CN107195569B - 一种微等离子体刻蚀加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件相关技术领域，更具体地，涉及一种微等离子体刻蚀加工装置及方法。
背景技术
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。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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，按照本发明的一个方面，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％。
按照本发明的另一方面，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，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明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是本发明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构，其中：1-端盖，2-针头，3-螺母，4-储气管，5-橡胶圈，6-进气口，7-储气槽，8-楔形电极片，9-电极接头，10-固定螺钉，11-连接螺纹孔，12-进气孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图6，本发明较佳实施方式提供的微等离子体刻蚀加工装置，所述微等离子体刻蚀加工装置适用于石墨烯薄膜的图形化加工，其包括控制系统、第一运动机构、与所述第一运动机构间隔设置的第二运动机构、连接于所述第一运动机构的电喷印喷头、单针式等离子体喷头、扫描式等离子体喷头、分别电性连接于所述第一运动机构及所述第二运动机构的电能供给组件、注射泵及卷到卷机构，所述控制系统分别电性连接于所述第一运动机构、所述第二运动机构、气体供应组件及所述卷到卷机构，其用于控制所述第一运动机构、所述第二运动机构及所述卷到卷机构的运动。所述注射泵连接于所述电喷印喷头，所述电喷印喷头用于采用电流体喷印技术制作石墨烯薄膜的掩膜层。
所述电能供给组件包括高压电源及连接于所述高压电源的接地电极，所述高压电源分别连接于所述电喷印喷头及所述单针式等离子体喷头或者所述扫描式等离子体喷头。所述气体供应组件用于供应工作气体到所述单针式等离子体喷头或者所述扫描式等离子体喷头的储气管内，并控制气体的压力。本实施方式中，所述气体供应组件供应气体的流量为5～50mL/min。
所述第一运动机构为两轴机构，其包括相互垂直且均沿水平方向设置的X轴及Y轴。所述电喷印喷头连接于所述第一运动机构的Y轴。所述第一运动机构用于带动所述电喷印喷头进行左右及前后移动。
所述第二运动机构为三轴机构，其包括相互垂直的X轴、Y轴及Z轴，所述第二运动机构通过所述Z轴连接于所述单针式等离子体喷头或者扫描式等离子体喷头。所述第二运动机构用于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、左右及上下移动。
所述卷到卷机构设置于所述电喷印喷头的下方，其包括两个间隔设置的旋转轴及传送带，所述传送带套设在两个所述旋转轴上，所述旋转轴通过转动来带动所述传送带转动，进而所述传送带带动设置于其上的制备有石墨烯薄膜的柔性衬底左右移动。
所述微等离子体刻蚀加工装置还包括加热器，所述加热器与所述电喷印喷头分别位于所述第二运动机构相背的两端。所述加热器用于加热汽化掩膜层。
请参阅图2，所述单针式等离子体喷头包括端盖1、针头2、螺母3、储气管4及橡胶圈5，所述储气管4上形成有进气口6，所述端盖1成阶梯型，其外周形成有螺纹以与所述储气管4内的螺纹形成螺纹连接，使所述端盖1螺纹连接于所述储气管4的一端。同时，所述储气管4与所述端盖1之间的螺纹连接还可以调节所述针头2与所述储气管4底部的出气口之间的距离。本实施方式中，所述端盖1是由绝缘材质制成的。
所述橡胶圈5收容于所述储气管4内，其位于所述端盖1下方。所述螺母3螺纹连接于所述端盖1内，所述针头2的一端穿过所述螺母3及所述橡胶圈5后收容于所述储气管4内，另一端固定连接于所述螺母3。
所述端盖1开设有阶梯通孔，所述阶梯通孔用于收容所述螺母3及供所述针头2穿过。所述螺母3螺纹连接于所述阶梯通孔的内壁，且其抵靠在所述阶梯通孔的一个阶梯面上。本实施方式中，所述螺母3用于固定所述针头2。本实施方式中，所述针头2是由导电材质制成的，其与所述螺母3之间为螺纹连接；所述螺母还用于引入高压电。所述进气口6位于所述储气管4邻近所述端盖1的一端，其与所述储气管4相连通。所述橡胶圈5位于所述储气管4内，且其位于所述进气口6上方。所述橡胶圈5用于密封电离气体，同时保持所述针头2的中心轴与所述储气管的中心轴重合。
所述单针式等离子体喷头工作时，将高压电极线引入到所述针头2内，并采用所述螺母3进行紧固，通过所述进气口6将电离气体通入所述储气管4，调节好所述针头2与所述储气管4的底部出气口的距离，放电气体在高电压作用下发生电离，以形成室温常压等离子体射流，进而进行等离子体刻蚀。本实施方式中，所述针头2与所述储气管4的底部出气口之间的距离为2～3mm。
请参阅图3、图4及图5，所述扫描式微等离子体喷头包括储气槽7、楔形电极片8、电机接头9及固定螺钉10，所述楔形电极片8设置在所述储气槽7内，所述电极接头9穿过所述储气槽7的槽壁后连接于所述楔形电极片8。所述固定螺钉10连接所述储气槽7及所述楔形电极片8。
所述储气槽7是由绝缘材质制成的，其呈倒梯形。所述储气槽7的底部为通孔以供等离子体射流束喷出。所述出气槽7的顶部开设有间隔设置的连接螺纹孔11及进气孔12，所述扫描式等离子体喷头通过所述连接螺纹孔11固定在所述第二运动机构上。所述进气孔12用于向所述储气槽4内输入放电气体。本实施方式中，所述连接螺纹孔11的数量为四个，四个所述连接螺纹孔11间隔设置。所述楔形电极片8为长方形金属导电片，通过所述电极接头9向所述楔形电极片8引入高压电，放电气体在高压电作用下被击穿而形成线状等离子体射流束。
本实施方式中，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％；所述单针式等离子体喷头内径D为1um<D<1mm，所述的扫描束式等离子体喷头的储气槽底部槽口宽L为1mm<L<2mm。
请参阅图7及图8，本发明还提供了一种微等离子体刻蚀加工方法，所述微等离子体刻蚀加工方法主要包括以下步骤：
步骤一，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。具体地，将采用化学气相沉积法制备的单层石墨烯转移到柔性衬底上，所述柔性衬底为PI/PET衬底；制备有石墨烯薄膜的柔性衬底被设置在所述卷到卷机构的传送带上，使两者能够同步移动。本实施方式中，所述电喷印喷头与所述石墨烯薄膜之间的距离为0.1～50mm。
步骤二，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，则转至步骤三。
直写式基于微等离子体射流，掩膜式基于宏等离子体射流，直写式方法主要用于刻蚀面积小的工况下(如在石墨烯薄膜上做沟道)，刻蚀轨迹走过的地方是需要刻掉的，称之为正刻蚀。而掩膜式主要用于刻蚀面积大的工况下(如用石墨烯薄膜做图案)，喷印掩膜轨迹走过的地方是需要保留的部分，称之为反刻蚀。
步骤三，采用电流喷印技术在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。具体的，电喷印墨液为丙三醇溶液或者布洛芬溶液，溶液盛入喷嘴储液筒中并采用所述注射泵来实现供给。所述高压电源的正极连接于所述电喷印喷头上，负极接在所述接收基板的导电层上，正负极之间利用电势差形成电场，调整所述高压电源参数，利用工业相机观察所述电喷印喷头的底端泰勒锥的形成状况，根据材料及基材的不同调整合适的电压参数及电喷印喷头距离基板的高度。整个掩膜过程由控制系统中的运动控制卡进行轨迹规划及控制电压的供给实现。本实施方式中，所述掩膜层的单根纤维掩膜宽度小于1um，单个点直径为1～10um。
步骤四，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以预定的速度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。本实施方式中，所述预定速度为0.1～10mm/min。
步骤五，去除所述掩膜层，以得到图形化的石墨烯薄膜。具体地，由于电喷印油墨与石墨烯薄膜具有不同的理化性质，故可采用所述加热器进行进行加热来去除掩膜层，以得到图形化的石墨烯薄膜。
本发明提供的微等离子体刻蚀加工装置及方法，其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。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
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。
7.如权利要求6所述的微等离子体刻蚀加工装置，其特征在于：所述储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。
8.如权利要求7所述的微等离子体刻蚀加工装置，其特征在于：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％。
9.一种微等离子体刻蚀加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)提供如权利要求1-8任一项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。
10.如权利要求9所述的微等离子体刻蚀加工方法，其特征在于：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。
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