CN113210357A - 时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法及装置 - Google Patents

时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法及装置 Download PDF

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范丽莎
张群莉
王梁
姚喆赫
陈智君
吴国龙
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Abstract

一种时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，将待清洗基板放在三维移动平台上，移动三维移动平台使待清洗基板表面位于激光聚焦焦点下方；通过两聚焦镜将双束脉冲激光束聚焦于待清洗基板表面上方气体中诱导气体击穿，所述双束脉冲激光束由两个激光器产生得到，双束脉冲激光束之间的延迟时间由数字延迟发生器调控，两光束之间的时间间隔在0‑100μs之间；产生等离子体冲击波，在冲击波力作用下，待清洗基板上的微纳米颗粒污染物被擦除，从待清洗基板表面飞离。以及提供一种时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒装置。本发明能在保留传统激光诱导等离子体清洗技术优势的同时能有效去除冲击波正下方的残余颗粒，提高清洗效率。

Description

时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法及装置
技术领域
本发明涉及表面清洗技术，特别涉及一种时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法。
背景技术
颗粒污染会降低集成电路、微型机械、精密光学元器件等产品的性能，严重时会导致产品报废。传统的机械清洗与化学清洗方法,如机械洗刷、化学液浸泡和超声清洗等,存在破坏基板及二次污染的问题，且此类方法对直径小于100nm的颗粒清洗效率低下。
激光诱导等离子体清洗是在气体氛围中聚焦，诱导气体电离产生等离子体冲击波，利用波的力作用去除被污染表面的纳米颗粒。该技术避免了激光与基体的直接相互作用，可以有效去除纳米级颗粒，控制方便、效率高且对基板无损伤，但研究发现单脉冲诱导等离子体清洗技术在去除纳米颗粒时冲击波正下方会有残余未清洗区，这不仅降低了冲击波清洗的效率还制约了其应用。
发明内容
为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法及装置，能在保留传统激光诱导等离子体清洗技术优势的同时能有效去除冲击波正下方的残余颗粒，提高清洗效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，包括以下步骤：
1)，将待清洗基板放在三维移动平台上，移动三维移动平台使待清洗基板表面位于激光聚焦焦点下方或上方；
2)，通过两聚焦镜将双束脉冲激光束聚焦于待清洗基板表面上方或下方气体中诱导气体击穿，所述双束脉冲激光束由两个激光器产生得到，双束脉冲激光束之间的延迟时间由数字延迟发生器调控，两光束之间的时间间隔在0-100μs之间；产生等离子体冲击波，在冲击波力作用下，待清洗基板上的微纳米颗粒污染物被擦除，从待清洗基板表面飞离。
进一步，所述三维移动平台由计算机控制系统控制，其移动精度<25μm，优选为5μm。
再进一步，所述待清洗基板与三维移动平台通过双面胶带粘结固定。
更进一步，所述双束脉冲激光束聚焦点在同一平面内，双束脉冲激光束的夹角在0-180度之间可调。
所述待清洗基板表面处于平行于所述双束脉冲激光束聚焦平面内，且在所述双束脉冲激光束聚焦点正下方或正上方。
产生于激光器的双束脉冲激光束分别由一聚焦镜聚焦，所述双束脉冲激光束中至少有一束能单独击穿气体诱导产生等离子体冲击波。
述双束脉冲激光束的能量比值在10：1-1:1之间可调。
所述双束脉冲激光束的单脉冲能量范围为100-1000mJ之间可调。
所述脉冲激光最后聚焦在待清洗基板表面上方诱导气体击穿，此气体包括氮气、氦气等惰性气体以及空气等。
所述的微纳米颗粒污染物的尺寸为0.01-1000μm。
一种时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒装置，包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、数字延迟发生器、反射镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、基板和三维移动平台，所述第一脉冲激光器、第二脉冲激光器均和数字延迟发生器连接，所述第一脉冲激光器的出射方向设置反射镜，所述反射镜的出射方向设置第一聚焦镜，所述第二脉冲激光器的出射方向设置第二聚焦镜，第一聚焦镜的出射光线和第二聚焦镜的出射光线汇聚在聚焦焦点，所述聚焦焦点位于基板的上方，所述基板固定在所述三维移动平台上。
所述三维移动平台与用于控制三维移动平台运动的计算机控制系统连接。
本发明使用两台激光器分别产生一束激光脉冲并聚焦于空间同一点，诱导气体击穿产生等离子体冲击波，待洗表面上的颗粒污染物受冲击波擦除作用而飞离。
本发明的有益效果主要表现在：通过调控不同延迟时间的双脉冲激光诱导气体击穿，产生等离子体冲击波，避免了激光与基体的直接相互作用，在保留了绿色环保、控制方便、对基板无损伤优势的同时，能通过产生的多等离子体与冲击波，有效去除单脉冲激光诱导冲击波清洗方法正下方的残余颗粒，提高清洗效率。
附图说明
图1为本发明所述时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法的装置图。
图2为所述双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法去除示意图。
图3为效果图，其中，a表示清洗基板13经微纳米颗粒污染物11污染的电镜图，b表示微纳米颗粒污染后的清洗基板13经双束激光诱导冲击波清洗后的电镜图；
其中，1第一脉冲激光器，2数字延迟发生器，3第二脉冲激光器，4第一脉冲激光束，5反射镜，6第二反射脉冲激光束，7第二脉冲激光束，8第一聚焦镜，9第二聚焦镜，10冲击波，11聚焦焦点，12微纳米颗粒污染物，13基板，14三维移动平台，15计算机控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，包括以下步骤：
1)，将待清洗基板13放在三维移动平台14上，移动三维移动平台14使待清洗基板13表面位于激光聚焦焦点11下方；
2)，通过两聚焦镜将双束脉冲激光束聚焦于待清洗基板13表面上方气体中诱导气体击穿，所述双束脉冲激光束由两个激光器产生得到，双束脉冲激光束之间的延迟时间由数字延迟发生器2调控，两光束之间的时间间隔在0-100μs之间；产生等离子体冲击波，在冲击波力作用下，待清洗基板13上的微纳米颗粒污染物12被擦除，从待清洗基板13表面飞离。
进一步，所述三维移动平台14由计算机控制系统15控制，其移动精度是5μm。
再进一步，所述待清洗基板13与三维移动平台14通过双面胶带粘结固定。
更进一步，所述待清洗基板13表面处于平行于激光聚焦光路的平面内，且在所述双束脉冲激光束聚焦点11正下方。
所述双束脉冲激光束聚焦点在同一平面内，双束脉冲激光束的夹角在0-180度之间可调。
产生于激光器的双束脉冲激光束分别由一聚焦镜聚焦，所述双束脉冲激光束中至少有一束能单独击穿气体诱导产生等离子体冲击波10。
所述双束脉冲激光束的能量比值在10：1-1:1之间可调。
所述双束脉冲激光束的单脉冲能量范围为100-1000mJ之间可调。
所述脉冲激光最后聚焦在待清洗基板13表面上方诱导气体击穿，此气体包括氮气、氦气等惰性气体以及空气等。
所述的微纳米颗粒污染物12的尺寸为0.01-1000μm。
一种时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒装置，包括第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器2、数字延迟发生器3、反射镜5、第一聚焦镜8、第二聚焦镜9、基板13和三维移动平台14，所述第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器2均和数字延迟发生器3连接，所述第一脉冲激光器1的出射方向设置反射镜5，所述反射镜5的出射方向设置第一聚焦镜8，所述第二脉冲激光器2的出射方向设置第二聚焦镜9，第一聚焦镜8的出射光线和第二聚焦镜9的出射光线汇聚在聚焦焦点11，所述聚焦焦点11位于基板13的上方，所述基板13固定在所述三维移动平台14上。
所述三维移动平台14与用于控制三维移动平台运动的计算机控制系统连15接。
本实施例的工作过程是：如图1所示，在三维移动平台14上固定待清洗基板13(例如单面抛光的硅圆晶片)，尺寸为15×15mm2，通过计算机控制系统15控制三维移动平台14的移动，以调节激光聚焦点11与硅圆晶片13表面的距离，此时待清洗基板13表面位于聚焦焦点11正下方。第一脉冲激光束6、第二脉冲激光7分别由两台Nd:YAG脉冲激光器1、3产生，其延迟时间由数字延迟发生器2控制。激光器1、3的工艺参数为：波长1064nm，脉宽6ns，频率10Hz，光斑直径0.5mm。聚焦镜9和聚焦镜10焦距为100mm，硅圆晶片13的表面污染颗粒12为聚苯乙烯胶乳纳米颗粒，平均直径为300nm。当激光空气击穿诱导冲击波与硅片表面的纳米颗粒接触时，颗粒会受力通过滚动去除的方式脱离表面飞入周围空气中，如图2所示。通过调节两脉冲激光的能量、脉冲次数、脉冲之间的延迟时间、以及激光聚焦点产生的冲击波核心与工件硅圆晶片表面的距离,调节出最佳激光冲击波去除硅圆晶片表面微纳米颗粒的参数。当激光能量过高和激光聚焦点与硅片表面的距离过小时,会造成硅片表面损伤；当激光能量过低和激光聚焦点与硅片表面的距离过大时，清洗的效率会大大降低；当双脉冲间延迟时间过大时，未能有效去除残余未清洗区域。通过实验，我们设定激光焦点距离硅片1mm,脉冲激光能量设置为150mJ,每一次的脉冲数为3,双脉冲延迟间隔为200ns。经检测，如图3所示，激光清洗前硅片硅圆晶片13的颗粒污物密度为48534颗/mm2，激光清洗后，硅圆晶片13表面的颗粒污物密度为2990颗/mm2，清洗效率达到93.84％。
本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)，将待清洗基板放在三维移动平台上，移动三维移动平台使待清洗基板表面位于激光聚焦焦点下方或上方；
2)，通过两聚焦镜将双束脉冲激光束聚焦于待清洗基板表面上方或下方气体中诱导气体击穿，所述双束脉冲激光束由两个激光器产生得到，双束脉冲激光束之间的延迟时间由数字延迟发生器调控，两光束之间的时间间隔在0-100μs之间；产生等离子体冲击波，在冲击波力作用下，待清洗基板上的微纳米颗粒污染物被擦除，从待清洗基板表面飞离。
2.如权利要求1所述的时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述三维移动平台由计算机控制系统控制，其移动精度<25μm。
3.如权利要求1或2所述的时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述待清洗基板与三维移动平台通过双面胶带粘结固定。
4.如权利要求1或2所述的时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述双束脉冲激光束聚焦点在同一平面内，双束脉冲激光束的夹角在0-180度之间可调。
5.如权利要求1或2所述的时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述待清洗基板表面处于平行于所述双束脉冲激光束聚焦平面内，且在所述双束脉冲激光束聚焦点正下方或正上方。
6.如权利要求1或2所述的时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，产生于激光器的双束脉冲激光束分别由一聚焦镜聚焦，所述双束脉冲激光束中至少有一束能单独击穿气体诱导产生等离子体冲击波。
7.如权利要求1或2所述的时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述双束脉冲激光束的能量比值在10：1-1:1之间可调。
8.如权利要求1或2所述的时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述双束脉冲激光束的单脉冲能量范围为100-1000mJ之间可调。
9.如权利要求1或2所述的时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法，其特征在于，所述脉冲激光最后聚焦在待清洗基板表面上方诱导气体击穿，此气体为惰性气体或空气。
10.一种如权利要求1所述的时间调控双束激光诱导冲击波清洗微纳米颗粒方法实现的装置，其特征在于，所述装置包括第一脉冲激光器、第二脉冲激光器、数字延迟发生器、反射镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、基板和三维移动平台，所述第一脉冲激光器、第二脉冲激光器均和数字延迟发生器连接，所述第一脉冲激光器的出射方向设置反射镜，所述反射镜的出射方向设置第一聚焦镜，所述第二脉冲激光器的出射方向设置第二聚焦镜，第一聚焦镜的出射光线和第二聚焦镜的出射光线汇聚在聚焦焦点，所述聚焦焦点位于基板的上方，所述基板固定在所述三维移动平台上。
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