CN113385811B - 一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜，在双面沉积金属薄膜的压电晶圆表面各涂覆一层保护膜，保护膜由光刻胶、丙酮、醚及醋光刻胶稀释剂混合而成；将保护膜混合物种的组份合计定为质量比时，光刻胶：30‑50质量比，丙酮：10‑30质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：20‑40质量比；保护膜厚度为1‑20μm，保护膜粗糙度控制在2μm以下。本发明利用表面保护膜作为热牺牲层，可以有效解决激光加工表面带金属层的透明材料所产生的热烧蚀层，提高切割加工质量及生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜，属于电子元器件加工技术领域。
背景技术
随着传感器技术的进步，传感器敏感元件愈发向着尺寸小(小于5mm)、厚度薄(小于0.5mm)的方向发展。如石英晶体晶圆、蓝宝石晶体晶圆等透明硬质材料，时常作为传感器敏感元件或是敏感元件基底材料。为了使敏感元件的电荷收集可靠性更高或添加功能层等，常常在晶圆的两面进行金属成膜，给成型加工方法提出了更高的要求。
激光加工具有热影响区较小，加工效率较高等优点。如皮秒脉冲激光器，其光斑直径约为几十微米，且便于完成打孔、不规则图形加工成型。但在实际工艺过程中，由于激光不是理想的垂直入射被切割表面，故会在被切割界面处产生折射、反射问题，如图1所示。以200μm厚度透明硬质石英晶圆为例，激光会对入射点附近500μm范围内的金属层造成严重烧伤，且其具有在工艺过程中易产生划伤和飞溅残渣的缺点，严重影响材料加工质量。
因此，对于使用激光加工表面具有金属层的透明硬质晶圆时，仍然面临着激光折射烧蚀金属层、金属层易划伤和加工后表面污染严重等问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服激光切割加工中，由于激光折射烧蚀基材表面金属层、加工过程中表面划伤、粉末溅射污染及工艺稳定性差等技术问题，提出一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜，在激光加工时充当热牺牲层，通过吸收在加工过程中积累在金属层内的热量，可避免由于激光折射造成的金属层烧蚀，并可有效降低加工过程中粉末飞溅污染及表面划伤的风险，显著提升加工质量。
本发明解决技术的方案是：
一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜，在双面沉积金属薄膜的压电晶圆表面各涂覆一层保护膜，保护膜由光刻胶、丙酮、醚及醋光刻胶稀释剂混合而成；将保护膜混合物种的组份合计定为质量比时，光刻胶：30-50质量比，丙酮：10-30质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：20-40质量比；
保护膜厚度为1-20μm，保护膜粗糙度控制在2μm以下。
进一步的，通过喷涂或旋涂方式在两个表面金层图形上均覆盖一层保护膜。
进一步的，压电晶圆为石英晶圆或蓝宝石晶圆或碳化硅晶圆。
进一步的，压电晶圆厚度为0.2mm-1mm。
进一步的，金属薄膜为20℃电阻率小于11Ω·m且导热系数大于200W/m·k的金属或其合金。
进一步的，金属薄膜为Al、Ag、Au、Cu、Pt或金属复合材料中的一种。
进一步的，金属薄膜厚度为10nm-500nm。
进一步的，保护膜的喷胶过程为：
保护层制备工序操作在暗室中进行，光线为黄色光；
清洁膜片表面：首先对光检查膜片应无污物，如有污物可用丙酮脱脂棉轻轻擦去，然后用氮气枪吹干；
胶液配制：保护膜混合物种的组份合计定为质量比时，光刻胶：30-50质量比，丙酮：10-30质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：20-40质量比，在烧杯内配制好喷胶液，充分摇匀；
启动喷胶机，先以最大胶量用丙酮冲洗管路3～5min，将胶液吸入至喷胶机吸管内，待胶路变为红色后以最大胶量上胶30～40S后，胶量：2-5ml/min，步进5-10mm，热板温度20-40℃，摆臂速度80-120mm/s，重复喷涂2-3次，一面喷胶完成翻面重复上述喷胶过程；
将带有喷好胶的膜片移至热盘上，后烘(100±5)℃，烘胶10-20min。
进一步的，保护膜的匀胶过程为：
保护层制备工序操作在暗室中进行，光线为红色或黄色光；
清洁烘干膜片表面：首先对光检查膜片应无污物，如有污物可用丙酮脱脂棉轻轻擦去，然后用氮气枪吹干；
胶液配制：保护膜混合物种的组份合计定为质量比时，光刻胶：30-50质量比，丙酮：10-30质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：20-40质量比，在烧杯内配制好喷胶液，充分摇匀；
清洁匀胶机滴胶管端头凝固的残胶；
将膜片放在工件台上，膜片进行滴胶、匀胶和甩胶操作，等待膜片停止转动后，取下膜片；
热板设定温度90-120℃，达到设定温度后放置晶片，匀胶面朝上，计时60-120s；
匀胶：晶片翻面，进行第二面匀胶，重复上述工序；
热板设定温度90-120℃，达到设定温度后放置晶片，匀胶面朝上，计时60-120s。
进一步的，滴胶速度(0.25～0.5)s/滴，甩胶转速(1500～3500)转/分，时间(2～5)s，匀胶转速(4500～6000)转/分，时间(30～50)s。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明利用表面保护膜作为热牺牲层，可以有效解决激光加工表面带金属层的透明材料所产生的热烧蚀层，提高切割加工质量及生产效率；
(2)本发明的表面保护膜可以有效防止材料表面在进行激光划切工艺过程中发生划伤的问题，提升工艺成品率和工艺可操作性；
(3)本发明的表面保护膜可以在工艺过程中吸附激光划切产生的飞溅污染，且易于去除，保证了被划切材料的洁净度，有效解决了激光划切产生的污染问题；
(4)本发明可用于各种双面镀金属透明硬质晶圆小型化加工，适用范围宽，可应用于各种表面带电极的微小异型结构加工成型，有效提升材料激光加工质量。
附图说明
图1为激光光束在双面镀金透明硬质晶圆内部折射、反射示意图；
图2为本发明所述表面保护膜的工作原理图；
图3为本发明采用的表面保护膜结构图；
其中：100-透明硬质压电晶圆；101-晶圆表面沉积的金属薄膜；102-表面保护膜；21-入射激光；22-晶圆内部反射激光；3-被保护膜吸收的激光能量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
如图2、3所示，所述保护膜在双面沉积金属薄膜的压电晶圆表面各涂覆一层保护膜，其保护膜是由光刻胶、丙酮、及醚及醋光刻胶稀释剂混合而成；其厚度为1-20μm；
所述102表面保护膜，通过喷涂或旋涂方式在两个表面金层图形上均覆盖一层保护膜；
所述102表面保护膜粗糙度控制在2μm以下；
将保护膜混合物种的组份合计定为100质量比时，光刻胶：30-50质量比，丙酮：10-30质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：20-40质量比；
所述透明硬质晶圆为石英晶圆、蓝宝石晶圆、碳化硅晶圆等，厚度在0.2mm以上，1mm以下；
金属薄膜为Al、Ag、Au、Cu、Pt或金属复合材料，厚度在10nm以上，500nm以下；
入射激光21为使用皮秒或飞秒激光器产生，加工尺寸在1mm以上，10mm以下。
金属种类选取：
常用电极材料，要求导电能力良好(20℃电阻率小于11Ω·m)、与基底结合力良好、导热能力良好(导热系数＞200W/m·k)、常温稳定性好的金属或其合金。
金属薄膜厚度在10nm～500nm之间，金属薄膜过薄电阻率会变大，无法起到电荷收集作用，且受制于成膜手段，电极过薄容易导致膜层连续性变差，影响膜层功能性；
膜层过厚则会使热量来不及传到至保护层，在界面处造成烧蚀，影响器件质量。
保护膜工艺细节：
1)不同情况的保护膜厚度
实施例1
针对晶圆厚度200μm、金属层厚度10nm，金属层边缘距离激光入射点100μm的敏感元件制作激光加工保护膜，选取保护膜厚度10～20μm；成分配比为光刻胶：40质量比，丙酮：20质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：40质量比；粗糙度为1μm。通过旋涂或喷涂的方式成膜后，即可进行晶圆的激光加工。加工结果显示，成型的基片表面金属层形貌完好、无划伤，没有出现被折射、反射激光打伤的情况。
实施例2
针对晶圆厚度200μm、金属层厚度500nm，金属层边缘距离激光入射点100μm的敏感元件制作激光加工保护膜，选取保护膜厚度5-10μm；成分配比为光刻胶：40质量比，丙酮：20质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：40质量比；粗糙度为1μm。通过旋涂或喷涂的方式成膜后，即可进行晶圆的激光加工。加工结果显示，成型的基片表面金属层形貌完好、无划伤，没有出现被折射、反射激光打伤的情况。
实施例3
针对晶圆厚度1mm、金属层厚度10nm，金属层边缘距离激光入射点100μm的敏感元件制作激光加工保护膜，选取保护膜厚度1～10μm；成分配比为光刻胶：40质量比，丙酮：20质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：40质量比；粗糙度为1μm。通过旋涂或喷涂的方式成膜后，即可进行晶圆的激光加工。加工结果显示，成型的基片表面金属层形貌完好、无划伤，没有出现被折射、反射激光打伤的情况。
对比例1
针对实施例1，在单面使用表面保护膜(条件同实施例1)的情况下，进行晶圆的激光加工。加工结果检测发现在无表面保护膜的一侧，基片表面的金属层被折射、反射的激光束打伤且表面出现划伤，在使用保护膜的一侧金属层完好无损。
对比例2
针对实施例1，选取保护膜厚度1μm；成分配比为光刻胶：40质量比，丙酮：20质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：40质量比；粗糙度为3μm。通过旋涂或喷涂的方式成膜后，即可进行晶圆的激光加工。加工结果检测发现基片表面金属层在距离激光入射点300μm范围内出现被不连续的环状烧伤层。
对比例3
针对实施例1，选取保护膜厚度1μm；成分配比为光刻胶：20质量比，丙酮：40质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：40质量比；粗糙度为1μm。通过旋涂或喷涂的方式成膜后，即可进行晶圆的激光加工。加工结果检测发现基片表面金属层被折射、反射的激光束打伤。
2)保护层制备工艺
①喷胶过程
保护层制备工序操作在暗室中进行，光线为黄色光。
清洁膜片表面：首先对光检查膜片应无污物，如有污物可用丙酮脱脂棉轻轻擦去，然后用氮气枪吹干。
胶液配制：保护膜混合物种的组份合计定为100质量比时，光刻胶：30-50质量比，丙酮：10-30质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：20-40质量比，在烧杯内配制好喷胶液，充分摇匀。
启动喷胶机，先以最大胶量用丙酮冲洗管路3～5min，将胶液吸入至喷胶机吸管内，待胶路变为红色后以最大胶量上胶30～40S后，胶量：2-5ml/min，步进5-10mm，热板温度20-40℃，摆臂速度80-120mm/s，重复喷涂2-3次，一面喷胶完成翻面重复上述喷胶过程。
将带有喷好胶的膜片移至热盘上，后烘(100±5)℃，烘胶10-20min。
②匀胶过程
保护层制备工序操作在暗室中进行，光线为红色或黄色光。
清洁烘干膜片表面：首先对光检查膜片应无污物，如有污物可用丙酮脱脂棉轻轻擦去，然后用氮气枪吹干。
胶液配制：保护膜混合物种的组份合计定为100质量比时，光刻胶：30-50质量比，丙酮：10-30质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：20-40质量比，在烧杯内配制好喷胶液，充分摇匀。
清洁匀胶机滴胶管端头凝固的残胶。
将膜片放在工件台上，按下匀胶机的运行键，膜片进行滴胶、匀胶和甩胶操作，滴胶速度(0.25～0.5)s/滴，甩胶转速(1500～3500)转/分，时间(2～5)s，匀胶转速(4500～6000)转/分，时间(30～50)s。等待膜片停止转动后，取下膜片。
热板设定温度90-120℃，达到设定温度后放置晶片，匀胶面朝上，计时60-120s。
匀胶：晶片翻面，进行第二面匀胶，重复上述工序。
热板设定温度90-120℃，达到设定温度后放置晶片，匀胶面朝上，计时60-120s。
本发明利用表面保护膜作为热牺牲层，可以有效解决激光加工表面带金属层的透明材料所产生的热烧蚀层，提高切割加工质量及生产效率；
本发明的表面保护膜可以有效防止材料表面在进行激光划切工艺过程中发生划伤的问题，提升工艺成品率和工艺可操作性；
本发明的表面保护膜可以在工艺过程中吸附激光划切产生的飞溅污染，且易于去除，保证了被划切材料的洁净度，有效解决了激光划切产生的污染问题；
本发明可用于各种双面镀金属透明硬质晶圆小型化加工，适用范围宽，可应用于各种表面带电极的微小异型结构加工成型，有效提升材料激光加工质量。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (6)
1.一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜，其特征在于，在双面沉积金属薄膜的压电晶圆表面各涂覆一层保护膜，保护膜由光刻胶、丙酮、醚及醋光刻胶稀释剂混合而成；
将保护膜混合物种的组份合计定为质量比时，光刻胶：30-50质量比，丙酮：10-30质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：20-40质量比；
保护膜厚度为1-20μm，保护膜粗糙度控制在2μm以下；
通过喷涂或旋涂方式在两个表面金层图形上均涂覆一层保护膜；
保护膜的喷涂过程为：
保护层制备工序操作在暗室中进行，光线为黄色光；
清洁膜片表面：首先对光检查膜片应无污物，如有污物可用丙酮脱脂棉轻轻擦去，然后用氮气枪吹干；
胶液配制：保护膜混合物种的组份合计定为质量比时，光刻胶：30-50质量比，丙酮：10-30质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：20-40质量比，在烧杯内配制好喷胶液，充分摇匀；
启动喷胶机，先以最大胶量用丙酮冲洗管路3～5min，将胶液吸入至喷胶机吸管内，待胶路变为红色后以最大胶量上胶30～40S后，胶量：2-5ml/min，步进5-10mm，热板温度20-40℃，摆臂速度80-120mm/s，重复喷涂2-3次，一面喷胶完成翻面重复上述喷胶过程；
将带有喷好胶的膜片移至热盘上，后烘(100±5)℃，烘胶10-20min；
保护膜的旋涂过程为：
保护层制备工序操作在暗室中进行，光线为红色或黄色光；
清洁烘干膜片表面：首先对光检查膜片应无污物，如有污物可用丙酮脱脂棉轻轻擦去，然后用氮气枪吹干；
胶液配制：保护膜混合物种的组份合计定为质量比时，光刻胶：30-50质量比，丙酮：10-30质量比，醚及醋光刻胶稀释剂：20-40质量比，在烧杯内配制好喷胶液，充分摇匀；
清洁匀胶机滴胶管端头凝固的残胶；
将膜片放在工件台上，膜片进行滴胶、匀胶和甩胶操作，等待膜片停止转动后，取下膜片；
热板设定温度90-120℃，达到设定温度后放置晶片，匀胶面朝上，计时60-120s；
匀胶：晶片翻面，进行第二面匀胶，重复上述工序；
热板设定温度90-120℃，达到设定温度后放置晶片，匀胶面朝上，计时60-120s；
滴胶速度(0.25～0.5)s/滴，甩胶转速(1500～3500)转/分，时间(2～5)s，匀胶转速(4500～6000)转/分，时间(30～50)s。
2.根据权利要求1所述的一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜，其特征在于，压电晶圆为石英晶圆或蓝宝石晶圆或碳化硅晶圆。
3.根据权利要求2所述的一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜，其特征在于，压电晶圆厚度为0.2mm-1mm。
4.根据权利要求1所述的一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜，其特征在于，金属薄膜为20℃电阻率小于11Ω·m且导热系数大于200W/m·k的金属或其合金。
5.根据权利要求4所述的一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜，其特征在于，金属薄膜为Al、Ag、Au、Cu、Pt或金属复合材料中的一种。
6.根据权利要求4所述的一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜，其特征在于，金属薄膜厚度为10nm-500nm。
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