[发明专利]一种在半导体材料上制备阵列孔的激光增强超声电解复合加工方法及装置

说明书

本发明公开了一种在半导体材料上制备阵列孔的激光增强超声电解复合加工方法及装置，属于特种加工技术领域，利用超声加工头高频振动驱动电解液中悬浮微磨粒冲击半导体材料实现指定位置材料去除；同时，超声加工头作为阴极对半导体材料进行电解加工，实现超声‑电解定域复合加工。本发明方法利用超声振动、磨粒、电化学与激光在工件背面快速加工微孔结构。本发明装置用来实现本发明方法，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。

技术领域

本发明涉及特种加工技术中半导体材料加工领域，尤其涉及到一种在半导体材料上制备阵列孔的激光增强超声电解复合加工方法及装置。

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、大尺寸光学器件、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。

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，难以淀积连硅续绝缘层；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。

目前在对半导体减材方面，应用有硅镜和太阳能电板等。硅镜是反射式光学系统的关键部件，它不仅要满足光学的应用要求，而且还要求质量轻。超声加工以其独特的优势成为加工硬脆材料的首选。为了降低硅镜重量，需要在硅镜上制造出大量异形盲孔，而且筋越薄越好，本方案可有效解决上述问题，在半导体上大尺寸制造微孔、微坑结构理论上也可以实现。

经过对现有的技术检索发现，授权公告号为CN101572231A的中国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。授权公告号为CN109732199B的中国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，该方法利用阴极铜板提供均匀电场，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。但由于热扩散及电解固有杂散腐蚀等特定，该方法难以加工出大深径比深孔。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种在半导体材料上制备阵列孔的激光增强超声电解复合加工方法及装置，针对半导体材料的高硬脆性特点，利用超声振动、磨粒、电化学与激光在工件背面快速加工微孔结构。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种在半导体材料上加工阵列孔结构的方法，利用超声加工头高频振动驱动电解液中悬浮微磨粒冲击半导体材料实现指定位置材料去除；同时，超声加工头作为阴极对半导体材料进行电解加工，实现超声-电解定域复合加工。

上述方案中，对半导体材料引入激光辐照，利用激光光热及光电效应定域提高半导体材料电导率，从而定域提高电解加工效率；同时，微磨粒冲击可有效破坏电解加工过程中产生的钝化层，确保电解加工持续高效率进行，并对加工表面有微抛光作用。