CN110385521A - 一种用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置及方法，飞秒激光加工装置主要包括激光源模块、激光运动模块、整形聚焦模块、辅助气体模块和激光刻蚀模块，本发明通过校准焦平面、制备保护层、刻蚀路径规划、依照参数组逐层扫描刻蚀、清除微碎屑，实现了对碳化硅进行深刻蚀。本发明利用飞秒激光对碳化硅加工中，通过控制影响刻蚀质量的因素，即激光能量密度、光斑重叠率、线重叠率，并按照规划的刻蚀路径以逐层扫描、连续进给的加工方式，实现了对碳化硅进行快速、高质量的深刻蚀。

Description

一种用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置及方法

技术领域

本发明涉及碳化硅(碳化硅)材料刻蚀加工领域，特别涉及一种用于碳化硅高质量、快速深刻蚀的飞秒激光加工方法及装置。

背景技术

碳化硅(SiC)材料是一种具有独特物理和化学特性的化合物材料，不仅具有优越的机械性能和物理、化学稳定性，而且表现出优越的电学性能，具有宽禁带(2.3～3.3eV)、高临界电场强度(0.8～3MV/cm)、高饱和漂移速率(2×10⁷cm/s)和高热导率(4.9Wcm^-1K^-1)的特点，这些特性使碳化硅在宽禁带半导体高温、高功率、高频和抗辐射电子器件领域具有重要的应用价值。

但是由于碳化硅材料硬度高(H＝9⁺)、化学稳定性好，很难被酸或碱腐蚀，因此在利用碳化硅材料制备微电子器件中遇到的最大难题就是碳化硅深刻蚀，常用的刻蚀方法包括熔盐腐蚀、电化学腐蚀、干法刻蚀等。其中，熔盐腐蚀需要使用480℃混合熔融的NaOH/KOH，该熔盐具有高温高腐蚀性特点，存在以下缺点：①需要贵重的Pt制作腐蚀用的烧杯和夹持装置，②难以刻蚀有掩膜的样品并得到预期结构，因为很难找到能耐受高温和强腐蚀环境的掩膜材料，即便使用Pt制作掩膜，但湿法腐蚀各向同性，会形成钻蚀。电化学腐蚀比熔盐腐蚀具有腐蚀速率更高和可控性更好的优点，分为阳极腐蚀和光电化学腐蚀。阳极腐蚀过程较为复杂：①低浓度HF溶液中阳极腐蚀形成多孔结构，②热氧化多孔结构生成SiO₂，③高浓度HF溶液腐蚀去除SiO₂。光电化学腐蚀原理和阳极腐蚀基本相似，不同之处在于通过光照激发电子空穴对的形成，使腐蚀过程一步实现，并且具有一定程度的各向异性，但是这种方法需要照射面积较大的激光光源。对于光电化学腐蚀，n型材料很容易被刻蚀，但是p型材料则不会，因为它很难在光照下提供反应所需的条件，即限制在半导体和溶液界面上的光致空穴。电感耦合等离子体刻蚀(ICP)是一种典型的干法刻蚀方法，是目前研究碳化硅干法刻蚀最常用的方法，但是其刻蚀速率缓慢，现有文献报道的最快瞬时刻蚀速率仅为1.3μm/min，同时由于刻蚀的非均匀性，以及其对基材造成的化学污染，对于需要深刻蚀的碳化硅而言难以满足高效、快速的要求。

为了使碳化硅材料在高温、高功率和高频电子器件领域发挥更为广泛的作用，需要提供一种快速、高质量的碳化硅材料深刻蚀方法。中国专利CN105562939A公开一种印刷电路板的多波长飞秒激光扫描刻蚀方法，其需要变换激光波长以切割不同材质的板材；中国专利CN106299032A公开了一种飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳能电池性能的方法，其采用飞秒激光实际是对非晶硅进行了绒化。还有一些关于发光体加工的专利，例如，一种有序的图案化远程荧光晶体材料及其制备方法和用途(CN105400514A)、一种透镜形状图形化蓝宝石衬底及其制备方法(CN105428484A)，其利用激光烧蚀(脉冲宽度为20fs～100ns)在发光材料表面形成透镜阵列，加工中使用光刻胶作为保护层，并在激光加工后连同烧蚀残渣一并去除，尽管也关注于优化激光工艺参数，但不涉及加工区域的路径规划，其加工的孔洞深度一般为几个微米，直径也只有几十微米。

目前，飞秒激光仅是对材料(如非晶硅、蓝宝石)进行浅表(100μm以下)的刻蚀加工，没有对刻蚀质量(刻蚀区域的深度误差、表面粗糙度、侧壁陡直度)做明确要求，目前也缺乏利用飞秒激光对碳化硅进行快速、高质量深刻蚀加工的有效手段。

另外，激光加工的焦平面校准一般采用三种方法：一是用激光束在基准工件上切割不同的槽，寻找最小的槽宽；该方法切割次数较多，相对复杂。二是通过CCD摄像机拍摄激光束照射在工件表面的光斑，找寻光斑面积最小值；该方法需要额外的设备，对图形处理软件精度要求高。三是利用光电二极管测量激光束在待加工表面反射后的光强，寻找最大光强值；该方法也需要额外的设备，对光强处理软件精度要求高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置及方法，能够提高碳化硅材料的刻蚀速率并获得高质量的刻蚀表面。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，包括以下步骤：

1)将飞秒激光的焦平面校准至碳化硅基片待刻蚀区域所在的表面；

2)在碳化硅基片待刻蚀区域所在的表面制备光刻胶保护层；

3)根据所述待刻蚀区域的形状，对飞秒激光在该区域内的刻蚀路径进行规划，并根据逐层刻蚀中对飞秒激光的刻蚀速率及碳化硅刻蚀质量的要求，确定飞秒激光在不同刻蚀深度的能量密度、光斑重叠率和线重叠率；

4)根据所述能量密度、光斑重叠率和线重叠率，设置对应的飞秒激光的工艺参数组，然后使飞秒激光按照规划的刻蚀路径及预设刻蚀深度对处于连续进给运动中的具有光刻胶保护层的碳化硅基片的待刻蚀区域进行由表及里的逐层连续扫描刻蚀，连续扫描刻蚀中根据所述进给运动的步长数确定刻蚀层数，并依据刻蚀层数累计结果对应的刻蚀深度切换工艺参数组，同时，在刻蚀过程中加吹辅助气体，以清除由刻蚀产生的碳化硅碎屑和等离子体粉尘并防止刻蚀结构氧化；

5)将完成刻蚀后的碳化硅基片进行清洗，去除残留的光刻胶保护层、碳化硅碎屑及氧化颗粒，得到刻蚀结构。

优选的，所述步骤1)中，焦平面校准具体包括以下步骤：使所述飞秒激光投射的光斑分别落在相叠放的两块高硼硅玻璃片上，然后调节相叠放的两块高硼硅玻璃片在所述飞秒激光投射方向的进给量，当两块高硼硅玻璃片上的烧蚀体积相等时，即将所述飞秒激光的焦平面定位在两块高硼硅玻璃片的接触面位置。

优选的，所述步骤2)中，光刻胶保护层的厚度控制在2-4μm。

优选的，所述步骤3)中，对于以圆形为基础图形的待刻蚀区域，刻蚀路径选自同心圆或螺旋线；对于以矩形为基础图形的待刻蚀区域，刻蚀路径选自平行线、同心矩形或螺旋矩形。

优选的，所述步骤3)中，飞秒激光的能量密度控制为>碳化硅的烧蚀阈值，光斑重叠率控制在90％-98％，飞秒激光的光斑直径为30-60μm，通过调节飞秒激光沿刻蚀路径的扫描线间距(1-15μm)以控制线重叠率。

优选的，所述步骤4)中，工艺参数组分为以保证刻蚀速率为主的参数组①及以保证碳化硅刻蚀质量为主的参数组②。

优选的，所述步骤4)中，参数组①对应的刻蚀深度为预设刻蚀深度的35％以上，具体参数设定如下：步进(即步长)为0.5μm-10μm，激光脉冲宽度为30fs-500fs，重复频率为10kHz-95kHz，平均功率为4W-8W，扫描速度为100mm/s-600mm/s，扫描线间距为4μm-15μm；所述参数组②对应的刻蚀深度为预设刻蚀深度的10％以下，具体参数设定如下：步进(即步长)为0.1μm-1μm，激光脉冲宽度为200fs-500fs，重复频率为80kHz-100kHz，平均功率为2W-5W，扫描速度为1mm/s-100mm/s，扫描线间距为1μm-5μm。

优选的，所述线间距的具体实现方式分为固定线间距及变线间距。

优选的，当采用所述变线间距时，对于靠近待刻蚀区域几何中心的部分刻蚀路径，采用较大的线间距进行扫描，对于靠近待刻蚀区域边缘的部分刻蚀路径，采用较小的线间距进行扫描。

优选的，所述步骤4)中，辅助气体选自氮气、氩气或氖气，辅助气体采用同轴吹气、旁轴吹气或同轴和旁轴组合吹气方式实现加吹。

优选的，当预设刻蚀深度小于等于50μm时，选择旁轴吹气方式；当激光脉冲宽度小于等于100fs时，选择同轴吹气方式；当预设刻蚀深度大于50μm或激光脉冲宽度大于100fs时，选择同轴和旁轴组合吹气方式。

优选的，所述步骤5)具体包括以下步骤：将完成刻蚀后的碳化硅基片放在乙醇或丙酮中进行15-20min的超声清洗。

优选的，所述碳化硅基片的晶体类型为立方密排的3C-SiC、六角密排的4H-SiC或6H-SiC多体型。

一种用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置，该加工装置包括激光源模块、激光运动模块、整形聚焦模块、辅助气体模块及激光刻蚀模块；

所述激光源模块包括飞秒激光器及快门；

所述激光运动模块包括激光束扫描单元；

所述激光刻蚀模块包括可承载碳化硅基片的五轴精密运动平台及碳化硅基片加工控制系统；

所述快门、激光束扫描单元、整形聚焦模块依次设置在飞秒激光器的投射光路上，五轴精密运动平台位于该投射光路的末端，所述控制系统分别与飞秒激光器、快门、激光束扫描单元及五轴精密运动平台相连；

所述控制系统通过五轴精密运动平台用于使具有光刻胶保护层的碳化硅基片的待刻蚀区域向着于所述投射光路末端聚焦形成的飞秒激光焦平面作连续进给运动，并通过激光束扫描单元使飞秒激光按照规划的刻蚀路径及预设刻蚀深度对所述待刻蚀区域进行由表及里的逐层连续扫描刻蚀，以及用于在连续扫描刻蚀中根据所述进给运动的步长数确定刻蚀层数，并依据刻蚀层数累计结果对应的刻蚀深度切换工艺参数组，所述工艺参数组是根据飞秒激光在不同刻蚀深度的能量密度、光斑重叠率和线重叠率而分别设置的；

所述辅助气体模块包括设置在五轴精密运动平台上的气体腔室以及与气体腔室相连的送气管线和排气管线，所述碳化硅基片位于气体腔室内。

优选的，所述激光束扫描单元的具体形式包括但不限于振镜组、快速反射镜或偏摆镜。

优选的，所述辅助气体模块还包括设置于送气管线上的进气泵和气体阀门及设置于排气管线上的出气泵，排气管线与气体腔室通过滤芯相连，气体腔室内设置有与送气管线相连的旁轴气嘴和同轴气嘴。

优选的，所述滤芯包括褶式筒壁及位于褶式筒壁两端的滤网；褶式筒壁和滤网的材料为玻璃纤维或者聚酯纤维。

优选的，所述激光运动模块还包括设置在所述投射光路上的用于提高作用于碳化硅表面的聚焦光斑能量分布的均匀性的激光束旋转单元，激光束旋转单元与所述控制系统相连。

优选的，所述激光束旋转单元的具体形式包括但不限于旋转多棱镜、旋转多光楔或旋转棱镜和光楔组合，通过激光束旋转单元后，激光束绕自身光轴进行旋转。

优选的，所述激光刻蚀模块还包括设置于所述气体腔室内的用于固定所述碳化硅基片的装夹台。

优选的，所述装夹台包括载物台及多个沿载物台周向布置的夹片，或者，所述装夹台包括具有真空凹槽的吸盘。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用飞秒激光对碳化硅加工中，通过控制影响刻蚀质量的因素，即激光能量密度、光斑重叠率、线重叠率，并按照规划的刻蚀路径以逐层扫描、连续进给的加工方式，实现了对碳化硅进行快速、高质量的深刻蚀。

进一步的，本发明中校准焦平面时无需额外设备，只需要两片高硼硅玻璃片，成本低且方法简便。

进一步的，本发明在逐层扫描的加工方式下对刻蚀加工参数的设置更为精细(快速刻蚀参数组和精密刻蚀参数组)，通过设置不同的刻蚀参数组，兼顾材料的刻蚀速率和刻蚀质量。

进一步的，本发明在刻蚀路径(例如，同心圆扫描)规划中通过采用变线间距扫描，兼顾材料的刻蚀速率和刻蚀质量。

进一步的，本发明通过辅助气体模块提供的不同吹气模式，避免等离子体粉尘和飞溅微碎屑对加工过程的不利影响，并可收集吹除的刻蚀飞溅物。与目前仅通过旋涂光刻胶作为保护层的刻蚀技术相比，可以提高深刻蚀形成的刻蚀结构的表面质量。

进一步的，本发明使用夹片式或真空吸附式装夹台，可避免碳化硅基片在深刻蚀加工中移动、震动，提高加工质量。

附图说明

图1是焦平面校准示意图；

图2是光刻胶保护层吸附微碎屑示意图；

图3是刻蚀路径(螺旋线扫描)示意图；

图4是刻蚀路径(同心圆扫描)示意图；

图5是刻蚀路径(平行线扫描)示意图；

图6是刻蚀路径(矩形扫描)示意图；

图7是刻蚀路径(螺旋矩形扫描)示意图；

图8是刻蚀路径(变线间距的同心圆扫描)示意图；

图9是碳化硅基片的逐层扫描刻蚀示意图；

图10是飞秒激光加工装置示意图；虚线箭头代表不同控制关系，点画线框代表不同模块。

图11是滤芯示意图；

图12是夹片式装夹台示意图；其中：(a)侧向剖视图，(b)俯视图；

图13是吸盘式装夹台示意图；其中：(a)侧向剖视图，(b)俯视图；

图14是实例1的圆形盲孔刻蚀示意图；

图15是实例1中变线间距的同心圆扫描刻蚀路径示意图；

图16是实例2的方形通孔刻蚀示意图；

图中：11.上方的高硼硅玻璃片，12.下方的高硼硅玻璃片，13.飞秒激光束，14.烧蚀体积，15.脉冲激光束，16.扫描运动，17.刻蚀区域，18.参数组①刻蚀深度，19.预设刻蚀深度，101.飞秒激光器，102.高斯激光束，103.快门，104.扩束镜，105.平面反射镜，106.激光束旋转单元，107.激光束扫描单元，108.可调光阑，109.整形镜，1010.平凸透镜，1011.气体腔室，1012.平顶激光束，1013.碳化硅基片，1014.装夹台，1015.排气管线，1016.吸气泵，1017.滤芯，1018.五轴精密运动平台，1019.进气泵，1020.阀门，1021.送气管线，1022.旁轴气嘴，1023.同轴气嘴，1025.控制系统，111.滤网，112.滤网固定圈，113.褶式筒壁，121.夹片，122.滑块，123.载物台，124.基座，125.载物玻片，126.垂直调整螺钉，127.周向调整螺钉，128.径向调整螺钉，131.真空凹槽，132.真空通道，133.吸盘，134.基体，135.支座，136.真空发生器，151.第一同心圆，152.第二同心圆，153.第三同心圆，154.第四同心圆，155.第五同心圆，156.第六同心圆，157.第七同心圆，158.第八同心圆，159.第九同心圆，1510.第十同心圆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

(一)用于碳化硅高质量、快速深刻蚀的飞秒激光加工方法的刻蚀加工原理

飞秒激光具有极短的脉冲宽度和极高的瞬时功率，其聚焦光强可达10²²W/cm²。飞秒激光烧蚀材料的物理机制与一般长脉冲激光的烧蚀机制有根本不同。当聚焦的飞秒激光照射到碳化硅材料表面时，由于其极高的瞬时功率，照射区域的材料发生光致电离，电子通过多光子吸收机制被激发，即一个原子同时吸收多个光子，引发原子电离产生自由电子。多光子吸收产生的种子电子继续与周围原子碰撞，导致更多的自由电子产生，引发雪崩电离，造成带正电荷的离子在碳化硅材料的临近表面层形成。这些表面层相互静电排斥，当静电力比晶格之间的作用力大时，粒子之间的化学键断裂，引发库伦爆炸，从而在碳化硅材料表面的激光聚焦区域形成高密度、高温、高压的等离子体，最终材料在反冲压力的作用下以机械式破碎并喷射的方式实现去除。

飞秒激光刻蚀碳化硅材料属于“冷加工”。这是由于飞秒激光的脉冲宽度小于热量在电子-晶格中的弛豫时间(皮秒量级)，即碳化硅材料受辐射持续时间只有飞秒量级，远小于材料中受激电子通过转移、转化等形式的能量释放时间。因此，飞秒激光脉冲对碳化硅材料的破坏属于非热烧蚀，避免了热扩散的存在和影响。飞秒激光这种去除材料的机理使得其刻蚀区域没有熔融区，加工尺寸可以小于激光聚焦尺寸，突破衍射极限，并且对材料没有选择性。

(二)用于碳化硅高质量、快速深刻蚀的飞秒激光加工方法的工艺步骤

(1)校准焦平面：利用飞秒激光束烧蚀两片叠放的高硼硅玻璃片，进行焦平面校准。

参见图1，准备两片厚度相等的高硼硅玻璃片上下叠放，每片高硼硅玻璃片的厚度均和待加工碳化硅片的厚度相同。使飞秒激光束13的光斑一半落在上方的高硼硅玻璃片11表面，一半落在下方的高硼硅玻璃片12表面。调节叠放的高硼硅玻璃片在沿激光束方向的进给量，当上方的高硼硅玻璃片的烧蚀体积14和下方的高硼硅玻璃片的烧蚀体积14相等时，焦平面即被校准在两高硼硅玻璃片的接触面位置。校准完成后，取下两高硼硅玻璃片，放置待加工的碳化硅基片，碳化硅基片的上表面即处于焦平面位置。在实际加工过程中，高硼硅玻璃片和碳化硅基片都固定于同一装夹台上进行校准。

(2)制备光刻胶保护层：在碳化硅基片待刻蚀区域所在的表面旋涂光刻胶，制备保护层。

保护层的作用包括：F1)激光加工过程中，一部分飞溅的微碎屑及等离子粉尘被辅助气体吹除，不会对碳化硅基片的表面产生影响。但仍有一部分飞溅物会堆积在基片表面，保护层的存在有效避免了飞溅物直接附着在碳化硅基片表面，避免了飞溅物损伤碳化硅基片表面。采用现有MEMS工艺可以很容易地去除保护层(旋涂的光刻胶)以及附着在保护层上的微碎屑等飞溅物，而不会对碳化硅基片造成损伤。F2)碳化硅基片表面光滑透明，会对入射的激光产生反射，降低了激光的热效率，同时导致激光在加工区域的空间分布不均匀，影响刻蚀效果的一致性。保护层覆盖住了碳化硅基片光滑透明的表面，能够在一定程度上解决激光的反射问题，提高激光刻蚀碳化硅基片的均匀性。

保护层制备具体过程：利用去离子水清洗碳化硅基片并脱水烘焙，利用匀胶机在碳化硅基片待刻蚀区域所在的表面上先后旋涂底胶和光刻胶，旋涂均匀后，在热板上进行烘烤坚膜。无需利用掩膜版对光刻胶保护层进行图形转移，其在飞秒激光作用下可直接去除。光刻胶保护层的旋涂厚度控制在2-4μm，应大于微碎屑的几何尺寸，从而保证可黏附飞溅的微碎屑与颗粒，参见图2。

去除保护层具体过程：激光刻蚀完成后，将碳化硅基片放在乙醇或丙酮中进行超声清洗15-20min，去除光刻胶保护层，即可得到要求的碳化硅结构。

(3)设计刻蚀路径：根据所需刻蚀区域的形状，对碳化硅基片的刻蚀设计路径规划方案。

对于以圆形为基础图形的刻蚀区域，可供选择的刻蚀路径包括螺旋线扫描(图3)、同心圆扫描(图4)。图3、图4中，粗实线圆形待加工区域内部的细实线圆代表激光束的的光斑，虚线箭头代表激光束在碳化硅基片上待刻蚀区域内的扫描移动方向。

对于以矩形为基础图形的刻蚀区域，可供选择的刻蚀路径包括平行线扫描(图5)、矩形扫描(图6)、螺旋矩形扫描(图7)。图5、图6、图7中，细实线圆代表激光束的光斑，虚线箭头代表激光束在碳化硅基片上待刻蚀区域内的扫描移动方向。

对于图4、图6中的非连续扫描路径，依靠激光快门的通断配合激光束的跳转实现，激光束的跳转运动由激光束扫描单元控制。在激光快门关闭时，激光束扫描单元运动到下一非连续扫描路径，随即开启激光快门，激光束射出，继续刻蚀加工过程。在上述过程中，非连续扫描路径的改变依靠以下四个参数进行调节：开光延时(100-130μs)，关光延时(100-130μs)；拐角延时(10-20μs)，结束延时(10-20μs)。其中，开光延时、关光延时是快门的控制参数，拐角延时、结束延时是激光束扫描单元的控制参数。

(4)控制刻蚀质量：根据所要求的碳化硅刻蚀质量，确定飞秒激光的能量密度、光斑重叠率和线重叠率。

碳化硅刻蚀质量指的是在更大的刻蚀深度下，保证小的刻蚀深度误差、低的刻蚀区域的表面粗糙度和高的侧壁陡直度。对于碳化硅材料而言，深刻蚀即指材料的去除达到更大的刻蚀深度，具体指超过100μm的刻蚀。深度误差是指实际刻蚀深度与预设刻蚀深度之差占预设刻蚀深度的比例，以百分比表示。表面粗糙度是指碳化硅材料被刻蚀后，刻蚀区域底面的算术平均偏差Ra。侧壁陡直度是指碳化硅材料被刻蚀后，刻蚀区域的倾斜侧壁与水平底面所夹的锐角或直角。

本发明对碳化硅基片的飞秒激光快速刻蚀过程中，当激光波长、脉冲宽度、刻蚀路径均确定时，能够改变的加工参数主要有激光平均功率、激光重复频率、扫描速度。能够直接影响加工效果(包括碳化硅材料的刻蚀速率和刻蚀质量)的因素包括能量密度、光斑重叠率和线重叠率。通过飞秒激光加工装置调节加工参数，可实现对碳化硅基片刻蚀质量的控制，刻蚀区域的深度误差可控制在±1％以内，表面粗糙度可达0.5μm以下，刻蚀区域的侧壁陡直度接近90°。

①能量密度

当激光波长、脉冲宽度、重复频率确定时，碳化硅材料的烧蚀阈值约为0.70J/cm²，选择稍大于烧蚀阈值的激光能量密度，可使刻蚀区域的碳化硅快速地从固态转化为等离子态并迅速蒸发，此时造成的热影响区和重铸层可以忽略，以此形成冷刻蚀，使碳化硅材料获得良好的刻蚀形貌。

②光斑重叠率

光斑重叠率是指：在飞秒激光沿刻蚀路径移动中，于相邻扫描位置点处投射的光斑的重叠比例。

飞秒激光脉冲的光斑重叠率由激光束的扫描速度、重复频率和光斑直径(当光束束腰半径和扩束镜确定后，光斑直径就是一个确定值。)决定。当飞秒激光脉冲的重复频率和光束束腰半径固定时，调节扫描速度易控制光斑重叠率。在扫描速度1-600mm/s、重复频率10-100kHz、光斑直径30-60μm时，可将光斑重叠率控制在90％-98％，此时刻蚀边界平滑整齐，可获得较好的刻蚀质量与较高的加工效率。

③线重叠率

线重叠率是指：在飞秒激光沿刻蚀路径移动中，于相邻的内外两条(或两段)扫描位置点处投射的光斑的重叠比例。

线重叠率主要由扫描线宽度和线间距决定。固定扫描线宽度(即光斑直径)时，可通过改变线间距来调节线重叠率。例如，当采用固定线间距时，可在1-10μm范围内选取线间距。参见图8，当采用变线间距时，对于靠近刻蚀区域几何中心的部分，采用较大的线间距(4-10μm)进行扫描；对于靠近刻蚀区域入口边缘的部分，采用较小的线间距(1-4μm)进行扫描。采用如图8所示的变线间距的同心圆扫描，可以得到边缘整齐、规则的入口形貌以及最佳的表面粗糙度(0.5μm左右)，同时抑制圆形刻蚀区域形状的椭圆化发展。

(5)设置刻蚀参数组逐层扫描：设置多种不同的刻蚀参数组对碳化硅基片进行逐层扫描刻蚀，每个参数组所对应的刻蚀深度、刻蚀速率和刻蚀质量不相同。

采用逐层扫描的方式对碳化硅基片进行刻蚀。在此基础上，为了兼顾刻蚀速率与刻蚀质量，先后采用多种不同的参数组，按照从上至下的剥除方式，逐层进行刻蚀加工，如图9所示。逐层刻蚀过程中，根据需要去除的材料面积或体积剩余量的差别，分层设置不同的参数组进行加工。即利用多种不同的刻蚀参数组对碳化硅基片进行逐层扫描刻蚀。

当需要去除的材料面积或体积剩余量较大时，以保证刻蚀速率为主。此时采用参数组①进行快速刻蚀(即快速刻蚀参数组)，达到一定的刻蚀深度(占预设刻蚀深度的35％以上，例如，40％-90％)，具体参数设定如下：较大的加工步进(0.5-10μm)，较小的激光脉冲宽度(30fs-500fs)，较小的重复频率(10-95kHz)，较大的平均功率(4-8W)，较大的扫描速度(100-600mm/s)，较大的扫描线间距(4-15μm)；当需要去除的材料面积或体积剩余量较小时，以保证刻蚀后碳化硅材料的表面质量为主。此时采用参数组②进行精密刻蚀(即精密刻蚀参数组)，达到一定的刻蚀深度(占预设刻蚀深度的10％以下)，具体参数设定如下：较小的加工步进(0.1-1μm)，相等或较大的激光脉冲宽度(200fs-500fs)，较大的重复频率(80-100kHz)，相等或较小的平均功率(2-5W)，较小的扫描速度(1-100mm/s)，相等或较小的扫描线间距(1-5μm)。即参数组①与参数组②中对应参数的取值可以不同，不同参数组所对应的刻蚀深度、刻蚀速率和刻蚀质量不相同。

以上快速刻蚀和精密刻蚀参数组制定的数目可以结合碳化硅基片1013的刻蚀深度与所需精度进行选择。参数组中每种参数的具体取值可参考括号内的数据范围，也可结合实际情况选取。采用两个或两个以上参数组对碳化硅基片1013进行飞秒激光逐层刻蚀时，参数组的转换在刻蚀深度到达前一个参数组对应的刻蚀深度(例如，图9中参数组①刻蚀深度18)之前进行，直到碳化硅基片1013的刻蚀深度到达预设刻蚀深度19。

(6)清除微碎屑等飞溅物：在刻蚀过程中加吹辅助气体，清除由激光刻蚀产生的微碎屑等飞溅物；刻蚀结束后将碳化硅基片浸泡在乙醇或丙酮中进行超声清洗，去除光刻胶保护层以及黏附在光刻胶保护层上的微碎屑等飞溅物，得到最终的刻蚀结构。

飞秒激光刻蚀碳化硅产生的微碎屑等飞溅物会对加工时的效率和加工后的表面质量产生影响。本发明中，一部分微碎屑在刻蚀过程中由辅助气体携带离开刻蚀区域，并由滤芯收集；一部分微碎屑由光刻胶保护层黏附；一部分微碎屑散布在刻蚀区域的内部壁面和边缘。

①在飞秒激光刻蚀碳化硅的过程中，通过加吹高压惰性气体(可选择氮气、氩气、氖气)，以吹气和吸气的方式及时吹除产生的等离子粉尘及微碎屑，减少其残留对刻蚀区域周围表面和几何形状的影响，提高材料去除效率，气体中的粉尘及微碎屑可由滤芯收集。采用吹气和吸气的方式同时还能提高刻蚀区域向周围热量的发散，阻止逐层刻蚀中因能量累积可能造成的热影响。

②使用飞秒激光快速刻蚀后，碳化硅材料的微碎屑和纳米颗粒还有可能不均匀地分布在刻蚀区域的内部壁面和边缘，纳米颗粒主要成分为硅氧化物，与材料的表面结合力较弱，使用乙醇或丙酮超声清洗10-15min即可清除。超声清洗后的碳化硅刻蚀边界整齐，刻蚀区域附近未加工区的表面粗糙度在0.03μm左右。

③此外，加工过程中的微碎屑还会由光刻胶保护层黏附，可在加工结束后将碳化硅放置在乙醇或丙酮溶液中进行超声清洗，黏附的微碎屑可随光刻胶一起被清洗下来。

(三)用于碳化硅高质量、快速深刻蚀的飞秒激光加工装置

如图10所示，飞秒激光加工装置主要包括激光源模块、激光运动模块、整形聚焦模块、辅助气体模块和激光刻蚀模块。

(1)激光源模块，包括飞秒激光器101、快门103以及扩束镜104；

飞秒激光器101：该刻蚀方法所用的飞秒激光器选择以Yb:KGW晶体作为激活介质，采用啁啾脉冲放大技术(CPA)的半导体泵浦固体激光器。其中心波长为1064nm，脉冲宽度在30fs-10ps间可调，激光输出模式为基模TEM₀₀模式，光束质量因子M²<1.24，最大单脉冲能量1mJ，最大功率10W，单脉冲重复频率在1kHz-1MHz之间可调。

快门103：快门为激光束的通断控制装置，可调节激光器输出的重复频率，精确控制激光束在碳化硅基片1013上的照射时间。刻蚀过程中快门可以预先设置光束的通断时间，也可自动记录通断时间，并且按照一定时序进行开闭。激光快门的响应速度可达5ms，分辨率即最小通断时间为0.01ms。

扩束镜104：扩束镜能够扩展激光光斑的束腰半径，压缩高斯激光束102的发散角，使激光光束在聚焦前具有高平行度，避免经过长距离自由传播后光斑尺寸的变大，从而影响激光刻蚀的质量。具体可选用2倍扩束镜进行扩束和准直。

(2)激光运动模块，包括平面反射镜105、激光束旋转单元106及激光束扫描单元107；

平面反射镜105：平面反射镜用于改变激光传输的方向。其类型为低延迟色散反射镜，以熔石英作为基体材料，表面镀有介质膜，当激光入射角在45°±3°范围内时，对950nm-1170nm波长范围内的激光反射率大于99.5％，能够无损伤地承受脉冲宽度为20fs-300fs、能量密度不小于10mJ/cm²的激光辐射。

激光束旋转单元106：用于控制入射的脉冲激光束绕平行于五轴精密运动平台1018的A轴方向转动。激光束旋转单元的具体形式包括但不限于旋转多棱镜、旋转多光楔、旋转棱镜和光楔组合等，可使激光束进行高速旋转，最大转速10000RPM，角分辨率及重复精度±2μrad。通过激光束旋转单元后，激光束绕自身光轴进行旋转，目的是提高作用于材料表面的聚焦光斑能量分布的均匀性。

激光束扫描单元107：用于控制入射的脉冲激光束在平行于五轴精密运动平台1018的X-Y平面上的扫描运动，包括对激光束入射角度(指入射到基材表面)的控制。激光束扫描单元的具体形式包括但不限于振镜组、快速反射镜、偏摆镜。在深宽比为20:1的刻蚀范围内，入射角精度为±3°，扫描精度±1μm。在按照预设的刻蚀路径完成扫描过程中，五轴精密运动平台1018按照规定的步进完成上升运动，从而在刻蚀区域完成一层刻蚀加工。“层”实际上就是每次步进的长度。激光的扫描是连续的过程(除了非连续路径的跳转)，步进也是连续的过程，从而实现激光刻蚀加工的连续进给。

(3)整形聚焦模块，包括可调光阑108、整形镜109及平凸透镜1010；

可调光阑108：可实现通光孔径1.2-12mm的连续调节，以过滤掉光束中不圆的部分，保证激光光束与整形镜109的同轴度以及出射激光束光斑的圆度。

整形镜109：类型为伽利略型光束整形镜，可将高斯激光束102整形并聚焦为平顶激光束1012。镜片材料选用熔石英玻璃，在1064nm波长处的折射率约为1.44，焦距可选为50mm、60mm、75mm、85mm或100mm。

平凸透镜1010：可保证激光束始终稳定聚焦在刻蚀面上。镜片材料选用精退火K9光学玻璃，镀有单层氟化镁增透膜，在1064nm波长处的折射率约为1.50，焦距可选为50mm、60mm、75mm、85mm或100mm。

(4)辅助气体模块，包括气体腔室1011、进气泵1019、送气管线1021、阀门1020、旁轴气嘴1022、同轴气嘴1023、排气管线1015、吸气泵1016及滤芯1017；

气体腔室1011、进气泵1019：将辅助气体通过不同(双路)送气管线1021泵入气体腔室1011。辅助气体可选用氮气、氩气或氖气，可改变刻蚀过程中产生的等离子体粉尘和碎屑的飞溅方向，提高刻蚀结构表面的洁净度，同时防止刻蚀材料氧化。

送气管线1021：向位于气体腔室1011内的旁轴气嘴1022和同轴气嘴1023送气。

旁轴气嘴1022：孔径为0.5mm，可以提升吹除刻蚀区域内碳化硅碎屑的能力，该气嘴出口方向与平顶激光束1012的光轴方向不处于同一轴线。

同轴气嘴1023：孔径为3mm，以保证激光束扫描运动时不被遮挡，气嘴出口方向与平顶激光束1012的光轴方向处于同一轴线。

阀门1020：调节阀门开闭大小可控制辅助气体流量。调节阀门开闭组合可切换同轴吹气、旁轴吹气、同轴和旁轴组合吹气3种吹气方式。同轴吹气的作用：当刻蚀深度较深时，同轴吹气可增大刻蚀深腔底部和深腔上部的气压差值，有利于碳化硅材料的等离子粉尘和微碎屑从深腔中排出。旁轴吹气的作用：可以使气体腔室内的气体有方向性的流动，从而将刻蚀产生的等离子粉尘和微碎屑吹离激光束的轴线方向，避免在刻蚀区域上方堆积，减小等离子体屏蔽效应。同轴和旁轴组合吹气的作用：同轴吹气保证碳化硅材料的等离子粉尘和微碎屑从刻蚀深腔底部排出，同时旁轴吹气保证排出的等离子粉尘远离激光束的轴线方向，避免等离子屏蔽现象。

当预设刻蚀深度小于等于50μm时，由于碳化硅材料的等离子粉尘和微碎屑只堆积在刻蚀区域上方，此时可只选择旁轴吹气方式。当激光的脉冲宽度小于等于100fs时，由于激光的照射时间小于等离子体吸收激光能量而膨胀的时间，故不会发生等离子体屏蔽现象，此时可只选择同轴吹气方式。当预设刻蚀深度大于50μm或激光的脉冲宽度大于100fs时，此时选择同轴和旁轴组合吹气方式。

排气管线1015：将气体从气体腔室1011中引出。

吸气泵1016：将气体腔室1011内的气体通过排气管线1015泵出。

滤芯1017：吸附由气体腔室1011流向排气管线1015的辅助气体中携带的等离子体粉尘和碎屑，防止污染环境，可定期更换。

如图11所示，滤芯1017包括滤网111、滤网固定圈112及褶式筒壁113，滤网固定圈112位于由褶式筒壁113形成的气体通道的两端开口处，用于固定滤网111。滤网111和褶式筒壁113均可对微碎屑进行筛滤。其中，滤网111和褶式筒壁113的材料为玻璃纤维或者聚酯纤维，每次加工完成后可更换滤芯1017。

(5)激光刻蚀模块，包括装夹台1014、五轴精密运动平台1018及控制系统1025；

装夹台1014：为了避免碳化硅基片1013(晶体类型为立方密排的3C-SiC或者六角密排的4H-SiC或6H-SiC多体型)移动或震动影响加工精度，刻蚀过程中碳化硅基片1013需要固定在装夹台1014上。装夹台1014可选用夹片式装夹台或真空吸附式装夹台。

夹片式装夹台如图12所示，包括夹片121、滑块122、载物台123、基座124、载物玻片125、垂直调整螺钉126、周向调整螺钉127及径向调整螺钉128，载物台123通过基座124固定在五轴精密运动平台1018上，四个滑块122均匀间隔布置在载物台123圆周上，每个滑块122上安装有一个夹片121。碳化硅基片可以由4个夹片121夹持在位于载物台123中央的载物玻片125上。夹片121位置可以利用垂直、周向、径向调整螺钉126、127、128由三个方向调节滑块122所控制：调节周向调整螺钉127，滑块122下部可沿载物台123的切向做微小移动；调节径向调整螺钉128，滑块122上部可沿载物台123的径向做微小移动；调节垂直调整螺钉126，夹片121可沿垂直于载物台123的方向做微小移动，从而压紧碳化硅基片。

真空吸附式装夹台如图13所示，包括真空凹槽131、真空通道132、吸盘133、基体134、支座135及真空发生器136，基体134通过支座135固定在五轴精密运动平台1018上，真空发生器136位于基体134上，通过贯穿基体134、吸盘133的真空通道132及位于吸盘133中心的真空凹槽131与外界连通。碳化硅基片1013由真空发生器136通过真空凹槽131吸附在吸盘133上。

五轴精密运动平台1018：平台的三个直线轴在X、Y、Z方向的行程分别为600mm，200mm，200mm，最小运动增量0.1μm。转动轴A轴位于Z轴，转动轴B轴位于Y轴，转轴最小运动增量3.5μrad。平台的设计分辨率±0.1μm，单向重复定位精度±0.1μm，双向重复定位精度±0.2μm。通过控制系统的程序控制，平台可以实现五轴联动以及对焦点位置进行精细调整，以实现二维和三维结构的激光刻蚀。

五轴精密平台1018在X、Y轴方向的平动可以在加工开始前调整碳化硅基材相对于激光束的位置，使得待刻蚀区域与激光束进行对准。五轴精密平台1018绕A、B轴方向的转动可以扩展加工材料的可加工角度。五轴精密平台1018沿Z轴的平动可以使碳化硅基材步进运动(进给)，实现逐层刻蚀。

控制系统1025：控制系统接受实时反馈信息并发送控制指令，可对飞秒激光器101、激光快门103、激光束旋转单元106、激光束扫描单元107和五轴精密运动平台1018进行控制。控制系统1025通过对飞秒激光器101、激光快门103的控制，以调节激光束的脉冲能量、激光重复频率参数，控制系统1025通过对激光束旋转单元106、激光束扫描单元107、五轴精密运动平台1018的控制，以调节激光束扫描速度、扫描轨迹、进给量(步进)参数。

在飞秒激光高质量、快速深刻蚀加工的过程中，待刻蚀的碳化硅基片1013被固定在装夹台1014上，并置于五轴精密运动平台1018的X-Y平面上的气体腔室1011内。高斯激光束102由飞秒激光器101射出，经快门103、扩束镜104，由平面反射镜105反射，进入激光束旋转单元106。高速旋转的激光束经激光束扫描单元107后依次通过可调光阑108、整形镜109和平凸透镜1010被调制为平顶激光束1012，平顶激光束1012进入气体腔室1011，聚焦在五轴精密运动平台1018的X-Y加工平面。在控制系统1025的调节下，激光束旋转单元106能够使激光束绕其光轴以预设速度旋转，激光束扫描单元107能够以预设速度和角度同时进行平移和偏转(实现光斑在刻蚀路径上的移动)。平顶激光束1012在旋转和扫描的同时可配合五轴精密运动平台1018进行沿Z轴方向的进给运动，按照预设的几何形状逐层扫描剥离材料，从而实现碳化硅基片的高质量、快速深刻蚀。

(四)加工实例

实例1：刻蚀圆形盲孔

刻蚀圆形盲孔，设计盲孔深度250μm，直径1200μm。利用飞秒激光加工装置进行高质量、快速深刻蚀。飞秒激光加工装置如图10所示，其中，可调光阑108的通光孔径调节为1.4mm，整形镜109焦距为100mm，平凸透镜1010焦距为100mm，装夹台1014选用真空吸附式装夹台。刻蚀过程如图14所示。

(1)按照图1的方式，采用飞秒激光束烧蚀两片叠放的高硼硅玻璃片，进行焦平面校准。每片高硼硅玻璃片厚度为350μm。

(2)选取厚度为350μm的4H-SiC基片作为刻蚀对象，制备光刻胶保护层：利用去离子水清洗4H-SiC基片10min并脱水烘焙。利用匀胶机在4H-SiC基片待刻蚀区域所在表面上先后旋涂底胶HMDS和光刻胶，控制旋涂厚度为2μm，待旋涂均匀后，在85-125℃的热板上烘烤60-90s。

(3)对4H-SiC基片设计圆形盲孔刻蚀的路径规划，采用同心圆扫描刻蚀路径。

(4)控制圆形盲孔的刻蚀质量。①激光能量密度选择0.75J/cm²，稍大于烧蚀阈值。②光斑重叠率通过固定光斑直径，改变脉冲激光的重复频率和扫描速度的方式进行控制。③线重叠率通过固定扫描线宽度，改变线间距的方式进行控制。

(5)圆形盲孔刻蚀设置3个参数组进行逐层扫描刻蚀，每个参数组所对应的刻蚀深度、刻蚀速率和刻蚀质量不相同。

使用第一参数组进行快速刻蚀。刻蚀深度为150μm，按照从上至下的剥除方式，分为30层进行逐层扫描刻蚀，每一层刻蚀深度(即步进)为5μm。激光束光斑直径30μm，激光脉冲宽度200fs，重复频率80kHz，平均功率6W，激光束扫描速度250mm/s，扫描采用固定线间距8μm，光斑重叠率90％；该参数组设置的目的是以最快的刻蚀速率逼近预设刻蚀深度。

使用第二参数组进行快速刻蚀。刻蚀深度为90μm，按照从上至下的剥除方式，分为180层进行逐层扫描刻蚀，每一层刻蚀深度为0.5μm。激光束光斑直径30μm，激光脉冲宽度200fs，重复频率95kHz，平均功率4W，激光束扫描速度100mm/s，扫描采用固定线间距4μm，光斑重叠率96％；该参数组设置的目的是在第一参数组得到的加工深度基础上，进一步以较快的刻蚀速率逼近预设刻蚀深度，此参数组以降低圆孔锥度为主。

使用第三参数组进行精密刻蚀。刻蚀深度为10μm，按照从上至下的剥除方式，分为50层进行逐层扫描刻蚀，每一层刻蚀深度为0.2μm。该参数组中，激光束光斑直径30μm，激光脉冲宽度200fs，重复频率100kHz，平均功率4W，激光束扫描速度60mm/s，光斑重叠率98％，扫描采用变线间距，如图15所示，第一、第二、第三、第四、第五同心圆151、152、153、154、155的线间距均为1μm，第五、第六、第七、第八、第九、第十同心圆155、156、157、158、159、1510的线间距均为4μm；该参数组设置的目的主要是以小步进、精密刻蚀的形式达到预设刻蚀深度，使刻蚀得到的盲孔底面粗糙度符合加工要求。

经过第一参数组、第二参数组、第三参数组刻蚀后的盲孔深度达到预设刻蚀深度250μm的要求。刻蚀时间在4min之内。

(6)加工过程中，采用同轴吹气和旁轴吹气组合的形式，加吹辅助气体氮气。刻蚀结束后将碳化硅基片放在丙酮中超声清洗15min，去除光刻胶保护层及微碎屑，得到最终的刻蚀结构。

实例2：刻蚀方形通孔

刻蚀方形通孔，设计方孔深度300μm，边长500μm。利用飞秒激光加工装置进行高质量、快速深刻蚀。飞秒激光加工装置如图10所示，其中，可调光阑108的通光孔径调节为1.4mm，整形镜109焦距为50mm，平凸透镜1010焦距为50mm，装夹台1014选用夹片式装夹台。刻蚀过程如图16所示。

(1)按照图1的方式，采用飞秒激光束烧蚀两片叠放的高硼硅玻璃片，进行焦平面校准。每片高硼硅玻璃片厚度为300μm。

(2)选取厚度为300μm的6H-SiC基片作为刻蚀对象，制备光刻胶保护层：利用去离子水清洗6H-SiC基片10min并脱水烘焙。利用匀胶机在6H-SiC基片待刻蚀区域所在表面上先后旋涂底胶HMDS和光刻胶，控制旋涂厚度为2μm，待旋涂均匀后，在85-125℃的热板上烘烤60-90s。

(3)对6H-SiC基片设计方形通孔刻蚀的路径规划，采用如图7所示的螺旋矩形扫描进行刻蚀。

(4)控制方形通孔的刻蚀质量。①激光能量密度选择0.78J/cm²，稍大于烧蚀阈值。②光斑重叠率通过固定光斑直径，改变脉冲激光的重复频率和扫描速度的方式进行控制。③线重叠率通过固定扫描线宽度，改变线间距的方式进行控制。

(5)方形通孔刻蚀设置2个参数组进行逐层扫描刻蚀，每个参数组所对应的刻蚀速率和刻蚀质量不相同。

使用第一参数组进行快速刻蚀。刻蚀深度为290μm，按照从上至下的剥除方式，分为145层进行逐层扫描刻蚀，每一层刻蚀深度为2μm。激光束光斑直径30μm，激光脉冲宽度200fs，重复频率90kHz，激光束扫描速度120mm/s，平均功率5W，扫描采用固定线间距5μm，光斑重叠率95％；该参数组设置的目的是以最快的刻蚀速率逼近预设刻蚀深度。

使用第二参数组进行精密刻蚀。刻蚀深度为10μm，按照从上至下的剥除方式，分为10层进行逐层扫描刻蚀，每一层刻蚀深度为1μm。激光束光斑直径30μm，激光脉冲宽度200fs，重复频率100kHz，激光束扫描速度100mm/s，平均功率5W，扫描采用固定线间距1μm，光斑重叠率96％；该参数组设置的目的是以小步进、精密刻蚀的形式达到预设刻蚀深度，使刻蚀得到的侧壁陡直度和壁面粗糙度符合加工要求。

经过第一参数组、第二参数组刻蚀后的通孔深度达到预设刻蚀深度300μm的要求。刻蚀时间在4min之内。

(6)加工过程中，采用同轴吹气和旁轴吹气组合的形式，加吹辅助气体氩气。刻蚀结束后将碳化硅基片放在丙酮中超声清洗15min，去除光刻胶保护层及微碎屑，得到最终的刻蚀结构。

本发明的优点如下：

1.无需制作掩膜，刻蚀流程简单

对碳化硅进行深刻蚀时，以ICP刻蚀为代表的干法刻蚀技术通常采用与碳化硅相比具有高选择比的Ni、Al、Cu或Cr等金属制作掩膜。金属掩膜的制作一般使用磁控溅射。但是为了达到深刻蚀的目标，不得不增加掩膜层的厚度。例如，对于100μm的碳化硅刻蚀深度，使用选择比为40的Ni制作掩膜，其厚度至少为2.5μm。

因此，对于较厚的掩膜层，成膜速率较慢的磁控溅射不再适用，符合经济效益的可行方法是电镀。但是在电镀之前，还应在碳化硅基片上溅射黏附层和种子层，以增加金属与碳化硅基底的黏附性。整个掩膜制作的工艺流程复杂。

本发明中，飞秒激光快速刻蚀方法对材料没有选择性，无需额外的掩膜制作工艺流程，加工方式简单。光刻胶保护层无需利用掩膜版进行图形转移，碳化硅材料被加工区域表面的光刻胶保护层在飞秒激光作用下可直接去除。

2.刻蚀速度快

干法刻蚀技术，如反应离子刻蚀(RIE)、电子回旋共振(ECR)和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)，碳化硅材料的刻蚀需要在基于F₂或Cl₂的等离子体中，其刻蚀速率在0.2-1.3μm/min之间。这意味着对于100μm的刻蚀深度，并且在不考虑刻蚀的非均匀性和污染的情况下，刻蚀时间也高达4-5h。

本发明中，飞秒激光快速刻蚀方法对于碳化硅材料刻蚀过程中的平均刻蚀速率为2-14μm/s。同样针对100μm的刻蚀深度，刻蚀时间仅为分钟数量级。

3.刻蚀的表面质量高

当对碳化硅进行100μm以上的深刻蚀时，以ICP刻蚀为代表的干法刻蚀技术一般需要使用Ni、Al或Cr等金属进行掩膜，金属掩膜会被刻蚀气体离子轰击而在碳化硅表面溅射，形成微掩膜效应，俗称“长草”，导致刻蚀区域出现难以消除的微柱群和其它残余物等污染，影响表面质量。

本发明中，飞秒激光脉冲宽度极短并且峰值功率极高，在材料去除机制上是真正的“冷”加工过程，刻蚀区域的边界清晰，没有明显的热应力、热熔化及热传导导致的烧蚀和裂纹。该方法下碳化硅材料可获得0.01-1μm的单脉冲刻蚀深度以及亚微米级的特征尺寸，刻蚀得到的材料表面平整，表面粗糙度可以控制在0.5μm以下。

4.刻蚀壁面陡直度高

当对碳化硅进行100μm以上的深刻蚀时，以ICP刻蚀为代表的干法刻蚀技术还会由于刻蚀的不均匀性引发多种形貌问题。由于刻蚀离子的偏移引发的二次轰击，会对接近底部的侧壁进行横向的二次掏蚀，产生Notching效应，影响刻蚀区域侧面的陡直度。同时也会在临近侧壁的底部形成V形凹槽，即微沟槽效应，影响刻蚀区域底面的平整度。此外，金属掩膜的存在会在长时间的干法刻蚀过程中粗糙化，通常会在刻蚀区域的侧壁上产生垂直条纹。

本发明中，飞秒激光刻蚀碳化硅结构的深宽比不受限制，随着刻蚀深度的增加，侧壁形貌主要受激光束质量以及加工过程中产生的等离子体粉尘和微碎屑的影响，刻蚀深度误差可控制在±1％以内，侧壁陡直度可以控制在85°以上。

Claims (21)

1.一种用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将飞秒激光的焦平面校准至碳化硅基片待刻蚀区域所在的表面；

2)在碳化硅基片待刻蚀区域所在的表面制备光刻胶保护层；

3)根据所述待刻蚀区域的形状，对飞秒激光在该区域内的刻蚀路径进行规划，并根据逐层刻蚀中对飞秒激光的刻蚀速率及碳化硅刻蚀质量的要求，确定飞秒激光在不同刻蚀深度的能量密度、光斑重叠率和线重叠率；

4)根据所述能量密度、光斑重叠率和线重叠率，设置对应的飞秒激光的工艺参数组，然后使飞秒激光按照规划的刻蚀路径及预设刻蚀深度对处于连续进给运动中的碳化硅基片的待刻蚀区域进行由表及里的逐层连续扫描刻蚀，连续扫描刻蚀中根据所述进给运动的步长数确定刻蚀层数，并依据刻蚀层数累计结果对应的刻蚀深度切换工艺参数组，同时，在刻蚀过程中加吹辅助气体；

5)将完成刻蚀后的碳化硅基片进行清洗，得到刻蚀结构。

2.根据权利要求1所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：所述步骤1)中，焦平面校准具体包括以下步骤：使所述飞秒激光投射的光斑分别落在相叠放的两块高硼硅玻璃片上，然后调节相叠放的两块高硼硅玻璃片在所述飞秒激光投射方向的进给量，当两块高硼硅玻璃片上的烧蚀体积相等时，即将所述飞秒激光的焦平面定位在两块高硼硅玻璃片的接触面位置。

3.根据权利要求1所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：所述步骤2)中，光刻胶保护层的厚度控制在2-4μm。

4.根据权利要求1所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：所述步骤3)中，对于以圆形为基础图形的待刻蚀区域，刻蚀路径选自同心圆或螺旋线；对于以矩形为基础图形的待刻蚀区域，刻蚀路径选自平行线、同心矩形或螺旋矩形。

5.根据权利要求1所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：所述步骤3)中，飞秒激光的能量密度控制为>碳化硅的烧蚀阈值，光斑重叠率控制在90％-98％，飞秒激光的光斑直径为30-60μm，通过调节飞秒激光沿刻蚀路径的扫描线间距以控制线重叠率。

6.根据权利要求1所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：所述步骤4)中，工艺参数组分为以保证刻蚀速率为主的参数组①及以保证碳化硅刻蚀质量为主的参数组②。

7.根据权利要求6所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：所述参数组①对应的刻蚀深度为预设刻蚀深度的35％以上，具体参数设定如下：步进为0.5μm-10μm，激光脉冲宽度为30fs-500fs，重复频率为10kHz-95kHz，平均功率为4W-8W，扫描速度为100mm/s-600mm/s，扫描线间距为4μm-15μm；所述参数组②对应的刻蚀深度为预设刻蚀深度的10％以下，具体参数设定如下：步进为0.1μm-1μm，激光脉冲宽度为200fs-500fs，重复频率为80kHz-100kHz，平均功率为2W-5W，扫描速度为1mm/s-100mm/s，扫描线间距为1μm-5μm。

8.根据权利要求6所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：所述线间距的具体实现方式分为固定线间距及变线间距。

9.根据权利要求8所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：当采用所述变线间距时，对于靠近待刻蚀区域几何中心的部分，采用较大的线间距进行扫描，对于靠近待刻蚀区域边缘的部分，采用较小的线间距进行扫描。

10.根据权利要求1所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：所述步骤4)中，辅助气体选自氮气、氩气或氖气，辅助气体采用同轴吹气、旁轴吹气或同轴和旁轴组合吹气方式实现加吹。

11.根据权利要求10所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：当预设刻蚀深度小于等于50μm时，选择旁轴吹气方式；当激光脉冲宽度小于等于100fs时，选择同轴吹气方式；当预设刻蚀深度大于50μm或激光脉冲宽度大于100fs时，选择同轴和旁轴组合吹气方式。

12.根据权利要求1所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：所述步骤5)具体包括以下步骤：将完成刻蚀后的碳化硅基片放在乙醇或丙酮中进行15-20min的超声清洗。

13.根据权利要求1所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工方法，其特征在于：所述碳化硅基片的晶体类型为立方密排的3C-SiC、六角密排的4H-SiC或6H-SiC多体型。

14.一种用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置，其特征在于：该加工装置包括激光源模块、激光运动模块、整形聚焦模块、辅助气体模块及激光刻蚀模块；

所述激光源模块包括飞秒激光器(101)及快门(103)；

所述激光运动模块包括激光束扫描单元(107)；

所述激光刻蚀模块包括可承载碳化硅基片(1013)的五轴精密运动平台(1018)及碳化硅基片加工控制系统(1025)；

所述快门(103)、激光束扫描单元(107)、整形聚焦模块依次设置在飞秒激光器(101)的投射光路上，五轴精密运动平台(1018)位于该投射光路的末端，所述控制系统(1025)分别与飞秒激光器(101)、快门(103)、激光束扫描单元(107)及五轴精密运动平台(1018)相连；

所述控制系统(1025)通过五轴精密运动平台(1018)使碳化硅基片(1013)的待刻蚀区域向着于所述投射光路末端聚焦形成的飞秒激光焦平面作连续进给运动，并通过激光束扫描单元(107)使飞秒激光按照规划的刻蚀路径及预设刻蚀深度对所述待刻蚀区域进行由表及里的逐层连续扫描刻蚀，以及在连续扫描刻蚀中根据所述进给运动的步长数确定刻蚀层数，并依据刻蚀层数累计结果对应的刻蚀深度切换工艺参数组，所述工艺参数组是根据飞秒激光在不同刻蚀深度的能量密度、光斑重叠率和线重叠率而分别设置的；

所述辅助气体模块包括设置在五轴精密运动平台(1018)上的气体腔室(1011)以及与气体腔室(1011)相连的送气管线(1021)和排气管线(1015)，所述碳化硅基片(1013)位于气体腔室(1011)内。

15.根据权利要求14所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置，其特征在于：所述激光束扫描单元的具体形式包括但不限于振镜组、快速反射镜或偏摆镜。

16.根据权利要求14所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置，其特征在于：所述辅助气体模块还包括设置于送气管线(1021)上的进气泵(1019)和气体阀门(1020)及设置于排气管线(1015)上的出气泵(1016)，排气管线(1015)与气体腔室(1011)通过滤芯(1017)相连，气体腔室(1011)内设置有与送气管线(1021)相连的旁轴气嘴(1022)和同轴气嘴(1023)。

17.根据权利要求14所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置，其特征在于：所述滤芯(1017)包括褶式筒壁(113)及位于褶式筒壁(113)两端的滤网(111)；褶式筒壁(113)和滤网(111)的材料为玻璃纤维或者聚酯纤维。

18.根据权利要求14所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置，其特征在于：所述激光运动模块还包括设置在所述投射光路上的用于提高作用于碳化硅表面的聚焦光斑能量分布的均匀性的激光束旋转单元，激光束旋转单元与所述控制系统(1025)相连。

19.根据权利要求18所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置，其特征在于：所述激光束旋转单元的具体形式包括但不限于旋转多棱镜、旋转多光楔或旋转棱镜和光楔组合，通过激光束旋转单元后，激光束绕自身光轴进行旋转。

20.根据权利要求14所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置，其特征在于：所述激光刻蚀模块还包括设置于所述气体腔室(1011)内的用于固定所述碳化硅基片(1013)的装夹台(1014)。

21.根据权利要求20所述的用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置，其特征在于：所述装夹台(1014)包括载物台(123)及多个沿载物台(123)周向布置的夹片(121)，或者，所述装夹台(1014)包括具有真空凹槽(131)的吸盘(133)。