一种在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置和加工方法

摘要：研发了一种在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置和加工方法；该方法用复数束激光，可以从半导体基板的两个主面方向分别或者同时进行微细结构的加工；通过这种激光直接加工的方法，提高了微细加工的生产效率。

在半导体器件，特别是微机电系统（MEMS：Micro-Electro-Mechanical Systems）器件的制造过程中，常常需要通过微细加工形成各种沟道、孔穴、穿孔等微细结构。这些微细结构，是在半导体基板上，或者是在半导体基板上形成的薄膜上加工而成。微细结构的加工方式，目前主要有利用光刻加刻蚀方式和利用激光直接加工的方式。相对于光刻加刻蚀方式，激光直接加工方式显得更有优势。首先，激光直接加工方式的装置简单，造价和运营成本都很低，不像光刻加刻蚀方式，需要光罩制备装置、涂胶和显影装置、曝光装置、刻蚀装置和去胶装置等成套的装置。另外，激光直接加工方式的加工产物是半导体基板或半导体基板上形成的薄膜的原材料，对环境影响会很低。而光刻加刻蚀方式需要利用到对环境有负担的气体或液体，加工产物也往往是对环境有负担的化合物。再者，激光直接加工方式可加工的图形相对灵活、自由度高。但是，相对于光刻加刻蚀方式，传统的激光直接加工方式也存在着一定的劣势，如大面积加工时，生产效率不够高。为此，我们研发了一种在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置和加工方法，提高了微细加工的生产效率。

1 加工装置的结构和特点

在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置，主要包括：激光器、载物台、光学系统、图形生成系统、控制系统，基本结构如图1所示。

图1 微细结构加工装置

1.1 激光器

这里的激光器，它有复数束激光的发光光源，根据被加工对象（半导体基板）的要求，可以选择不同的波长、强度、波形。这样，可以用复数束激光对导体基板同时进行微细结构的加工。

1.2 半导体基板

半导体基板可以是半导体制造领域中常用的晶圆，例如硅晶圆、绝缘体上的硅（SOI：Silicon On Insulator）晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆、氮化镓晶圆、SiC晶圆等，也可以是石英、蓝宝石等绝缘性晶圆，以及半导体制造领域中常用的在晶圆的表面上进一步具有半导体器件、或者是MEMS器件所需的各种薄膜以及各种构造。

1.3 载物台

载物台是承载和固定被加工的半导体基板的工具。半导体基板可以通过真空吸附方式固定在载物台上，或者直接机械固定在载物台上，可以在水平、垂直方向移动和水平方向旋转。这样，即使在激光光束位置固定的情况下，也可以在半导体基板上进行复杂的三维微细结构加工。

1.4 光学系统

光学系统是将激光器发出的激光导引到半导体基板的系统，包括激光光束的成形部件以及导引部件。当光学系统包括可以扫描的反射镜时，激光可以独立于半导体基板进行移动，使微细加工的自由度提高。

1.5 图形生成系统

图形生成系统，是用来形成所要加工得到的微细结构图形的电子信息系统。图形生成系统一般包括电脑和绘图软件。加工图形的电子信息含有微细结构的尺寸、布局等信息。

1.6 控制系统

控制系统，是指根据加工图形来控制激光器、载物台、以及光学系统的系统，主要包括电脑和控制软件。控制系统主要控制激光器的开和关、强度、波形等，载物台的移动距离、速度、在水平方向旋转的角度和旋转速度，以及光学系统进行激光光束断面结构的调整、激光的扫描、激光聚焦点的变化。

2 几种加工方法的设计

2.1 复数束加工方法

复数束激光在半导体基板上进行微细结构的加工方法，我们通过图1和图2复数束微细加工载物台进行说明。这种加工方法中提到的激光加工装置，具有图1所描述的基本构造及基本功能，在此不再赘述。

如图2所示，载物台中间是贯通的开孔，有一条垂直方向的中心轴，半导体基板被固定在载物台上面，两个需要被加工的主面M和N都呈裸露状态。激光加工装置可以对M和N两个主面进行微细结构的加工。

图2 复数束微细加工载物台

当激光加工装置带有图形对准系统时，在需要对半导体基板的两个主面分别、或同时进行微细结构的加工时，可以对两个主面进行图形对准。当激光加工装置带有废屑清除系统时，可以清除激光加工过程中产生的废屑。

如上所述，复数束加工方法是一种在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置，能够用复数束激光在半导体基板上分别、或同时进行微细结构的加工。通过以上方法，可以提高激光直接加工方式的生产效率。

2.2 多束同面加工方法

在半导体基板上形成微细结构的多束同面激光加工装置以及加工方法，我们通过图1和图3多束同面微细加工载物台进行说明。这种加工方法中提到的激光加工装置，具有图1所描述的基本构造以及基本功能，在此不再赘述。

如图3所示，多束同面激光加工方法的特点在于：激光加工装置使用复数束的激光。为简便起见，图3中只显示了A和B两束激光对半导体基板的一个主面M分别、或同时进行微细结构1的加工。不同结构布局的位置对准，可以用在微细结构1加工之前形成的对准标志2来进行。复数束的激光A和B的加工图形既可以相同、也可以不同。显然，这样的加工方式，可以使微细结构1中的各个单一图形的深度、宽度等几何特征分别相同或不同。这样的高自由度的加工方式，是传统光刻加刻蚀方式无法实现的。

图3 多束同面微细加工载物台

如上所述，这种加工方法能够用复数束激光在半导体基板的同一主面上分别、或同时进行微细结构的加工，可以提高激光直接加工方式的生产效率和加工自由度。

2.3 多束双面加工方法

另一种在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置以及加工方法，可以通过图1和图4多束双面微细加工载物台进行说明。这种加工方法中提到的激光加工装置具有图1所述的基本构造以及基本功能，在此不再赘述。

如图4所示，多束双面加工方法的特点在于激光加工装置可以用复数束的激光（为简便起见，图4中只显示了A和B两束激光）对半导体基板的两个主面M和N分别、或同时进行微细结构1X、1Y的加工。

图4 多束双面微细加工载物台

具体来讲，就是用激光A对半导体基板的主面M进行微细结构1X的加工。微细结构1X可以不穿透基板，也可以穿透基板。在微细结构1X的加工过程中，图形的位置对准，可以用在微细结构1X加工之前形成的对准标志2X来进行。同样，可以用激光B对半导体基板的另一个主面N进行微细结构1Y的加工。

显然，这样的加工方式，可以使微细结构中的各个单一图形的深度、宽度等几何特征相同，也可以不同。这样的高自由度是传统的光刻加刻蚀方式无法实现的。

如上所述，这种加工方法能够用复数束激光在半导体基板的两个相对的主面上分别、或同时进行微细结构的加工，可以提高激光直接加工方式的生产效率和自由度。

3 结束语

为提高传统激光微细加工的生产效率，降低光刻加刻蚀微细加工的成本和对环境的不良影响，我们研发了一种在半导体基板上形成微细结构的激光加工装置和加工方法。通过实验测试，该加工装置和加工方法可以提高生产效率，满足工艺要求。