专利名称：准分子激光电化学微结构制造方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于制造技术中的微制造领域，涉及集成电路制版光刻、准分子激光加工和电化学加工工艺方法。
背景技术：
现行的微制造方法，一般采用光刻工艺在基片上涂胶制作微结构图案，再用化学微加工工艺或激光诱导的化学微加工工艺制作三维微结构。然而，由于化学微加工工艺形成的微结构纵向腐蚀深度与横向腐蚀宽度基本相等(深宽比为1)，因而难以制作纵向深度较大、横向宽度较小的微结构，而且容易出现不必要的“横向腐蚀问题”。激光诱导的化学微加工工艺可减小有害的横向腐蚀影响，提高微结构深宽比，但通常采用CO2激光器(10.6微米波长)或Ar+激光器(如488纳米)作为光源，因受到激光波长的限制，往往难从根本上解决问题。
与化学微加工工艺相比，电化学微加工的温度较低，对样品特性损伤小，加工速率可提高数倍，而且对环境的污染比较小，特别是在电极之间施加辅助电化学反应的电场，可使深宽比提高数倍，且能有效控制微加工的纵向深度和横向宽度[2]。M.Datta等人在电化学微加工方面取得较大进展，1996年IBM公司由此获得3项相关美国专利。德国和法国合作的R.Schuster研究小组在工具电极和被加工工件之间施加超短脉冲电压，可用电化学微加工工艺加工三维导电材料。
激光微加工是一种数控洁净制造技术，工艺参数能够精确控制，操作简便，对环境的污染也很小。1997年IBM公司J.Brannon采用可抽真空、注入反应气体的工作室，探索准分子激光消融(Ablation)工艺和刻蚀工艺。美国海军海洋系统研究中心S.D.Russell等人发明一种适用于卤化碳(halocarbon)气氛条件下的准分子激光诱导化学刻蚀工艺，由美国海军分别在1994年和1995年获得三项相应的美国专利权。
90年代后期，人们开始利用激光对电化学反应的催化与控制作用，探索激光微加工工艺与电化学微加工工艺相结合的新工艺。IBM公司研制成功一种激光增强光热过程的电化学微制造工艺，在喷镀和刻蚀工艺过程中获得应用。P.A.Kohl在研究半导体光电化学刻蚀工艺的过程中，对半导体/电解质溶液界面上的空间电荷分布状态和载流子电流密度进行了深入研究。美国加利福尼亚大学用4.5毫瓦442纳米HeCd激光器增强电化学反应池中的氧化、还原反应，用氢氧化钾或盐酸与水配成温度低于40℃的电解质溶液，使III族氮化物(如氮化镓)薄膜刻蚀速率的数量级达到10纳米/分～100纳米/分，1998年获得美国专利权。
近10年来微制造工艺在国内也取得了比较大的进展。厦门大学田昭武等人提出研究一种MEMS电化学微加工技术，并与哈尔滨工业大学合作研制出电化学微/纳加工系统。杨勇、林祖赓等人将非线性光学用于电化学研究，研究激光扫描光电化学显微技术。北京工业大学左铁钏等人研制出国内第一台带有两级复眼式激光光束整形均匀器的实用型准分子激光微加工机，采用腐蚀性反应气体(如氯气)进行准分子激光诱导化学刻蚀加工实验，试制出多种三维微结构样品。浙江大学章海军、黄峰提出基于扫描离子电导显微术的电化学微细加工方法。此外，还提出一种基于扫描隧道显微术与电化学技术、用毛细管微探针(尖端内外径的数量级从亚微米到几十微米)进行集成电路微细加工的新方法。中国科学院化学研究所万立骏、王琛、白春礼正在研究电化学研究系统与扫描探针显微技术相结合的电化学扫描探针显微技术。
综上所述，电化学微加工工艺和化学微加工工艺相比，可定向控制刻蚀尺寸，获得较大的深宽比。然而，电化学微加工的工具电极制造成本较高，对环境的污染问题只是比化学微加工有所改善，但还存在比较大的环境污染问题，而且容易产生钝化膜等工艺问题，阻碍或延缓电化学微加工过程的顺利进行，致使电化学微加工的生产效率还不高，因而难以在生产线上普遍推广。现有的激光诱导电化学微加工工艺，可部分解决电化学反应过程中的有害钝化薄膜问题。但是，现有激光诱导电化学微加工工艺使用的激光器波长较长(如1.06微米或442纳米)，功率较小(如4.5毫瓦)，可加工的特征尺寸也难达到亚微米数量级的尺度，而且应用的范围还很有限。譬如，美国加利福尼亚大学的专利技术只适用于III族氮化物(如氮化镓)薄膜的刻蚀，对其他材料的亚微米加工也无能为力。
发明内容
本发明提供一种准分子激光电化学微结构制造方法及其装置，将集成电路制版光刻工艺、准分子激光微加工工艺、电化学微加工工艺和扫描探针显微技术结合起来，并克服它们各自存在的问题，形成一种新的准分子激光电化学加工方法。
本发明的一种准分子激光电化学微结构制造方法，顺序包括如下步骤(1)首先制备显微探针阵列在石英玻璃片上用化学方法或电化学方法生成金属层，金属层表面涂敷光刻胶，用集成电路亚微米制版工艺在光刻胶表面复制待加工的微结构图案，进行光刻处理后再腐蚀处理，除去光刻胶即得；(2)将待加工基片固定于电化学反应室内的平板电极、其上方置显微探针阵列，用真空泵使电化学反应室产生负压，再注入窗口保护气体，在窗口下表面形成气体保护屏障；(3)注入电解质溶液，使基片的上表面刚好浸入电解液，然后在显微探针阵列和平板电极之间施加电压，同时经电化学反应室窗口通入准分子激光，控制电化学反应，完成微结构基片的微加工过程。
所述的准分子激光电化学微结构制造方法，采用的工艺参数为准分子激光波长193纳米或248纳米、脉冲能量≤450毫焦、脉冲宽度12～20纳秒、脉冲数量10-3000、脉冲重复频率≤200赫兹、电解质溶液酸碱溶液，电源电压为3-15V、电极间距为0.2-2mm。
所述的准分子激光电化学微结构制造方法，所述的电解质溶液可以为10％-40％的KOH溶液或10％-40％的HCl溶液，对于金属材料还可以采用5％-30％盐溶液。
本发明的一种用于准分子激光电化学微结构制造的装置，包括由准分子激光器、光学系统和X-Y两轴工作台构成的准分子激光微加工机，其特征在于所述准分子激光微加工机X-Y两轴工作台上，装有电化学反应室，其表面装备气动窗口、保护气体入口、真空泵接口、电解质溶液入口、辅助电化学反应气体入口和废物出口；电化学反应室内部装有显微探针阵列和带有夹具的平板电极、它们分别与电源的两端相连组成电极对。
所述的用于准分子激光电化学微结构制造的装置，所述显微探针阵列系在石英玻璃片上生成有金属层，金属层表面形状与待加工的微结构图案相同；显微探针阵列与平板电极之间距离可进行微调。
本发明用248纳米(或193纳米或157纳米)准分子激光器替代HeCd激光器等波长较长的激光器，把集成电路制版光刻工艺、准分子激光微加工工艺、电化学微加工工艺和扫描探针显微技术的优点有机地结合在一起，并使这四种现有微制造技术相互补充。与深层反应离子刻蚀(DRIE)工艺相比，准分子激光电化学微制造工艺具有设备成本相对低廉，又可消除DRIE工艺高能离子对样品的损伤问题。本发明一个显著的特点是采用石英基板制造与加工图案相对应的显微探针阵列；显微探针阵列既是电化学反应的电极之一，也是准分子激光的光波导。准分子激光穿过显微探针阵列中间的空隙，照射在被加工的工件表面，这样，在准分子激光、电化学反应与基片表面原子的相互作用下，可在基片上制造出深宽比为5～50、特征尺寸为0.5～50微米的微结构。本发明可适用于金属、半导体、等材料的亚微米微加工，在对环境基本没有污染的条件下完成微加工过程，提高微结构的深宽比，给MEMS微制造工艺注入新的活力。由于准分子激光脉冲能量容易被电解质溶液吸收，从而快速地触发、激活电化学反应。只要在准分子激光微加工机工作台上安装自循环的电化学反应室(如图2所示)，则可使用更低浓度的电解质(如NaNO3、K2SO4或NaCl等中性盐)溶液，在更低的温度下发生准分子激光触发的电化学反应，在硅基片样品材料上制造出所需要的三维微结构。显然，在工艺过程中采用低浓度的中性盐类电解质溶液，可减少环境污染，达到洁净制造即绿色制造的目的；低温激光电化学反应可减小制造工艺过程导致样品特性变化的影响。在上述新工艺过程中，如果不断补充新鲜的电解质溶液，排放废液，加工效果将会更好。由于这种新工艺充分利用准分子激光、电化学反应与样品材料的相互作用，一方面可解决电化学微加工过程中的钝化问题和激光微加工过程中的非挥发性生成物问题，严格地控制激光触发的电化学反应过程，精确地控制硅基片样品微结构的纵向深度和横向宽度；另一方面又可直接使用准分子激光的原始光斑(如12毫米×24毫米)，或者采用扩束器(一种扩大光斑的光学装置)获得更大的光斑，对样品表面进行扫描，提高一次性可加工的区域面积。
图1是本发明用于准分子激光电化学微结构制造的装置示意图。
图2是电化学反应室结构示意图。
图3是显微探针阵列在电化学反应室中连接关系的示意图。
图4是显微探针阵列的制作过程示意图。
图5是显微探针阵列A向视图。
具体实施例方式
本发明的一种用于准分子激光电化学微结构制造的装置如图1所示，包括由准分子激光器1、光学系统和X-Y两轴工作台构成的准分子激光微加工机，光学系统包括反射镜2、3、4、5、6、7、8和透镜9，X-Y两轴工作台包括X向工作台10和Y向工作台11；可以在现有准分子激光微加工机工作台上，装有带电源12的电化学反应室13。
图2是电化学反应室13的结构示意图，它包括气动窗口14、保护气体入口15、真空泵接口16、电解质溶液入口17、辅助电化学反应气体入口18和废物出口19等部分，保护气体入口15、辅助电化学反应气体18与相应的气源相连，真空泵接口16与真空泵相连，电解质溶液入口17与电解质溶液配制容器相连；电化学反应室13内部装有显微探针阵列20和带有夹具的平板电极21、它们分别与电源12的两端相连组成电极对。显微探针阵列20与平板电极21之间的相对纵向(Z方向)距离可进行微调。电化学反应室13与现有工作台10固定在一起，可随工作台在X-Y方向水平移动。该电化学反应室的特点有可控制激光微加工工艺参数；可调节电解质溶液的配方、流速和流量；可调节激光气动窗口保护气体与辅助反应气体的配方、流速和流量；探针阵列电极与平板电极之间的距离可进行微调；在基片/电解质溶液界面，可发生准分子激光光子、准分子激光等离子体、电化学反应生成微观粒子与基体原子之间的相互作用。
图3是显微探针阵列在电化学反应室中连接关系的示意图，显微探针阵列20装于支架22上，支架22通过四根调节螺杆23固定于电化学反应室的盖板24、并由调节螺母25调节其垂直方向位置，从而调节显微探针阵列20与平板电极21之间的相对纵向(Z方向)距离，加工时待加工基片P与平板电极21固定，激光穿过窗口14、探针阵列20的间隙，入射到待加工基片P表面。
用微制造工艺制备显微探针阵列，其过程如图4所示。在合成石英玻璃片20-1(如图4.a所示)上用化学方法或电化学方法生成一层金属层20-2(如图4.b所示)，然后在金属层表面涂覆一层光刻胶20-3(如图4.c所示)，再对其进行光刻处理，得到如图4.d所示的图形，再对其进行腐蚀处理，得到如图4.e所示的图形，最后除掉光刻胶3，即可得到如图4.f所示的显微探针阵列20-4。
图5是图4.f所示的显微探针阵列A向视图，为微孔阵列，与需要加工的微结构图案一致。
实施例1金属微孔阵列的加工首先采用化学沉积的方法在玻璃表面形成一层铜导电层，然后，在铜导电层上涂布光刻胶，然后，采用光刻技术将图形转移到光刻胶上，接着，将其进行干法腐蚀，并去除光刻胶，再将构成显微探针阵列的带有铜导电层的玻璃片安装在激光电化学反应室中的阴极位置，使铜层朝下，并与其中的阴极接线柱接通，被加工金属铜基材置于阳极位置，且通过平板电极与其中的阳极接线柱接通。电极间距为0.2mm，电解液采用5％的NaCl溶液，液面湮没工件1mm，供电电压为12V，准分子激光采用波长为248纳米，脉冲能量300mJ，脉冲数为50。经过2分钟即可在厚约1mm的金属铜基材上刻蚀出间距为15微米，直径为0.5微米的微孔阵列。
实施例2金属微孔阵列的加工显微探针阵列制作与安装同上例。电极间距为2mm，电解液采用30％的NaCl溶液，液面湮没工件2.5mm，供电电压为3V，准分子激光采用波长为248纳米，脉冲能量100mJ，脉冲数为1000。经过1分钟即在厚约0.5mm的金属铜基材上刻蚀出间距为15微米，直径为5微米的微孔阵列。
实施例3金属微孔阵列的加工显微探针阵列制作与安装同上例。电极间距为2mm，电解液采用10％的NaCl溶液，液面湮没工件2.5mm，供电电压为6V，准分子激光采用波长为248纳米，脉冲能量250mJ，脉冲数为500。经过1分钟即在厚约0.5mm的不锈钢基材上刻蚀出间距为50微米，直径为50微米的微孔阵列。
实施例4金属微孔阵列的加工显微探针阵列制作与安装同上例。电极间距为2mm，电解液采用10％的NaCl溶液，液面湮没工件2.5mm，供电电压为6V，准分子激光采用波长为193纳米，脉冲能量250mJ，脉冲数为500。经过1分钟即在厚约0.5mm的不锈钢基材上刻蚀出间距为15微米，直径为5微米的微孔阵列。
实施例5半导体微孔阵列的加工首先采用化学沉积的方法在玻璃表面形成一层金或银导电层，然后，在导电层上涂布光刻胶，然后，采用光刻技术将图形转移到光刻胶上，接着，将其进行干法腐蚀，并去除光刻胶，再将构成显微探针阵列的带有导电层的玻璃片安装在激光电化学反应室中的阴极位置，使导电层朝下，并与其中的阴极接线柱接通，被加工硅片置于阳极位置，且通过平板电极与其中的阳极接线柱接通。电极间距为0.2mm，电解液采用10％的HCl溶液，液面湮没工件1mm，供电电压为12V，准分子激光采用波长为248纳米，脉冲能量400mJ，脉冲数为1500。经过10分钟即在厚约0.5mm的硅片上刻蚀出间距为15微米，直径为0.5微米的微孔阵列。
实施例6半导体微孔阵列的加工显微探针阵列制作与安装同上例。电极间距为2mm，电解液采用30％的NaOH溶液，液面湮没工件2.5mm，供电电压为6V，准分子激光采用波长为248纳米，脉冲能量100mJ，脉冲数为3000。经过20分钟即在厚约0.5mm的硅片上刻蚀出间距为15微米，直径为1微米的微孔阵列。
实施例7半导体微孔阵列的加工显微探针阵列制作与安装同上例。电极间距为2mm，电解液采用30％的HCl溶液，液面湮没工件2.5mm，供电电压为6V，准分子激光采用波长为248纳米，脉冲能量100mJ，脉冲数为3000。经过20分钟即在厚约0.5mm的硅片上刻蚀出间距为15微米，直径为5微米的微孔阵列。
实施例8半导体微孔阵列的加工显微探针阵列制作与安装同上例。电极间距为2mm，电解液采用10％的HCl溶液，液面湮没工件2.5mm，供电电压为6V，准分子激光采用波长为193纳米，脉冲能量100mJ，脉冲数为3000。经过20分钟即在厚约0.5mm的硅片上刻蚀出间距为15微米，直径为1微米的微孔阵列。
权利要求
1.一种准分子激光电化学微结构制造方法，顺序包括如下步骤(1)首先制备显微探针阵列在石英玻璃片上用化学方法或电化学方法生成金属层，金属层表面涂敷光刻胶，用集成电路亚微米制版工艺在光刻胶表面复制微结构图案，进行光刻处理后再腐蚀处理，除去光刻胶即得；(2)将待加工基片固定于电化学反应室内的平板电极、其上方置显微探针阵列，用真空泵使电化学反应室产生负压，再注入窗口保护气体，在窗口下表面形成气体保护屏障；(3)注入电解质溶液，使基片的上表面刚好浸入电解液，然后在显微探针阵列和平板电极之间施加电压，同时经电化学反应室气动窗口通入准分子激光，控制电化学反应，完成微结构基片的微加工过程。
2.如权利要求1所述的准分子激光电化学微结构制造方法，其特征在于采用的工艺参数为准分子激光波长193纳米或248纳米、脉冲能量≤450毫焦、脉冲宽度12～20纳秒、脉冲数量10-3000、脉冲重复频率≤200赫兹、电解质溶液为酸碱溶液，电源电压为3-15V、电极间距为0.2-2mm。
3.如权利要求1或2所述的准分子激光电化学微结构制造方法，其特征在于所述的电解质溶液为10％-40％的KOH溶液或10％-40％的HCl溶液，对于金属材料还可以采用5％-30％盐溶液。
4.一种用于准分子激光电化学微结构制造的装置，包括由准分子激光器、光学系统和X-Y两轴工作台构成的准分子激光微加工机，其特征在于所述准分子激光微加工机X-Y两轴工作台上，装有电化学反应室，其表面装备气动窗口、保护气体入口、真空泵接口、电解质溶液入口、辅助电化学反应气体入口和废物出口；电化学反应室内部装有显微探针阵列和带有夹具的平板电极、它们分别与脉冲电源的两端相连组成电极对。
5.如权利要求4所述的用于准分子激光电化学微结构制造的装置，其特征在于所述显微探针阵列系在石英玻璃片上生成有金属层，金属层表面形状与待加工的微结构图案相同；显微探针阵列与平板电极之间距离可进行微调。
全文摘要
本发明属于微制造领域，针对传统方法缺点，把准分子激光、集成电路制版光刻、电化学和扫描探针显微技术融合成新的加工方法，步骤为(1)首先制备显微探针阵列；(2)将基片固定于平板电极和显微探针阵列之间，产生负压，注入保护气体；(3)注入电解质溶液后在电极之间施加电压，同时通入准分子激光控制电化学反应，完成加工过程。相应装置在激光微加工机工作台上装电化学反应室，它包括激光气动窗口、保护气体入口、真空泵接口、电解质溶液入口、显微探针阵列、平板电极、辅助电化学反应气体入口和废物出口。利用本发明可在金属、半导体基片上得到宽深比5－50、特征尺寸1－50微米的微结构，在环保、纺织、造纸、能源、信息和国防等领域有广泛用途。
文档编号G03F7/20GK1547079SQ20031011157
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月12日 优先权日2003年12月12日
发明者史铁林, 陈志凌, 熊良才, 柳海鹏, 周月豪, 马龙 申请人:华中科技大学