專利名稱：一種制備硅基微三維結(jié)構(gòu)的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅基微三維結(jié)構(gòu)的制作方法，并具體涉及利用激光作用、化學(xué)作用配合圖形掩膜來(lái)進(jìn)行的硅基微三維結(jié)構(gòu)的制作及對(duì)應(yīng)的的加工裝置。
背景技術(shù)：
由于硅基材料具有良好的電子和機(jī)械特性，因此在集成電路、微傳感器、微執(zhí)行器等微機(jī)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。硅基材料不易于加工，典型的硅基微三維結(jié)構(gòu)的加工方法有濕法刻蝕和干法刻蝕兩種。濕法腐蝕即用化學(xué)試劑溶液對(duì)硅進(jìn)行化學(xué)或電化學(xué)腐蝕；干法腐蝕是指在高真空條件下，用高能離子或反應(yīng)氣體對(duì)硅進(jìn)行轟擊腐蝕，如等離子體和反應(yīng)性離子等刻蝕技術(shù)。無(wú)論是濕法腐蝕還是干法腐蝕都很難制作側(cè)面絕對(duì)垂直的微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)的高寬比也受到限制。總之，迄今為止，還沒(méi)有一種兼具成本低、工藝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)高寬比大、垂直度好、加工表面質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)的硅基微三維結(jié)構(gòu)的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種具有高寬比大、垂直度好、 加工表面質(zhì)量高的硅基微三維結(jié)構(gòu)的制作方法及實(shí)現(xiàn)該方法的制作裝置。上述的發(fā)明目的由以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
本發(fā)明的方法是首先制作與所述微三維結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的圖形掩膜，并將該圖形掩膜覆蓋粘接于所述硅片的上端面，接著聚焦激光束沿著圖形掩膜上的預(yù)定軌跡對(duì)所述工件進(jìn)行掃描切割加工，同時(shí)用循環(huán)流動(dòng)的化學(xué)溶液對(duì)激光加工表面進(jìn)行化學(xué)刻蝕，光整所述加工表面并及時(shí)帶走激光切割產(chǎn)物，最終加工出硅基微三維結(jié)構(gòu)。。上述發(fā)明方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述圖形掩膜采用防腐蝕的環(huán)氧樹(shù)脂材料，厚度為 0. 3-0. 5mm。上述發(fā)明方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述激光束為波長(zhǎng)1064nm的Nd:YAG激光，單脈沖能量為300-500mJ，脈沖頻率為l-3KHz。上述發(fā)明方法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述化學(xué)溶液為氫氟酸溶液，濃度為30%_40%， 流動(dòng)速度為0. 2-0. 4m/s。本發(fā)明裝置包括激光器1、聚焦透鏡2、圖形掩膜14、工作箱5、工作臺(tái)16、集液槽 18和化學(xué)溶液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)；所述工作箱5連接在可三維移動(dòng)的工作臺(tái)16上，所述工作箱 5的上端設(shè)有窗口 21，窗口 21下方為一空腔22，空腔22—側(cè)設(shè)有與之連通的進(jìn)液腔19 ；集液槽18置于工作臺(tái)16上且位于工作箱5內(nèi)，所述硅片15置于集液槽18上方，圖形掩膜14 粘接于硅片15的上端面并置于所述空腔22中；所述化學(xué)溶液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)的進(jìn)液端和出液端分別與工作箱5中的進(jìn)液腔19和集液槽18連通；光學(xué)防護(hù)鏡3固定在窗口 21的一側(cè)，聚焦透鏡2和激光器1由近及遠(yuǎn)依次置于光學(xué)防護(hù)鏡3的一側(cè)，激光器1發(fā)出的激光經(jīng)聚焦透鏡2和光學(xué)防護(hù)鏡3聚焦在所述硅片15上。上述發(fā)明裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述硅片15的周向側(cè)面與對(duì)應(yīng)的空腔22之間設(shè)有密封圈4，形成由進(jìn)液腔19、空腔22、圖形掩膜14和硅片15已刻蝕的腔體至集液槽18 的化學(xué)溶液的唯一流通通路。上述發(fā)明裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述工作臺(tái)16的上端、工作箱5的內(nèi)側(cè)還設(shè)有夾具13，硅片夾持于夾具13中，并使粘接于硅片上端的圖形掩膜14置身于所述空腔22中。上述發(fā)明裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述化學(xué)溶液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)主要由貯液槽12、 過(guò)濾器11、輸液泵9、單向球閥7、進(jìn)液管6、回液管17、液壓表8、溢流調(diào)壓閥10和溢流管20 組成，進(jìn)液管6 —端與工作箱5中的進(jìn)液腔19連通并依次串接單向球閥7、輸液泵9、過(guò)濾器11后其另一端置于貯液槽12中，回液管17 —端與工作箱5中的集液槽18連通，一端與貯液槽12連通；在單向球閥7和輸液泵9之間的進(jìn)液管6上還依次連接有液壓表8和溢流管20，溢流管20通過(guò)溢流調(diào)壓閥10與貯液槽12連通。上述發(fā)明裝置的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述光學(xué)防護(hù)鏡3設(shè)于窗口 21的內(nèi)側(cè)。本發(fā)明方法，將激光切割與化學(xué)刻蝕進(jìn)行復(fù)合，以防腐蝕圖形掩膜覆蓋工件，聚焦激光束沿著圖形掩膜的預(yù)定軌跡進(jìn)行掃描，激光對(duì)硅基材料的熱力作用為主要去除材料作用，同時(shí)工件表面循環(huán)流動(dòng)的化學(xué)溶液對(duì)加工區(qū)進(jìn)行冷卻，化學(xué)刻蝕，并及時(shí)帶走激光切割產(chǎn)生的熔化再凝固產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)良好高寬比、垂直度好、高表面質(zhì)量的硅基微三維結(jié)構(gòu)的加工效果。本發(fā)明裝置，通過(guò)工作臺(tái)的移動(dòng)，可將激光束通過(guò)工作箱上端的光學(xué)防護(hù)鏡，聚焦作用于工件待加工表面，激光束沿圖形掩膜的預(yù)定軌跡進(jìn)行掃描加工。工件通過(guò)密封圈與工作箱內(nèi)腔形成封閉液流通道，供化學(xué)溶液循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光作用與化學(xué)腐蝕作用的復(fù)
I=I O上述本發(fā)的方法及裝置產(chǎn)生如下有益效果
1本發(fā)明的方法是將激光切割與化學(xué)刻蝕進(jìn)行復(fù)合，針對(duì)覆蓋防腐蝕圖形掩膜的硅基材料進(jìn)行加工，制備硅基微三維結(jié)構(gòu)。復(fù)合加工機(jī)理是以激光的光熱效應(yīng)去除材料為主，化學(xué)腐蝕作用為輔主要用于光整加工表面，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的硅基材料三維微結(jié)構(gòu)的加工。2本發(fā)明的裝置保證了激光作用與化學(xué)腐蝕作用能夠復(fù)合作用于硅基材料待加工面，圖形掩膜有效地保護(hù)了非加工區(qū)，并為激光掃描提供了準(zhǔn)確的掃描路徑。3本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝、檢修。


附圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是制備工字梁微結(jié)構(gòu)的圖形掩膜和工件的示意圖。附圖3是制備齒輪微結(jié)構(gòu)的圖形掩膜和工件的示意圖。附圖2中14、圖形掩膜，15、硅片。附圖3中14、圖形掩膜，15、硅片。圖1中1、激光器，2、聚焦透鏡，3、光學(xué)防護(hù)鏡，4、密封圈，5、工作箱，6、進(jìn)液管，7、 單向球閥，8、液壓表，9、輸液泵，10、溢流調(diào)壓閥，11、過(guò)濾器，12、貯液槽，13、夾具，14、圖形掩膜，15、硅片，16、工作臺(tái)，17、回液管，18、集液槽，19、進(jìn)液腔，20溢流管，21、窗口，22、空腔。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例是在如圖2所示硅片15上制作如圖形掩膜14上所示工字形微三維結(jié)構(gòu)，或如圖3所示在硅片15上制作如圖形掩膜14上所示齒形微三維結(jié)構(gòu)。硅片是在如圖1所示的裝置中進(jìn)行微三維結(jié)構(gòu)的加工的。該裝置主要由激光器1、 聚焦透鏡2、圖形掩膜14、工作箱5、工作臺(tái)16、集液槽18和化學(xué)溶液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)組成。工作箱5上端設(shè)有窗口 21，窗口 21的內(nèi)側(cè)設(shè)有光學(xué)防護(hù)鏡3，窗口 21下方為一空腔22，空腔 22的一側(cè)設(shè)有與之垂直連通的進(jìn)液腔19。該工作箱5連接在可三維移動(dòng)的工作臺(tái)16上， 夾具13、集液槽18均置于工作臺(tái)16上且位于工作箱5內(nèi)，夾具13包圍在所述集液槽18的外側(cè)，要進(jìn)行加工的工件——硅片15將夾持于夾具13上，并處于集液槽18上方。圖形掩膜14粘接于硅片15的上端面并置于空腔22中。硅片15的周向側(cè)面與對(duì)應(yīng)的空腔22之間的間隙用密封圈4進(jìn)行密封，這樣就形成一個(gè)由進(jìn)液腔19、空腔22及圖形掩膜14和硅片15中的腔體至集液槽18的唯一化學(xué)溶液的流通通路，保證化學(xué)溶液不從硅片的周向側(cè)面流至集液槽18，造成對(duì)硅片側(cè)面的腐蝕，有效地保護(hù)硅片15的非加面。在工作箱5的上端面的窗口 21的一側(cè)，聚焦透鏡2和激光器1由近及遠(yuǎn)依次置于光學(xué)防護(hù)鏡3的一側(cè)，激光器1發(fā)出的激光經(jīng)聚焦透鏡2和光學(xué)防護(hù)鏡3聚焦在所述硅片15上?；瘜W(xué)溶液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)的進(jìn)液端和出液端分別與工作箱5中的進(jìn)液腔19和集液槽18連通?；瘜W(xué)溶液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)包括貯液槽12、過(guò)濾器11、輸液泵9、單向球閥7、進(jìn)液管6、 回液管17、液壓表8、溢流調(diào)壓閥10和溢流管20。進(jìn)液管6 —端與工作箱5中的進(jìn)液腔19 連通并依次連接單向球閥7、輸液泵9、過(guò)濾器11后其另一端置于貯液槽12中，貯液槽12中存儲(chǔ)有化學(xué)溶液?；匾汗?7 —端與工作箱5中的集液槽18連通，一端與貯液槽12連通； 在單向球閥7和輸液泵9之間的進(jìn)液管6上還依次連接有液壓表8和溢流管20，溢流管20 通過(guò)溢流調(diào)壓閥10與貯液槽12連通。貯液槽12中的化學(xué)溶液在輸液泵9作用下，經(jīng)溢流調(diào)壓閥10調(diào)整，由過(guò)濾器11、輸液泵9、單向球閥7、進(jìn)液管6流入工作箱5的進(jìn)液腔19，再由空腔22及圖形掩膜14和硅片15已刻蝕的腔體流至集液槽18，經(jīng)回液管17流回貯液槽 12?；瘜W(xué)溶液的流速可通過(guò)溢流調(diào)壓閥10調(diào)整進(jìn)液壓力來(lái)改變，壓力值可由液壓表8測(cè)量。進(jìn)行硅片的微三維結(jié)構(gòu)加工時(shí)，首先制作與硅片上所要加工的微三維結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的圖形掩膜14，如圖2、3所示，并用環(huán)氧樹(shù)脂膠將圖形掩膜與Imm厚的單晶硅片15粘接，圖形掩膜覆蓋粘接于所述硅片的上端，再將該粘接有圖形掩膜的硅片置于工作箱5內(nèi)的夾具 13上，然后調(diào)整工作臺(tái)16的垂直位置，使激光聚焦點(diǎn)聚焦于硅片的待加工表面上；并設(shè)置激光脈沖頻率為1-3KHZ，單脈沖能量為300-500mJ，接著工作臺(tái)進(jìn)行二維移動(dòng)，聚焦激光束沿著圖形掩膜上的微三維結(jié)構(gòu)預(yù)定軌跡對(duì)所述工件進(jìn)行掃描切割加工。與此同時(shí)，打開(kāi)單向球閥7，啟動(dòng)輸液泵9，調(diào)整溢流調(diào)壓閥10，通過(guò)液壓表8確認(rèn)進(jìn)液壓力0. 2-0. 4Mpa。濃度為40%的氫氟酸的化學(xué)溶液進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，對(duì)激光加工表面進(jìn)行化學(xué)刻蝕，光整所述加工表面并及時(shí)帶走激光切割產(chǎn)物，最終加工出硅基微三維結(jié)構(gòu)。加工結(jié)束，取出硅片工件置入堿性溶液清洗，脫膠去除圖形掩膜，最終得到最大高寬比達(dá)到10:1的單晶硅工字梁微三維結(jié)構(gòu)或齒形微三維結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種制備硅基微三維結(jié)構(gòu)的加工方法，其特征在于包括如下步驟首先制作與所述微三維結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的圖形掩膜，并將該圖形掩膜覆蓋粘接于所述硅片的上端面，接著聚焦激光束沿著圖形掩膜上的預(yù)定軌跡對(duì)所述硅片進(jìn)行掃描切割加工，同時(shí)用循環(huán)流動(dòng)的化學(xué)溶液對(duì)激光加工表面進(jìn)行化學(xué)刻蝕，光整所述加工表面并及時(shí)帶走激光切割產(chǎn)物，最終加工出硅基微三維結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備硅基微三維結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述圖形掩膜采用防腐蝕的環(huán)氧樹(shù)脂材料，厚度為0. 3 0. 5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備硅基微三維結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述激光束為波長(zhǎng)1064nm的的Nd: YAG激光，單脈沖能量為300_500mJ，脈沖頻率為l_3KHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備硅基微三維結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述化學(xué)溶液為氫氟酸溶液，濃度為30%-40%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和4所述的一種制備硅基微三維結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述化學(xué)溶液在加工區(qū)的流動(dòng)速度為0. 2-0. 4m/s。
6.如權(quán)利要求1 5任意一項(xiàng)所述方法的一種制備硅基微三維結(jié)構(gòu)的裝置，所述硅片(15)置于所述裝置中，其特征在于，所述裝置包括激光器(1)、聚焦透鏡(2)、圖形掩膜 (14)、工作箱(5)、工作臺(tái)(16)、集液槽(18)和化學(xué)溶液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)；所述工作箱(5)連接在可三維移動(dòng)的工作臺(tái)(16)的上，所述工作箱(5)的上端設(shè)有窗口(21)，窗口(21)下方為一空腔(22)，空腔(22)—側(cè)設(shè)有與之連通的進(jìn)液腔(19)；集液槽(18)置于工作臺(tái)(16)上且位于工作箱(5)內(nèi)，所述硅片(15)置于集液槽(18)上方，圖形掩膜(14)粘接于硅片(15) 的上端面并置于所述空腔(22)中；所述化學(xué)溶液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)通過(guò)對(duì)應(yīng)管道與工作箱(5) 中的進(jìn)液腔(19)和集液槽(18)連通；光學(xué)防護(hù)鏡(3)固定在窗口(21)的一側(cè)，聚焦透鏡 (2)和激光器(1)由近及遠(yuǎn)依次置于光學(xué)防護(hù)鏡(3)的一側(cè)，激光器(1)發(fā)出的激光經(jīng)聚焦透鏡(2)和光學(xué)防護(hù)鏡(3)聚焦在所述硅片(15)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備硅基的微三維結(jié)構(gòu)裝置，其特征在于所述硅片(15) 的周向側(cè)面與對(duì)應(yīng)的空腔(22)之間設(shè)有密封圈(4)，形成由進(jìn)液腔(19)、空腔(22)、圖形掩膜(13)和硅片(15)已刻蝕的腔體至集液槽(18)的化學(xué)溶液的唯一流通通路。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備硅基微三維結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述工作臺(tái) (16)的上端還設(shè)有夾具(13)，該夾具(13)位于工作箱(5)的內(nèi)側(cè)且包圍在所述集液槽(18) 的外側(cè)，硅片夾持于夾具(13)中，并使粘接于硅片上端的圖形掩膜(14)置身于所述空腔 (22)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備硅基微三維結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述化學(xué)溶液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)主要由貯液槽(12)、過(guò)濾器(11)、輸液泵(9)、單向球閥(7)、進(jìn)液管(6)、回液管(17)、液壓表(8)、溢流調(diào)壓閥(10)和溢流管(20)組成，進(jìn)液管(6)—端與工作箱(5)中的進(jìn)液腔(19)連通并依次串接單向球閥(7)、輸液泵(9)、過(guò)濾器(11)后其另一端置于貯液槽(12)中，回液管(17)—端與工作箱(5)中的集液槽(18)連通，一端與貯液槽(12)連通； 在單向球閥(7)和輸液泵(9)之間的進(jìn)液管(6)上還依次連接有液壓表(8)和溢流管(20)， 溢流管(20 )通過(guò)溢流調(diào)壓閥(10 )與貯液槽(12 )連通。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種制備硅基微三維結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述光學(xué)防護(hù)鏡(3)設(shè)于窗口(21)的內(nèi)側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備硅基微三維結(jié)構(gòu)的方法及其裝置，其方法是用激光加工和化學(xué)腐蝕同時(shí)對(duì)覆蓋圖形掩膜的硅片進(jìn)行復(fù)合加工，激光沿著圖形掩膜的預(yù)定軌跡進(jìn)行掃描切割，同時(shí)化學(xué)溶液對(duì)激光加工表面進(jìn)行化學(xué)刻蝕，光整加工表面。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置主要由激光器、圖形掩膜、聚焦透鏡、工作箱、工作臺(tái)、集液槽和化學(xué)溶液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)組成，工作箱連接工作臺(tái)上，工作箱內(nèi)側(cè)設(shè)有空腔，一端設(shè)有窗口，圖形掩膜粘接于硅片的上端面并置于空腔中，集液槽置于硅片下方，化學(xué)溶液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)與空腔和集液槽連通，聚焦透鏡和激光器置于窗口一側(cè)，激光經(jīng)聚焦透鏡和窗口聚焦于硅片上。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是，可制備具有高寬比大、垂直度及表面質(zhì)量好的硅基微三維結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102381682SQ201110404440
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者張華 , 王強(qiáng), 花國(guó)然 申請(qǐng)人:南通大學(xué)