CN102381682B - 一种制备硅基微三维结构的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备硅基微三维结构的方法及其装置，其方法是用激光加工和化学腐蚀同时对覆盖图形掩膜的硅片进行复合加工，激光沿着图形掩膜的预定轨迹进行扫描切割，同时化学溶液对激光加工表面进行化学刻蚀，光整加工表面。实现本发明方法的装置主要由激光器、图形掩膜、聚焦透镜、工作箱、工作台、集液槽和化学溶液循环过滤系统组成，工作箱连接工作台上，工作箱内侧设有空腔，一端设有窗口，图形掩膜粘接于硅片的上端面并置于空腔中，集液槽置于硅片下方，化学溶液循环过滤系统与空腔和集液槽连通，聚焦透镜和激光器置于窗口一侧，激光经聚焦透镜和窗口聚焦于硅片上。本发明优点是，可制备具有高宽比大、垂直度及表面质量好的硅基微三维结构。

Description

一种制备硅基微三维结构的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种硅基微三维结构的制作方法，并具体涉及利用激光作用、化学作用配合图形掩膜来进行的硅基微三维结构的制作及对应的的加工装置。

背景技术

由于硅基材料具有良好的电子和机械特性，因此在集成电路、微传感器、微执行器等微机电系统中得到广泛应用。

硅基材料不易于加工，典型的硅基微三维结构的加工方法有湿法刻蚀和干法刻蚀两种。湿法腐蚀即用化学试剂溶液对硅进行化学或电化学腐蚀；干法腐蚀是指在高真空条件下，用高能离子或反应气体对硅进行轰击腐蚀，如等离子体和反应性离子等刻蚀技术。无论是湿法腐蚀还是干法腐蚀都很难制作侧面绝对垂直的微结构，微结构的高宽比也受到限制。

总之，迄今为止，还没有一种兼具成本低、工艺简单、结构高宽比大、垂直度好、加工表面质量高等优点的硅基微三维结构的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术之不足，提供一种具有高宽比大、垂直度好、加工表面质量高的硅基微三维结构的制作方法及实现该方法的制作装置。

上述的发明目的由以下技术方案来实现：

本发明的方法是：首先制作与所述微三维结构对应的图形掩膜，并将该图形掩膜覆盖粘接于所述硅片的上端面，接着聚焦激光束沿着图形掩膜上的预定轨迹对所述工件进行扫描切割加工，同时用循环流动的化学溶液对激光加工表面进行化学刻蚀，光整所述加工表面并及时带走激光切割产物，最终加工出硅基微三维结构。。

上述发明方法的进一步设计在于，所述图形掩膜采用防腐蚀的环氧树脂材料，厚度为0.3-0.5mm。

上述发明方法的进一步设计在于，所述激光束为波长1064nm的Nd:YAG激光，单脉冲能量为300-500mJ，脉冲频率为1-3KHz。

上述发明方法的进一步设计在于，所述化学溶液为氢氟酸溶液，浓度为30%-40%，流动速度为0.2-0.4m/s。

本发明装置包括激光器1、聚焦透镜2、图形掩膜14、工作箱5、工作台16、集液槽18和化学溶液循环过滤系统；所述工作箱5连接在可三维移动的工作台16上，所述工作箱5的上端设有窗口21，窗口21下方为一空腔22，空腔22一侧设有与之连通的进液腔19；集液槽18置于工作台16上且位于工作箱5内，所述硅片15置于集液槽18上方，图形掩膜14粘接于硅片15的上端面并置于所述空腔22中；所述化学溶液循环过滤系统的进液端和出液端分别与工作箱5中的进液腔19和集液槽18连通；光学防护镜3固定在窗口21的一侧，聚焦透镜2和激光器1由近及远依次置于光学防护镜3的一侧，激光器1发出的激光经聚焦透镜2和光学防护镜3聚焦在所述硅片15上。

上述发明装置的进一步设计在于，所述硅片15的周向侧面与对应的空腔22之间设有密封圈4，形成由进液腔19、空腔22、图形掩膜14和硅片15已刻蚀的腔体至集液槽18的化学溶液的唯一流通通路。

上述发明装置的进一步设计在于，所述工作台16的上端、工作箱5的内侧还设有夹具13，硅片夹持于夹具13中，并使粘接于硅片上端的图形掩膜14置身于所述空腔22中。

上述发明装置的进一步设计在于，所述化学溶液循环过滤系统主要由贮液槽12、过滤器11、输液泵9、单向球阀7、进液管6、回液管17、液压表8、溢流调压阀10和溢流管20组成，进液管6一端与工作箱5中的进液腔19连通并依次串接单向球阀7、输液泵9、过滤器11后其另一端置于贮液槽12中，回液管17一端与工作箱5中的集液槽18连通，一端与贮液槽12连通；在单向球阀7和输液泵9之间的进液管6上还依次连接有液压表8和溢流管20，溢流管20通过溢流调压阀10与贮液槽12连通。

上述发明装置的进一步设计在于，所述光学防护镜3设于窗口21的内侧。

本发明方法，将激光切割与化学刻蚀进行复合，以防腐蚀图形掩膜覆盖工件，聚焦激光束沿着图形掩膜的预定轨迹进行扫描，激光对硅基材料的热力作用为主要去除材料作用，同时工件表面循环流动的化学溶液对加工区进行冷却，化学刻蚀，并及时带走激光切割产生的熔化再凝固产物，从而实现良好高宽比、垂直度好、高表面质量的硅基微三维结构的加工效果。

本发明装置，通过工作台的移动，可将激光束通过工作箱上端的光学防护镜，聚焦作用于工件待加工表面，激光束沿图形掩膜的预定轨迹进行扫描加工。工件通过密封圈与工作箱内腔形成封闭液流通道，供化学溶液循环流动，实现激光作用与化学腐蚀作用的复合。

上述本发的方法及装置产生如下有益效果：

1本发明的方法是将激光切割与化学刻蚀进行复合，针对覆盖防腐蚀图形掩膜的硅基材料进行加工，制备硅基微三维结构。复合加工机理是以激光的光热效应去除材料为主，化学腐蚀作用为辅主要用于光整加工表面，可实现优质高效的硅基材料三维微结构的加工。

2本发明的装置保证了激光作用与化学腐蚀作用能够复合作用于硅基材料待加工面，图形掩膜有效地保护了非加工区，并为激光扫描提供了准确的扫描路径。

3本发明的装置结构简单，易于安装、检修。

附图说明

附图1是本发明装置的结构示意图。

附图2是制备工字梁微结构的图形掩膜和工件的示意图。

附图3是制备齿轮微结构的图形掩膜和工件的示意图。

附图2中：14、图形掩膜，15、硅片。

附图3中：14、图形掩膜，15、硅片。

图1中：1、激光器，2、聚焦透镜，3、光学防护镜，4、密封圈，5、工作箱，6、进液管，7、单向球阀，8、液压表，9、输液泵，10、溢流调压阀，11、过滤器，12、贮液槽，13、夹具，14、图形掩膜，15、硅片，16、工作台，17、回液管，18、集液槽，19、进液腔，20溢流管，21、窗口，22、空腔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例是在如图2所示硅片15上制作如图形掩膜14上所示工字形微三维结构，或如图3所示在硅片15上制作如图形掩膜14上所示齿形微三维结构。

硅片是在如图1所示的装置中进行微三维结构的加工的。该装置主要由激光器1、聚焦透镜2、图形掩膜14、工作箱5、工作台16、集液槽18和化学溶液循环过滤系统组成。工作箱5上端设有窗口21，窗口21的内侧设有光学防护镜3，窗口21下方为一空腔22，空腔22的一侧设有与之垂直连通的进液腔19。该工作箱5连接在可三维移动的工作台16上，夹具13、集液槽18均置于工作台16上且位于工作箱5内，夹具13包围在所述集液槽18的外侧，要进行加工的工件——硅片15将夹持于夹具13上，并处于集液槽18上方。图形掩膜14粘接于硅片15的上端面并置于空腔22中。硅片15的周向侧面与对应的空腔22之间的间隙用密封圈4进行密封，这样就形成一个由进液腔19、空腔22及图形掩膜14和硅片15中的腔体至集液槽18的唯一化学溶液的流通通路，保证化学溶液不从硅片的周向侧面流至集液槽18，造成对硅片侧面的腐蚀，有效地保护硅片15的非加面。在工作箱5的上端面的窗口21的一侧，聚焦透镜2和激光器1由近及远依次置于光学防护镜3的一侧，激光器1发出的激光经聚焦透镜2和光学防护镜3聚焦在所述硅片15上。化学溶液循环过滤系统的进液端和出液端分别与工作箱5中的进液腔19和集液槽18连通。

化学溶液循环过滤系统包括贮液槽12、过滤器11、输液泵9、单向球阀7、进液管6、回液管17、液压表8、溢流调压阀10和溢流管20。进液管6一端与工作箱5中的进液腔19连通并依次连接单向球阀7、输液泵9、过滤器11后其另一端置于贮液槽12中，贮液槽12中存储有化学溶液。回液管17一端与工作箱5中的集液槽18连通，一端与贮液槽12连通；在单向球阀7和输液泵9之间的进液管6上还依次连接有液压表8和溢流管20，溢流管20通过溢流调压阀10与贮液槽12连通。贮液槽12中的化学溶液在输液泵9作用下，经溢流调压阀10调整，由过滤器11、输液泵9、单向球阀7、进液管6流入工作箱5的进液腔19，再由空腔22及图形掩膜14和硅片15已刻蚀的腔体流至集液槽18，经回液管17流回贮液槽12。化学溶液的流速可通过溢流调压阀10调整进液压力来改变，压力值可由液压表8测量。

进行硅片的微三维结构加工时，首先制作与硅片上所要加工的微三维结构相对应的图形掩膜14，如图2、3所示，并用环氧树脂胶将图形掩膜与1mm厚的单晶硅片15粘接，图形掩膜覆盖粘接于所述硅片的上端，再将该粘接有图形掩膜的硅片置于工作箱5内的夹具13上，然后调整工作台16的垂直位置，使激光聚焦点聚焦于硅片的待加工表面上；并设置激光脉冲频率为1-3KHz，单脉冲能量为300-500mJ，接着工作台进行二维移动，聚焦激光束沿着图形掩膜上的微三维结构预定轨迹对所述工件进行扫描切割加工。与此同时，打开单向球阀7，启动输液泵9，调整溢流调压阀10，通过液压表8确认进液压力0.2-0.4Mpa。浓度为40%的氢氟酸的化学溶液进行循环流动，对激光加工表面进行化学刻蚀，光整所述加工表面并及时带走激光切割产物，最终加工出硅基微三维结构。

加工结束，取出硅片工件置入碱性溶液清洗，脱胶去除图形掩膜，最终得到最大高宽比达到10:1的单晶硅工字梁微三维结构或齿形微三维结构。

Claims (5)

1.一种制备硅基微三维结构的装置，待加工硅片（15）置于所述装置中，其特征在于，所述装置包括激光器（1）、聚焦透镜（2）、图形掩膜（14）、工作箱（5）、工作台（16）、集液槽（18）和化学溶液循环过滤系统；所述工作箱（5）连接在可三维移动的工作台（16）上，所述工作箱（5）的上端设有窗口（21），窗口（21）下方为一空腔（22），空腔（22）一侧设有与之连通的进液腔（19）；集液槽（18）置于工作台（16）上且位于工作箱（5）内，所述硅片（15）置于集液槽（18）上方，图形掩膜（14）粘接于硅片（15）的上端面并置于所述空腔（22）中；所述化学溶液循环过滤系统通过对应管道与工作箱（5）中的进液腔（19）和集液槽（18）连通；光学防护镜（3）固定在窗口（21）的一侧，聚焦透镜（2）和激光器（1）由近及远依次置于光学防护镜（3）的一侧，激光器（1）发出的激光经聚焦透镜（2）和光学防护镜（3）聚焦在所述硅片（15）上。

2.根据权利要求1所述的一种制备硅基微三维结构的装置，其特征在于所述硅片（15）的周向侧面与对应的空腔（22）之间设有密封圈（4），形成由进液腔（19）、空腔（22）、图形掩膜（14）和硅片（15）已刻蚀的腔体至集液槽（18）的化学溶液的唯一流通通路。

3.根据权利要求1所述的一种制备硅基微三维结构的装置，其特征在于所述工作台（16）的上端还设有夹具（13），该夹具（13）位于工作箱（5）的内侧且包围在所述集液槽（18）的外侧，硅片夹持于夹具（13）中，并使粘接于硅片上端的图形掩膜（14）置身于所述空腔（22）中。

4.根据权利要求1所述的一种制备硅基微三维结构的装置，其特征在于所述化学溶液循环过滤系统主要由贮液槽（12）、过滤器（11）、输液泵（9）、单向球阀（7）、进液管（6）、回液管（17）、液压表（8）、溢流调压阀（10）和溢流管（20）组成，进液管（6）一端与工作箱（5）中的进液腔（19）连通并依次串接单向球阀（7）、输液泵（9）、过滤器（11）后其另一端置于贮液槽（12）中，回液管（17）一端与工作箱（5）中的集液槽（18）连通，一端与贮液槽（12）连通；在单向球阀（7）和输液泵（9）之间的进液管（6）上还依次连接有液压表（8）和溢流管（20），溢流管（20）通过溢流调压阀（10）与贮液槽（12）连通。

5.根据权利要求4所述的一种制备硅基微三维结构的装置，其特征在于所述光学防护镜（3）设于窗口（21）的内侧。