述储气槽内，所述电极接头穿过所述储气槽的槽壁后连接于所述楔形电极片；所述固定螺钉连接所述储气槽及所述楔形电极片。进一步地，所述出气槽开设有间隔设置的连接螺纹孔及进气孔，所述扫描式等离子体喷头通过所述连接螺纹孔固定在第二运动机构上，所述进气孔用于向所述储气槽内输入放电气体；所述储气槽的底部槽口宽度L为1mm<L<2mm。进一步地，所述放电气体为氦氧混合气体，氧气在所述放电气体中所占的体积百分比k为0＜k≤2％。按照本专利技术的另一方面，提供了一种微等离子体刻蚀加工方法，其包括以下步骤：(1)提供如上所述的微等离子体刻蚀加工装置，同时在柔性衬底上制备石墨烯薄膜，并将制备有石墨烯薄膜的柔性衬底设置在所述卷到卷机构上；(2)根据石墨烯薄膜需刻蚀部分面积的大小来选择加工方式为直写式或者掩膜式，若选择直写式加工方式，则将所述第二运动机构上的等离子体喷头替换为单针式等离子体喷头，所述单针式等离子体喷头对所述石墨烯薄膜进行等离子体射流束图形化刻蚀，直至对应区域的刻蚀加工结束；若选择为掩膜式加工方式，则转至步骤(3)；(3)采用电流喷印技术在所述石墨烯薄膜上喷印需要图形化的石墨烯薄膜图形，以形成掩膜层；(4)将所述第二运动机构上的等离子体喷头替换为扫描式等离子体喷头，所述扫描式等离子体喷头射出等离子体射流束，所述卷到卷机构带动所述石墨烯薄膜通过所述等离子体射流束，以将未被所述掩膜层覆盖的石墨烯薄膜刻蚀掉；(5)采用加热的方式去除所述掩膜层，以得到图形化的石墨烯薄膜。进一步地，所述石墨烯薄膜的移动速度为0.1～10mm/min；所述电喷印喷头与所述石墨烯薄膜之间的距离为0.1～50mm。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的微等离子体刻蚀加工装置及方法主要具有以下有益效果：(1)根据图形化工况，选择直写式(正刻蚀)或者掩膜式(负刻蚀)，既可实现待刻蚀区域的选区刻蚀，又可较好地结合直写式加工及掩膜式加工的优点，有效地提高了图形化效率及精度；(2)利用室温常压等离子体射流对石墨烯进行刻蚀，能够产生较高活性的反应性粒子和臭氧分子，可有效地将辐照区内碳原子氧化气化，且不会对辐照区外的石墨烯原本结构产生破坏，且整个刻蚀过程没有污染，实现了超洁净刻蚀；(3)刻蚀过程简单易行，设备成本低廉，可实现大规模生产；(4)所述的等离子体刻蚀加工方法为室温常压条件下的合成方法，无需任何特殊环境，即在空气中即可完成样品处理，同时制备过程中的混合气体可回收再次利用，大幅降低了成本，且结合卷到卷技术可提高大批生产的效率。附图说明图1是本专利技术较佳实施方式提供的微等离子体刻蚀加工装置的结构示意图；图2是图1中的微等离子体刻蚀加工装置涉及的单针式等离子体喷头的剖面图；图3是图1中的微等离子体刻蚀加工装置涉及的扫描式等离子体喷头沿一个角度的剖视图；图4是图3中的扫描式微等离子体喷头沿另一个角度的剖视图；图5是图3中的扫描式微等离子体喷头的俯视图；图6是图1中的微等离子体刻蚀加工装置涉及的直写式及掩膜式加工方式的不同应用工况示意图；图7是采用图6中的直写式加工方式加工的石墨烯薄膜刻蚀槽的光学显微图；图8是采用图7中的掩膜式加工方式加工的电喷印图形化喷印实物图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微等离子体刻蚀加工装置，所述微等离子体刻蚀加工装置包括第一运动机构、第二运动机构及电喷印喷头，其特征在于：所述第一运动机构及所述第二运动机构间隔设置，所述电喷印喷头连接于所述第一运动机构，所述第一运动机构为两轴机构，其用于带动所述电喷印喷头左右及前后移动；所述第二运动机构为三轴运动机构；所述微等离子体刻蚀加工装置还包括卷到卷机构、单针式等离子体喷头及扫描式等离子体喷头，所述卷到卷机构位于所述第一运动机构及所述第二运动机构的下方，其用于带动制备有石墨烯薄膜的柔性衬底移动，所述电喷印喷头采用电流体喷印技术在所述石墨烯薄膜上制备掩膜层；所述单针式等离子体喷头及所述扫描式等离子体喷头两者之一可拆卸地连接于所述第二运动机构上，所述第二运动机构带动所述单针式等离子体喷头或者所述扫描式等离子体喷头进行前后、左右、上下移动，进而采用直写式或者掩膜式对所述石墨烯薄膜进行图形化加工。

【技术特征摘要】
1.一种微等离子体刻蚀加工装置，所述微等离子体刻蚀加工装置包括第一运动机构、第二运动机构及电喷印喷头，其特征在于：所述第一运动机构及所述第二运动机构间隔设置，所述电喷印喷头连接于所述第一运动机构，所述第一运动机构为两轴机构，其用于带动所述电喷印喷头左右及前后移动；所述第二运动机构为三轴运动机构；所述微等离子体刻蚀加工装置还包括卷到卷机构、单针式等离子体喷头及扫描式等离子体喷头，所述卷到卷机构位于所述第一运动机构及所述第二运动机构的下方，其用于带动制备有石墨烯薄膜的柔性衬底移动，所述电喷印喷头采用电流体喷印技术在所述石墨烯薄膜上制备掩膜层；所述单针式等离子体喷头及所述扫描式等离子体喷头两者之一可拆卸地连接于所述第二运动机构上，所述第二运动机构带动所述单针式等离子体喷头或者所述扫描式等离子体喷头进行前后、左右、上下移动，进而采用直写式或者掩膜式对所述石墨烯薄膜进行图形化加工。2.如权利要求1所述的微等离子体刻蚀加工装置，其特征在于：所述电喷印喷头采用的喷印油墨为丙三醇溶液或者布洛芬溶液。3.如权利要求1所述的微等离子体刻蚀加工装置，其特征在于：所述柔性衬底为PI衬底或者PET衬底。4.如权利要求1-3任一项所述的微等离子体刻蚀加工装置，其特征在于：所述单针式等离子体喷头包括端盖、针头、螺母、储气管及橡胶圈，所述储气管上形成有进气口；所述橡胶圈收容于所述储气管内，其位于所述端盖下方；所述螺母螺纹连接于所述端盖内，所述针头的一端穿过所述螺母及所述橡胶圈后收容于所述储气管内，另一端连接于所述螺母；所述端盖螺纹连接于所述储气管的一端。5.如权利要求4所述的微等离子体刻蚀加工装置，其特征在于：通过所述端盖与所述螺母之间的螺纹连接来调节所述针头与所述储气管底部的出气口之间的距离；所述单针式等离子体喷头的内径D为1um<D<1mm。6.如权利要求1-3任一项所述的微等离子体刻蚀加工装置，其特征在于：所述扫描式微...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永安，董必扬，叶冬，吴昊，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42