摘要：研發(fā)了一種在半導(dǎo)體基板上形成微細(xì)結(jié)構(gòu)的激光加工裝置和加工方法；該方法用復(fù)數(shù)束激光，可以從半導(dǎo)體基板的兩個(gè)主面方向分別或者同時(shí)進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工；通過這種激光直接加工的方法，提高了微細(xì)加工的生產(chǎn)效率。

在半導(dǎo)體器件，特別是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS：Micro-Electro-Mechanical Systems）器件的制造過程中，常常需要通過微細(xì)加工形成各種溝道、孔穴、穿孔等微細(xì)結(jié)構(gòu)。這些微細(xì)結(jié)構(gòu)，是在半導(dǎo)體基板上，或者是在半導(dǎo)體基板上形成的薄膜上加工而成。微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工方式，目前主要有利用光刻加刻蝕方式和利用激光直接加工的方式。相對(duì)于光刻加刻蝕方式，激光直接加工方式顯得更有優(yōu)勢(shì)。首先，激光直接加工方式的裝置簡(jiǎn)單，造價(jià)和運(yùn)營(yíng)成本都很低，不像光刻加刻蝕方式，需要光罩制備裝置、涂膠和顯影裝置、曝光裝置、刻蝕裝置和去膠裝置等成套的裝置。另外，激光直接加工方式的加工產(chǎn)物是半導(dǎo)體基板或半導(dǎo)體基板上形成的薄膜的原材料，對(duì)環(huán)境影響會(huì)很低。而光刻加刻蝕方式需要利用到對(duì)環(huán)境有負(fù)擔(dān)的氣體或液體，加工產(chǎn)物也往往是對(duì)環(huán)境有負(fù)擔(dān)的化合物。再者，激光直接加工方式可加工的圖形相對(duì)靈活、自由度高。但是，相對(duì)于光刻加刻蝕方式，傳統(tǒng)的激光直接加工方式也存在著一定的劣勢(shì)，如大面積加工時(shí)，生產(chǎn)效率不夠高。為此，我們研發(fā)了一種在半導(dǎo)體基板上形成微細(xì)結(jié)構(gòu)的激光加工裝置和加工方法，提高了微細(xì)加工的生產(chǎn)效率。

1 加工裝置的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

在半導(dǎo)體基板上形成微細(xì)結(jié)構(gòu)的激光加工裝置，主要包括：激光器、載物臺(tái)、光學(xué)系統(tǒng)、圖形生成系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微細(xì)結(jié)構(gòu)加工裝置

1.1激光器

這里的激光器，它有復(fù)數(shù)束激光的發(fā)光光源，根據(jù)被加工對(duì)象（半導(dǎo)體基板）的要求，可以選擇不同的波長(zhǎng)、強(qiáng)度、波形。這樣，可以用復(fù)數(shù)束激光對(duì)導(dǎo)體基板同時(shí)進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工。

1.2半導(dǎo)體基板

半導(dǎo)體基板可以是半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中常用的晶圓，例如硅晶圓、絕緣體上的硅（SOI：Silicon On Insulator）晶圓、鍺硅晶圓、鍺晶圓、氮化鎵晶圓、SiC晶圓等，也可以是石英、藍(lán)寶石等絕緣性晶圓，以及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中常用的在晶圓的表面上進(jìn)一步具有半導(dǎo)體器件、或者是MEMS器件所需的各種薄膜以及各種構(gòu)造。

1.3載物臺(tái)

載物臺(tái)是承載和固定被加工的半導(dǎo)體基板的工具。半導(dǎo)體基板可以通過真空吸附方式固定在載物臺(tái)上，或者直接機(jī)械固定在載物臺(tái)上，可以在水平、垂直方向移動(dòng)和水平方向旋轉(zhuǎn)。這樣，即使在激光光束位置固定的情況下，也可以在半導(dǎo)體基板上進(jìn)行復(fù)雜的三維微細(xì)結(jié)構(gòu)加工。

1.4 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)是將激光器發(fā)出的激光導(dǎo)引到半導(dǎo)體基板的系統(tǒng)，包括激光光束的成形部件以及導(dǎo)引部件。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)包括可以掃描的反射鏡時(shí)，激光可以獨(dú)立于半導(dǎo)體基板進(jìn)行移動(dòng)，使微細(xì)加工的自由度提高。

1.5 圖形生成系統(tǒng)

圖形生成系統(tǒng)，是用來形成所要加工得到的微細(xì)結(jié)構(gòu)圖形的電子信息系統(tǒng)。圖形生成系統(tǒng)一般包括電腦和繪圖軟件。加工圖形的電子信息含有微細(xì)結(jié)構(gòu)的尺寸、布局等信息。

1.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)，是指根據(jù)加工圖形來控制激光器、載物臺(tái)、以及光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)，主要包括電腦和控制軟件?？刂葡到y(tǒng)主要控制激光器的開和關(guān)、強(qiáng)度、波形等，載物臺(tái)的移動(dòng)距離、速度、在水平方向旋轉(zhuǎn)的角度和旋轉(zhuǎn)速度，以及光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行激光光束斷面結(jié)構(gòu)的調(diào)整、激光的掃描、激光聚焦點(diǎn)的變化。

2 幾種加工方法的設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)數(shù)束加工方法

復(fù)數(shù)束激光在半導(dǎo)體基板上進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工方法，我們通過圖1和圖2復(fù)數(shù)束微細(xì)加工載物臺(tái)進(jìn)行說明。這種加工方法中提到的激光加工裝置，具有圖1所描述的基本構(gòu)造及基本功能，在此不再贅述。

如圖2所示，載物臺(tái)中間是貫通的開孔，有一條垂直方向的中心軸，半導(dǎo)體基板被固定在載物臺(tái)上面，兩個(gè)需要被加工的主面M和N都呈裸露狀態(tài)。激光加工裝置可以對(duì)M和N兩個(gè)主面進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工。

圖2 復(fù)數(shù)束微細(xì)加工載物臺(tái)

當(dāng)激光加工裝置帶有圖形對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)，在需要對(duì)半導(dǎo)體基板的兩個(gè)主面分別、或同時(shí)進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工時(shí)，可以對(duì)兩個(gè)主面進(jìn)行圖形對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)激光加工裝置帶有廢屑清除系統(tǒng)時(shí)，可以清除激光加工過程中產(chǎn)生的廢屑。

如上所述，復(fù)數(shù)束加工方法是一種在半導(dǎo)體基板上形成微細(xì)結(jié)構(gòu)的激光加工裝置，能夠用復(fù)數(shù)束激光在半導(dǎo)體基板上分別、或同時(shí)進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工。通過以上方法，可以提高激光直接加工方式的生產(chǎn)效率。

2.2 多束同面加工方法

在半導(dǎo)體基板上形成微細(xì)結(jié)構(gòu)的多束同面激光加工裝置以及加工方法，我們通過圖1和圖3多束同面微細(xì)加工載物臺(tái)進(jìn)行說明。這種加工方法中提到的激光加工裝置，具有圖1所描述的基本構(gòu)造以及基本功能，在此不再贅述。

如圖3所示，多束同面激光加工方法的特點(diǎn)在于：激光加工裝置使用復(fù)數(shù)束的激光。為簡(jiǎn)便起見，圖3中只顯示了A和B兩束激光對(duì)半導(dǎo)體基板的一個(gè)主面M分別、或同時(shí)進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)1的加工。不同結(jié)構(gòu)布局的位置對(duì)準(zhǔn)，可以用在微細(xì)結(jié)構(gòu)1加工之前形成的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志2來進(jìn)行。復(fù)數(shù)束的激光A和B的加工圖形既可以相同、也可以不同。顯然，這樣的加工方式，可以使微細(xì)結(jié)構(gòu)1中的各個(gè)單一圖形的深度、寬度等幾何特征分別相同或不同。這樣的高自由度的加工方式，是傳統(tǒng)光刻加刻蝕方式無法實(shí)現(xiàn)的。

圖3 多束同面微細(xì)加工載物臺(tái)

如上所述，這種加工方法能夠用復(fù)數(shù)束激光在半導(dǎo)體基板的同一主面上分別、或同時(shí)進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工，可以提高激光直接加工方式的生產(chǎn)效率和加工自由度。

2.3 多束雙面加工方法

另一種在半導(dǎo)體基板上形成微細(xì)結(jié)構(gòu)的激光加工裝置以及加工方法，可以通過圖1和圖4多束雙面微細(xì)加工載物臺(tái)進(jìn)行說明。這種加工方法中提到的激光加工裝置具有圖1所述的基本構(gòu)造以及基本功能，在此不再贅述。

如圖4所示，多束雙面加工方法的特點(diǎn)在于激光加工裝置可以用復(fù)數(shù)束的激光（為簡(jiǎn)便起見，圖4中只顯示了A和B兩束激光）對(duì)半導(dǎo)體基板的兩個(gè)主面M和N分別、或同時(shí)進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)1X、1Y的加工。

圖4 多束雙面微細(xì)加工載物臺(tái)

具體來講，就是用激光A對(duì)半導(dǎo)體基板的主面M進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)1X的加工。微細(xì)結(jié)構(gòu)1X可以不穿透基板，也可以穿透基板。在微細(xì)結(jié)構(gòu)1X的加工過程中，圖形的位置對(duì)準(zhǔn)，可以用在微細(xì)結(jié)構(gòu)1X加工之前形成的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志2X來進(jìn)行。同樣，可以用激光B對(duì)半導(dǎo)體基板的另一個(gè)主面N進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)1Y的加工。

顯然，這樣的加工方式，可以使微細(xì)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)單一圖形的深度、寬度等幾何特征相同，也可以不同。這樣的高自由度是傳統(tǒng)的光刻加刻蝕方式無法實(shí)現(xiàn)的。

如上所述，這種加工方法能夠用復(fù)數(shù)束激光在半導(dǎo)體基板的兩個(gè)相對(duì)的主面上分別、或同時(shí)進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工，可以提高激光直接加工方式的生產(chǎn)效率和自由度。

3 結(jié)束語

為提高傳統(tǒng)激光微細(xì)加工的生產(chǎn)效率，降低光刻加刻蝕微細(xì)加工的成本和對(duì)環(huán)境的不良影響，我們研發(fā)了一種在半導(dǎo)體基板上形成微細(xì)結(jié)構(gòu)的激光加工裝置和加工方法。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該加工裝置和加工方法可以提高生產(chǎn)效率，滿足工藝要求。