CN114346337A - 一种磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔方法及系统 - Google Patents

一种磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔方法及系统，涉及特种加工领域，利用短脉冲激光“点扫”在半导体材料上表面指定位置处实现刻蚀，并利用激光在溶液中的空化作用驱动磨粒对加工表面冲击划擦，提高加工表面质量；同时激光辐照在材料内诱导产生出局域电导率增强区域，形成电流优先通过的瞬时定域导电通道；在半导体材料背面利用阴极针管电解加工激光扫描位置，带有磨粒的电解液以一定压力从阴极针管内射出，利用磨粒冲击作用破坏半导体材料下表面钝化层使得电解反应在局域电导率增强区域持续高效进行，从而在半导体材料上表面和下表面上形成位置对应的微孔对。本发明可获得表面质量好、上下位置严格对应的微孔结构。

Description

一种磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔方法及系统
技术领域
本发明涉及特种加工领域，尤其涉及到微小缝、孔、槽等结构的磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔方法及系统。
背景技术
以硅、锗为代表的半导体材料已广泛应用于集成电路、太阳能电池、微机电系统等领域，高效、精密、微细的应用场景对该类材料的高质量微加工提出了较高的要求。以集成电路制造为例，硅通孔技术TSV是三维集成电路中堆叠芯片实现互连的一种新的技术解决方案，能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大、芯片之间的互连线最短、外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能，成为目前电子封装技术中最引人注目的一种技术。晶片上的通孔加工是TSV技术的核心，目前通孔加工的技术主要有两种，即深反应离子刻蚀DRIE与激光打孔。DRIE是一种离子增强型化学反应，刻蚀系统使用RF供电的等离子源获得离子及化学上可反应的基团，经电场加速，以很强的方向性冲击晶圆，在未保护区域沿指定方向实现高速率刻蚀，同时引入附加气体来钝化保护孔侧壁，以获得高度各向异性的刻蚀效果。但是在上述刻蚀中，随着刻蚀深度的增加，在硅深孔内形成的部分反应物和生成物很难及时排出，导致对表面的损伤大，有污染，难以形成精细的图形，而且成本高。
激光打孔无需掩膜，避免了光刻胶涂布、光刻曝光、显影和去胶等工艺步骤，已取得重大进展。但激光打孔也有其不足，例如：如材料熔化再快速凝固，易在通孔表面形成球形瘤；通孔内壁粗糙度较大，难以淀积连续绝缘层；通孔内壁亚表面热损伤大，影响填充后孔的可靠性；制作通孔尺寸精确度低等。因此，激光打孔也无法独自满足未来更小孔径、高深径比的通孔加工要求。
经过对现有的技术检索发现，中国专利公开号为CN111682574A的专利公开了一种半导体垂直通孔形成方法及装置，通过微细电火花放电、微细电化学光整和侧壁钝化工艺，实现半导体垂直通孔的加工，但该方法中依次使用三种工艺，步骤较为繁琐，且未涉及群孔加工方面讨论。中国专利公开号为CN113146066A的专利公开了一种半导体材料激光电化学背向协同微加工方法，该方法利用针管射流电解液作为阴极，正极利用正向激光热效应定域提高硅、锗等半导体材料电导率，形成一条电流优先通过的定域到点通道，从而实现材料背面的定域电解。但由于热扩散、电解固有的杂散腐蚀及表面钝化等现象，该方法难以加工出高质量大深径比深孔。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明基于半导体材料电导率随温度升高而增强的特性，通过利用短脉冲激光“点扫”在材料上表面若干指定位置处诱导产生出局域电导率增强区域，形成电流优先通过的瞬时定域导电通道，并引入带有磨粒的混合液对材料“点扫”区域进行磨粒划擦钝化层；同时，在材料背面利用阴极针管引入电解加工，通过前期对刀步骤确保激光扫描位置与阴极针头位置相对应，进而在电导率定域增强的位置实现高效电化学阳极溶解，针头内有混合磨粒的电解液一定压力稳流射出，利用磨粒冲击作用破坏半导体材料下表面钝化层，实现阴极与阳极间电路实时导通，确保电解反应在电导率增强区域高效进行，射流可带走反应产生的气泡和杂质，同时微磨粒冲击可以去除电解过程中产生的氧化物附着，起到磨粒抛光效果，确保持续实现材料上表面激光热力效应与材料背面电化学阳极溶解稳定协同加工，从而获得了高质量电解加工微孔/坑，且微孔加工效率高、热损伤小、表面质量好，还可以移动半导体材料实现打群孔。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔的方法，利用脉冲激光在半导体材料上表面指定位置处实现刻蚀，同时脉冲激光在含磨粒电解液内、以及加工区域产生等离子体，引发强烈空化作用，驱动微磨粒对加工区域及附近表面产生冲击划擦；同时，脉冲激光通过光热、光电效应在半导体材料上表面加工位置处诱导产生出局域电导率增强区域，形成电流优先通过的瞬时定域导电通道；同时，在半导体材料下表面利用阴极针管电解加工激光扫描对应位置，带有磨粒的电解液以一定压力从阴极针管内射出，利用磨粒冲击作用破坏半导体材料下表面钝化层使得电解反应在局域电导率增强区域持续进行，最终可在半导体材料上表面和下表面上形成位置对应的微孔对。
上述方案中，激光辐照在半导体材料上表面，半导体材料作为阳极与直流脉冲电源的正极相接；直流脉冲电源的负极与阴极针管相接，带有磨粒的电解液通过锥形管以恒压射流形式引入到半导体材料上表面激光辐照位置；所述阴极针管设置在半导体材料下表面，带有磨粒的电解液通过阴极针管以恒压射流形式引入到半导体材料与阴极针管之间间隙。
上述方案中，所述半导体材料为电导率随温度升高而增加的半导体材料；所述阴极针管与半导体材料之间倾斜或者垂直相对。
一种磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔系统，包括激光加工系统、稳定微磨料射流生成系统、电解加工系统和运动控制系统；所述激光加工系统用来提供加工半导体材料的能量；所述稳定微磨料射流生成系统用来为阴极针管和锥形管提供带有微磨粒的电解液；所述电解加工系统用来电解加工半导体材料；所述运动控制系统用来调节半导体材料与阴极针管之间的位置关系。
上述方案中，所述稳定微磨料射流生成系统包括内槽、外槽、阴极针管、高耐压弹簧软管、第一单向阀、磨粒槽、混合腔、第二单向阀、电解液缸、活塞、活塞杆、伺服电机、联轴器、第一支撑座、滚珠丝杠、滑块、第二支撑座、电解液槽、过滤器、第三单向阀和节流阀；
所述伺服电机的输出端通过联轴器与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠两端分别通过第一支撑座和第三单向阀支撑，滚珠丝杠用来驱动滑块，所述滑块上铰接有活塞杆的一端，活塞杆的另一端连接的活塞用来压缩电解液缸，电解液缸输出端设置有第二单向阀，第二单向阀的输出端与混合腔连通，混合腔连接有磨粒槽，可根据需要向混合腔中注入磨粒；混合腔出口与阴极针管和锥形管连通，锥形管混合液流速由节流阀调节；电解液缸还与第三单向阀连接，第三单向阀将多余的电解液经过滤器过滤后流入电解液槽内；所述内槽和外槽的空间边缘有溢水管道，用于混合液及时排入回收槽。
上述方案中，还包括夹紧装置，所述夹紧装置可分为半导体材料夹紧装置和锥形管夹紧装置；所述半导体材料夹紧装置用来对半导体材料导向和定位；所述夹紧装置包括内六角螺栓、柔性压片和橡胶垫圈；所述内六角螺栓一端设置在内槽下端面上，且内六角螺栓上依次安装有柔性压片和橡胶垫圈；所述橡胶垫圈分别于半导体材料的上、下侧对应放置，通过螺栓施加预紧力，固定半导体材料，起到防漏水作用，下表面橡胶垫圈还可以避免半导体材料与内槽硬接触，起到保护缓冲作用；所述锥形管夹紧装置为激光固定胶管装置，通过激光固定胶管装置支撑并调节锥形管的射流方向。
上述方案中，所述运动控制系统包括阴极运动控制系统和阳极运动控制系统；所述阴极运动控制系统包括灵敏度压力传感器、Z轴微调升降器和计算机；所述半导体材料置于内槽下端面上，且内槽下端面上置有半导体材料位置处开设有一个通孔，阴极针管穿过通孔；所述Z轴微调升降器与灵敏度压力传感器连接，Z轴微调升降器用来调节半导体材料内壁与阴极针管之间的距离，当阴极针管射流与半导体材料下表面冲击压强过大时，灵敏度压力传感器有压力感知，所述计算机接收灵敏度压力传感器的压力信号后反馈给Z轴微调升降器做出相应的动作；所述Z轴微调升降器可跟随阴极针管加工位置变化而改变位置并固定；所述阳极运动控制系统包括可调杆架和计算机；所述可调杆架与内槽连接，可调杆架用来带动内槽作XYZ三向精密运动，完成半导体材料表面打群孔。
上述方案中，所述电解加工系统包括内槽、外槽、回收槽、电解液、电流探头、示波器和直流脉冲电源；所述阴极针管射出的电解液回流至内槽的电解液最终流向回收槽；半导体材料与直流脉冲电源的正极相连通；直流脉冲电源的负极与阴极针管相连通；所述电流探头用来检测是否存在电流，示波器用来显示电流情况。
上述方案中，通过控制阴极针管进给速度、指定深度停留时间，在半导体材料下表面可打出空泡结构的孔；通过微调半导体材料放置角度，可打出斜孔结构。
上述方案中，所述阴极针管除针头位置外其它位置外部均涂覆有绝缘层，内部涂覆有耐磨涂层；电解液为中性或酸性溶液；磨粒为绝缘材料制得；激光器为纳秒脉冲激光器或者皮秒脉冲激光器。
有益效果：
1.针对单晶硅等半导体材料高质量孔加工难题，提出利用短脉冲激光“点扫”策略在材料上表面若干指定位置处诱导产生出局域电导率增强区域,形成电流优先通过的瞬时定域导电通道；同时，在材料背面利用阴极针管引入电解加工，通过前期对刀步骤确保激光扫描位置与阴极针头位置相对应，进而在电导率定域增强的位置实现高效电化学阳极溶解。同时，利用电解液射流中的磨粒冲击作用破坏半导体材料下表面钝化层，实现阴极与阳极间电路实时导通，确保电解反应在电导率增强区域高效进行，射流可带走反应产生的气泡和杂质，同时微磨粒冲击可以实时去除电解过程中产生的氧化物附着，起到磨粒抛光效果，在下表面获得高质量微孔/坑；调节上表面激光束参数，可在上表面指定位置处实现刻蚀，同时高能激光在磨粒混合液内、以及加工区域产生等离子体，并伴随气泡产生、膨胀、破裂产生强烈空化作用，在加工区域附近诱导产生强烈微射流，进而带动微磨粒对加工区域及附近表面产生冲击与微划擦，从而减小上表面激光加工区域附近熔渣附着，防止切口产生重熔堆积，改善加工结构质量，并形成上下表面位置严格对应的微孔对。
2.本发明方法可高效高质量制备上下位置严格对应的微孔对，下方微孔由电解加工得到，上方微孔由激光刻蚀得到并经过微磨粒划擦提高表面质量。此外，合理调节加工参数，微孔对中间材料厚度可控制在极薄水平，在微机电系统、传感检测等领域有潜在应用价值。
3.本发明方法可行性高，针对群孔对加工，无需激光器和针头大幅度调整，只需移动半导体材料至下一个加工点，即可实现无工具损耗的激光电解自耦合协同加工。
4.本发明中将半导体材料倾斜放置，可以用此方法加工出高质量斜孔；控制针头进给速率，可以实现半导体材料内部“空泡结构”加工。
5.本发明的加工系统功能完善，易于组装实现。所设计的阴阳极位置调节装置结构简单，易于安装、检修。
6.本发明中的灵敏度压力计的作用为：当阴极针管射流与半导体材料下表面冲击压强过大时，灵敏度压力传感器有压力感知，计算机接收灵敏度压力传感器的压力信号后反馈给Z轴微调升降器做出相应的动作。
附图说明
图1为根据本发明实施例的激光电解自耦合协同打孔方法的系统示意图；
图2为本发明图1涉及到的稳定射流生成系统结构示意图：
图3为半导体材料与阴极针管之间垂直时加工倾斜群孔和空泡结构的示意图；
图4为半导体材料与阴极针管之间倾斜时加工倾斜群孔和空泡结构的示意图。
附图标记如下：
1-激光器；2-激光束；3-扩束镜；4-反光镜；5-振镜；6-激光固定胶管装；7-透镜；8-锥形管；9-内槽；10-内六角螺栓；11-柔性压片；12-橡胶垫圈；13-半导体材料；14-阴极针管；15-针管托架；16-灵敏度压力计；17-外槽；18-废液槽；19-Z轴微调升降器；20-高耐压弹簧软管；21-电解液；22-电流探头；23-基台；24-可调杆架；25-稳定微磨料射流生成系统；26-示波器；27-直流脉冲电源；28-计算机；29-第一单向阀；30-磨粒槽；31-混合腔；32-第二单向阀；33-电解液缸；34-活塞；35-活塞杆；36-滚珠丝杆；37-伺服电机；38-联轴器；39-第一支撑座；40-滑块；41-第二支撑座；42-电解液槽；43-过滤器；44-第三单向阀；45-节流阀；46-空泡结构；47-绝缘层；48-极薄半导体区域；49-斜孔结构。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结合附图1-4所示，一种磨粒辅助激光电解自耦合协同打孔系统，包括激光加工系统、稳定微磨料射流生成系统25、电解加工系统和运动控制系统；所述激光加工系统用来提供加工半导体材料13的能量；稳定微磨料射流生成系统25中混合液分为两部分，一部分供给阴极针管14形成恒压电解液射流21，另一部分供给锥形管8在半导体材料13上表面形成薄液层；电解加工系统用来电解加工半导体材料13；运动控制系统用来控制内槽9位置以及阴极针管14与半导体材料13之间的间隙，包括阴极运动控制系统和阳极运动控制系统；所述阴极运动控制系统包括灵敏度压力传感器16、Z轴微调升降器19和计算机28；所述半导体材料13置于内槽9下端面上，且内槽9下端面上置有半导体材料13位置处开设有一个通孔，阴极针管14穿过通孔；所述Z轴微调升降器19与灵敏度压力传感器16连接，Z轴微调升降器19用来调节半导体材料内壁与阴极针管14之间的距离，当阴极针管14射流与半导体材料13下表面冲击压强过大时，灵敏度压力传感器16有压力感知，所述计算机28接收灵敏度压力传感器16的压力信号后反馈给Z轴微调升降器19做出相应的动作；所述Z轴微调升降器19可跟随阴极针管14加工位置变化而改变位置并固定；所述阳极运动控制系统包括可调杆架24和计算机28；所述可调杆架24与内槽9连接，可调杆架24用来带动内槽9作XYZ三向精密运动，完成半导体材料13表面打群孔。
其中，所述夹紧装置可分为半导体材料夹紧装置和锥形管夹紧装置；所述半导体材料夹紧装置用来对半导体材料13导向和定位；所述夹紧装置包括内六角螺栓10、柔性压片11和橡胶垫圈12；所述内六角螺栓10一端设置在内槽9下端面上，且内六角螺栓10上依次安装有柔性压片11和橡胶垫圈12；所述橡胶垫圈12分别于半导体材料13的上、下侧对应放置，通过螺栓施加预紧力，固定半导体材料，可以起到防漏水作用，下表面橡胶垫圈还可以避免半导体材料13与内槽9硬接触，起到保护缓冲作用。所述锥形管夹紧装置为一种激光固定胶管装置6来固定锥形管8，并由激光固定胶管装置6调节射流方向。
所述激光加工系统包括激光器1、激光束2、扩束镜3、反光镜4、振镜5和透镜7；所述激光器1发出的激光束2经扩束镜3后经反光镜4改变光路后进入振镜5最终通过透镜7辐照在半导体材料13的上，通过计算机28控制所述激光器1发出的激光束2的参数。
所述电解加工系统包括内槽9、外槽17、回收槽19、电解液21、电流探头22、示波器26和直流脉冲电源27；所述阴极针管14射出的电解液回流至内槽9的电解液最终流向回收槽19；半导体材料13与直流脉冲电源27的正极相连通；直流脉冲电源27的负极与阴极针管14相连通；所述电流探头22用来检测是否存在电流，示波器26用来显示电流情况。
所述稳定微磨料射流生成系统25包括锥形管8、内槽9、阴极针管14、外槽17、高耐压弹簧软管20、第一单向阀29、磨粒槽30、混合腔31、第二单向阀32、电解液缸33、活塞34、活塞杆35、伺服电机37、联轴器38、第一支撑座39、滚珠丝杠36、滑块40、第二支撑座41、电解液槽42、过滤器43、第三单向阀44和节流阀45；所述伺服电机37的输出端通过联轴器38与滚珠丝杠36连接，滚珠丝杠36两端分别通过第一支撑座39和第三单向阀44支撑，滚珠丝杠36用来驱动上边设置的滑块40，所述滑块40上铰接有活塞杆35的一端，活塞杆35的另一端连接的活塞34用来压缩电解液缸33，电解液缸33输出端设置有第二单向阀32，第二单向阀32的输出端与混合腔31连通，混合腔31连接有磨粒槽30且出口流向阴极针管14和锥形管8，其中阴极针管14使用一种高耐压弹簧软管20连通并给予阴极针管14一定的操作灵活性，锥形管8混合液流速由节流阀45调节；电解液缸33还与第三单向阀44连接，第三单向阀44将多余的电解液经过滤器43过滤后流入电解液槽42内；所述内槽9和外槽17的空间边缘有溢水管道，以便于混合液及时排入回收槽19，且回收槽19内不同来源的回收液间保持绝缘。
所述阴极针管14对应半导体材料位置处为半导体材料13上要打群孔位置；在所述半导体材料13电解打群孔的孔深由计算机28控制，通过控制阴极针头进给速度、指定深度停留时间，可在半导体材料13下端面可打出空泡结构44的孔；通过微调半导体材料放置角度，可打出斜孔结构49。
结合附图1和4，一种半导体材料磨粒辅助激光电解自耦合协同打群孔方法，基于硅等半导体材料电导率随温度升高而增强的特性，利用短脉冲激光“点扫”在材料上表面若干指定位置处诱导产生出局域电导率增强区域，形成电流优先通过的瞬时定域导电通道；同时，在半导体材料13下表面利用外壁绝缘处理的阴极针管14引入电解加工，通过前期对刀步骤确保激光扫描位置与阴极针头位置相对应，进而在电导率定域增强的位置实现高效电化学阳极溶解，实现材料背面高效定域电解加工；阴极针管14中的电解液混有绝缘磨粒，利用磨粒冲击作用破坏半导体材料13下表面钝化层，实现阴极与阳极间电路实时导通，确保电解反应在电导率增强区域高效进行，射流可带走反应产生的气泡和杂质，同时微磨粒冲击可以实时去除电解过程中产生的氧化物附着，起到磨粒抛光效果，结合调节激光束2参数，可在上表面指定位置处实现刻蚀，同时高能激光在磨粒混合液内、以及加工区域产生等离子体，并伴随气泡产生、膨胀、破裂产生强烈空化作用，在加工区域附近诱导产生强烈微射流，进而带动微磨粒对加工区域及附近表面产生冲击与微划擦，从而减小上表面激光加工区域附近熔渣附着，防止切口产生重熔堆积，改善加工结构质量，最终形成上下表面位置严格对应、无再铸层、无热损伤、无残余应力的高质量、高深径比微孔对结构；激光器1发出的激光束2辐照在半导体材料13上，在半导体材料内形成局域高温区域，定域增强导电性能，半导体材料13与直流脉冲电源25的正极相接；直流脉冲电源25的负极与阴极针管14相接，阴极针管14针头以下镀绝缘层47，并与半导体材料13可垂直或斜置，使得其间始终存在间隙；混有磨粒的电解液通过阴极针管14以一定压力射流形式引入到阳极半导体材料13与阴极针管14之间间隙内，以加快电解液流动带走气泡等产物，确保加工持续稳定进行，使阴阳极间电路导通，半导体材料13背面电化学阳极溶解区域对应于激光束2快速“点扫”的辐照位置。
内槽9通过可调架杆25固定，阴极针管托架16通过Z轴微调升降器19固定，且灵敏度压力传感器18用来检测阴极针管14的射流状态，灵敏度压力传感器18、Z轴微调升降器20和可调架杆25和计算机26相连，可调架杆25在计算机29控制下升降以便阴极安装，Z轴微调升降器20在计算机29控制下负责阴极针管14在Z轴方向微调，当阴极针管14与半导体材料13接触或者射速过高时，灵敏度压力传感器18有压力感知，计算机26控制Z轴微调升降器20向下微调，使半导体材料9与针头微分离，实现持续可控加工，通过可调杆架25移动内槽9中半导体材料13下一个区域加工，最终完成打群孔。
附图1和图3的针管也可替换成其他形状，同时改变激光扫描路径，可在半导体材料背面获得不同形状的结构。
所述激光器1既可用常规纳秒脉冲激光器，也可采用皮秒/飞秒超短脉冲激光器。使用超短脉冲激光器有助于材料内温度场集中，可进一步增强材料下表面电解加工的定域性，提高加工质量。
电解液可选适当浓度的中性或酸性溶液，适当溶液浓度可以选用10％～30％。
磨粒可选适当粒径的绝缘材料颗粒，射流中的磨粒含量可根据实际需要进行调整。
示波器27与所述可调脉冲电源28之间设有电流探头22，示波器27连接在电流探头22上，提供直观的波形图，电流探头22连接在可调脉冲电源28上，电流探头22采集脉冲信号，传输到示波器27上。可调电源28的加入让加工更加精细的进行，记录脉冲和电流电压信号可以让装置快速配合激光器做出调整，让加工过程高效进行。
本实施例为半导体材料激光电解自耦合协同打群孔加工系统，激光器1输出激光束2，由扩束镜3扩大激光束直径，经反光镜4调节方向，由振镜5控制光束运动形式，最终经透镜7聚焦后，辐照到半导体材料13表面，定域提高半导体材料13内指定位置电导率。激光束2生成及振镜5的运动都由计算机29控制。
结合附图2，伺服电机37通过联轴器38带动滚珠丝杠36转动，滚珠丝杆36两端通过第一支撑座39与第二支撑座36支撑；通过与滚珠丝杠36匹配的滑块40将滚珠丝杠36的转动转化为活塞杆35的直线运动，从而推动电解液槽42中的电解液以恒速输出。电解液经第二单向阀29流入混合腔31，混合腔内同时流入有来自磨粒槽30经过第一单向阀29流入的磨粒，混合均匀后分别在阴极针管14和锥形管8形成稳定一定压力射流。第二单向阀29与第三单向阀44可配合滚珠丝杠36正反向运动实现电解液输出与吸入。当伺服电机32经滚珠丝杠36带动活塞杆35正向运动，第二单向阀29开启，第三单向阀44闭合，电解液在活塞29推动下进入软管；当伺服电机37经滚珠丝杠36带动活塞杆35反向运动，第二单向阀29闭合，第三单向阀44开启，电解液存储槽37内的电解液经过滤器38被吸入电解液缸28中，从而完成从针头14处和锥形管8处形成稳定一定压力射流的过程，利用锥形管流向的节流阀45来调节针头和锥形管射流的流速，实现射流流速可控。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔的方法，其特征在于，利用脉冲激光在半导体材料(13)上表面指定位置处实现刻蚀，同时脉冲激光在含磨粒电解液(21)内、以及加工区域产生等离子体，引发强烈空化作用，驱动微磨粒对加工区域及附近表面产生冲击划擦；同时，脉冲激光通过光热、光电效应在半导体材料(13)上表面加工位置处诱导产生出局域电导率增强区域，形成电流优先通过的瞬时定域导电通道；同时，在半导体材料(13)下表面利用阴极针管(14)电解加工激光扫描对应位置，带有磨粒的电解液(21)以一定压力从阴极针管(14)内射出，利用磨粒冲击作用破坏半导体材料(13)下表面钝化层使得电解反应在局域电导率增强区域持续进行，最终可在半导体材料(13)上表面和下表面上形成位置对应的微孔对(48)。
2.根据权利要求1所述的磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔的方法，其特征在于，激光辐照在半导体材料(13)上表面，半导体材料(13)作为阳极与直流脉冲电源(27)的正极相接；直流脉冲电源(27)的负极与阴极针管(14)相接，带有磨粒的电解液(21)通过锥形管(8)以恒压射流形式引入到半导体材料(13)上表面激光辐照位置；所述阴极针管(14)设置在半导体材料(13)下表面，带有磨粒的电解液(21)通过阴极针管(14)以恒压射流形式引入到半导体材料(13)与阴极针管(14)之间间隙。
3.根据权利要求1所述的磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔的方法，其特征在于，所述半导体材料(13)为电导率随温度升高而增加的半导体材料；所述阴极针管(14)与半导体材料(13)之间倾斜或者垂直相对。
4.一种磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔系统，其特征在于，包括激光加工系统、稳定微磨料射流生成系统(25)、电解加工系统和运动控制系统；所述激光加工系统用来提供加工半导体材料(13)的能量；所述稳定微磨料射流生成系统(25)用来为阴极针管(14)和锥形管(8)提供带有微磨粒的电解液(21)；所述电解加工系统用来电解加工半导体材料(13)；所述运动控制系统用来调节半导体材料(13)与阴极针管(14)之间的位置关系。
5.根据权利要求4所述的磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔系统，其特征在于，所述稳定微磨料射流生成系统(25)包括内槽(9)、阴极针管(14)、外槽(17)、高耐压弹簧软管(20)、第一单向阀(29)、磨粒槽(30)、混合腔(31)、第二单向阀(32)、电解液缸(33)、活塞(34)、活塞杆(35)、伺服电机(37)、联轴器(38)、第一支撑座(39)、滚珠丝杠(36)、滑块(40)、第二支撑座(41)、电解液槽(42)、过滤器(43)、第三单向阀(44)和节流阀(45)；
所述伺服电机(37)的输出端通过联轴器(38)与滚珠丝杠(36)连接，滚珠丝杠(36)两端分别通过第一支撑座(39)和第三单向阀(44)支撑，滚珠丝杠(36)用来驱动滑块(40)，所述滑块(40)上铰接有活塞杆(35)的一端，活塞杆(35)的另一端连接的活塞(34)用来压缩电解液缸(33)，电解液缸(33)输出端设置有第二单向阀(32)，第二单向阀(32)的输出端与混合腔(31)连通，混合腔(31)连接有磨粒槽(30)，可根据需要向混合腔(31)中注入磨粒；混合腔(31)出口与阴极针管(14)和锥形管(8)连通，锥形管(8)混合液流速由节流阀(45)调节；电解液缸(33)还与第三单向阀(44)连接，第三单向阀(44)将多余的电解液经过滤器(43)过滤后流入电解液槽(42)内；所述内槽(9)和外槽(17)的空间边缘有溢水管道，用于混合液及时排入回收槽(18)。
6.根据权利要求4所述的磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔系统，其特征在于，还包括夹紧装置，所述夹紧装置可分为半导体材料夹紧装置和锥形管夹紧装置；所述半导体材料夹紧装置用来对半导体材料(13)导向和定位；所述半导体材料夹紧装置包括内六角螺栓(10)、柔性压片(11)和橡胶垫圈(12)；所述内六角螺栓(10)一端设置在内槽(9)下端面上，且内六角螺栓(10)上依次安装有柔性压片(11)和橡胶垫圈(12)；所述橡胶垫圈(12)分别于半导体材料(13)的上、下侧对应放置，通过螺栓施加预紧力，固定半导体材料(13)，起到防漏水作用，下表面的橡胶垫圈(12)还可避免半导体材料(13)与内槽(9)硬接触，起到保护缓冲作用；所述锥形管夹紧装置为激光固定胶管装置(6)，通过激光固定胶管装置(6)支撑并调节锥形管(8)的射流方向。
7.根据权利要求4所述的磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔的系统，其特征在于，所述运动控制系统包括阴极运动控制系统和阳极运动控制系统；所述阴极运动控制系统包括灵敏度压力传感器(16)、Z轴微调升降器(19)和计算机(28)；所述半导体材料(13)置于内槽(9)下端面上，且内槽(9)下端面上置有半导体材料(13)位置处开设有一个通孔，阴极针管(14)穿过通孔；所述Z轴微调升降器(19)与灵敏度压力传感器(16)连接，Z轴微调升降器(19)用来调节半导体材料内壁与阴极针管(14)之间的距离，当阴极针管(14)射流与半导体材料(13)下表面冲击压强过大时，灵敏度压力传感器(16)有压力感知，所述计算机(28)接收灵敏度压力传感器(16)的压力信号后反馈给Z轴微调升降器(19)做出相应的动作；所述Z轴微调升降器(19)可跟随阴极针管(14)加工位置变化而改变位置并固定；所述阳极运动控制系统包括可调杆架(24)和计算机(28)；所述可调杆架(24)与内槽(9)连接，可调杆架(24)用来带动内槽(9)作XYZ三向精密运动，完成半导体材料(13)表面打群孔。
8.根据权利要求4所述的磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔的系统，其特征在于，所述电解加工系统包括内槽(9)、外槽(17)、回收槽(18)、电解液(21)、电流探头(22)、示波器(26)和直流脉冲电源(27)；所述阴极针管(14)射出的电解液回流至内槽(9)的电解液最终流向回收槽(18)；半导体材料(13)与直流脉冲电源(27)的正极相连通；直流脉冲电源(27)的负极与阴极针管(14)相连通；所述电流探头(22)用来检测是否存在电流，示波器(26)用来显示电流情况。
9.根据权利要求4所述的磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔的系统，其特征在于，通过控制阴极针管(14)进给速度、指定深度停留时间，在半导体材料(13)下表面可打出空泡结构(46)的孔；通过微调半导体材料(13)放置角度，可打出斜孔结构(49)。
10.根据权利要求4所述的磨粒辅助激光电解自耦合协同对位打孔的系统，其特征在于，所述阴极针管(14)除针头位置外其它位置外部均涂覆有绝缘层(47)，内部涂覆有耐磨涂层；电解液为中性或酸性溶液；磨粒为绝缘材料制得；激光器(1)为纳秒脉冲激光器或者皮秒脉冲激光器。
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