CN104384722A - 一种基于n型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于N型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法，属于激光应用领域。所述方法包括：1)确定待加工半导体材料的加工区域，使用掩模覆盖住待加工区域的剩余部分；2)对待加工区域进行N型掺杂；N型掺杂的杂质为五价元素，N型掺杂的浓度要大于10¹⁸cm^-3；3)去除掩模，采用飞秒激光加工方法于待加工半导体材料的掺杂区域进行加工。本发明通过在半导体中选择性N型掺杂五价元素，局部提升了材料的自由电子密度，与传统的激光加工方法相比，能够实现对材料的高效率及选择性加工。

Description

一种基于N型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法

技术领域

本发明涉及激光应用领域，尤其涉及一种基于N型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)的研究目标是用批量化的方法生产集微传感器、微执行器和相关的电子电路于一体的集成系统。当前，MEMS的制造主要依靠硅基加工技术，即利用化学腐蚀或集成电路工艺对半导体材料进行加工。然而随着MEMS技术的不断发展，硅基加工技术的局限性越来越明显。主要体现在MEMS器件(特别是执行器)一般都要求精确的三维结构，而硅基加工技术在三维结构的实现方面能力有限。与硅基MEMS加工技术相比，飞秒脉冲激光微加工技术能够制造出亚微米精度的三维结构，而且具有可加工材料广泛、柔性化、操作步骤简单等优点，因此在MEMS中有良好的应用前景。

然而，受到光子吸收效率的限制，传统的飞秒激光加工方法效率很低，制约了其应用于半导体器件的制造。当飞秒激光加工半导体时，其相变机理主要取决于激光的能量密度、脉冲宽度、波长、偏振方向、重复频率和脉冲数等。事实上，材料的加工除了受激光参数的影响外，还与材料自身的物理特性有关。半导体材料的禁带宽度、结晶方向和能带结构都会对光子的吸收和材料的相变起到关键的作用，并最终影响到加工的质量和效率。

通过向基质材料中掺入适当的杂质，便可以改变材料自身的物理性质。例如在半导体中掺入Ⅴ族和Ⅲ族杂质能够在禁带边缘产生浅能级，而掺入过渡金属杂质能够在禁带中央产生深能级。这些杂质在禁带中的电子能级可以改变半导体的能带结构和禁带宽度。出版于2001年10月的文献M.Quirk,and J.Serda:Semiconductor Manufacturing Technology.Prentice-Hall,Upper Saddle River,NJ(2001)中，作者向半导体材料的晶体结构中掺入选定的杂质粒子，从而改变材料的空穴与电子的分布，改善其电学性能。但是，掺杂的方法至今还没有应用到提高半导体材料的激光加工效率和选择性加工之中。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统工艺在对半导体材料进行加工时，存在加工精度差、加工效率低等问题，而提供一种基于N型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

本发明的一种基于N型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法，所述方法包括以下步骤：

1)确定待加工半导体材料的加工区域，使用掩模覆盖住待加工区域的剩余部分；

2)对待加工区域进行N型掺杂；N型掺杂的方法包括热扩散、离子注入、外延法，N型掺杂的杂质为五价元素，包括磷、砷、锑原子，N型掺杂的浓度要大于10¹⁸cm^-3；

3)去除掩模，采用飞秒激光加工方法于待加工半导体材料的掺杂区域进行加工。

掩模的材料包括金属、光刻胶、玻璃。

本发明的有益效果为：本发明通过在半导体中选择性N型掺杂五价元素，局部提升了材料的自由电子密度，与传统的飞秒激光加工方法相比，能够实现对材料的高效率及选择性加工。

附图说明

图1是本发明实施例所述的加工方法的流程示意图。

图2是本发明实施例所述的(a)掺杂硅与(b)未掺杂硅的烧蚀坑的SEM图像对比。所用激光脉冲个数为50，脉冲能量密度为0.71J/cm²。图像放大倍数为5000倍。

图3是本发明实施例所述的(a)掺杂硅与(b)未掺杂硅的烧蚀槽的SEM图像对比。所用样品移动速度为25μm/s，脉冲能量密度为0.24J/cm²。图像放大倍数为5000倍。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明。

实施例1：

以采用本发明的基于N型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法，在硅材料表面加工烧蚀坑为例，具体加工步骤如下：

(1)使用光刻胶掩模覆盖硅材料，露出待加工区域。其中掩模的图案可根据待加工区域的形状而定。掩模覆盖完成后与硅材料的位置关系如图1(a)所示；

(2)对待加工区域进行N型掺杂。本实施例中使用离子注入的掺杂方法，向硅中掺入磷离子，控制注入能量为140KeV，注入剂量为5.2×10¹³cm^-2，注入边长为1cm的方形区域，最后使掺杂的峰值浓度等于4.5×10¹⁸cm^-3。掺杂示意图如图1(b)所示；

(3)去除掩模并将硅材料固定在移动平台上，聚焦激光于硅材料的掺杂区域进行加工。加工示意图如图1(c)所示。飞秒激光器由美国光谱物理(spectrumphysics)公司生产，激光波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率1kHZ，光强分布为高斯型，线偏振。飞秒激光经连续衰减片调节能量密度为0.71J/cm²；使飞秒激光穿过光学快门，并由分光镜反射到物镜中垂直聚焦；硅材料固定在6维移动平台上；借助CCD成像，垂直移动6维移动平台使激光焦点位于水平放置的材料上表面；将光学快门的曝光时间设定为50ms，使一次开关照射到待加工区域的脉冲个数为50个；加工完一个烧蚀坑之后，水平移动6维移动平台至材料下一个位置继续加工。掺杂硅样品的烧蚀坑的SEM图像如图2(a)所示。

实施例2：

以采用传统的飞秒激光加工的方法，在硅材料表面加工烧蚀坑为例，具体加工步骤如下：

其它步骤与实施例1相同，不同之处在于：不经过步骤(1)(2)中的N型掺杂过程，所使用的样品为未掺杂的硅。未掺杂硅样品的烧蚀坑的SEM图像如图2(b)所示。

实施例3：

以采用本发明的基于N型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法，在硅材料表面加工烧蚀槽为例，具体加工步骤如下：

(1)使用光刻胶掩模覆盖硅材料，露出待加工区域。其中掩模的图案可根据待加工区域的形状而定。掩模覆盖完成后与硅材料的位置关系如图1(a)所示；

(2)对待加工区域进行N型掺杂。本实施例中使用离子注入的掺杂方法，向硅中掺入磷离子，控制注入能量为140KeV，注入剂量为5.2×10¹³cm^-2，注入边长为1cm的方形区域，最后使掺杂的峰值浓度等于4.5×10¹⁸cm^-3。掺杂示意图如图1(b)所示；

(3)去除掩模并将硅材料固定在移动平台上，聚焦激光于硅材料的掺杂区域进行加工。加工示意图如图1(c)所示。飞秒激光器由美国光谱物理(spectrumphysics)公司生产，激光波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率1kHZ，光强分布为高斯型，线偏振。飞秒激光经连续衰减片调节激光能量密度为0.24J/cm²；使飞秒激光穿过光学快门，并由分光镜反射到物镜中垂直聚焦；硅材料固定在6维移动平台上；借助CCD成像，垂直移动6维移动平台使激光焦点位于水平放置的材料上表面；打开光学快门，水平移动6维移动平台，以25μm/s的速度扫描待加工区域。掺杂硅样品的烧蚀槽的SEM图像如图3(a)所示。

实施例4：

以采用传统的飞秒激光加工的方法，在硅材料表面加工烧蚀槽为例，具体加工步骤如下：

其它步骤与实施例3相同，不同之处在于：不经过步骤(1)(2)中的N型掺杂过程，所使用的样品为未掺杂的硅。未掺杂硅样品的烧蚀槽的SEM图像如图3(b)所示。

由实施例1-4比较结果：

(1)实施例1、2得到的烧蚀坑效果图如图2所示，当硅的掺杂浓度超过10¹⁸cm^-3时，形成烧蚀坑的阈值能量相比未掺杂的硅要低15-20％，相同参数条件下去除量更大，加工效率可以提升3-4倍。

(2)实施例3、4得到的烧蚀槽效果图如图3所示，在相同的加工参数条件下，在掺杂硅上形成的烧蚀槽有更大的去除量。这说明当掺杂浓度超过10¹⁸cm^-3时，可以同样提高在硅上加工微槽的效率。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论其在形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于N型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

1)确定待加工半导体材料的加工区域，使用掩模覆盖住待加工区域的剩余部分；

2)对待加工区域进行N型掺杂；N型掺杂的杂质为五价元素，N型掺杂的浓度要大于10¹⁸cm^-3；

3)去除掩模，采用飞秒激光加工方法于待加工半导体材料的掺杂区域进行加工。

2.根据权利要求1所述的基于N型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法，其特征在于：所述N型掺杂的方法包括热扩散、离子注入或外延法。

3.根据权利要求1所述的基于N型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法，其特征在于：所述五价元素为磷原子、砷原子或锑原子。

4.根据权利要求1所述的基于N型掺杂的飞秒激光加工半导体的方法，其特征在于：所述掩模的材料为金属、光刻胶或玻璃。