本發(fā)明屬于半導體器件相關技術領域，更具體地，涉及一種微等離子體刻蝕加工裝置及方法。

背景技術：

石墨烯是由單層碳原子蜂窩狀排列構成的二維晶體，具有高電導率、遷移率、透光性及其他諸多優(yōu)異性能。大面積高質量的石墨烯一般是借助于化學氣相沉積制備的，其成功應用于微電子必將面臨圖形化刻蝕的問題。石墨烯的圖形化及其相關器件的制備已經成為物理、化學、生物以及材料科學領域的一個研究熱點。

目前常用的石墨烯加工方法有：(1)電子束平板印刷技術，通過紫外光光刻或者電子束光刻等微電子工藝在器件襯底上圖形化光刻膠，利用曝光、剝離的方法得到了圖形化的石墨烯，但是該技術成本高、工藝難度大，不適用于大面積石墨烯膜的圖形化制備，且工藝過程中容易對石墨烯造成污染與損傷；(2)直接生長圖形化的石墨烯再進行轉移，這種方法無需用到后續(xù)的光刻刻蝕工藝，但是工藝難度大，可控性差，且無法將石墨烯精確定位到襯底上；(3)納米壓印法，在需要有圖形的地方壓印上石墨烯，這種方法方便簡單、但是無法得到較為復雜的圖形，且模板制備成本較高。相應地，本領域存在著發(fā)展一種成本較低且精度較高的適用于石墨烯薄膜的加工方裝置及方法的技術需求。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種微等離子體刻蝕加工裝置，其基于石墨烯圖形化的特點，針對適用于實現(xiàn)石墨烯圖形化的微等離子體刻蝕加工裝置及方法進行了設計。所述微等離子體刻蝕加工裝置結合了直寫式加工方式及掩膜式加工方式，其中，直寫式加工方式主要用于需刻蝕部分面積較小的圖形化工況，不需要借助任何形式的掩膜版即可實現(xiàn)對石墨烯薄膜的選區(qū)刻蝕，避免對石墨烯造成污染或者損傷，可有效地對石墨烯薄膜區(qū)域碳原子氧化氣化，且不會對輻照區(qū)以外的石墨烯原本結構產生破壞，刻蝕過程簡單易行，設備成本低廉，可實現(xiàn)大規(guī)模生產。掩膜式加工方式主要用于需刻蝕部分面積大的圖形化工況，該掩膜式加工方式不同于以往傳統(tǒng)光刻式掩膜，利用新型的液體掩膜且結合電噴印與卷到卷技術，不僅能大幅提高分辨率，有效降低成本，而且無污染或者損傷，能實現(xiàn)超潔凈的石墨烯薄膜圖形化制備。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種微等離子體刻蝕加工裝置，所述微等離子體刻蝕加工裝置包括第一運動機構、第二運動機構及電噴印噴頭，其特征在于：

所述第一運動機構及所述第二運動機構間隔設置，所述電噴印噴頭連接于所述第一運動機構，所述第一運動機構為兩軸機構，其用于帶動所述電噴印噴頭左右及前后移動；所述第二運動機構為三軸運動機構；

所述微等離子體刻蝕加工裝置還包括卷到卷機構、單針式等離子體噴頭及掃描式等離子體噴頭，所述卷到卷機構位于所述第一運動機構及所述第二運動機構的下方，其用于帶動制備有石墨烯薄膜的柔性襯底移動，所述電噴印噴頭采用電流體噴印技術在所述石墨烯薄膜上制備掩膜層；所述單針式等離子體噴頭及所述掃描式等離子體噴頭兩者之一可拆卸地連接于所述第二運動機構上，所述第二運動機構帶動所述單針式等離子體噴頭或者所述掃描式等離子體噴頭進行前后、左右、上下移動，進而采用直寫式或者掩膜式對所述石墨烯薄膜進行圖形化加工。

進一步地，所述電噴印噴頭采用的噴印油墨為丙三醇溶液或者布洛芬溶液。

進一步地，所述柔性襯底為pi襯底或者pet襯底。

進一步地，所述單針式等離子體噴頭包括端蓋、針頭、螺母、儲氣管及橡膠圈，所述儲氣管上形成有進氣口；所述橡膠圈收容于所述儲氣管內，其位于所述端蓋下方；所述螺母螺紋連接于所述端蓋內，所述針頭的一端穿過所述螺母及所述橡膠圈后收容于所述儲氣管內，另一端連接于所述螺母；所述端蓋螺紋連接于所述儲氣管的一端。

進一步地，通過所述端蓋與所述螺母之間的螺紋連接來調節(jié)所述針頭與所述儲氣管底部的出氣口之間的距離；所述單針式等離子體噴頭的內徑d為1um<d<1mm。

進一步地，所述掃描式微等離子體噴頭包括儲氣槽、楔形電極片、電機接頭及固定螺釘，所述楔形電極片設置在所述儲氣槽內，所述電極接頭穿過所述儲氣槽的槽壁后連接于所述楔形電極片；所述固定螺釘連接所述儲氣槽及所述楔形電極片。

進一步地，所述出氣槽開設有間隔設置的連接螺紋孔及進氣孔，所述掃描式等離子體噴頭通過所述連接螺紋孔固定在第二運動機構上，所述進氣孔用于向所述儲氣槽內輸入放電氣體；所述儲氣槽的底部槽口寬度l為1mm<l<2mm。

進一步地，所述放電氣體為氦氧混合氣體，氧氣在所述放電氣體中所占的體積百分比k為0＜k≤2％。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種微等離子體刻蝕加工方法，其包括以下步驟：

(1)提供如上所述的微等離子體刻蝕加工裝置，同時在柔性襯底上制備石墨烯薄膜，并將制備有石墨烯薄膜的柔性襯底設置在所述卷到卷機構上；

(2)根據(jù)石墨烯薄膜需刻蝕部分面積的大小來選擇加工方式為直寫式或者掩膜式，若選擇直寫式加工方式，則將所述第二運動機構上的等離子體噴頭替換為單針式等離子體噴頭，所述單針式等離子體噴頭對所述石墨烯薄膜進行等離子體射流束圖形化刻蝕，直至對應區(qū)域的刻蝕加工結束；若選擇為掩膜式加工方式，則轉至步驟(3)；

(3)采用電流噴印技術在所述石墨烯薄膜上噴印需要圖形化的石墨烯薄膜圖形，以形成掩膜層；

(4)將所述第二運動機構上的等離子體噴頭替換為掃描式等離子體噴頭，所述掃描式等離子體噴頭射出等離子體射流束，所述卷到卷機構帶動所述石墨烯薄膜通過所述等離子體射流束，以將未被所述掩膜層覆蓋的石墨烯薄膜刻蝕掉；

(5)采用加熱的方式去除所述掩膜層，以得到圖形化的石墨烯薄膜。

進一步地，所述石墨烯薄膜的移動速度為0.1～10mm/min；所述電噴印噴頭與所述石墨烯薄膜之間的距離為0.1～50mm。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的微等離子體刻蝕加工裝置及方法主要具有以下有益效果：

(1)根據(jù)圖形化工況，選擇直寫式(正刻蝕)或者掩膜式(負刻蝕)，既可實現(xiàn)待刻蝕區(qū)域的選區(qū)刻蝕，又可較好地結合直寫式加工及掩膜式加工的優(yōu)點，有效地提高了圖形化效率及精度；

(2)利用室溫常壓等離子體射流對石墨烯進行刻蝕，能夠產生較高活性的反應性粒子和臭氧分子，可有效地將輻照區(qū)內碳原子氧化氣化，且不會對輻照區(qū)外的石墨烯原本結構產生破壞，且整個刻蝕過程沒有污染，實現(xiàn)了超潔凈刻蝕；

(3)刻蝕過程簡單易行，設備成本低廉，可實現(xiàn)大規(guī)模生產；

(4)所述的等離子體刻蝕加工方法為室溫常壓條件下的合成方法，無需任何特殊環(huán)境，即在空氣中即可完成樣品處理，同時制備過程中的混合氣體可回收再次利用，大幅降低了成本，且結合卷到卷技術可提高大批生產的效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明較佳實施方式提供的微等離子體刻蝕加工裝置的結構示意圖；

圖2是圖1中的微等離子體刻蝕加工裝置涉及的單針式等離子體噴頭的剖面圖；

圖3是圖1中的微等離子體刻蝕加工裝置涉及的掃描式等離子體噴頭沿一個角度的剖視圖；

圖4是圖3中的掃描式微等離子體噴頭沿另一個角度的剖視圖；

圖5是圖3中的掃描式微等離子體噴頭的俯視圖；

圖6是圖1中的微等離子體刻蝕加工裝置涉及的直寫式及掩膜式加工方式的不同應用工況示意圖；

圖7是采用圖6中的直寫式加工方式加工的石墨烯薄膜刻蝕槽的光學顯微圖；

圖8是采用圖7中的掩膜式加工方式加工的電噴印圖形化噴印實物圖。

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-端蓋，2-針頭，3-螺母，4-儲氣管，5-橡膠圈，6-進氣口，7-儲氣槽，8-楔形電極片，9-電極接頭，10-固定螺釘，11-連接螺紋孔，12-進氣孔。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

請參閱圖1及圖6，本發(fā)明較佳實施方式提供的微等離子體刻蝕加工裝置，所述微等離子體刻蝕加工裝置適用于石墨烯薄膜的圖形化加工，其包括控制系統(tǒng)、第一運動機構、與所述第一運動機構間隔設置的第二運動機構、連接于所述第一運動機構的電噴印噴頭、單針式等離子體噴頭、掃描式等離子體噴頭、分別電性連接于所述第一運動機構及所述第二運動機構的電能供給組件、注射泵及卷到卷機構，所述控制系統(tǒng)分別電性連接于所述第一運動機構、所述第二運動機構、氣體供應組件及所述卷到卷機構，其用于控制所述第一運動機構、所述第二運動機構及所述卷到卷機構的運動。所述注射泵連接于所述電噴印噴頭，所述電噴印噴頭用于采用電流體噴印技術制作石墨烯薄膜的掩膜層。

所述電能供給組件包括高壓電源及連接于所述高壓電源的接地電極，所述高壓電源分別連接于所述電噴印噴頭及所述單針式等離子體噴頭或者所述掃描式等離子體噴頭。所述氣體供應組件用于供應工作氣體到所述單針式等離子體噴頭或者所述掃描式等離子體噴頭的儲氣管內，并控制氣體的壓力。本實施方式中，所述氣體供應組件供應氣體的流量為5～50ml/min。

所述第一運動機構為兩軸機構，其包括相互垂直且均沿水平方向設置的x軸及y軸。所述電噴印噴頭連接于所述第一運動機構的y軸。所述第一運動機構用于帶動所述電噴印噴頭進行左右及前后移動。

所述第二運動機構為三軸機構，其包括相互垂直的x軸、y軸及z軸，所述第二運動機構通過所述z軸連接于所述單針式等離子體噴頭或者掃描式等離子體噴頭。所述第二運動機構用于帶動所述單針式等離子體噴頭或者所述掃描式等離子體噴頭進行前后、左右及上下移動。

所述卷到卷機構設置于所述電噴印噴頭的下方，其包括兩個間隔設置的旋轉軸及傳送帶，所述傳送帶套設在兩個所述旋轉軸上，所述旋轉軸通過轉動來帶動所述傳送帶轉動，進而所述傳送帶帶動設置于其上的制備有石墨烯薄膜的柔性襯底左右移動。

所述微等離子體刻蝕加工裝置還包括加熱器，所述加熱器與所述電噴印噴頭分別位于所述第二運動機構相背的兩端。所述加熱器用于加熱汽化掩膜層。

請參閱圖2，所述單針式等離子體噴頭包括端蓋1、針頭2、螺母3、儲氣管4及橡膠圈5，所述儲氣管4上形成有進氣口6，所述端蓋1成階梯型，其外周形成有螺紋以與所述儲氣管4內的螺紋形成螺紋連接，使所述端蓋1螺紋連接于所述儲氣管4的一端。同時，所述儲氣管4與所述端蓋1之間的螺紋連接還可以調節(jié)所述針頭2與所述儲氣管4底部的出氣口之間的距離。本實施方式中，所述端蓋1是由絕緣材質制成的。

所述橡膠圈5收容于所述儲氣管4內，其位于所述端蓋1下方。所述螺母3螺紋連接于所述端蓋1內，所述針頭2的一端穿過所述螺母3及所述橡膠圈5后收容于所述儲氣管4內，另一端固定連接于所述螺母3。

所述端蓋1開設有階梯通孔，所述階梯通孔用于收容所述螺母3及供所述針頭2穿過。所述螺母3螺紋連接于所述階梯通孔的內壁，且其抵靠在所述階梯通孔的一個階梯面上。本實施方式中，所述螺母3用于固定所述針頭2。本實施方式中，所述針頭2是由導電材質制成的，其與所述螺母3之間為螺紋連接；所述螺母還用于引入高壓電。所述進氣口6位于所述儲氣管4鄰近所述端蓋1的一端，其與所述儲氣管4相連通。所述橡膠圈5位于所述儲氣管4內，且其位于所述進氣口6上方。所述橡膠圈5用于密封電離氣體，同時保持所述針頭2的中心軸與所述儲氣管的中心軸重合。

所述單針式等離子體噴頭工作時，將高壓電極線引入到所述針頭2內，并采用所述螺母3進行緊固，通過所述進氣口6將電離氣體通入所述儲氣管4，調節(jié)好所述針頭2與所述儲氣管4的底部出氣口的距離，放電氣體在高電壓作用下發(fā)生電離，以形成室溫常壓等離子體射流，進而進行等離子體刻蝕。本實施方式中，所述針頭2與所述儲氣管4的底部出氣口之間的距離為2～3mm。

請參閱圖3、圖4及圖5，所述掃描式微等離子體噴頭包括儲氣槽7、楔形電極片8、電機接頭9及固定螺釘10，所述楔形電極片8設置在所述儲氣槽7內，所述電極接頭9穿過所述儲氣槽7的槽壁后連接于所述楔形電極片8。所述固定螺釘10連接所述儲氣槽7及所述楔形電極片8。

所述儲氣槽7是由絕緣材質制成的，其呈倒梯形。所述儲氣槽7的底部為通孔以供等離子體射流束噴出。所述出氣槽7的頂部開設有間隔設置的連接螺紋孔11及進氣孔12，所述掃描式等離子體噴頭通過所述連接螺紋孔11固定在所述第二運動機構上。所述進氣孔12用于向所述儲氣槽4內輸入放電氣體。本實施方式中，所述連接螺紋孔11的數(shù)量為四個，四個所述連接螺紋孔11間隔設置。所述楔形電極片8為長方形金屬導電片，通過所述電極接頭9向所述楔形電極片8引入高壓電，放電氣體在高壓電作用下被擊穿而形成線狀等離子體射流束。

本實施方式中，所述放電氣體為氦氧混合氣體，氧氣在所述放電氣體中所占的體積百分比k為0<k≤2％；所述單針式等離子體噴頭內徑d為1um<d<1mm，所述的掃描束式等離子體噴頭的儲氣槽底部槽口寬l為1mm<l<2mm。

請參閱圖7及圖8，本發(fā)明還提供了一種微等離子體刻蝕加工方法，所述微等離子體刻蝕加工方法主要包括以下步驟：

步驟一，提供如上所述的微等離子體刻蝕加工裝置，同時在柔性襯底上制備石墨烯薄膜，并將制備有石墨烯薄膜的柔性襯底設置在所述卷到卷機構上。具體地，將采用化學氣相沉積法制備的單層石墨烯轉移到柔性襯底上，所述柔性襯底為pi/pet襯底；制備有石墨烯薄膜的柔性襯底被設置在所述卷到卷機構的傳送帶上，使兩者能夠同步移動。本實施方式中，所述電噴印噴頭與所述石墨烯薄膜之間的距離為0.1～50mm。

步驟二，根據(jù)石墨烯薄膜需刻蝕部分面積的大小來選擇加工方式為直寫式或者掩膜式，若選擇直寫式加工方式，則將所述第二運動機構上的等離子體噴頭替換為單針式等離子體噴頭，所述單針式等離子體噴頭對石墨烯薄膜進行等離子體射流束圖形化刻蝕，直至對應區(qū)域的刻蝕加工結束；若選擇為掩膜式加工方式，則轉至步驟三。

直寫式基于微等離子體射流，掩膜式基于宏等離子體射流，直寫式方法主要用于刻蝕面積小的工況下(如在石墨烯薄膜上做溝道)，刻蝕軌跡走過的地方是需要刻掉的，稱之為正刻蝕。而掩膜式主要用于刻蝕面積大的工況下(如用石墨烯薄膜做圖案)，噴印掩膜軌跡走過的地方是需要保留的部分，稱之為反刻蝕。

步驟三，采用電流噴印技術在石墨烯薄膜上噴印需要圖形化的石墨烯薄膜圖形，以形成掩膜層。具體的，電噴印墨液為丙三醇溶液或者布洛芬溶液，溶液盛入噴嘴儲液筒中并采用所述注射泵來實現(xiàn)供給。所述高壓電源的正極連接于所述電噴印噴頭上，負極接在所述接收基板的導電層上，正負極之間利用電勢差形成電場，調整所述高壓電源參數(shù)，利用工業(yè)相機觀察所述電噴印噴頭的底端泰勒錐的形成狀況，根據(jù)材料及基材的不同調整合適的電壓參數(shù)及電噴印噴頭距離基板的高度。整個掩膜過程由控制系統(tǒng)中的運動控制卡進行軌跡規(guī)劃及控制電壓的供給實現(xiàn)。本實施方式中，所述掩膜層的單根纖維掩膜寬度小于1um，單個點直徑為1～10um。

步驟四，將所述第二運動機構上的等離子體噴頭替換為掃描式等離子體噴頭，所述掃描式等離子體噴頭射出等離子體射流束，所述卷到卷機構帶動所述石墨烯薄膜以預定的速度通過所述等離子體射流束，以將未被所述掩膜層覆蓋的石墨烯薄膜刻蝕掉。本實施方式中，所述預定速度為0.1～10mm/min。

步驟五，去除所述掩膜層，以得到圖形化的石墨烯薄膜。具體地，由于電噴印油墨與石墨烯薄膜具有不同的理化性質，故可采用所述加熱器進行進行加熱來去除掩膜層，以得到圖形化的石墨烯薄膜。

本發(fā)明提供的微等離子體刻蝕加工裝置及方法，其結合了直寫式加工方式及掩膜式加工方式，其中，直寫式加工方式主要用于需刻蝕部分面積較小的圖形化工況，不需要借助任何形式的掩膜版即可實現(xiàn)對石墨烯薄膜的選區(qū)刻蝕，避免對石墨烯造成污染或者損傷，可有效地對石墨烯薄膜區(qū)域碳原子氧化氣化，且不會對輻照區(qū)以外的石墨烯原本結構產生破壞，刻蝕過程簡單易行，設備成本低廉，可實現(xiàn)大規(guī)模生產。掩膜式加工方式主要用于需刻蝕部分面積大的圖形化工況，該掩膜式加工方式不同于以往傳統(tǒng)光刻式掩膜，利用新型的液體掩膜且結合電噴印與卷到卷技術，不僅能大幅提高分辨率，有效降低成本，而且無污染或者損傷，能實現(xiàn)超潔凈的石墨烯薄膜圖形化制備。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。