本发明专利技术提供了一种背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置和方法，通过调节激光能量、频率以及波长，多焦点激光束作用在半导体试样的背面，一方面当激光照射半导体试样背面时，半导体试样中就会被激发出大量的光生空穴，空穴移动到已抛光的半导体试样表面处参与电化学反应，材料蚀除；另一方面在半导体试样背面，多焦点激光向里逐渐加工。工具电极作为阴极，半导体试样作为阳极，两极之间高电位时，进行电火花放电加工；低电位时，进行电化学蚀除。多焦点激光和电化学复合作用在半导体试样上，不仅提高了刻蚀效率，而且提高通孔的表面质量。在半导体材料上加工高精度微通孔时，这种复合效应作用效果好，适合精密加工。
【技术实现步骤摘要】
背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置和方法
本专利技术涉及本专利技术属于微细加工领域里的复合精密加工方法，特指背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置和方法。
技术介绍
目前对于半导体材料加工技术及其应用的研究，以硅为代表的半导体材料具有脆性大、断裂强度和屈服强度比较接近的特点。在常温的传统加工中，半导体材料往往在塑性变形前产生裂纹，很难获得高质量的加工表面，所以精密加工技术就显得尤为重要。利用复合加工技术制造集光机电电磁等多功能于一体完成一定功能的复杂微细系统，受到世界范围的关注。合适波长的激光能够被半导体试样材料吸收，可以在基体上光照微区域内激发、诱导化学反应。这样多技术耦合可以有效地改善材料的加工形貌，提高表面质量，有助于微细加工技术的改进和发展。经过对现有的技术检索发现，公开号为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、微细电化学光整合侧壁钝化工艺，实现半导体垂直通孔的加工，但是它是单一的加工方式，加工效率比较低。公开号为CN2342925Y的中国专利公开了一种非导电材料超声波方法复合加工装置，超声波电解放电复合技术提高了其加工效率，但是超声波振动必然会引起机械力频繁作用在工件上，从而导致被加工材料表面出现微裂纹以及工具电极磨损。近些年已发表的文献对N型单晶硅为原始材料制备单孔硅以及其形貌方面的研究相对较少，从器件制备的角度来看，在N型和P型单晶硅上制备单孔对具有同样的重要性。在研究N型单晶硅的加工，有一种方法叫做光助电化学阳极腐蚀法。此方法是指在阳极腐蚀过程中，光源照射在N型硅背面，提高空穴移动速度，这种照射光源通常是白光或卤素灯。该方法有几个缺陷：1.光照半径太大，辐照范围广，不适合微米级加工。2.白光或卤素灯一旦固定下来，其波长不易改变。3.如果光源与试样控制距离变大，光照强度则不能保证。无法避免大孔的出现，而且随着孔的深度增加，孔隙度在纵向的分布不均匀。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供了一种背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置和方法，通过激光能量和电化学能量复合，来增强加工区域能量密度，提高半导体材料的刻蚀加工效率和表面质量，可用于加工高精度微小尺寸的半导体试样。本专利技术主要是通过以下的技术收到来实现上述技术方案的。一种背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置，主要包括运动控制系统、电解液循环系统、电化学反应系统和多焦点激光辐照系统；所述运动控制系统主要包括计算机、控制柜、数控平台，计算机与控制柜相连，控制柜与数控平台相连，控制柜与脉冲激光器相连，计算机通过控制柜控制数控平台的移动，所述数控平台的延伸平台的中心位置设有通孔；所述电解液循环系统主要包括回流管、可调恒温槽、微型泵以及工作腔；可调恒温槽与工作腔之间通过回流管构成循环回路，所述微型泵设在回流管上；所述电化学反应系统主要包括可调脉冲电源、工具电极、氧化铟锡玻璃、半导体试样、工作腔、示波器以及电流探头，所述工作腔固定在数控平台上，所述工作腔底部有一个通孔槽，半导体试样放置在通孔槽底部，氧化铟锡玻璃板位于半导体试样下方，所述半导体试样与通孔槽底部之间设有密封圈，所述半导体试样与氧化铟锡玻璃板之间通过欧姆层胶合，所述欧姆层是透明导电胶制作而成的，所述工作腔和氧化铟锡玻璃板通过螺栓紧固，所述工作腔内用于盛放电解液，所述半导体试样的抛光面和电解液接触，所述工具电极放置在工作腔溶液里、并与所述可调脉冲电源的负极相连，所述氧化铟锡玻璃板与所述可调脉冲电源的正极相连，所述示波器与所述可调脉冲电源的负极相连，所述示波器与所述可调脉冲电源之间设有电流探头；所述脉冲激光多焦点系统位于所述工作腔下方，所述激光多焦点辐照系统主要包括脉冲激光器、多焦点发生装置、反射镜以及聚焦透镜，所述多焦点发生装置用于使激光器发生的激光束形成多条脉冲激光束，所述反射镜用于改变多条脉冲激光束的光路，所述聚焦镜将多条脉冲激光束聚焦在同轴不同的位置上。优选地，所述工具电极由装在丝杠上的夹具夹持，所述丝杠装在数控平台上。所述的背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：所述工具电极作为阴极，半导体试样作为阳极，半导体试样已抛光的表面进行电化学刻蚀；脉冲激光器发出激光束经过多焦点发生装置形成多条激光束，多条激光束经过反射镜再经过聚焦镜在同轴上不同位置聚焦多个焦点，多焦点中最低的一个焦点与半导体试样背面处相重合，最高点焦点激光是半导体试样的抛光面处重合；所述多焦点激光中的最低焦点激光在同轴方向上对半导体试样背面先进行刻蚀，刻蚀距离是激光的焦深，由于半导体试样是不透明的，焦点位于半导体试样背面以上的激光束被半导体试样遮挡住，则在试样背面处形成辐照区域，为半导体试样相应区域里的空穴移动提供辐照能量；在激光辐照的作用下空穴移动到半导体试样已抛光的表面，促进半导体的电化学阳极腐蚀反应，且随着辐照能量增大，空穴数量增多并且移动速率增大；电化学反应开始时是低电位，电位值为10V，进行电化学蚀除，随着辐照增强时更多的空穴参与到电化学反应中来，电化学反应加快，工具电极底部附着大量气泡增多，两极之间气膜层形成，两极间形成高电位，超过电火花放电的临界电压值20V则进行电火花放电加工；当气泡溃灭时，两极间又形成低电位，进行电化学蚀除；电化学蚀除和电火花放电加工两种加工方式交互更替；半导体试样已抛光的表面：随着电化学蚀除和电火花放电加工的进行，刻蚀深度越来越大，工具电极逐渐下移，电化学蚀除和电火花放电加工两种加工方式交互更替进行；半导体试样的背面：随着刻蚀激光深度的变化，当最低焦点激光刻蚀深度达到其焦深后，焦点位于其上部的激光开始刻蚀，蚀距离是焦深，依次类推到最高的焦点激光；半导体试样的已抛光的表面和背面的刻蚀同时进行，最终在半导体试样上加工出通孔。优选地，所述多焦点激光光束的波长为750nm～850nm，频率为10Hz～1KHz，脉宽为10ns，单脉冲激光能量为0～10mJ，激光焦点数为8～10。优选地，所述半导体试样为硅片，其厚度为0.2mm～0.5mm，所述的工具电极侧表面具有绝缘的铂丝，直径为0.1mm，所述工具电极与半导体试样之间距离保持在5微米到10微米之间。优选地，所述的电解液为碱性溶液，电解液温度设定范围在20℃～40℃；所述可调脉冲电源的电压0～20V，频率2kHz～2MHz，占空比0～100％。本专利技术中，通过多焦点激光在半导体试样背面进行激光刻蚀，半导体试样背面采用激光刻蚀，在激光辐照的作用下半导体试样中产生空穴，并促使空穴向抛光面迁移半导体试样抛光面，加快电化学反应，在电极表面形成气泡层，提高电位差，发生电火花放电，使抛光面电化学蚀除和电火花放电加工两种加工方式交互更替进行。该通孔由上下两种能量同时加工实现，不但显著提高加工速度，而且孔侧壁垂直度好，避免了单向加工的孔壁锥度，加工表面最终由电化学反应获得，不会产生微裂纹。本专利技术的有益效果：(1)相对卤素灯照射半导体背面，多焦点激光不仅可以提供光辐照而且可以对半导体试样进行加工；相对单焦点激光，多焦点激光可以不需要移动上下位置可以对半导体试样连续加工。(2)由于在光催化半导体中，空穴具有较大的反应活性本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置，其特征在于，主要包括运动控制系统、电解液循环系统、电化学反应系统和多焦点激光辐照系统，所述运动控制系统主要包括计算机(22)、控制柜(23)、数控平台(5)，计算机(22)与控制柜(23)相连，控制柜(23)与数控平台(5)相连，控制柜(5)与脉冲激光器(21)相连，计算机(22)通过控制柜(23)控制数控平台(5)的移动，所述数控平台(5)的延伸平台(16)的中心位置设有通孔；所述电解液循环系统主要包括回流管(8)、可调恒温槽(10)、微型泵(9)以及工作腔(11)；可调恒温槽(10)与工作腔(11)之间通过回流管(8)构成循环回路，所述微型泵(9)设在回流管(8)上；所述电化学反应系统主要包括可调脉冲电源(6)、工具电极(7)、氧化铟锡玻璃(15)、半导体试样(13)、工作腔(11)、示波器(1)以及电流探头(2)，所述工作腔(11)固定在数控平台(5)上，所述工作腔(11)底部有一个通孔槽，半导体试样(13)放置在通孔槽底部，氧化铟锡玻璃板(15)位于半导体试样(13)下方，所述半导体试样(13)与通孔槽底部之间设有密封圈(12)，所述半导体试样(13)与氧化铟锡玻璃板(15)之间通过欧姆层(14)胶合，所述欧姆层(14)是透明导电胶制作而成的，所述工作腔(11)和氧化铟锡玻璃板(15)通过螺栓(17)紧固，所述工作腔(11)内用于盛放电解液，所述半导体试样(13)的抛光面和电解液接触，所述工具电极(7)放置在工作腔(11)溶液里并与所述可调脉冲电源(6)的负极相连，所述氧化铟锡玻璃板(15)与所述可调脉冲电源(6)的正极相连，所述示波器(1)与所述可调脉冲电源(6)的负极相连，所述示波器(1)与所述可调脉冲电源(6)之间设有电流探头(2)；所述脉冲激光多焦点系统位于所述工作腔(11)下方，所述激光多焦点辐照系统主要包括脉冲激光器(21)、多焦点发生装置(20)、反射镜(19)以及聚焦镜(18)，所述多焦点发生装置(20)用于使激光器发生的激光束形成多条脉冲激光束，所述反射镜(19)用于改变多条脉冲激光束的光路，所述聚焦镜(18)将多条脉冲激光束聚焦在同轴不同的位置上。...
【技术特征摘要】
1.一种背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置，其特征在于，主要包括运动控制系统、电解液循环系统、电化学反应系统和多焦点激光辐照系统，所述运动控制系统主要包括计算机(22)、控制柜(23)、数控平台(5)，计算机(22)与控制柜(23)相连，控制柜(23)与数控平台(5)相连，控制柜(5)与脉冲激光器(21)相连，计算机(22)通过控制柜(23)控制数控平台(5)的移动，所述数控平台(5)的延伸平台(16)的中心位置设有通孔；所述电解液循环系统主要包括回流管(8)、可调恒温槽(10)、微型泵(9)以及工作腔(11)；可调恒温槽(10)与工作腔(11)之间通过回流管(8)构成循环回路，所述微型泵(9)设在回流管(8)上；所述电化学反应系统主要包括可调脉冲电源(6)、工具电极(7)、氧化铟锡玻璃(15)、半导体试样(13)、工作腔(11)、示波器(1)以及电流探头(2)，所述工作腔(11)固定在数控平台(5)上，所述工作腔(11)底部有一个通孔槽，半导体试样(13)放置在通孔槽底部，氧化铟锡玻璃板(15)位于半导体试样(13)下方，所述半导体试样(13)与通孔槽底部之间设有密封圈(12)，所述半导体试样(13)与氧化铟锡玻璃板(15)之间通过欧姆层(14)胶合，所述欧姆层(14)是透明导电胶制作而成的，所述工作腔(11)和氧化铟锡玻璃板(15)通过螺栓(17)紧固，所述工作腔(11)内用于盛放电解液，所述半导体试样(13)的抛光面和电解液接触，所述工具电极(7)放置在工作腔(11)溶液里并与所述可调脉冲电源(6)的负极相连，所述氧化铟锡玻璃板(15)与所述可调脉冲电源(6)的正极相连，所述示波器(1)与所述可调脉冲电源(6)的负极相连，所述示波器(1)与所述可调脉冲电源(6)之间设有电流探头(2)；所述脉冲激光多焦点系统位于所述工作腔(11)下方，所述激光多焦点辐照系统主要包括脉冲激光器(21)、多焦点发生装置(20)、反射镜(19)以及聚焦镜(18)，所述多焦点发生装置(20)用于使激光器发生的激光束形成多条脉冲激光束，所述反射镜(19)用于改变多条脉冲激光束的光路，所述聚焦镜(18)将多条脉冲激光束聚焦在同轴不同的位置上。2.根据权利要求1所述的背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置，其特征在于，所述工具电极(7)由装在丝杠(4)上的夹具(3)夹持，所述丝杠(4)装在数控平台(5)上。3.根据权利要求1所述的背向多焦点激光和电化学复合加工半导体材料的装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：所述工具电极(7)作为阴极，半导...
【专利技术属性】
技术研发人员：张朝阳，徐金磊，杨敬博，戴学仁，顾秦铭，蒋雯，曹增辉，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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