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

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。

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。

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。

上述方案中，所述超声加工头由导电材料制备而成，且侧向绝缘、仅端部导电。

上述方案中，所述半导体材料为电导率与温度正相关的半导体材料。

上述方案中，所述半导体材料为单晶硅或单晶锗。

上述方案中，超声加工头在超声加工的过程中高频振动，超声加工头与半导体材料距离呈周期性变化，将电解加工由常规的连续形式变为断续脉动形式从而提高加工精度。

上述方案中，改变超声加工头振幅可实现不同深度的阵列盲孔加工；通过控制超声加工头端部在指定深度位置附近有效停留时间，可以加工出特殊孔结构。

在半导体材料上加工阵列孔结构的方法的加工装置，包括工件夹具槽、工作槽、超声加工头和激光加工装置；所述激光加工装置用来为加工提供激光光热；所述半导体材料置于工件夹具槽底部，且半导体材料通过柔性环形固定垫圈定位，工件夹具槽置于工作槽内，工作槽内置有电解液，电解液内带有磨料；工件夹具槽底部开设有孔，超声加工头穿过工作槽进入工件夹具槽超声振动加工半导体材料。

上述方案中，所述超声加工头设置在柔性密封套上，所述柔性密封套用来承装工作槽内流出的电解液，且柔性密封套连接在超声加工头的底座和工作槽之间，超声加工头的底座和变幅杆连接，变幅杆与超声换能装置连接。

上述方案中，还包括Z轴步进电机和X-y工作台，所述Z轴步进电机通过固定杆可以调节工作槽和工件夹具槽的高度从而实现半导体材料相对超声加工头位置可调；所述X-y工作台用来调节超声波加工头与板导体材料在水平方向上的相对位置。

本发明有益效果如下：

1.针对单晶硅、锗等半导体材料难以加工出高质量微孔的难题，提出利用超声波磨粒去除材料为主，激光刺激半导体电解加工为辅，相互耦合的加工方式；以针头刀具的进给来获得高质量、高深径比微孔阵列。

2.在超声波磨料加工过程中，通过与工件之间游离于液体中的磨料对被加工表面的捶击作用，使工件材料表面逐步破碎的特种加工，工具对工件的宏观作用力小、热影响小，因而可加工薄壁、窄缝和薄片工件，并且磨粒的冲击会首先去除半导体材料的钝化层。

3.在激光刺激半导体电化学辅助加工过程中，激光按程序设定轮流辐照在针头刀具对应区域，提高半导体的电导率，由于所述钝化层的去除，提高了电解的速率，减少微孔周围重铸层和残余应力的影响，并配合超声加工实验半导体材料的高质量微孔加工。

4.本发明方法将电解加工与超声加工相耦合，利用特殊设计的超声加工头高频振动驱动电解液中悬浮微磨粒高速冲击半导体材料，同时，以超声加工头为阴极对阳极半导体进行电解加工，实现超声-电解耦合协同。为提高电解加工效率，在加工位置上表面引入激光辐照，利用其光热及光电效应定域提高半导体材料电导率，大幅提高电解加工效率；同时，微磨粒冲击可有效破坏钝化层，确保电解加工持续进行，并对加工表面有微抛光作用，进一步提高加工表面质量；超声振动的引入，将电解加工由常规的连续形式变为断续脉动形式，可有效促进流场更新与产物排出。设计了一套激光辅助超声电解耦合加工装置，主要包括超声振动系统、电解加工系统、光路系统、监测系统。本方法可获得无重铸层，残余应力小的高质量、高深径比的阵列通孔、盲孔和异形孔结构。

5.在电解过程中，电解过程会产生大量气泡和杂质，超声震动可以有效排除气泡和杂质的影响，提高了微孔加工的质量和速度。

6.本发明中将超声加工头变换不同形状就可在半导体材料上获得特殊高质量结构。

7.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。

图1为激光光控电化学辅助超声加工半导体的装置示意图；

图2为图1的局部放大和加工示意图；

图3为本发明方法得到的异形孔示意图。

附图标记如下：

1-计算机；2-脉冲激光器；3-激光；4-反射镜；5-聚集透镜；6-运动控制器；7-过滤器；8-微型泵；9-电解液；10-电解液回收槽；11-机床底座；12-X-y工作台；13-变幅杆；14-超声波换能器；15-超声波发生器；16-阴极导线；17-阳极导线；18-示波器；19-脉冲电源；20-机床立柱；21-导轨；22-Z轴步进电机；23-工件夹具槽；24-铆钉；25-固定杆；26-柔性环形固定垫圈；27-半导体材料；28-工作槽；29-超声加工头；30-柔性密封套；31-节流阀；32-微孔。

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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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。

一种在半导体材料上加工阵列孔结构的方法，利用特殊形状设计阵列的超声加工头29高频振动驱动电解液中悬浮微磨粒高速冲击半导体材料27，实现指定位置材料去除；同时，超声加工头29由导电材料制备而成，且侧向绝缘、仅端部导电，作为阴极对半导体材料27进行电解加工，实现超声-电解定域复合加工。为提高电解加工效率，在半导体材料27下表面加工位置上方对应处引入激光辐照，利用激光光热及光电效应定域提高半导体材料电导率，大幅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进行，并对加工表面有微抛光作用，进一步提高加工表面质量。

所述半导体材料27为电导率与温度正相关的半导体材料，可选单晶硅或单晶锗。

通过前期对刀步骤，激光束3通过定域扫描，确保辐照位置与超声加工头29形状严格上下对应，从而在超声加工头29对应材料处形成局域高温区域，定域增强电导率，配合超声加工头29实现高效孔加工。

超声加工头29在超声加工的过程中高频振动，加工头与半导体材料距离呈周期性变化，将电解加工由常规的连续形式变为断续脉动形式，可有效提高孔型加工精度，促进流场更新与产物排出，减小杂散腐蚀，保证超声加工和电解的有效进行。同时，通过改变振幅，可实现不同深度的阵列盲孔加工。

可控制超声振动振幅按预定规律变化，通过控制超声加工头29端部在指定深度位置附近有效停留时间，可加工出特殊孔结构。例如：通过振幅线性增大，孔向纵向深度发展，在某一幅值处停止振幅增加，保持一定加工时间，可在孔底形成空泡结构；重复此过程(线性增大、保持、线性增大、保持)。可加工出如图3中糖葫芦形或倒松树形孔。

带磨粒的电解液9为高浓度中性盐水溶液，质量分数为10％-30％；也可根据需要使用碱性或酸性溶液，质量分数为4％-10％，磨粒主要为亚微米级的超硬磨粒。

针对不同截面形状、不同尺寸的孔型加工，只需制备相应形状、相应尺寸的超声加工头29，结合上表面激光定域扫描辐照，即可实现所述的激光增强超声-电解复合加工，制备出方孔、异形孔等孔阵列，孔尺寸适用范围从几十微米到几十毫米。

一种在半导体晶圆上加工微孔结构的方法，利用激光束3辐照在对应超声加工头29位置，并大幅激发半导体材料27的电导率；激光器2发出的激光束经过光路传输系统和透镜5的聚焦，辐照在半导体晶圆上表面，不出现明显的烧蚀反应；同时，脉冲电源19的负极、正极分别接超声加工头29和半导体晶圆，接通电源，保持超声加工头29正对激光烧蚀区域，采用电化学配合超声加工的方法制备出高质量、无重铸层、无残余应力的微孔结构。

绘制运动路径模型，并输入到计算机1中；选半导体材料27为半导体晶圆；

对半导体晶圆进行表面预处理；

将半导体晶圆固定在工件夹具槽23中，超声加工头29接直流脉冲电源2负极，并连接超声波换能器14放置于半导体晶圆下方，半导体晶圆与直流脉冲电源2正极相连，加入带有磨粒的电解液9，使半导体晶圆下表面及超声加工头29浸没于电解液9中，通电时，半导体晶圆与超声加工头29在电解液内构成电化学回路；

将工作槽28安装在运动平台固定杆25上，调节Z轴运动平台的高度，使激光聚焦于半导体晶圆上表面；

开启微型泵8进行循环换液，保证工作槽28中溶液的浓度均匀；

开启超声波装置使连接在超声波换能器14上的变幅杆13带动超声加工头29振动溶液中的磨粒开始工作；

开启激光器2，使其按规定线路在对应超声加工头29位置来回辐照，来大幅提高半导体的电导率；

开启直流脉冲电源，电解液中的带电金属离子在半导体晶圆表面发生电化学还原反应。

根据所设定的运动路径，通过运动控制器控制X-y工作台12和Z轴步进电机22，对半导体晶圆进行持续加工，实现微孔结构的同步快速加工。

一种在半导体晶圆上加工微孔结构的装置，包括激光辐照系统、加工系统和控制系统；所述激光辐照系统包括脉冲激光器2、反射镜4、聚焦透镜5；激光3由脉冲激光器2发出，经反射镜4改变传输方向，再通过聚焦透镜5聚焦，聚焦后的激光束3辐照在半导体晶圆上；加工系统包括脉冲电源19、工作槽28和工件夹具槽23、半导体晶圆、柔性环形固定垫圈26、针头刀具阴极29、柔性密封套30、变幅杆13、换能器14、超声波发生器15、X-y工作台12、机床立柱20、机床底座11、导轨21、Z轴步进电机22；半导体晶圆由柔性固定垫圈27固定在夹具槽23内；所述工作槽28和工件夹具槽23设置于固定杆25上；所述针头刀具26和柔性密封套30相连；所述直流脉冲电源19的负极与针头刀具阴极29相连，正极与半导体晶圆相连；半导体晶圆下表面及超声加工头29下端浸没于电解液中，半导体晶圆与超声加工头29在电解液内构成电化学回路；控制系统包括计算机1和运动控制器6，所述计算机1控制脉冲激光器2和Z轴步进电机22；所述运动控制器6控制X-y运动平台12。

激光3聚焦高于半导体工件材料27上方2～10mm；脉冲电源19电压可调为0～50V，频率与激光参数一致，占空比为0～80％。

脉冲激光器2为纳秒脉冲激光器或者皮秒脉冲激光器。

在半导体材料上加工阵列孔结构的方法的加工装置，包括工件夹具槽23、工作槽28、超声加工头29和激光加工装置；所述激光加工装置用来为加工提供激光光热；所述半导体材料29置于工件夹具槽23底部，且半导体材料29通过柔性环形固定垫圈26定位，工件夹具槽23置于工作槽28内，工作槽28内置有电解液9，电解液9内带有磨料；工件夹具槽23底部开设有孔，超声加工头29穿过工作槽28进入工件夹具槽23超声振动加工半导体材料29。

所述超声加工头29设置在柔性密封套30上，所述柔性密封套30用来承装工作槽28内流出的电解液9，且柔性密封套30设置在变幅杆13的端部，变幅杆13与超声换能装置连接。

还包括Z轴步进电机22和X-y工作台12，所述Z轴步进电机22通过固定杆25可以调节工作槽28和工件夹具槽23的高度从而实现半导体材料29相对超声加工头29位置可调；所述X-y工作台12用来调节超声波加工头29与板导体材料29在水平方向上的相对位置。

结合附图1所示，计算机1分别与脉冲激光器2和Z轴步进电机22相连。计算机1可控制脉冲激光器2的激光参数和Z轴步进电机22的进给，通过运动控制器6控制X-y运动平台12的运动。工件夹具槽23和工作槽28通过铆钉24安装在固定杆25上，固定杆25和导轨21相连由Z轴步进电机22控制。半导体材料27被柔性环形固定垫圈26固定在工件夹具槽28中。在机床底座11上，与超声波发生器15连接的换能器14被固定在X-y运动平台12上，在换能器14上方是变幅杆13和超声加工头29。脉冲电源19的负极接超声加工头29，正极接半导体晶圆，示波器18与脉冲电源19相连，实时监测电流参数。脉冲电源19负极→针头刀具阴极29→电解液→半导体晶圆27→直流脉冲电源19负极构成回路，使得电化学反应能够进行。激光束由脉冲激光器2发出，经过反射镜4改变传输方向，再经过聚焦透镜55并穿透电解液聚焦于半导体晶圆27上表面，计算机1控制激光3的位置使其和超声加工头29相对应，并控制Z轴步进电机22使半导体工件材料27向下进给。磨料电解液9储存在电解液回收槽10中，由微型泵8提供动力经过滤器7将带磨料的电解液9从电解液回收槽10输送到工作槽28中，电解液又经过节流阀31回流到电解液回收槽10中实现循环。电电解过程中，可以通过调整脉冲电源19的电压和超声波发生器15的频率来到加工微孔32的最佳参数。

结合附图2所示，激光3辐照在半导体材料27的上表面，大幅提高半导体材料27的电导率，半导体材料27的下表面和带磨粒的电解液9接触，磨粒在超声加工头29的锤击作用下实现定点去除材料，并且超声加工头29和激光3互相对应，并作为阴极，在柔性密封套30的保护下，在超声震动时不使电解液9外漏。由以上各条件得以在电解作用和超声加工耦合的情况下高效去除材料。

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。