CN106735866A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明提供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，通过调节激光能量、频率以及波长，多焦点激光束作用在半导体试样的背面，一方面当激光照射半导体试样背面时，半导体试样中就会被激发出大量的光生空穴，空穴移动到已抛光的半导体试样表面处参与电化学反应，材料蚀除；另一方面在半导体试样背面，多焦点激光向里逐渐加工。工具电极作为阴极，半导体试样作为阳极，两极之间高电位时，进行电火花放电加工；低电位时，进行电化学蚀除。多焦点激光和电化学复合作用在半导体试样上，不仅提高了刻蚀效率，而且提高通孔的表面质量。在半导体材料上加工高精度微通孔时，这种复合效应作用效果好，适合精密加工。

Description

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

技术领域

本发明涉及本发明属于微细加工领域里的复合精密加工方法，特指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。

背景技术

目前对于半导体材料加工技术及其应用的研究，以硅为代表的半导体材料具有脆性大、断裂强度和屈服强度比较接近的特点。在常温的传统加工中，半导体材料往往在塑性变形前产生裂纹，很难获得高质量的加工表面，所以精密加工技术就显得尤为重要。利用复合加工技术制造集光机电电磁等多功能于一体完成一定功能的复杂微细系统，受到世界范围的关注。

合适波长的激光能够被半导体试样材料吸收，可以在基体上光照微区域内激发、诱导化学反应。这样多技术耦合可以有效地改善材料的加工形貌，提高表面质量，有助于微细加工技术的改进和发展。

经过对现有的技术检索发现，公开号为CN101572231A的中国专利公开了一种半导体垂直通孔形成方法及装置，通过微细电火花、微细电化学光整合侧壁钝化工艺，实现半导体垂直通孔的加工，但是它是单一的加工方式，加工效率比较低。公开号为CN2342925Y的中国专利公开了一种非导电材料超声波方法复合加工装置，超声波电解放电复合技术提高了其加工效率，但是超声波振动必然会引起机械力频繁作用在工件上，从而导致被加工材料表面出现微裂纹以及工具电极磨损。

近些年已发表的文献对N型单晶硅为原始材料制备单孔硅以及其形貌方面的研究相对较少，从器件制备的角度来看，在N型和P型单晶硅上制备单孔对具有同样的重要性。在研究N型单晶硅的加工，有一种方法叫做光助电化学阳极腐蚀法。此方法是指在阳极腐蚀过程中，光源照射在N型硅背面，提高空穴移动速度，这种照射光源通常是白光或卤素灯。该方法有几个缺陷：

1.光照半径太大，辐照范围广，不适合微米级加工。

2.白光或卤素灯一旦固定下来，其波长不易改变。

3.如果光源与试样控制距离变大，光照强度则不能保证。无法避免大孔的出现，而且随着孔的深度增加，孔隙度在纵向的分布不均匀。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供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，通过激光能量和电化学能量复合，来增强加工区域能量密度，提高半导体材料的刻蚀加工效率和表面质量，可用于加工高精度微小尺寸的半导体试样。

本发明主要是通过以下的技术收到来实现上述技术方案的。

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，主要包括运动控制系统、电解液循环系统、电化学反应系统和多焦点激光辐照系统；

所述运动控制系统主要包括计算机、控制柜、数控平台，计算机与控制柜相连，控制柜与数控平台相连，控制柜与脉冲激光器相连，计算机通过控制柜控制数控平台的移动，所述数控平台的延伸平台的中心位置设有通孔；

所述电解液循环系统主要包括回流管、可调恒温槽、微型泵以及工作腔；可调恒温槽与工作腔之间通过回流管构成循环回路，所述微型泵设在回流管上；所述电化学反应系统主要包括可调脉冲电源、工具电极、氧化铟锡玻璃、半导体试样、工作腔、示波器以及电流探头，所述工作腔固定在数控平台上，所述工作腔底部有一个通孔槽，半导体试样放置在通孔槽底部，氧化铟锡玻璃板位于半导体试样下方，所述半导体试样与通孔槽底部之间设有密封圈，所述半导体试样与氧化铟锡玻璃板之间通过欧姆层胶合，所述欧姆层是透明导电胶制作而成的，所述工作腔和氧化铟锡玻璃板通过螺栓紧固，所述工作腔内用于盛放电解液，所述半导体试样的抛光面和电解液接触，所述工具电极放置在工作腔溶液里、并与所述可调脉冲电源的负极相连，所述氧化铟锡玻璃板与所述可调脉冲电源的正极相连，所述示波器与所述可调脉冲电源的负极相连，所述示波器与所述可调脉冲电源之间设有电流探头；

所述脉冲激光多焦点系统位于所述工作腔下方，所述激光多焦点辐照系统主要包括脉冲激光器、多焦点发生装置、反射镜以及聚焦透镜，所述多焦点发生装置用于使激光器发生的激光束形成多条脉冲激光束，所述反射镜用于改变多条脉冲激光束的光路，所述聚焦镜将多条脉冲激光束聚焦在同轴不同的位置上。

优选地，所述工具电极由装在丝杠上的夹具夹持，所述丝杠装在数控平台上。

所述的背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述工具电极作为阴极，半导体试样作为阳极，半导体试样已抛光的表面进行电化学刻蚀；脉冲激光器发出激光束经过多焦点发生装置形成多条激光束，多条激光束经过反射镜再经过聚焦镜在同轴上不同位置聚焦多个焦点，多焦点中最低的一个焦点与半导体试样背面处相重合，最高点焦点激光是半导体试样的抛光面处重合；所述多焦点激光中的最低焦点激光在同轴方向上对半导体试样背面先进行刻蚀，刻蚀距离是激光的焦深，由于半导体试样是不透明的，焦点位于半导体试样背面以上的激光束被半导体试样遮挡住，则在试样背面处形成辐照区域，为半导体试样相应区域里的空穴移动提供辐照能量；在激光辐照的作用下空穴移动到半导体试样已抛光的表面，促进半导体的电化学阳极腐蚀反应，且随着辐照能量增大，空穴数量增多并且移动速率增大；电化学反应开始时是低电位，电位值为10V，进行电化学蚀除，随着辐照增强时更多的空穴参与到电化学反应中来，电化学反应加快，工具电极底部附着大量气泡增多，两极之间气膜层形成，两极间形成高电位，超过电火花放电的临界电压值20V则进行电火花放电加工；当气泡溃灭时，两极间又形成低电位，进行电化学蚀除；电化学蚀除和电火花放电加工两种加工方式交互更替；

半导体试样已抛光的表面：随着电化学蚀除和电火花放电加工的进行，刻蚀深度越来越大，工具电极逐渐下移，电化学蚀除和电火花放电加工两种加工方式交互更替进行；

半导体试样的背面：随着刻蚀激光深度的变化，当最低焦点激光刻蚀深度达到其焦深后，焦点位于其上部的激光开始刻蚀，蚀距离是焦深，依次类推到最高的焦点激光；

半导体试样的已抛光的表面和背面的刻蚀同时进行，最终在半导体试样上加工出通孔。

优选地，所述多焦点激光光束的波长为750nm～850nm，频率为10Hz～1KHz，脉宽为10ns，单脉冲激光能量为0～10mJ，激光焦点数为8～10。

优选地，所述半导体试样为硅片，其厚度为0.2mm～0.5mm，所述的工具电极侧表面具有绝缘的铂丝，直径为0.1mm，所述工具电极与半导体试样之间距离保持在5微米到10微米之间。

优选地，所述的电解液为碱性溶液，电解液温度设定范围在20℃～40℃；所述可调脉冲电源的电压0～20V，频率2kHz～2MHz，占空比0～100％。

本发明中，通过多焦点激光在半导体试样背面进行激光刻蚀，半导体试样背面采用激光刻蚀，在激光辐照的作用下半导体试样中产生空穴，并促使空穴向抛光面迁移半导体试样抛光面，加快电化学反应，在电极表面形成气泡层，提高电位差，发生电火花放电，使抛光面电化学蚀除和电火花放电加工两种加工方式交互更替进行。该通孔由上下两种能量同时加工实现，不但显著提高加工速度，而且孔侧壁垂直度好，避免了单向加工的孔壁锥度，加工表面最终由电化学反应获得，不会产生微裂纹。

本发明的有益效果：

(1)相对卤素灯照射半导体背面，多焦点激光不仅可以提供光辐照而且可以对半导体试样进行加工；相对单焦点激光，多焦点激光可以不需要移动上下位置可以对半导体试样连续加工。

(2)由于在光催化半导体中，空穴具有较大的反应活性，一般与表面吸附的H₂O或OH^-离子反应形成具有强氧化性的羟基自由基，而且半导试样激光辐照区域的空穴移动到抛光面的速度和空穴数量随着辐照强度增大而增大，所以更多的空穴参与到电化学反应中来，电化学反应速率提高。

(3)工具电极底部的气泡产生的效率取决于试样背面光辐照强度，光辐照增强，气泡增多，气膜层更快形成，从而为电火花刻蚀提供电火花放电临界电压值。

(4)激光照射的光谱响应随着激光辐照波长的增加而增加，增大激光波长，光在半导体试样中穿透更深，激光激发出来的空穴距离反应界面更近些，半导体试样内部靠近抛光面区域的光生空穴率升高，会有更多的空穴参与到化学反应中来，提高了化学反应速率。

附图说明

图1是本发明所述激光多焦点和电化学复合加工半导体材料的装置的结构示意图。

图2是图1中A处半导体试样夹具装置的放大图。

图3是图1中B处激光多焦点的放大图。

图中：

1-示波器，2-电流探头，3-夹具，4-丝杠，5-数控平台，6-可调脉冲电源，7-工具电极，8-回流管，9-微型泵，10-可调恒温槽，11-工作腔，12-密封圈，13-半导体试样，14-欧姆层，15-氧化铟锡玻璃板，16-延伸平台，17-螺栓，18-聚焦镜，19-反射镜，20-多焦点发生装置，21-脉冲激光器，22-计算机，23-控制柜，24-最低激光焦点，25-中间激光焦点，26-最高激光焦点，27-中间激光焦点辐照区域，28-最高激光焦点辐照区域。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示的激光多焦点和电化学复合加工半导体材料的装置，主要包括多焦点激光辐照系统、电化学反应系统、电解液循环系统和运动控制系统。

所述运动控制系统主要包括计算机22、控制柜23、数控平台5，计算机22与控制柜23相连，控制柜23与数控平台5相连，控制柜5与脉冲激光器21相连，计算机22通过控制柜23控制数控平台5的移动。所述数控平台5的延伸平台16的中心位置设有通孔。

所述电解液循环系统主要包括回流管8、可调恒温槽10、微型泵9以及工作腔11。可调恒温槽10与工作腔11之间通过回流管8构成循环回路，可调恒温槽10的作用在于维持工作腔11里溶液的温度。所述微型泵9设在回流管8上，使工作腔11里和恒温槽10里的溶液持续循环。

所述电化学反应系统主要包括可调脉冲电源6、工具电极7、氧化铟锡玻璃板15、半导体试样13、工作腔11、示波器1以及电流探头2。所述工作腔11固定在数控平台5上，所述工作腔11底部有一个通孔槽，半导体试样13放置在通孔槽底部，氧化铟锡玻璃板15位于半导体试样13下方；所述半导体试样13与通孔槽底部之间设有密封圈12；所述半导体试样13与氧化铟锡玻璃板15之间通过欧姆层14胶合，所述欧姆层14是透明导电胶制作而成的，所述工作腔11和氧化铟锡玻璃板15通过螺栓17紧固；所述工作腔11内用于盛放电解液，所述半导体试样13的抛光面和电解液接触。所述工具电极7放置在工作腔11溶液里、并与所述可调脉冲电源6的负极相连，所述氧化铟锡玻璃板15与所述可调脉冲电源6的正极相连，所述示波器1与所述可调脉冲电源6的负极相连。所述示波器1与所述可调脉冲电源6之间设有电流探头2，示波器1连接在电流探头2上，提供直观的波形图，电流探头2连接在可调脉冲电源6上，电流探头2采集脉冲信号，传输到示波器1上。

所述脉冲激光多焦点系统位于所述工作腔11下方，所述激光多焦点辐照系统主要包括脉冲激光器21、多焦点发生装置20、反射镜19以及聚焦镜18，所述多焦点发生装置20用于使激光器发生的激光束形成多条脉冲激光束，所述反射镜19用于改变多条脉冲激光束的光路，所述聚焦镜18将多条脉冲激光束聚焦在同轴不同的位置上。

计算机22装有和数控平台5相配的数控编程软件和激光器相配的激光控制软件，计算机22通过载入的数控程序控制控制柜23，控制柜23控制数控平台5，计算机22通过激光控制软件调节激光器的能量、频率和波长。

将半导体试样13放置在工作腔11的通孔槽底部，试样13下方放置氧化铟锡玻璃板15。其中半导体试样13与工作腔11之间装有密封圈12，半导体试样13与氧化铟锡玻璃板15之间有欧姆层14胶合。上述整个加紧方法是通过工作腔11和氧化铟锡玻璃板15之间的4个螺栓17加紧，工作腔11放置在数控延伸平台16上，工作腔11内盛有HF电解溶液或碱性电解溶液。

脉冲激光器21采用的参数为激光波长750nm～850nm，频率为5Hz～10Hz，脉宽为10ns，单脉冲激光能量为0～10mJ，脉冲激光束经多焦点发生装置20发出多条激光束，这些激光束经反射镜19改变光传输路径后，再由聚焦透镜18将激光束聚焦，聚焦点在竖直的同轴方向上，激光最低焦点24在半导体试样13背面处刻蚀，同轴上的其它多个激光焦点本应该聚焦到半导体试样13内部，但是由于半导体试样13是不透明的，所以会在半导体试样13背面处形成大小不同的光辐照区域，例如中间激光焦点辐照区域27，最高激光焦点辐照区域28。这些辐照区域增快了半导体试样13里的空穴向抛光面移动的速率，同时也增加了半导体试样13里的空穴移动到抛光面的数量，有更多的空穴参与到电化学反应中去，实现材料的去除。工具电极7被夹具3加紧，工具电极7通过丝杠4做上下进给运动，工具电极7底面与半导体试样13之间距离保持5微米到10微米之间。工具电极7连接可调脉冲电源6负极，氧化铟锡玻璃板15连接可调脉冲电源6正极，电极两端的电压由可调脉冲电源6加载，可调脉冲电源的电压0～20V，频率2kHz～2MHz，占空比0～100％。当开启可调脉冲电源后，工具电极7底部表面电解反应生成氢气泡，表明半导体试样13表面电化学蚀除；随着加载电压增加，生成的氢气泡数量也增加，气膜层快速形成，两极电压超过电火花放电临界值，工具电极7下方的半导体试样13表面区域进行电火花刻蚀，两种加工方式交替进行，材料去除。微型泵9连接可调恒温槽10，从而达到工作腔11里溶液的温度恒定。通过调高可调恒温槽10，溶液温度升高，去除材料速度加快。

具体地，所述的背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的方法为：

所述工具电极7作为阴极，半导体试样13作为阳极，半导体试样13已抛光的表面进行电化学刻蚀。脉冲激光器21发出激光束经过多焦点发生装置形成多条激光束，多条激光束经过反射镜19再经过聚焦镜18在同轴上不同位置聚焦多个焦点，多焦点中最低的一个焦点24与半导体试样13背面处相重合，最高点焦点激光26是半导体试样13的抛光面处重合，所述多焦点激光中的最低焦点激光24在同轴方向上对半导体试样13背面先进行刻蚀，刻蚀距离是激光的焦深，由于半导体试样13是不透明的，焦点位于半导体试样13背面以上的激光束被半导体试样13遮挡住，则在试样13背面处形成辐照区域，为半导体试样13相应区域里的空穴移动提供辐照能量。在激光辐照的作用下空穴移动到半导体试样13已抛光的表面，促进半导体的电化学阳极腐蚀反应；且随着辐照能量增大，空穴数量增多并且移动速率增大，电化学反应开始时是低电位，电位值为10V，进行电化学蚀除，随着辐照增强时更多的空穴参与到电化学反应中来，电化学反应加快，工具电极7底部附着大量气泡增多，两极之间气膜层形成，两极间形成高电位，超过电火花放电的临界电压值20V则进行电火花放电加工。当气泡溃灭时，两极间又形成低电位，进行电化学蚀除；电化学蚀除和电火花放电加工两种加工方式交互更替进行。

半导体试样13已抛光的表面：随着电化学蚀除和电火花放电加工的进行，刻蚀深度越来越大，工具电极逐渐下移，电化学蚀除和电火花放电加工两种加工方式交互更替进行。

半导体试样13的背面：随着刻蚀激光深度的变化，当最低焦点激光刻蚀深度达到其焦深后，焦点位于其上部的激光开始刻蚀，蚀距离是焦深，依次类推到最高的焦点激光。

半导体试样13的已抛光的表面和背面的刻蚀同时进行，最终在半导体试样13上加工出通孔。

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 (6)

1.一种背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置，其特征在于，主要包括运动控制系统、电解液循环系统、电化学反应系统和多焦点激光辐照系统，

所述运动控制系统主要包括计算机(22)、控制柜(23)、数控平台(5)，计算机(22)与控制柜(23)相连，控制柜(23)与数控平台(5)相连，控制柜(5)与脉冲激光器(21)相连，计算机(22)通过控制柜(23)控制数控平台(5)的移动，所述数控平台(5)的延伸平台(16)的中心位置设有通孔；

所述电解液循环系统主要包括回流管(8)、可调恒温槽(10)、微型泵(9)以及工作腔(11)；可调恒温槽(10)与工作腔(11)之间通过回流管(8)构成循环回路，所述微型泵(9)设在回流管(8)上；

所述电化学反应系统主要包括可调脉冲电源(6)、工具电极(7)、氧化铟锡玻璃(15)、半导体试样(13)、工作腔(11)、示波器(1)以及电流探头(2)，所述工作腔(11)固定在数控平台(5)上，所述工作腔(11)底部有一个通孔槽，半导体试样(13)放置在通孔槽底部，氧化铟锡玻璃板(15)位于半导体试样(13)下方，所述半导体试样(13)与通孔槽底部之间设有密封圈(12)，所述半导体试样(13)与氧化铟锡玻璃板(15)之间通过欧姆层(14)胶合，所述欧姆层(14)是透明导电胶制作而成的，所述工作腔(11)和氧化铟锡玻璃板(15)通过螺栓(17)紧固，所述工作腔(11)内用于盛放电解液，所述半导体试样(13)的抛光面和电解液接触，所述工具电极(7)放置在工作腔(11)溶液里并与所述可调脉冲电源(6)的负极相连，所述氧化铟锡玻璃板(15)与所述可调脉冲电源(6)的正极相连，所述示波器(1)与所述可调脉冲电源(6)的负极相连，所述示波器(1)与所述可调脉冲电源(6)之间设有电流探头(2)；

所述脉冲激光多焦点系统位于所述工作腔(11)下方，所述激光多焦点辐照系统主要包括脉冲激光器(21)、多焦点发生装置(20)、反射镜(19)以及聚焦镜(18)，所述多焦点发生装置(20)用于使激光器发生的激光束形成多条脉冲激光束，所述反射镜(19)用于改变多条脉冲激光束的光路，所述聚焦镜(18)将多条脉冲激光束聚焦在同轴不同的位置上。

2.根据权利要求1所述的背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置，其特征在于，所述工具电极(7)由装在丝杠(4)上的夹具(3)夹持，所述丝杠(4)装在数控平台(5)上。

3.根据权利要求1所述的背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述工具电极(7)作为阴极，半导体试样(13)作为阳极，半导体试样(13)已抛光的表面进行电化学刻蚀；脉冲激光器(21)发出激光束经过多焦点发生装置(20)形成多条激光束，多条激光束经过反射镜(19)再经过聚焦镜(18)在同轴上不同位置聚焦多个焦点，多焦点中最低的一个焦点(24)与半导体试样(13)背面处相重合，最高点焦点(26)激光是半导体试样(13)的抛光面处重合；所述多焦点激光中的最低焦点激光(24)在同轴方向上对半导体试样(13)背面先进行刻蚀，刻蚀距离是激光的焦深，由于半导体试样(13)是不透明的，焦点位于半导体试样(13)背面以上的激光束被半导体试样(13)遮挡住，则在半导体试样(13)背面处形成辐照区域，为半导体试样(13)相应区域里的空穴移动提供辐照能量；在激光辐照的作用下空穴移动到半导体试样(13)已抛光的表面，促进半导体的电化学阳极腐蚀反应；且随着辐照能量增大，空穴数量增多并且移动速率增大；电化学反应开始时是低电位，电位值为10V，进行电化学蚀除，随着辐照增强时更多的空穴参与到电化学反应中来，电化学反应加快，工具电极(7)底部附着大量气泡增多，两极之间气膜层形成，两极间形成高电位，超过电火花放电的临界电压值20V则进行电火花放电加工；当气泡溃灭时，两极间又形成低电位，进行电化学蚀除；电化学蚀除和电火花放电加工两种加工方式交互更替；

半导体试样(13)已抛光的表面：随着电化学蚀除和电火花放电加工的进行，刻蚀深度越来越大，工具电极(7)逐渐下移，电化学蚀除和电火花放电加工两种加工方式交互更替进行；

半导体试样(13)的背面：随着刻蚀激光深度的变化，当最低焦点激光(24)刻蚀深度达到其焦深后，位于其上部的焦点激光开始刻蚀，蚀距离是焦深，依次类推到最高的焦点激光(26)；

半导体试样(13)的已抛光的表面和背面的刻蚀同时进行，最终在半导体试样(13)上加工出通孔。

4.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于，所述多焦点激光光束的波长为750nm～850nm，频率为10Hz～1KHz，脉宽为10ns，单脉冲激光能量为0～10mJ，激光焦点数为8～10。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述半导体试样(13)为硅片，其厚度为0.2mm～0.5mm，所述的工具电极(7)侧表面具有绝缘的铂丝，直径为0.1mm，所述工具电极(7)与半导体试样(13)之间距离保持在5微米到10微米之间。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的电解液为碱性溶液，电解液温度设定范围在20℃～40℃；所述可调脉冲电源(6)的电压0～20V，频率2kHz～2MHz，占空比0～100％。