[发明专利]一种半导体材料激光电化学复合微加工方法及装置

说明书

本发明公开了一种半导体材料激光电化学复合微加工方法及装置，属于特种加工领域，该方法是利用单晶硅等半导体材料电导率随温度升高而显著增强的特性，由激光束加热半导体材料，定域增强加工区域附近材料导电性能，形成一条电流优先通过的导电通道，在此基础上以偏置电液束形式引入电解加工，实现加工区域附近的激光电化学“自耦合”复合加工，无需“对刀”，不仅确保激光加工过程中无表面残渣附着，还可强化冷却作用，达到减小热损伤、降低残余应力、提高加工表面质量的目的；该装置包括激光器、外部光路、电解电源、稳定射流生成装置；其装置可生成稳定低压电解液射流，并实现冲击角度与位置调节，确保实现激光束与冲击射流相对位置精确调节。

技术领域

本发明涉及特种加工领域中的加工微小缝、孔、槽等结构的加工方法及装置，尤其涉及一种利用单晶硅等半导体材料电导率对温度的敏感特性而实现的激光电解复合加工方法及装置。

背景技术

以硅和锗为代表的半导体材料有着良好的结构属性与功能属性，广泛应用于芯片、光伏、医疗器械、微机电系统等领域。在半导体材料表面加工出特定形貌的微细结构可以实现多种功能，例如：亚微米尺度周期性微槽结构可以增强材料表面的抗反光性能；蜂窝状紧密分布的光滑微坑群可以形成微凹透镜阵列；表面规则微结构有助于改变材料亲水性能，实现超亲水、超疏水功能；不同微形貌导致的亲水性差异，在临界区域处产生表面张力差，可驱动液滴自主运动。

受制于半导体材料高脆性与低断裂韧度，材料可加工性较差，微加工难度更高。得益于国内外科研机构多年探索，在对该类材料微加工方面已取得可喜进展，目前主要有微车削/铣削加工、电解加工、光刻加工、化学刻蚀加工、激光加工等。上述加工方法各有特色，有其适用场合，也有各自局限性。例如，采用微端铣方式加工单晶硅时，为确保材料去除发生在延展性区域以避免裂纹产生，需要将单步进给量控制在250nm以下，导致材料去除效率较低；采用光刻加工时，工艺较为复杂，对光刻机等设备要求高，且不同种类、不同晶向的基体材料对腐蚀剂要求不同，故而更适合稳定属材料，导致加工效率较低；传统激光加工半导体材料始终伴随着较为明显的热损伤规模化生产；采用电化学溶解方法时，受限于半导体材料特性，电流密度往往低于金现象，而以飞秒激光为代表的先进超快激光又存在着去除效率低、设备昂贵等不足。

针对半导体材料微加工，国内外也提出了一些复合加工方法，将机械力、激光、电化学阳极溶解、电化学放电、化学腐蚀、水射流冲击等手段合理搭配使用，实现微加工目的。

在对现有技术进行检索后发现，学者Tangwarodomnukun V等在“Aninvestigation of hybrid laser-waterjet ablation of silicon substrates”一文中提出了一种实现单晶硅材料微切槽加工的激光水射流复合加工技术，该技术利用纳秒脉冲激光加热脆性材料，软化后的材料随即被偏置高压水射流冲击切除，可有效避免微裂纹产生，同时高压射流有强制冷却作用，有利于热损伤控制，可将槽边缘单侧热损伤控制在20μm以内。但是该技术也有其自身局限性，表现在微槽表面边缘和内壁较为粗糙，槽底深度波动较大，同时，由于有高压射流冲击作用介入，已加工表面上可能会有残余应力存在。

公开号为US2017/0120345A1的美国专利公开了一种激光增强金刚石钻孔的方法及装置。该方法将金刚石等硬度高且透光性好的材料嵌于金属钻头轴心，加工过程中激光可近无损通过，辐照于待加工材料表面，加热软化钻头接触区域附近材料，使局部硬脆材料转化为延展性材料，从而提高钻孔效率、改善钻孔质量、减小刀具磨损。该方法可用于加工陶瓷、半导体等硬脆材料，并实现了1mm钻头制作。但这种方法所钻孔的直径取决于钻头的尺寸，而钻头中内嵌金刚石材料的结构使得制作较为复杂，且进一步减小钻头直径较为困难，可能会限制此方法在微细加工领域的应用。