一种激光电解背向协同打群孔方法及系统

本发明涉及特种加工领域，尤其涉及到微小缝、孔、槽等结构的激光电解背向协同打群孔方法及系统。

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、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微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。

激光打孔无需掩膜，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。

经过对现有的技术检索发现，中国专利公开号为cn101572231a的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。中国专利授权公告号为cn109732199b的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。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明基于硅等半导体材料电导率随温度升高而增强的特性，通过利用短脉冲激光“点扫”在材料上表面若干指定位置处诱导产生出局域电导率增强区域，形成电流优先通过的瞬时定域导电通道；同时，在材料背面利用阴极阵列针管引入电解加工，通过前期对刀步骤确保激光扫描位置与阴极针头位置相对应，进而在电导率定域增强的位置实现高效电化学阳极溶解，针头内有低压稳流射出，有利于带走气泡等电解产物，确保持续实现材料上表面激光热力效应与材料背面电化学阳极溶解稳定协同加工，从而获得了高深径比微孔阵列，且微孔阵列加工效率高、热损伤小、表面质量好。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种激光电解背向协同打群孔的方法，激光辐照在半导体材料上，在半导体材料指定位置形成局域高温区域，从而定域增强导电性能，半导体材料作为阳极与直流脉冲电源的正极相接；直流脉冲电源的负极与阴极阵列针管相接，阴极阵列针管与半导体材料存在一定间隙；间隙由与灵敏压力计连通的计算机控制实现的；电解液通过阴极阵列针管以低压射流形式引入到半导体材料与阴极阵列针管之间间隙内，以带走气泡和杂质，使阴极与阳极间电路导通，半导体材料背面电化学阳极溶解区域对应于激光束在上表面辐照位置，通过激光束指定位置“点扫”确保下表面电解加工出群孔。

进一步的，所述半导体材料为电导率与温度正相关的半导体材料，可选单晶硅或者单晶锗。

一种激光电解背向协同打群孔的系统，包括激光加工系统、稳定低压射流系统、电解加工系统和运动控制系统；所述激光加工系统用来提供加工半导体材料的能量，稳定低压射流系统用来提供低压射流形式的电解液，电解加工系统用来电解加工半导体材料，运动控制系统用来控制阴极阵列针管与半导体材料之间的间隙；所述运动控制系统包括灵敏压力计、可调杆架和计算机；所述半导体材料置于内槽下端面上，且内槽下端面上置有半导体材料位置处开设有数个通孔，阴极阵列针管穿过通孔；所述可调杆架与内槽连接，可调杆架用来调节内槽与阴极阵列针管之间的距离，当阴极阵列针管与半导体材料接触时，灵敏度压力计有压力感知，所述计算机接收灵敏度压力计的压力信号后使得可调杆架做出相应的动作。

进一步的，还包括夹紧装置，所述夹紧装置用来对半导体材料导向和定位；所述夹紧装置包括内六角螺栓、压片和橡胶垫圈；所述内六角螺栓一端设置在内槽下端面上，且内六角螺栓上依次安装有压片和橡胶垫圈；所述橡胶垫圈置于半导体材料的上表面上方，当阴极阵列针管接触半导体材料时，半导体材料会压缩橡胶垫圈。

进一步的，所述激光加工系统包括激光器、激光束、扩束镜、反光镜、振镜和透镜；所述激光器发出的激光束经扩束镜后经反光镜改变光路后进入振镜最终通过透镜辐照在半导体材料的上，通过计算机控制所述激光器发出的激光束的参数。

进一步的，所述电解加工系统包括内槽、外槽、电解液、电流探头、示波器和直流脉冲电源；所述内槽设置在外槽内，外槽内盛有电解液，半导体材料与直流脉冲电源的正极相连通；直流脉冲电源的负极与阴极阵列针管相连通；所述电流探头用来检测是否存在电流，示波器用来显示电流情况。

进一步的，所述稳定低压射流系统包括第一单向阀、电解液缸、活塞、连接杆、第一支撑座、伺服电机、联轴器、丝杠、滑块、第二支撑座、电解液槽、过滤器和第二单向阀；所述伺服电机的输出端通过联轴器与丝杠连接，丝杠两端分别通过第一支撑座和第二单向阀支撑，丝杠用来驱动上边设置的滑块，所述滑块上铰接有连接杆的一端，连接杆的另一端用来压缩电解液缸，电解液缸输出端设置有第一单向阀，第一单向阀的输出端与阴极阵列针管连通；电解液缸还与第二单向阀连接，第二单向阀将多余的电解液经过滤器过滤后流入电解液槽内。

进一步的，所述阴极阵列针管有数个，数个所述阴极阵列针管对应半导体材料位置处为半导体材料上要打孔位置；在所述半导体材料电解打孔的孔深由计算机控制，在激光辅助电解打孔过程中，半导体材料下端面可打出空泡结构的孔或者斜孔结构的孔。

进一步的，所述阴极阵列针管除针头位置外其它位置均涂覆有绝缘层。

进一步的，电解液为高浓度中性盐水溶液，质量分数为10％～30％；或者为碱溶液，质量分数为4％～10％；激光器为纳秒脉冲激光器或者皮秒脉冲激光器。

有益效果：

1.针对单晶硅等半导体材料高质量、高深径比群孔加工难题，提出利用短脉冲激光“点扫”策略在材料上表面若干指定位置处诱导产生出局域电导率增强区域,形成电流优先通过的瞬时定域导电通道；同时，在材料背面利用阴极针管阵列引入电解加工，通过前期对刀步骤确保激光扫描位置与阴极针头位置相对应，进而在电导率定域增强的位置实现高效电化学阳极溶解。同时，所用阴极阵列针管的侧壁绝缘，可有效减小侧壁杂散腐蚀，提高微孔深径比；针头内有低压稳流射出，有利于带走气泡等电解产物，确保持续实现材料上表面激光辐照与材料背面电化学阳极溶解稳定协同加工，从而获得高质量、高深径比微孔阵列。

2.本发明从本质上依靠电解加工实现高深径比微孔加工，所得微孔无残余应力、无热损伤、表面质量好，加工后无需后处理，高效解决了集成电路芯片封装切割、微机电系统半导体微小件加工制造中大量存在的群孔加工难题。

3.本发明方法可行性高，针对不同群孔分布，仅需重新制作阴极阵列针头，调整上表面激光扫描“点位”，即可实现无工具损耗的激光电解背向协同加工。

4.将半导体材料倾斜放置，可以用此方法加工出高质量斜孔阵列；控制针头进给速率，有可能实现半导体材料内部“空泡结构”加工。

5.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。

附图说明

图1为根据本发明实施例的激光电解背向协同微加工方法的系统示意图；

图2为本发明图1涉及到的稳定低压射流生成系统结构示意图：

图3为加工倾斜群孔和空泡结构的示意图。

附图标记如下：

1-激光器；2-激光束；3-扩束镜；4-反光镜；5-振镜；6-透镜；7-内槽；8-内六角螺栓；9-压片；10-橡胶垫圈；11-稳定低压射流系统；12-半导体材料；13-微孔；14-阴极阵列针管；15-外槽；16-电解液；17-灵敏压力计；18-底座；19-可调架杆；20-电流探头；21-示波器；22-直流脉冲电源；23-计算机；24-第一单向阀；25-电解液缸；26-活塞；27-连接杆；28-第一支撑座；29-伺服电机；30-联轴器；31-丝杠；32-滑块；33-第二支撑座；34-电解液储液槽；35-过滤器；36-第二单向阀；37-斜孔结构；38-绝缘层；39-空泡结构。

具体实施方式

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。

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。

一种激光电解背向协同打群孔的系统，包括激光加工系统、稳定低压射流系统11、电解加工系统和运动控制系统；所述激光加工系统用来提供加工半导体材料12的能量，稳定低压射流系统11用来提供低压射流形式的电解液，电解加工系统用来电解加工半导体材料12，运动控制系统用来控制阴极阵列针管14与半导体材料12之间的间隙；所述运动控制系统包括灵敏压力计17、可调杆架19和计算机23；所述半导体材料12置于内槽7下端面上，且内槽7下端面上置有半导体材料12位置处开设有数个通孔，阴极阵列针管14穿过通孔；所述可调杆架19与内槽7连接，可调杆架19用来调节内槽7与阴极阵列针管14之间的距离，当阴极阵列针管14与半导体材料12接触时，灵敏度压力计17有压力感知，所述计算机23接收灵敏度压力计17的压力信号后使得可调杆架19做出相应的动作。

其中，所述夹紧装置用来对半导体材料12导向和定位；所述夹紧装置包括内六角螺栓8、压片9和橡胶垫圈10；所述内六角螺栓8一端设置在内槽7下端面上，且内六角螺栓8上依次安装有压片9和橡胶垫圈10；所述橡胶垫圈10置于半导体材料12的上表面上方，当阴极阵列针管14接触半导体材料12时，半导体材料12会压缩橡胶垫圈10。

所述激光加工系统包括激光器1、激光束2、扩束镜3、反光镜4、振镜5和透镜6；所述激光器1发出的激光束2经扩束镜3后经反光镜4改变光路后进入振镜5最终通过透镜6辐照在半导体材料12的上，通过计算机23控制所述激光器1发出的激光束2的参数。

所述电解加工系统包括内槽7、外槽15、电解液16、电流探头20、示波器21和直流脉冲电源22；所述内槽7设置在外槽15内，外槽15内盛有电解液16，半导体材料12与直流脉冲电源22的正极相连通；直流脉冲电源22的负极与阴极阵列针管14相连通；所述电流探头20用来检测是否存在电流，示波器21用来显示电流情况。

所述稳定低压射流系统11包括第一单向阀24、电解液缸25、活塞26、连接杆27、第一支撑座28、伺服电机29、联轴器30、丝杠31、滑块32、第二支撑座33、电解液槽34、过滤器35和第二单向阀36；所述伺服电机29的输出端通过联轴器30与丝杠31连接，丝杠31两端分别通过第一支撑座28和第二单向阀36支撑，丝杠31用来驱动上边设置的滑块32，所述滑块32上铰接有连接杆27的一端，连接杆27的另一端连接的活塞26用来压缩电解液缸25，电解液缸25输出端设置有第一单向阀24，第一单向阀24的输出端与阴极阵列针管14连通；电解液缸25还与第二单向阀36连接，第二单向阀36将多余的电解液经过滤器35过滤后流入电解液槽34内。

所述阴极阵列针管14有数个，数个所述阴极阵列针管14对应半导体材料12位置处为半导体材料12上要打孔位置；在所述半导体材料12电解打孔的孔深由计算机23控制，在激光辅助电解打孔过程中，半导体材料12下端面可打出空泡结构39的孔或者斜孔结构37的孔。

结合附图1和3，一种半导体材料激光电解背向协同打群孔方法，基于硅等半导体材料电导率随温度升高而增强的特性，利用短脉冲激光“点扫”在材料上表面若干指定位置处诱导产生出局域电导率增强区域,形成电流优先通过的瞬时定域导电通道；同时，在材料背面利用外壁绝缘处理的阴极针管阵列引入电解加工，通过前期对刀步骤确保激光扫描位置与阴极针头位置相对应，进而在电导率定域增强的位置实现高效电化学阳极溶解，实现材料背面高效定域电解加工，一次性获得无再铸层、无热损伤、无残余应力的高质量、高深径比群孔结构；激光器1发出的激光束2辐照在半导体材料12上，在材料内形成局域高温区域，定域增强导电性能，半导体材料12与直流脉冲电源22的正极相接；直流脉冲电源22的负极与阴极阵列针管14相接，阴极阵列针管14针头以下镀绝缘层38，并与半导体材料12可平行或斜置，使得其间始终存在间隙；电解液通过阴极阵列针管14以低压射流形式引入到阳极半导体材料12与阴极阵列针管14之间间隙内，以加快电解液流动带走气泡等产物，确保加工持续稳定进行，使阴阳极间电路导通，半导体材料12背面电化学阳极溶解区域对应于激光束2快速“点扫”的辐照位置。

内槽7通过可调架杆19与底座18相连接，底座18和外槽15之间有灵敏压力传感器17，灵敏压力传感器17和可调架杆19和计算机23相连，可调架杆19在计算机23控制下微进给，当针管14与半导体材料12接触时，压力传感器17有压力感知，计算机23控制可调杆架14向上微调，使半导体材料8与针头微分离，实现持续可控加工。

附图1和图3的阵列针管也可替换成其他形状，同时改变激光扫描路径，可在半导体材料背面获得不同形状的结构。

所述激光器1既可用常规纳秒脉冲激光器，也可采用皮秒/飞秒超短脉冲激光器。使用超短脉冲激光器有助于材料内温度场集中，可进一步增强材料下表面电解加工的定域性，提高加工质量。

电解液为中性盐水溶液，也可使用氢氧化钠等腐蚀性溶液；中性盐水溶液为浓度适当的中性盐水溶液，质量分数为10％-30％；氢氧化钠溶液为质量分数4％-10％。

示波器21与所述可调脉冲电源22之间设有电流探头20，示波器21连接在电流探头20上，提供直观的波形图，电流探头20连接在可调脉冲电源22上，电流探头20采集脉冲信号，传输到示波器21上。可调电源22的加入让加工更加精细的进行，记录脉冲和电流电压信号可以让装置快速配合激光器做出调整，让加工过程高效进行。

本实施例为半导体材料激光电解背向协同打群孔加工系统，激光器1输出激光束2，由扩束镜3扩大激光束直径，经反光镜4调节方向，由振镜5控制光束运动形式，最终经透镜6聚焦后，辐照到半导体材料12表面，定域提高半导体材料12内指定位置电导率。激光束2生成及振镜5的运动都由计算机23控制。

结合附图2，伺服电机29通过联轴器30带动滚珠丝杠31转动，滚珠丝杆31两端通过第一支撑座28与第二支撑座33支撑；通过与滚珠丝杠31匹配的滑块32将滚珠丝杠31的转动转化为活塞杆26的直线运动，从而推动电解液槽34中的电解液以恒速输出。电解液经第一单向阀24、软管流入金属针头14，形成稳定低压射流。第一单向阀24与第二单向阀36可配合滚珠丝杠31正反向运动实现电解液输出与吸入。当伺服电机29经滚珠丝杠31带动活塞杆26正向运动，第一单向阀24开启，第二单向阀36闭合，电解液在活塞26推动下进入软管；当伺服电机29经滚珠丝杠31带动活塞杆26反向运动，第一单向阀24闭合，第二单向阀36开启，电解液存储槽34内的电解液经过滤器35被吸入电解液缸25中，从而完成从针头出形成稳定低压射流的过程。

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。