CN114273790B - 一种用于氮化镓在液相中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氮化镓在液相中刻蚀的飞秒激光加工装置及方法，将飞秒激光脉冲聚焦到位于液相池中的氮化镓衬底表面，以飞秒激光脉冲作用点为中心，控制三维移动平台调整扫描间距和进给量，进行逐条扫描以及逐层扫描；然后控制激光快门实现激光束垂直交叉扫描，通过使液相池中的去离子水保持固定水位，并以匀速流动带走加工区域的气泡，实现杂质的去除和表面质量的提高；最后调整激光参数，实现了对氮化镓衬底的快速、高质量凹槽刻蚀。本发明通过流动液相辅助飞秒激光垂直交叉逐条逐层扫描、连续进给的加工方式，极大地提升了凹槽的侧壁陡直度以及表面加工质量。

Description

一种用于氮化镓在液相中刻蚀的飞秒激光加工装置及方法

技术领域

本发明涉及氮化镓衬底材料刻蚀加工领域，具体涉及一种用于氮化镓凹槽在液相中刻蚀的飞秒激光加工装置及方法。

背景技术

氮化镓作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大，高临界击穿电场，化学性质稳定，高电子饱和迁移率等特点。大部分氮化镓基器件都需要进行凹槽刻蚀，如半导体激光器需要陡直的侧壁以形成良好的谐振腔，氮化镓高电子迁移率晶体管需要小角度的隔离台面以适合电极金属良好覆盖的要求。一直以来对氮化镓进行微加工都很困难，传统机械加工或湿法刻蚀等方法难以对其进行加工。

目前激光液相加工方法主要是利用激光与液相介质之间相互作用，可以减少加工过程中副产物的生成，还可以提高材料加工表面质量，进一步实现功能化材料的制备。但是，飞秒激光在液相环境下进行多道多次扫描加工时，会在刻蚀槽内产生大量带有杂质的气泡，该类型的气泡会吸收激光能量，吸收效果变化会导致到达材料表面的激光强度改变，从而破坏烧蚀过程中的稳定性，使得加工表面平整度较低；同时，扫描路径的不同也会严重影响凹槽深度、宽度、表面质量以及侧壁陡直度。由此需要一种流动液相装置来辅助飞秒激光加工，扫描路径采用垂直交叉扫描。

在专利申请号为201910316944.2的专利中，公开了一种射流约束飞秒激光超精密加工系统及方法，该装置中提出了飞秒激光经聚焦后与射流发生耦合作用并到达工件表面，同时化学溶液与工件已加工表面发生微腐蚀作用并去除表面变质层等缺陷，随后在水射流的作用下将加工及化学反应过程产生的碎屑等杂质清除；该专利所提到的化学溶液会对氮化镓表面进行氧化腐蚀，容易影响氮化镓的加工质量，而且氮化镓衬底材料相对较薄，水射流在氮化镓表面产生的冲击力会在加工区域产生微裂纹；

发明内容

本发明的目的是为解决飞秒激光加工精度相对不高、难以完成氮化镓衬底上凹槽刻蚀的侧壁陡直度要求(>85°)以及获得高质量的刻蚀表面，提出一种结构简单、设计制造成本低的用于氮化镓凹槽在液相中刻蚀的飞秒激光加工装置及方法。

本发明的第一发明目的是提供一种用于氮化镓凹槽在液相中刻蚀的飞秒激光加工装置，为实现该目的，本发明采用以下技术方案：

用于氮化镓凹槽在液相中刻蚀的飞秒激光加工装置，该加工装置包括激光源模块、激光聚焦模块、流动液相模块及可承载氮化镓衬底的三维移动平台；

所述激光源模块包括飞秒激光器、快门及扩束器，所述快门、扩束器以及所述的激光聚焦模块依次设置在飞秒激光器的投射光路上，产生飞秒激光脉冲，以飞秒激光脉冲作用点为中心，控制三维移动平台调整扫描间距和进给量，进行逐条扫描以及逐层扫描；

所述流动液相模块包括液相池以及与液相池相连的水泵和水阀；所述液相池设置在三维移动平台上，在其内承载有去离子水，在飞秒激光加工氮化镓衬底时会产生气泡使得能量吸收不均匀，在液相池上安装水泵及水阀控制去离子水保持固定水位，并以匀速流动带走加工区域的气泡。

本发明将飞秒激光脉冲聚焦到位于液相池中的氮化镓衬底表面，以飞秒激光脉冲作用点为中心，控制三维移动平台调整扫描间距和进给量，进行逐条扫描以及逐层扫描，且可以控制激光快门实现激光束垂直交叉扫描，通过使液相池中的去离子水保持固定水位，并以匀速流动带走加工区域的气泡，实现杂质的去除和表面质量的提高；最后调整激光参数，实现了对氮化镓衬底的快速、高质量凹槽刻蚀。本发明通过流动液相辅助飞秒激光垂直交叉逐条逐层扫描、连续进给的加工方式，极大地提升了凹槽的侧壁陡直度以及表面加工质量。

本发明的第二发明目的是提供一种利用上述系统进行氮化镓凹槽在液相中刻蚀的飞秒激光加工方法，具体如下：

步骤1将飞秒激光的焦平面校准至氮化镓衬底待刻蚀区域所在的表面；

步骤2根据所述待刻蚀区域的形状，对飞秒激光在该区域内的扫描路径进行规划，并根据逐条逐层扫描中对飞秒激光的扫描速度、扫描间距及逐层进给量的要求，确定飞秒激光在加工过程中的激光功率、扫描速度及重复频率，其中为实现垂直侧壁凹槽，扫描路径确定为垂直交叉扫描；

步骤3根据所述的激光功率、扫描速度、重复频率、扫描间距及逐层进给量，设置对应的飞秒激光的工艺参数组，然后使飞秒激光按照垂直交叉扫描路径及预设刻蚀深度对处于连续进给运动的氮化镓衬底的待刻蚀区域进行由表及里的逐条逐层连续扫描，同时，在刻蚀过程中加入辅助流动去离子水；

步骤4将完成刻蚀后的氮化镓衬底进行丙酮超声清洗，得到刻蚀结构。

以上一个或多个技术方案的有益效果为：

1.在本发明中通过控制水泵和阀门实现液相池内去离子水在保持一定高度匀速流动，将氮化镓衬底放置在装有流动去离子水液相池中，飞秒激光在液相中刻蚀氮化镓时会在加工区域产生气泡，动态的去离子水可以减少加工区域上的气泡，使得刻蚀凹槽表面平滑。

2.在飞秒激光进行垂直交叉扫描路径加工方式时，可以有效的获得侧壁陡直度较高的凹槽形状，通过控制加工工艺参数，即激光功率、扫描速度、扫描间距，重复频率，Z轴进给量等，可以在氮化镓衬底上刻蚀出目标深度50μm的侧壁陡直的凹槽形状。

3.本发明中的加工方式只需调整飞秒激光参数，不用考虑射流参数，在控制表面质量方面较容易操作，同时流动的去离子水也会进行加工过程中碎屑等杂质清除。与背景技术部分已授权专利的主要不同在于，氮化镓衬底浸泡在保持固定水位的去离子水中，同时该去离子水在进水泵和吸水泵的作用下进行匀速流动，其中去离子水不会对材料的加工表面进行腐蚀；在加工方法上采用垂直交叉扫描路径，容易实现氮化镓凹槽较高的侧壁陡直度，操作上只需控制激光参数以及移动平台，不需考虑射流的冲击力等因素。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为用于氮化镓凹槽刻蚀的飞秒激光流动液相加工装置总体结构示意图；

图2为用于氮化镓凹槽刻蚀的飞秒激光流动液相加工装置轴二测示意图；

图3为流动液相装置主视方向示意图；

图4为氮化镓衬底上激光垂直交叉刻蚀路径示意图；

图中：1.飞秒激光器；2.快门；3.扩束器；4.第一反射镜；5.第二反射镜；6.第三反射镜；7.CMOS相机；8.物镜转换器；9.液相池；10.进水泵；11.去离子水盛装容器；12.进水阀；13.收集容器；14.三维移动平台；15.吸水泵；16.吸水阀；17.氮化镓衬底。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本发明中的“X”“Y”“Z”轴为直线运动轴，为方便叙述，本发明中如果出现“X轴”、“Y轴”、“Z轴”等字样，仅表示与附图本身所在的坐标一致，并不对结构起限定作用，因此不能理解为对本发明的限制。

用于氮化镓凹槽刻蚀的飞秒激光流动液相加工方法的刻蚀原理：

当使用飞秒激光作用在液相(去离子水)层下的氮化镓衬底材料时，材料表面及激光束焦点附近的液体介质吸收激光能量，当材料内部晶格达到热力学临界温度时发生爆炸性的破裂，产生高温高压的等离子体而从材料表面脱离，材料发生改性，同时等离子体与其前沿接触区的液体中发生相变产生气泡并在液体的限制下产生冲击波。在液相加工时，表面产生的气泡会影响激光的能量吸收情况，使得材料加工表面颗粒分布不均匀。

因此，采用流动液相辅助飞秒激光加工可以使产生的气泡及时离开加工区域，通过吸水泵吸入出水管线进入收集容器中，并且有激光产生的烧蚀残渣也可以被气泡除去。通过流动液相辅助在进行材料加工时，样品表面被冷却，加工结构表面更加平滑整洁。

实施例1

本实施例中提出的用于氮化镓凹槽刻蚀的飞秒激光流动液相加工装置，如图1、图2所示，包括飞秒激光器1、快门2、扩束器3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、CMOS相机7、物镜转换器8、液相池9、进水泵10、去离子水盛装容器11、进水阀12、收集容器13、三维移动平台14、吸水泵15、吸水阀16。其中，快门2、扩束器3依次设置在飞秒激光器1的投射光路上，飞秒激光器1可以发射出中心波长为800nm，脉冲宽度35fs，脉冲重复频率为1kHz的飞秒激光，经过快门2可以调节激光器输出的脉冲重复频率，该快门2的响应速度可达5ms，分辨率为0.01ms，再次进入扩束器3可以调整激光光斑的束腰半径，从而影响激光刻蚀的质量。

上述的第一反射镜4与第二反射镜5相互平行，按照顺时针旋转，第一反射镜4与第二反射镜5与水平面夹角为135°，第三反射镜与水平面夹角为45°，由上述激光源模块(飞秒激光器1、快门2、扩束器3)产生的激光进入第一反射镜4可传输激光到位于正上方的第二反射镜5，再反射到与其保持水平的第三反射镜6上，经反射出来的激光垂直照射进图中的COMS相机7中，通过其聚焦激光光线进入物镜转换器8来更换不同NA的物镜实现不同光斑直径。

如图3所示，由物镜聚焦的激光照射在置于液相池9中的氮化镓衬底17上，所述液相池9固定于三维移动平台14上，将飞秒激光脉冲聚焦到位于液相池中的氮化镓衬底表面，以飞秒激光脉冲作用点为中心，可以通过控制三维移动平台调整扫描间距和进给量；该液相池9上通过进出水管线连接有控制进出水的进水泵10、进水阀12、吸水泵15及吸水阀16，再通过进水管线连接到去离子水盛装容器11中，通过出水管线连接到最后的收集容器13中。

进一步的，所述的液相池9侧壁连接进水阀12与吸水阀16之间凸台侧开有供去离子水流入的第一孔，第一孔与进水管线及进水阀12相连，通过控制阀门的大小，可以控制液体的进水速度。

进一步的，液相池9侧壁连接进水阀12与吸水阀16之间凸台侧开有供去离子水流入的第二孔，第二孔与吸水管线及吸水阀16相连，通过控制阀门的大小，可以控制液体的吸水速度。所述流动液相装置，通过控制水泵和水阀可以在保持液相池9中的去离子水位一定的情况下匀速循环流动，从而带动如图3所示的气泡离开加工区域，最后进入出水容器中。

本发明中通过控制水泵和阀门实现液相池内去离子水在保持一定高度匀速流动，将氮化镓衬底放置在装有流动去离子水液相池中，飞秒激光在液相中刻蚀氮化镓时会在加工区域产生气泡，动态的去离子水可以减少加工区域上的气泡，使得刻蚀凹槽表面平滑。

本实施例中的加工装置只需调整飞秒激光参数，不用考虑射流参数，在控制表面质量方面较容易操作，同时流动的去离子水也会进行加工过程中碎屑等杂质清除。氮化镓衬底浸泡在保持固定水位的去离子水中，同时该去离子水在进水泵和吸水泵的作用下进行匀速流动，其中去离子水不会对材料的加工表面进行腐蚀；在加工方法上采用垂直交叉扫描路径，容易实现氮化镓凹槽较高的侧壁陡直度，操作上只需控制激光参数以及移动平台，不需考虑射流的冲击力等因素。

实施例2

本实施例基于实施例1中公开的装置，提出了一种用于氮化镓凹槽刻蚀的飞秒激光流动液相加工方法，如图3、图4所示，包括如下步骤：

步骤1将飞秒激光的焦平面校准至氮化镓衬底待刻蚀区域所在的表面；凹槽刻蚀即指在材料表面加工出具有垂直侧壁的凹槽形状，具体指长度200μm、宽度200μm、深度为50μm的刻蚀；

步骤2根据所述待刻蚀区域的形状，对飞秒激光在该区域内的扫描路径进行规划，并根据逐条逐层扫描中对飞秒激光的扫描速度、扫描间距及逐层进给量的要求，确定飞秒激光在加工过程中的激光功率、扫描速度及重复频率，其中为实现垂直侧壁凹槽，扫描路径确定为垂直交叉扫描；

步骤3根据所述的激光功率、扫描速度、重复频率、扫描间距及逐层进给量，设置对应的飞秒激光的工艺参数组，然后使飞秒激光按照垂直交叉扫描路径及预设刻蚀深度50μm对处于连续进给运动的氮化镓衬底的待刻蚀区域进行由表及里的逐条逐层连续扫描，同时，在刻蚀过程中加入辅助流动去离子水；所述工艺参数组采用单因素试验，具体参数设置如下：激光波长800nm，激光脉冲宽度为35fs，脉冲重复频率1kHz，数值孔径为0.4的物镜，激光功率为4mW-8mW，扫描速度为100μm/s-400μm/s，重复频率为600Hz-1000Hz扫描间距为4μm-8μm，进给量为1μm-4μm；

步骤4将完成刻蚀后的氮化镓衬底进行10分钟的无水乙醇及5分钟的丙酮超声清洗，得到刻蚀结构。

本实施例根据所需刻蚀区域需要侧壁陡直的凹槽形状，对氮化镓衬底的刻蚀设计路径进行了规划。且加工区域是以矩形为基础图形的刻蚀区域，可供使用的刻蚀路径为垂直交叉扫描，如图4所示，途中以光束底部圆形区域为激光束的光斑，虚线箭头代表激光束在氮化镓衬底上的待刻蚀区域内的扫描移动方向。

对于图4中的非连续扫描路径，依靠激光快门2的通断配合激光束的跳转运动，整个跳转运动由三维移动平台14进行控制；在激光快门2关闭时，激光束扫描单元运动到下一非连续扫描路径，随机开启激光快门2，激光射出进而继续刻蚀加工。在上述过程中，非连续扫描路径的改变依靠四个参数进行调节，分别是开光延时、关光延时、拐角延时及结束延时；其中，拐角延时用在激光束进行90°旋转时。

上述垂直交叉刻蚀路径已实现侧壁陡直的凹槽形状的加工，为实现所要求的刻蚀深度及质量，需确定飞秒激光的激光功率、扫描速度、重复频率、扫描间距及逐层进给量。

氮化镓衬底刻蚀质量指的是在50μm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。对于氮化镓衬底而言，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。

本发明对氮化镓衬底的飞秒激光流动液相刻蚀过程中，通过飞秒激光加工装置调节加工参数，旨在实现刻蚀区域的深度误差可控制在±1％以内，表面粗糙度可达1μm以下，凹槽的侧壁陡直度>85°。

进一步的，所述的氮化镓凹槽刻蚀的飞秒激光流动液相加工方法中，通过对飞秒激光在刻蚀区域内的扫描路径进行规划，为实现侧壁陡直的凹槽加工，扫描路径确定为垂直交叉扫描，即为沿X轴方向加工后，加工方向改变90°沿Y轴进行再次加工。

进一步的，所述的激光功率、扫描速度、重复频率、扫描间距及逐层进给量，设置对应的飞秒激光的工艺参数组，然后使飞秒激光按照垂直交叉扫描路径及预设刻蚀深度50μm对处于连续进给运动的氮化镓衬底的待刻蚀区域进行由表及里的逐条逐层连续扫描。

进一步的，所述流动液相辅助，即在激光对置于液相池9中加工时，开启进水泵10使去离子水由去离子水盛装容器11经过管线进入液相池9中，当水位达到目标水位时，开启吸水泵15，通过调整进水阀12及吸水阀16，实现在水位保持一定的情况下，液体匀速循环。

进一步的，将完成刻蚀后的氮化镓衬底进行10分钟的无水乙醇及5分钟的丙酮超声清洗，得到刻蚀结构。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种用于氮化镓在液相中刻蚀的飞秒激光加工装置，其特征在于，包括激光源模块、激光聚焦模块、流动液相模块及可承载氮化镓衬底的三维移动平台；

所述激光源模块包括飞秒激光器、快门及扩束器，所述快门、扩束器以及所述的激光聚焦模块依次设置在飞秒激光器的投射光路上，用于产生飞秒激光脉冲；所述流动液相模块包括液相池以及与液相池相连的水泵和水阀；所述液相池设置在三维移动平台上，在其内承载有去离子水，在飞秒激光加工氮化镓衬底时会产生气泡使得能量吸收不均匀，在液相池上安装水泵及水阀控制去离子水保持固定水位，并以匀速流动带走加工区域的气泡；所述的液相池上设有进水口和出水口，所述的进水口通过进水泵、进水阀、进水管与去离子水盛装容器相连，所述的出水口通过出水管、吸水泵、吸水阀与收集容器相连；

将飞秒激光脉冲聚焦到位于液相池中的氮化镓衬底表面，以飞秒激光脉冲作用点为中心，控制三维移动平台调整扫描间距和进给量，进行逐条扫描以及逐层扫描，且控制激光快门实现激光束垂直交叉扫描，通过使液相池中的去离子水保持固定水位，并以匀速流动带走加工区域的气泡，实现杂质的去除和表面质量的提高；最后调整激光参数，实现了对氮化镓衬底的快速、高质量凹槽刻蚀。

2.根据权利要求1所述的用于氮化镓在液相中刻蚀的飞秒激光加工装置，其特征在于，所述的飞秒激光器、快门及扩束器在同一平面内。

3.根据权利要求1所述的用于氮化镓在液相中刻蚀的飞秒激光加工装置，其特征在于，所述激光聚焦模块包括依次设置的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、相机及物镜转换器；按照顺时针旋转，第一反射镜与第二反射镜与水平面夹角为135°，第三反射镜与水平面夹角为45°，所述的相机及物镜转换器用于采集输出激光在加工面处的图像，以辅助对焦。

4.利用权利要求1-3任一所述的用于氮化镓在液相中刻蚀的飞秒激光加工装置进行加工的方法，其特征在于，如下：

步骤1将飞秒激光的焦平面校准至氮化镓衬底待刻蚀区域所在的表面；

步骤2根据所述待刻蚀区域的形状，对飞秒激光在该区域内的扫描路径进行规划，并根据逐条逐层扫描中对飞秒激光的扫描速度、扫描间距及逐层进给量的要求，确定飞秒激光在加工过程中的激光功率、扫描速度及重复频率，其中为实现垂直侧壁凹槽，扫描路径确定为垂直交叉扫描；

步骤3根据所述的激光功率、扫描速度、重复频率、扫描间距及逐层进给量，设置对应的飞秒激光的工艺参数组，然后使飞秒激光按照垂直交叉扫描路径及预设刻蚀深度对处于连续进给运动的氮化镓衬底的待刻蚀区域进行由表及里的逐条逐层连续扫描，同时，在刻蚀过程中加入辅助流动去离子水；

步骤4将完成刻蚀后的氮化镓衬底进行丙酮超声清洗，得到刻蚀结构。

5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，所述步骤1中，焦平面校准具体包括以下步骤：所述飞秒激光器产生的激光光束透过快门及扩束器进入第一反射镜，通过光路反射进入正上方的第二反射镜，再经过第三反射镜的调整垂直进入相机，可以辅助光线进入物镜，实现聚焦在放置于液相池中氮化镓衬底的表面。

6.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，所述步骤2中，垂直交叉扫描路径即为沿X轴方向加工后，加工方向改变90°沿Y轴进行再次加工。

7.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，所述步骤2中，逐条扫描即为在固定的扫描间距下，进行逐条扫描以实现目标形状刻蚀；逐层扫描即为在逐条扫描完毕后固定的进给量下，进行逐层扫描，以实现目标形状刻蚀。

8.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，所述步骤3中，流动液相选择去离子水，去离子水经过进水泵从去离子水盛装容器中进入液相池，通过控制进水阀来控制进水速度；当液相池中达到目标水位时，控制吸水泵将去离子水吸出到收集容器里，通过吸水阀控制出水速度，最终实现进水与出水速度平衡。