CN108526627A - 一种半导体材料激光电化学复合微加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体材料激光电化学复合微加工方法及装置，属于特种加工领域，该方法是利用单晶硅等半导体材料电导率随温度升高而显著增强的特性，由激光束加热半导体材料，定域增强加工区域附近材料导电性能，形成一条电流优先通过的导电通道，在此基础上以偏置电液束形式引入电解加工，实现加工区域附近的激光电化学“自耦合”复合加工，无需“对刀”，不仅确保激光加工过程中无表面残渣附着，还可强化冷却作用，达到减小热损伤、降低残余应力、提高加工表面质量的目的；该装置包括激光器、外部光路、电解电源、稳定射流生成装置；其装置可生成稳定低压电解液射流，并实现冲击角度与位置调节，确保实现激光束与冲击射流相对位置精确调节。

Description

一种半导体材料激光电化学复合微加工方法及装置

技术领域

本发明涉及特种加工领域中的加工微小缝、孔、槽等结构的加工方法及装置，尤其涉及一种利用单晶硅等半导体材料电导率对温度的敏感特性而实现的激光电解复合加工方法及装置。

背景技术

以硅和锗为代表的半导体材料有着良好的结构属性与功能属性，广泛应用于芯片、光伏、医疗器械、微机电系统等领域。在半导体材料表面加工出特定形貌的微细结构可以实现多种功能，例如：亚微米尺度周期性微槽结构可以增强材料表面的抗反光性能；蜂窝状紧密分布的光滑微坑群可以形成微凹透镜阵列；表面规则微结构有助于改变材料亲水性能，实现超亲水、超疏水功能；不同微形貌导致的亲水性差异，在临界区域处产生表面张力差，可驱动液滴自主运动。

受制于半导体材料高脆性与低断裂韧度，材料可加工性较差，微加工难度更高。得益于国内外科研机构多年探索，在对该类材料微加工方面已取得可喜进展，目前主要有微车削/铣削加工、电解加工、光刻加工、化学刻蚀加工、激光加工等。上述加工方法各有特色，有其适用场合，也有各自局限性。例如，采用微端铣方式加工单晶硅时，为确保材料去除发生在延展性区域以避免裂纹产生，需要将单步进给量控制在250nm以下，导致材料去除效率较低；采用光刻加工时，工艺较为复杂，对光刻机等设备要求高，且不同种类、不同晶向的基体材料对腐蚀剂要求不同，故而更适合稳定属材料，导致加工效率较低；传统激光加工半导体材料始终伴随着较为明显的热损伤规模化生产；采用电化学溶解方法时，受限于半导体材料特性，电流密度往往低于金现象，而以飞秒激光为代表的先进超快激光又存在着去除效率低、设备昂贵等不足。

针对半导体材料微加工，国内外也提出了一些复合加工方法，将机械力、激光、电化学阳极溶解、电化学放电、化学腐蚀、水射流冲击等手段合理搭配使用，实现微加工目的。

在对现有技术进行检索后发现，学者Tangwarodomnukun V等在“Aninvestigation of hybrid laser-waterjet ablation of silicon substrates”一文中提出了一种实现单晶硅材料微切槽加工的激光水射流复合加工技术，该技术利用纳秒脉冲激光加热脆性材料，软化后的材料随即被偏置高压水射流冲击切除，可有效避免微裂纹产生，同时高压射流有强制冷却作用，有利于热损伤控制，可将槽边缘单侧热损伤控制在20μm以内。但是该技术也有其自身局限性，表现在微槽表面边缘和内壁较为粗糙，槽底深度波动较大，同时，由于有高压射流冲击作用介入，已加工表面上可能会有残余应力存在。

公开号为US2017/0120345A1的美国专利公开了一种激光增强金刚石钻孔的方法及装置。该方法将金刚石等硬度高且透光性好的材料嵌于金属钻头轴心，加工过程中激光可近无损通过，辐照于待加工材料表面，加热软化钻头接触区域附近材料，使局部硬脆材料转化为延展性材料，从而提高钻孔效率、改善钻孔质量、减小刀具磨损。该方法可用于加工陶瓷、半导体等硬脆材料，并实现了1mm钻头制作。但这种方法所钻孔的直径取决于钻头的尺寸，而钻头中内嵌金刚石材料的结构使得制作较为复杂，且进一步减小钻头直径较为困难，可能会限制此方法在微细加工领域的应用。

公开号为CN106735866A的中国专利公布了一种背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置和方法。该方法将参数可调的激光束自下而上作用到半导体试样背面，从半导体试样中激发出大量的光生空穴，空穴移动到半导体试样表面处参与电化学反应，形成材料蚀除。同时，工具电极作为阴极，半导体试样作为阳极，通过控制两电极之间的电位，可实现高电位情况下的电火花放电加工，以及低电位情况下的电化学蚀除。此方法将多焦点激光和电化学复合作用在半导体试样上，可提高刻蚀效率、提高通孔的表面质量。但这种方法中激光束与电极要精准“对刀”实现复合加工，对装置精度要求较高。

公开号为CN1919514A的中国专利公开了一种喷射液束与激光同轴复合加工方法，该方法借鉴了水导激光加工技术，在激光加工的基础上，引入与激光束同轴的高速喷射液束电解去除材料，消除再铸层、微裂纹及残余应力。该方法着眼于航空航天、武器装备等领域所涉及的尺寸在0.25mm～1.5mm之间的细小孔、缝、槽等结构的优质高效加工，以金属材料为加工对象，未涉及到半导体材料相关性质。此外，限于射流直径及射流质量，激光束在射流内同轴传导过程中光束质量会有所降低，可能会导致光斑发散，使得进一步减小加工尺寸较为困难。

学者Morin F J和Maita J P在“Electrical properties of siliconcontaining arsenic and boron”一文中提出，在单晶硅常温与熔点温度区间内，其电导率呈现随温度升高而急剧增强的趋势(328℃时电导率约25.6S/m，1335℃时电导率约27372.2S/m)。基于此项特性，如能在单晶硅材料内生成局域温度场，可定域增强材料导电能力，从而实现半导体材料定域电解加工。但未查询到相关技术文献。

发明内容

本发明基于硅等半导体材料电导率随温度升高而增强的特性，提出利用短脉冲激光辐照在加工区附近诱导产生出局域电导率增强区域，形成一条电流优先通过的瞬时定域导电通道，定域增强电解作用；同时，激光可及时蚀除可能产生的钝化层，持续实现激光热力效应与电化学阳极溶解自耦合协同加工，从而获得一种加工效率高、热损伤小、表面质量好的微加工方法，同时提供了该方法专用的加工装置。

为了达到上述发明目的，本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种半导体材料激光电化学复合微加工方法，利用半导体材料电导率随温度升高而增强的特性，通过聚焦激光束产生局域温度场，同时引入电化学阳极溶解，在激光、电化学阳极溶解的共同作用下，从而有效的消除再铸层、残余应力，提高加工质量；其特征在于，激光器发出的激光束辐照在半导体材料上，半导体材料下端面上设置有金属薄膜层；金属薄膜层与直流脉冲电源的正极相接，使得半导体材料的下表面电势均匀分布；直流脉冲电源的负极与金属针头相接，使金属针头内通有的电解液“阴极化”；电解液在半导体材料上表面形成薄电解液层；所述金属薄膜层通过绝缘层与外界隔离，使得直流脉冲电源正负极间的定域导电通道仅通过半导体材料。

进一步的，所述半导体材料为电导率与温度正相关的半导体材料，尤其为单晶硅。

进一步的，金属针头内的电解液为高浓度中性盐水溶液，质量分数为25％-40％。

一种半导体材料激光电化学复合微加工装置，包括光路系统、稳定低压射流生成及调节系统和电解加工系统；所述光路系统包括激光器、光闸、扩束镜、振镜和反光镜；所述激光器发出的激光束经过光闸后，再经过扩束镜后经45°设置的两块反光镜反射后经过振镜辐照在半导体材料上；所述电解加工系统包括直流脉冲电源、金属薄膜层和绝缘层；所述金属薄膜层设置在半导体材料的下表面；金属薄膜层通过绝缘层与外界隔离，使得直流脉冲电源正负极间的定域导电通道只能通过半导体材料产生；所述稳定低压射流生成系统包括金属针头，金属针头内通有电解液，电解液在半导体材料上表面形成薄电解液层。

进一步的，所述稳定低压射流生成及调节系统还包括伺服电机、滚珠丝杠、电解液缸和活塞杆；所述伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠相连接；所述滚珠丝杠通过滑块带动活塞杆左右移动；所述活塞杆端部设置有活塞；所述活塞与电解液缸配合；电解液缸内的电解液经软管进入金属针头形成平稳低压射流。

进一步的，所述电解液缸上安装有第一单向阀和第二单向阀；当伺服电机反向转动时，滚珠丝杠带动活塞杆平稳后退，第一单向阀闭合，单向阀第二开启，电解液槽中的电解液在压力差的作用下经过滤器进入电解液缸；当伺服电机正向转动时，滚珠丝杠带动活塞杆平稳前进，第一单向阀开启，第二单向阀闭合，电解液缸中的电解液在活塞杆推动下经软管进入金属针头，形成平稳低压射流。

进一步的，所述金属针头一端安装有角度调节器，使得射流冲击角度可调节，射流冲击位置由XYZ三向调节平台调节。

进一步的，还包括红外相机、高速相机、水听器和电流探头；所述电流探头和水听器探测到的信号变化由示波器呈现，高速CCD相机和红外相机检测的成像信号可由计算机呈现。

进一步的，所述激光器为纳秒或者皮秒脉冲激光器。

进一步的，电解液回收过滤装置，用于电解液回收。

有益效果：

(1)针对单晶硅等半导体材料加工工艺性较差的问题，利用单晶硅等半导体材料电导率随温度升高而增强的特性，将激光加工与电化学阳极溶解进行复合，实现了一种加工效率高、热损伤小、表面质量好的加工方法，解决了集成电路芯片封装切割、微机电系统半导体微小件加工制造中大量存在的、尺寸在30～200μm之间的细小缝、孔、槽等结构的加工难题。

(2)本发明利用单晶硅等半导体材料电导率对温度的敏感特性，将激光辐照在材料内部产生的局域高温区域转化为高电导率区域，形成一条电流优先通过的定域导电通道，其中的电流密度远高于周围常温材料区域，从而将电化学阳极溶解限制在激光辐照区域附近，实现了激光热力效应与电化学阳极溶解的自耦合协同加工，提高了加工定域性，改善加工质量，同时避免了严格依赖“对刀”步骤才能实现复合加工的不足。

(3)本发明的方法以激光加工为主，同时合理利用单晶硅等半导体材料电导率随温度升高而增强的特性，通过低压电解液束引入电解加工，实现激光加工与电化学阳极溶解复合加工，既能保证较高的加工效率，又能通过电化学阳极溶解有效减小激光热损伤、消除再铸层与残余应力。在加工过程中，激光可及时蚀除可能产生的钝化层，确保电解加工持续进行。同时，低压电解液束在加工区毗邻位置的冲击作用，材料表面受到持续存在的强制冷却作用，有助于进一步减少热损伤；此外，激光辐照在加工区上方的薄电解液层中引发等离子体，通过气泡溃灭等方式产生局部强力微搅动，有助于带走加工产物、改善流场，提高加工质量。

(4)利用激光加热的定域性，在单晶硅等半导体材料内沿激光束轴向形成瞬时定域高温区域；利用冲击电解液束在加工区附近引入外部电场，电流在材料内部将优先通过电导率增强区域，形成一条“瞬时定域导电通道”，实现了电流密度定域增强，加速局域电化学阳极溶解。此外，激光脉冲间隙内，由于冷却过程中温度场变化的连续性，材料内高温区域仍会存在一段时间，定域电解加工得以延续，实现对激光加工表面的后处理，达到减小热损伤、降低残余应力、改善表面质量的目的。

(5)本发明的加工系统功能完善，易于组装实现。所设计的稳定低压射流生成系统结构简单，易于安装、检修。

附图说明

附图1为本发明涉及到的激光电解复合加工方法的系统示意图；

附图2为本发明图1中涉及到的稳定低压射流生成系统的结构示意图。

附图标记如下：

1、激光器，2、激光束，3、光闸，4、扩束镜，5、振镜，6、反光镜，7、稳定低压射流生成及调节系统，8、金属针头，9、薄电解液层，10、半导体材料，11、绝缘保护层，12、金属薄膜层，13、直流脉冲电源，14、电流探头，15、定域导电通道，16、水听器，17、示波器，18、电解液回收过滤装置，19、高速CCD相机，20、计算机，21、红外相机，8、金属针头，22、射流角度调节器，23、可调连杆，24、软管，25、第一单向阀，26、电解液缸，27、活塞，28、活塞杆，29、滑块，30、滚珠丝杠，31、第一支撑座，32、伺服电机，33、联轴器，34、第二支撑座，35、第二单向阀，36、电解液槽，37、过滤器，38、XYZ三向调节平台。

具体实施方式

为对本发明做进一步的了解，现结合附图做进一步的说明：

实施例1：本实施例为基于定域导电通道的半导体材料激光电解复合加工方法，将激光器1产生的激光束2经外部光路调节传输后聚焦于半导体材料10表面，利用激光热力效应进行高效材料去除，完成微孔、微槽加工。同时，激光热效应在微孔周边产生局域温度场，定域增强单晶硅等半导体材料的导电性能。在此基础上，利用稳定低压电解液束生成及调节装置引入偏置电解液束，在激光辐照区域周边电导率增强的区域内，定域引入电化学阳极溶解，可有效消除再铸层、残余应力，提高加工质量。复合加工过程中，激光束热力效应可破坏消除电解加工中可能产生的钝化层，确保复合加工持续进行。

电解液为中性盐水溶液，也可产生稀盐酸等酸性溶液；中性盐水溶液为浓度适当的中性盐水溶液，质量分数为20％-40％；稀盐酸溶液为质量分数5％-15％。

实施例2：结合附图1，本实施例为基于定域导电通道的半导体材料激光电解复合加工系统，包括光路系统、稳定低压射流生成及调节系统和电解加工系统；光路系统包括激光器1和外部光路，其中外部光路包括光闸3、扩束镜4、振镜5和反光镜6。激光器1输出激光束2，经过保护装置光闸3，由扩束镜4扩大激光束直径，经反光镜6调节方向，最后由振镜5控制光束运动形式，辐照到半导体材料10表面，并在半导体材料10内形成定域导电通道15。激光束2生成及振镜5的运动都由计算机20控制。

本实例还包括稳定低压射流生成及调节系统7，产生的恒速电解液经金属针头8后形成稳定低压射流，冲射到半导体材料10表面形成薄电解液层9。

本实例还电解液回收过滤装置18，有利于电解液回收利用。

本实例还包括电解加工系统，包括直流脉冲电源13，电源阴极与金属针头8相连，使射流“阴极化”，阳极与半导体材料10下表面上的金属薄膜层12相连，使得下表面电势均匀分布。金属薄膜层12外覆有绝缘层11，确保电极间导电通路只能通过半导体材料10产生。

本实例还包括复合加工过程检测系统，包括电流探头14、水听器16、高速CCD相机19和红外相机21，其中电流探头14和水听器16探测到的信号变化可由示波器17呈现，高速CCD相机19和红外相机21检测的成像信号可由计算机20呈现。

实施例3：结合附图2，实施例为稳定低压射流生成及调节系统，包括伺服电机32通过联轴器33带动滚珠丝杠30转动，滚珠丝杆30两端通过第一支撑座32与第二支撑座35支撑；通过与滚珠丝杠30匹配的滑块29将滚珠丝杠30的转动转化为活塞杆28的直线运动，从而推动电解液缸26中的电解液以恒速输出。电解液经第一单向阀25、软管24流入金属针头8，形成稳定低压射流。低压射流角度可由角度调节器22调节，射流冲击位置可由XYZ三向微调平台38调节。第一单向阀25与第二单向阀35可配合滚珠丝杠30正反向运动实现电解液输出与吸入。当伺服电机32经滚珠丝杠30带动活塞杆28正向运动，第一单向阀25开启，第二单向阀35闭合，电解液在活塞27推动下进入软管24；当伺服电机32经滚珠丝杠30带动活塞杆28反向运动，第一单向阀25闭合，第二单向阀35开启，电解液槽36内的电解液经过滤器37被吸入电解液缸26中。

工作过程：

步骤一，伺服电机32经联轴器33、滚珠丝杠30带动活塞杆28恒速后退，第一单向阀25闭合，第二单向阀35开启，电解液槽36中的电解液在气压差的作用下被吸入电解液缸26中；

步骤二，伺服电机32经联轴器33、滚珠丝杠30带动活塞杆28恒速前进，第一单向阀25开启，第二单向阀35闭合，电解液缸26中的电解液经软管24进入金属针头8，形成稳定电解液射流；

步骤三，稳定电解液射流冲击到半导体材料10表面，在冲击区域附近形成厚度稳定的薄电解液层9；利用角度调节器22、XYZ三向调节平台38调节射流冲击区域位置；

步骤四，接通直流脉冲电源13，形成电解加工电流回路；

步骤五，通过计算机20控制激光束2输出，通过扩束镜4、反射镜6、振镜5等光学元件将激光束辐射位置调节至稳定液束冲击位置附近，并穿过薄电解液层9聚焦于半导体材料10表面；

步骤六，利用振镜5控制激光束运动，加工出所需孔、槽、缝等微结构；

步骤七，加工过程中，利用高速CCD像机19、红外相机21、电流探头14、水听器16等探测仪器观察传热传质、电流变化等现象，从而实现对加工过程的监控；

步骤八，加工过结束后，关闭激光器1及直流脉冲电源13，停止伺服电机32转动；

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体材料激光电化学复合微加工方法，利用半导体材料电导率随温度升高而增强的特性，通过聚焦激光束产生局域温度场，同时引入电化学阳极溶解，在激光、电化学阳极溶解的共同作用下，从而有效的消除再铸层、残余应力，提高加工质量；其特征在于，激光器(1)发出的激光束(2)辐照在半导体材料(10)上，半导体材料(10)下端面上设置有金属薄膜层(12)；金属薄膜层(12)与直流脉冲电源(13)的正极相接，使得半导体材料(10)的下表面电势均匀分布；直流脉冲电源(13)的负极与金属针头(8)相接，使金属针头(8)内通有的电解液“阴极化”；电解液在半导体材料(10)上表面形成薄电解液层(9)；所述金属薄膜层(12)通过绝缘层(11)与外界隔离，使得直流脉冲电源(13)正负极间的定域导电通道(15)仅通过半导体材料(10)。

2.根据权利要求1所述的半导体材料激光电化学复合微加工方法，其特征在于，所述半导体材料为电导率与温度正相关的半导体材料，尤其为单晶硅。

3.根据权利要求1所述的半导体材料激光电化学复合微加工方法，其特征在于，金属针头(8)内的电解液为高浓度中性盐水溶液，质量分数为25％-40％。

4.一种半导体材料激光电化学复合微加工装置，包括光路系统、稳定低压射流生成及调节系统(7)和电解加工系统；其特征在于，所述光路系统包括激光器(1)、光闸(3)、扩束镜(4)、振镜(5)和反光镜(6)；所述激光器(1)发出的激光束(2)经过光闸(3)后，再经过扩束镜(4)后经45°设置的两块反光镜(6)反射后经过振镜(5)辐照在半导体材料(10)上；所述电解加工系统包括直流脉冲电源(13)、金属薄膜层(12)和绝缘层(11)；所述金属薄膜层(12)设置在半导体材料(10)的下表面；金属薄膜层(12)通过绝缘层(11)与外界隔离，使得直流脉冲电源(13)正负极间的定域导电通道(15)只能通过半导体材料(10)产生；所述稳定低压射流生成系统(7)包括金属针头(8)，金属针头(8)内通有电解液，电解液在半导体材料(10)上表面形成薄电解液层(9)。

5.根据权利要求4所述的半导体材料激光电化学复合微加工装置，其特征在于，所述稳定低压射流生成及调节系统(7)还包括伺服电机(32)、滚珠丝杠(30)、电解液缸(26)和活塞杆(28)；所述伺服电机(32)通过联轴器(33)与滚珠丝杠(30)相连接；所述滚珠丝杠(30)通过滑块(29)带动活塞杆(28)左右移动；所述活塞杆(28)端部设置有活塞(27)；所述活塞(27)与电解液缸(26)配合；电解液缸(26)内的电解液经软管(24)进入金属针头(8)形成平稳低压射流。

6.根据权利要求5所述的半导体材料激光电化学复合微加工装置，其特征在于，所述电解液缸(26)上安装有第一单向阀(25)和第二单向阀(35)；当伺服电机(32)反向转动时，滚珠丝杠(30)带动活塞杆(28)平稳后退，第一单向阀(25)闭合，单向阀第二(35)开启，电解液槽(36)中的电解液在压力差的作用下经过滤器(37)进入电解液缸(26)；当伺服电机(32)正向转动时，滚珠丝杠(30)带动活塞杆(28)平稳前进，第一单向阀(25)开启，第二单向阀(35)闭合，电解液缸(26)中的电解液在活塞杆(28)推动下经软管(24)进入金属针头(8)，形成平稳低压射流。

7.根据权利要求5或者6所述的半导体材料激光电化学复合微加工装置，其特征在于，所述金属针头(8)一端安装有角度调节器(22)，使得射流冲击角度可调节，射流冲击位置由XYZ三向调节平台(38)调节。

8.根据权利要求4所述的半导体材料激光电化学复合微加工装置，其特征在于，还包括红外相机(21)、高速相机(19)、水听器(16)和电流探头(14)；所述电流探头(14)和水听器(16)探测到的信号变化由示波器(17)呈现，高速CCD相机(19)和红外相机(21)检测的成像信号可由计算机(20)呈现。

9.根据权利要求4所述的半导体材料激光电化学复合微加工装置，其特征在于，所述激光器(1)为纳秒或者皮秒脉冲激光器。

10.根据权利要求4所述的半导体材料激光电化学复合微加工装置，其特征在于，电解液回收过滤装置(18)，用于电解液回收。