CN113146054A - 激光加工装置及激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种在基板上形成微细结构的激光加工装置和加工方法，该激光加工装置包括：激光器，其发出激光；载物台，其承载基板；光学系统，其将所述激光器发出的激光导引到所述基板，从而向所述基板照射光束,所述光束相对于所述基板的表面倾斜；图形生成系统，其形成微细结构的加工图形；以及控制系统，其根据所述加工图形控制所述激光器、所述载物台以及所述光学系统。

Description

激光加工装置及激光加工方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种激光加工装置及激光加工方法。

背景技术

在半导体器件，特别是微机电系统(MEMS：Micro ElectroMechanical Systems)器件的制造过程中，常常需要通过微细加工形成各种沟道、孔穴、穿孔等微细结构。这些微细结构，有时需要在半导体基板上直接加工，有时需要在半导体基板上形成的薄膜中加工而成。这些微细结构的加工，可以利用光刻加刻蚀方式进行，也可以用激光直接加工方式进行。

相对于光刻加刻蚀方式，激光直接加工方式有一定的优势。首先，激光直接加工方式装置简单、造价和运营成本都很低；不像光刻加刻蚀方式那样需要光罩制备装置、涂胶和显影装置、曝光装置、刻蚀装置和去胶装置等成套的装置。另外，激光直接加工方式的加工产物是半导体基板或半导体基板上形成的薄膜的原材料，对环境影响很低；不像光刻加刻蚀方式那样需要利用到对环境有负担的气体或液体，加工产物也往往是对环境有负担的化合物。再者，激光直接加工方式可加工的图形相对灵活、自由度高。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请的发明人发现，传统的激光直接加工方式难以实现斜向加工。

针对上述问题，本申请实施例提供一种激光加工装置以及激光加工方法，能够用相对于基板表面倾斜的激光光束进行微细结构的加工，由此，能够实现斜向加工。

根据本申请实施例的一个方面提供一种在基板上形成微细结构的激光加工装置，所述激光加工装置包括：

激光器，其发出激光；

载物台，其承载基板；

光学系统，其将所述激光器发出的激光导引到所述基板，从而向所述基板照射光束,所述光束相对于所述基板的表面倾斜；

图形生成系统，其形成微细结构的加工图形；以及

控制系统，其根据所述加工图形控制所述激光器、所述载物台以及所述光学系统。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述激光器有复数个激光发光光源。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述载物台使所述基板的表面相对于水平方向倾斜转动。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述的载物台还在水平方向和/或与所述水平方向垂直的方向移动，并且，绕与所述水平方向垂直的轴旋转。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述光学系统包括激光光束的成形部件以及导引部件，

其中，所述成形部件将所述激光器发出的激光成形为具有预定的光斑图形的光束，

所述导引部件将所述光束引导到所述基板。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述的导引部件包括能扫描的反射镜。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述导引部件将所述光束引导到所述基板的正面和/或背面。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述光学系统还包括扫描机构，其调整所述光束的射出方向，从而改变所述光束与所述基板的表面的角度。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述激光加工装置还包括图形对准系统，所述图形对准系统将所述基板的待加工的表面与预定的图形进行对准。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种在基板上形成微细结构的激光加工方法，所述激光加工方法包括：

由激光器发出激光；

由载物台承载基板；以及

由光学系统将所述激光器发出的激光导引到所述基板，从而向所述基板照射光束,所述光束相对于所述基板的表面倾斜，

其中，由控制系统根据微细结构的加工图形控制所述激光器、所述载物台以及所述光学系统。

本申请的有益效果在于：能够用相对于基板表面倾斜的激光光束进行微细结构的加工，由此，能够实现斜向加工。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本发明的微细加工装置的一个示意图；

图2是载物台的沿着垂直方向的一个断面图；

图3是激光加工装置用激光进行加工的一个示意图；

图4是激光加工装置用激光进行加工的另一个示意图；

图5是激光加工装置用激光进行加工的又一个示意图；

图6是激光加工装置用激光进行加工的再一个示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请下述各实施例的说明中：水平方向是指与基板的主面(正面和背面)平行的方向，即，X-Y平面的方向；垂直方向是与水平方向垂直的方向，即，Z轴的方向；基板的主面包括基板的正面和背面。

实施例1

本申请的实施例1提供一种在基板上形成微细结构的激光加工装置。图1是本实施例的示意图。在本实施例中，图1的示意图只包括了本实施例的激光加工装置最基本的部件，该激光加工装置还可以具有未图示的其它组成部件。

在本实施例中，待加工的基板可以是半导体基板或非半导体基板，本实施例以下的说明中，以半导体基板为例，但是，下面的说明同样适用于基板为非半导体基板的情况。

如图1所示，本实施例的激光加工装置100包括激光器1，承载半导体基板2的载物台3，将激光器1发出的激光(或称激光光束)4导引到半导体基板2的光学系统5，形成微细结构的加工图形的图形生成系统6，以及根据加工图形控制激光器1、载物台3、以及光学系统5的控制系统7。如下所述，本实施例的激光加工装置100能够用复数束激光4同时进行微细结构的加工。

激光器1可以有复数个激光发光光源。也就是说，激光4可以有复数束。根据被加工对象(半导体基板2)的要求，可以选择激光4的波长、强度、波形。激光4可以是连续波，也可以是脉冲波。每个激光4的波长、强度、波形等特性可以与其它激光的相同，也可以不同。这样，可以用复数束激光4对导体基板2同时进行微细结构的加工。

半导体基板2可以是半导体制造领域中常用的晶圆，例如硅晶圆、绝缘体上的硅(SOI:Silicon On Insulator)晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆或氮化镓晶圆、SiC晶圆等，也可以是石英、蓝宝石、玻璃等绝缘性晶圆。另外，半导体基板2也可以是半导体制造领域中常用的晶圆，在晶圆的表面上进一步具有半导体器件、或者是MEMS器件所需的各种薄膜以及各种构造。

载物台3是承载和固定被加工的半导体基板2的工具。载物台3的尺寸根据半导体基板2的尺寸设计，可以对应特定尺寸的半导体基板2，也可以对应多种尺寸的半导体基板2。载物台3固定半导体基板2的方式可以是真空吸附，也可以是机械固定，也可以是其它的常用的固定方式。载物台3可以在水平、垂直方向移动，也可以在水平方向旋转。这样，即使在激光光束位置固定的情况下，也可以在半导体基板2上进行复杂的3维的微细结构加工。图2是载物台3的一个实例。图2是载物台3的沿着垂直方向的一个断面图。如图2a)所示，载物台3包括载物台框架3a、半导体基板承载部分3b、和贯通的开孔3c。载物台3的垂直方向的中心轴是3d。载物台3放置了半导体基板2之后的状态如图2b)所示。半导体基板2在承载部分3b处被固定。固定后的半导体基板2的两个主面2a和2b的需要被加工的部分都呈裸露状态。如图2c)所示，载物台3可以在X、Y、Z三个相互正交的三个主轴方向移动。比如，X轴和Y轴处于水平方向，Z轴则在垂直方向并与载物台3的垂直方向的中心轴3d相重合。另外，如图2d)所示，载物台3也可以在由X轴和Y轴构成的水平面内(水平方向)进行旋转。即，载物台3围绕Z轴旋转。载物台3的旋转角度θ可以是0-360°之内的任意一个角度。旋转角度θ也可以超出0-360°的范围，即，载物台3可以连续旋转，也可以反方向旋转。如图2e)所示，载物台3可以相对于水平方向进行倾斜，即，载物台3的中心轴3d可以与Z轴方向形成一个角度φ，90°>φ>-90°。载物台3在X轴、Y轴、Z轴方向的平移，围绕Z轴的旋转，以及相对于水平方向的倾斜是相互独立的，但是根据需要可以同时进行。

光学系统5是将激光器1发出的激光4导引到半导体基板2的系统，可以包括激光光束的成形部件以及导引部件。比如光学系统5可以包括透镜(即，成形部件)、光波导(即，引导机构)，也可以包括可以扫描的反射镜作为引导机构。这样的光学系统5，可以将激光光束成形为所需要的断面结构(光斑图形)，并且导引到被加工的半导体基板2。光学系统5还可以包括扫描机构，其对上述可以扫描的反射镜进行驱动，使得激光4可以独立于半导体基板2进行移动。激光4独立于半导体基板2进行移动时，激光4相对于半导体基板2的被加工主面的入射角α(见图3)可以保持固定不变，也可以按需求随时改变。比如，当光学系统5包括可以扫描的反射镜；在90°≧α>0°的范围内，角度α可以固定在某个值，也可以按加工图形的形状需求改变。

需要说明的是，在图1中，虽然示出了光学系统5将激光4引导到半导体基板2的正面，但本实施例并不限于此，光学系统5可以将激光4引导到半导体基板2的正面和/或背面，例如：载物台3的中空结构使得半导体基板2的两个主面(即，正面和背面)都能够暴露在外，允许光束接近，光学系统5可以具有复数个光路，从而把复数个激光束引导至半导体基板2的任何一个位置，包括引导至半导体基板2的正面和背面，在各光路中，可以使用光波导作为导引部件对激光束进行引导。在本申请中，光学系统5将激光4分别引导到半导体基板2的正面和/或背面，由此，能够对半导体基板2的正面和背面的任何一者或二者进行加工。

图形生成系统6可以用来形成所要加工得到的微细结构的加工图形的电子信息。图形生成系统6可以包括电脑和绘图软件。加工图形的电子信息可以含有微细结构的尺寸、布局等信息。比如，图形生成系统6可以用绘图的方式生成3维的加工图形的电子信息，也可以用输入坐标的方式生成3维的加工图形的电子信息。

控制系统7可以根据加工图形来控制激光器1、载物台3、以及光学系统5。控制系统7包括电脑和控制软件。控制系统7可以与图形生成系统6共用一个电脑。控制系统7对于激光器1的控制，可以包括控制激光器1的开和关、强度、波形等。控制系统7对于载物台3的控制，可以包括控制载物台3的水平、垂直方向移动的移动距离和速度，以及在水平方向旋转的角度和旋转速度。控制系统7对于光学系统5的控制，可以包括控制光学系统5进行激光光束4断面结构的调整、激光4的扫描、激光4聚焦点的变化。当光学系统5包括可以扫描的反射镜时，控制光学系统5可以控制激光4的扫描范围、扫描速度以及激光4同半导体基板2的被加工主面的角度α(见图3)。

如图2b)和图2e)所示，当半导体基板2被固定在载物台3之上时，半导体基板2的两个主面2a和2b的需要被加工的部分都呈裸露状态。所以，上述激光加工装置可以对半导体基板2的两个主面2a和2b分别、或同时进行微细结构的加工。这样的加工，形成的微细结构的侧壁与半导体基板2的主面形成的角度可以在0°和90°之间(包括90°)。

上述激光加工装置还可以包括图形对准系统。图形对准系统包括图形对准标志的检测机制、对准机制。当需要对半导体基板2的两个主面分别、或同时进行微细结构的加工时，图形对准系统可以对半导体基板2的两个主面分别、或同时进行图形对准。

激光加工装置还可以包含废屑清除系统(未图示)，用来清除激光加工过程中产生的废屑。废屑清除系统可以设置在载物台3附近，便于及时清除废屑。比如，在载物台3附近设置一个真空吸引系统，将加工废屑及时清除。

如上所述，本实施例提供了一种在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置，通过导入激光光束的斜射机制、或半导体基板载物台的倾斜机制，使传统加工中难以实现的斜向加工成为可能，提高了微细结构加工的自由度。另一方面，能够用复数束激光对半导体基板分别、或者同时进行微细结构的加工，提高了激光直接加工方式的生产效率。

实施例2

本申请的实施例2提供一种在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置以及加工方法。图3是本实施例的示意图。本实施例中的激光加工装置具有实施例1所述的基本构造以及基本功能，在此省略相关描述。

如图3所示，本实施例的特点在于：激光加工装置100可以用复数束的激光(为简便起见，图3中只显示了4a和4b两束激光)对半导体基板2的一个主面2a分别、或同时进行微细结构8的加工。在加工过程中，激光4(包括4a和4b)相对于半导体基板2的被加工主面2a的入射角(比如激光4a与主面2a的夹角α)可以保持固定不变，也可以按需求随时改变。比如，在90°≧α>0°的范围内，角度α可以固定在某个值，也可以按加工图形的形状需求改变。这样，可以容易地得到侧壁与半导体基板的主面2a形成了所需要的角度的微细结构8。显然，这样的加工方式，可以使微细结构8中的各个单一图形的侧壁与半导体基板的主面2a所形成的角度相同，也可以不同。而且，还可以使微细结构8中的各个单一图形的深度、宽度等几何特征分别相同或不同。这样的高自由度是传统的光刻加刻蚀方式无法实现的。

在加工过程中，如图2c)所示，载物台3可以在X、Y、Z三个相互正交的三个主轴方向独立移动。另外，如图2d)所示，载物台3也可以在围绕Z轴旋转。

不同结构的布局的位置对准，可以用在微细结构8加工之前形成的对准标志9来进行。复数束的激光4a和4b的加工图形可以相同、也可以不同。

如上所述，本实施例能够用复数束激光在半导体基板的同一主面上分别、或同时进行微细结构的加工，并且激光相对于半导体基板的被加工主面的入射角可以保持固定不变，也可以按需求随时改变。这样，不仅可以提高激光直接加工方式的生产效率，也使得使传统加工中难以实现的斜向加工、以及不同角度和不同深度的加工成为可能，提高了微细结构加工的自由度。

实施例3

本申请的实施例3提供另一种在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置以及加工方法。图4是本实施例的示意图。本实施例中的激光加工装置具有实施例1所述的基本构造以及基本功能，在此省略相关描述。

如图4所示，本实施例的特点在于：激光加工装置100可以用复数束的激光(为简便起见，图4中只显示了4a和4b两束激光)对半导体基板2的两个不同的主面2a和2b分别、或同时进行微细结构8(包括8a、8b)的加工。在这一点上，本实施例与实施例2基本相同。相同点不再详述。本实施例区别于实施例2的关键点在于：在加工过程中，载物台3相对于水平方向没有倾斜，光束4a相对于基片2的表面倾斜，光束4b相对于基片2的表面垂直。

如上所述，本实施例能够用复数束激光在半导体基板的一个主面上分别、或同时进行微细结构的加工，并且激光和载物台都可以倾斜，使得激光相对于被加工体的半导体基板的主面的入射角更可以灵活变化。这样，不仅可以使传统加工中难以实现的斜向加工、以及不同角度和不同深度的加工成为可能，提高了微细结构加工的自由度,也可以提高激光直接加工方式的生产效率。

实施例3

本申请的实施例3提供另一种在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置以及加工方法。图5是本实施例的示意图。本实施例中的激光加工装置具有实施例1所述的基本构造以及基本功能，在此省略相关描述。

如图5所示，本实施例的特点在于：激光加工装置100可以用复数束的激光(为简便起见，图5中只显示了4a和4b两束激光)对半导体基板2的一个主面2a分别、或同时进行微细结构8的加工。在加工过程中，载物台3在X轴、Y轴、Z轴方向的平移，围绕Z轴的旋转，以及相对于水平方向的倾斜是相互独立的，但是根据需要可以同时进行。因为被加工体半导体基板2固定在载物台3上面，载物台3的位置变化等同于半导体基板2的位置变化。

激光4(包括4a和4b)相对于半导体基板2的被加工主面2a的入射角(比如激光4a与主面2a的夹角α)可以保持固定不变，也可以按需求随时改变。比如，在90°≧α>0°的范围内，角度α可以固定在某个值，也可以按加工图形的形状需求改变。这样，可以容易地得到侧壁与半导体基板的主面2a形成了所需要的角度的微细结构8。显然，这样的加工方式，可以使微细结构8中的各个单一图形的侧壁与半导体基板的主面2a所形成的角度相同，也可以不同。而且，还可以使微细结构8中的各个单一图形的深度、宽度等几何特征分别相同或不同。这样的高自由度是传统的光刻加刻蚀方式无法实现的。

在加工过程中，载物台3相对于水平方向倾斜一个角度φ，90°>φ>-90°。

此外，在加工过程中，如图2c)所示，载物台3可以在X、Y、Z三个相互正交的三个主轴方向独立移动。另外，如图2d)所示，载物台3也可以在围绕Z轴旋转。

在加工过程中，载物台3在X轴、Y轴、Z轴方向的平移，围绕Z轴的旋转，以及相对于水平方向的倾斜是相互独立的，但是根据需要可以同时进行。因为被加工体半导体基板2固定在载物台3上面，载物台3的位置变化等同于半导体基板2的位置变化。

不同结构的布局的位置对准，可以用在微细结构8加工之前形成的对准标志9来进行。复数束的激光4a和4b的加工图形可以相同、也可以不同。

如上所述，本实施例能够用复数束激光在半导体基板的一个主面上分别、或同时进行微细结构的加工，并且激光相对于半导体基板的被加工主面的入射角可以保持固定不变，也可以按需求随时改变。这样，不仅可以使传统加工中难以实现的斜向加工、以及不同角度和不同深度的加工成为可能，提高了微细结构加工的自由度,也可以提高激光直接加工方式的生产效率。

实施例5

本申请的实施例5提供另一种在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置以及加工方法。图6是本实施例的示意图。本实施例中的激光加工装置具有实施例1所述的基本构造以及基本功能，在此省略相关描述。

如图6所示，本实施例的特点在于：激光加工装置100可以用复数束的激光(为简便起见，图6中只显示了4a和4b两束激光)对半导体基板2的两个不同的主面2a和2b分别、或同时进行微细结构8(包括8a、8b)的加工。在加工过程中，载物台3相对于水平方向倾斜一个角度φ，90°>φ>-90°。在这一点上，本实施例与实施例2-4基本相同。相同点不再详述。本实施例区别于实施例2-4的关键点在于：激光4(包括4a、4b)的方向基本保持固定，比如，基本上平行相对于Z轴。这样的好处是：激光4的控制系统可以相对简单，却可以基本实现实施例2-4所述的微细加工。

如上所述，本实施例能够用复数束激光在半导体基板的两个主面上分别、或同时进行微细结构的加工，并且载物台都可以倾斜。这样，不仅可以使传统加工中难以实现的斜向加工、以及不同角度和不同深度的加工成为可能，提高了微细结构加工的自由度,也可以提高激光直接加工方式的生产效率。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (10)

1.一种在基板上形成微细结构的激光加工装置，其特征在于，所述激光加工装置包括：

激光器，其发出激光；

载物台，其承载基板；

光学系统，其将所述激光器发出的激光导引到所述基板，从而向所述基板照射光束,所述光束相对于所述基板的表面倾斜；

图形生成系统，其形成微细结构的加工图形；以及

控制系统，其根据所述加工图形控制所述激光器、所述载物台以及所述光学系统。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其中，所述激光器有复数个激光发光光源。

3.如权利要求1所述的激光加工装置，其中，所述载物台使所述基板的表面相对于水平方向倾斜转动。

4.如权利要求2所述的激光加工装置，其中，所述的载物台还在水平方向和/或与所述水平方向垂直的方向移动，并且，绕与所述水平方向垂直的轴旋转。

5.如权利要求1所述的激光加工装置，其中，所述光学系统包括激光光束的成形部件以及导引部件，

其中，所述成形部件将所述激光器发出的激光成形为具有预定的光斑图形的光束，

所述导引部件将所述光束引导到所述基板。

6.如权利要求5所述的激光加工装置，其中，所述的导引部件包括能扫描的反射镜。

7.如权利要求5所述的激光加工装置，其中，所述导引部件将所述光束引导到所述基板的正面和/或背面。

8.如权利要求5所述的激光加工装置，其中，所述光学系统还包括扫描机构，其调整所述光束的射出方向，从而改变所述光束与所述基板的表面的角度。

9.如权利要求1所述的激光加工装置，其中，所述激光加工装置还包括图形对准系统，所述图形对准系统将所述基板的待加工的表面与预定的图形进行对准。

10.一种在基板上形成微细结构的激光加工方法，其特征在于，所述激光加工方法包括：

由激光器发出激光；

由载物台承载基板；以及

由光学系统将所述激光器发出的激光导引到所述基板，从而向所述基板照射光束,所述光束相对于所述基板的表面倾斜，

其中，由控制系统根据微细结构的加工图形控制所述激光器、所述载物台以及所述光学系统。

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