摘要：研發了一種在半導體基板上形成微細結構的激光加工裝置和加工方法；該方法用復數束激光，可以從半導體基板的兩個主面方向分別或者同時進行微細結構的加工；通過這種激光直接加工的方法，提高了微細加工的生產效率。

在半導體器件，特別是微機電系統（MEMS：Micro-Electro-Mechanical Systems）器件的制造過程中，常常需要通過微細加工形成各種溝道、孔穴、穿孔等微細結構。這些微細結構，是在半導體基板上，或者是在半導體基板上形成的薄膜上加工而成。微細結構的加工方式，目前主要有利用光刻加刻蝕方式和利用激光直接加工的方式。相對于光刻加刻蝕方式，激光直接加工方式顯得更有優勢。首先，激光直接加工方式的裝置簡單，造價和運營成本都很低，不像光刻加刻蝕方式，需要光罩制備裝置、涂膠和顯影裝置、曝光裝置、刻蝕裝置和去膠裝置等成套的裝置。另外，激光直接加工方式的加工產物是半導體基板或半導體基板上形成的薄膜的原材料，對環境影響會很低。而光刻加刻蝕方式需要利用到對環境有負擔的氣體或液體，加工產物也往往是對環境有負擔的化合物。再者，激光直接加工方式可加工的圖形相對靈活、自由度高。但是，相對于光刻加刻蝕方式，傳統的激光直接加工方式也存在著一定的劣勢，如大面積加工時，生產效率不夠高。為此，我們研發了一種在半導體基板上形成微細結構的激光加工裝置和加工方法，提高了微細加工的生產效率。

1 加工裝置的結構和特點

在半導體基板上形成微細結構的激光加工裝置，主要包括：激光器、載物臺、光學系統、圖形生成系統、控制系統，基本結構如圖1所示。

圖1 微細結構加工裝置

1.1激光器

這里的激光器，它有復數束激光的發光光源，根據被加工對象（半導體基板）的要求，可以選擇不同的波長、強度、波形。這樣，可以用復數束激光對導體基板同時進行微細結構的加工。

1.2半導體基板

半導體基板可以是半導體制造領域中常用的晶圓，例如硅晶圓、絕緣體上的硅（SOI：Silicon On Insulator）晶圓、鍺硅晶圓、鍺晶圓、氮化鎵晶圓、SiC晶圓等，也可以是石英、藍寶石等絕緣性晶圓，以及半導體制造領域中常用的在晶圓的表面上進一步具有半導體器件、或者是MEMS器件所需的各種薄膜以及各種構造。

1.3載物臺

載物臺是承載和固定被加工的半導體基板的工具。半導體基板可以通過真空吸附方式固定在載物臺上，或者直接機械固定在載物臺上，可以在水平、垂直方向移動和水平方向旋轉。這樣，即使在激光光束位置固定的情況下，也可以在半導體基板上進行復雜的三維微細結構加工。

1.4 光學系統

光學系統是將激光器發出的激光導引到半導體基板的系統，包括激光光束的成形部件以及導引部件。當光學系統包括可以掃描的反射鏡時，激光可以獨立于半導體基板進行移動，使微細加工的自由度提高。

1.5 圖形生成系統

圖形生成系統，是用來形成所要加工得到的微細結構圖形的電子信息系統。圖形生成系統一般包括電腦和繪圖軟件。加工圖形的電子信息含有微細結構的尺寸、布局等信息。

1.6 控制系統

控制系統，是指根據加工圖形來控制激光器、載物臺、以及光學系統的系統，主要包括電腦和控制軟件。控制系統主要控制激光器的開和關、強度、波形等，載物臺的移動距離、速度、在水平方向旋轉的角度和旋轉速度，以及光學系統進行激光光束斷面結構的調整、激光的掃描、激光聚焦點的變化。

2 幾種加工方法的設計

2.1 復數束加工方法

復數束激光在半導體基板上進行微細結構的加工方法，我們通過圖1和圖2復數束微細加工載物臺進行說明。這種加工方法中提到的激光加工裝置，具有圖1所描述的基本構造及基本功能，在此不再贅述。

如圖2所示，載物臺中間是貫通的開孔，有一條垂直方向的中心軸，半導體基板被固定在載物臺上面，兩個需要被加工的主面M和N都呈裸露狀態。激光加工裝置可以對M和N兩個主面進行微細結構的加工。

圖2 復數束微細加工載物臺

當激光加工裝置帶有圖形對準系統時，在需要對半導體基板的兩個主面分別、或同時進行微細結構的加工時，可以對兩個主面進行圖形對準。當激光加工裝置帶有廢屑清除系統時，可以清除激光加工過程中產生的廢屑。

如上所述，復數束加工方法是一種在半導體基板上形成微細結構的激光加工裝置，能夠用復數束激光在半導體基板上分別、或同時進行微細結構的加工。通過以上方法，可以提高激光直接加工方式的生產效率。

2.2 多束同面加工方法

在半導體基板上形成微細結構的多束同面激光加工裝置以及加工方法，我們通過圖1和圖3多束同面微細加工載物臺進行說明。這種加工方法中提到的激光加工裝置，具有圖1所描述的基本構造以及基本功能，在此不再贅述。

如圖3所示，多束同面激光加工方法的特點在于：激光加工裝置使用復數束的激光。為簡便起見，圖3中只顯示了A和B兩束激光對半導體基板的一個主面M分別、或同時進行微細結構1的加工。不同結構布局的位置對準，可以用在微細結構1加工之前形成的對準標志2來進行。復數束的激光A和B的加工圖形既可以相同、也可以不同。顯然，這樣的加工方式，可以使微細結構1中的各個單一圖形的深度、寬度等幾何特征分別相同或不同。這樣的高自由度的加工方式，是傳統光刻加刻蝕方式無法實現的。

圖3 多束同面微細加工載物臺

如上所述，這種加工方法能夠用復數束激光在半導體基板的同一主面上分別、或同時進行微細結構的加工，可以提高激光直接加工方式的生產效率和加工自由度。

2.3 多束雙面加工方法

另一種在半導體基板上形成微細結構的激光加工裝置以及加工方法，可以通過圖1和圖4多束雙面微細加工載物臺進行說明。這種加工方法中提到的激光加工裝置具有圖1所述的基本構造以及基本功能，在此不再贅述。

如圖4所示，多束雙面加工方法的特點在于激光加工裝置可以用復數束的激光（為簡便起見，圖4中只顯示了A和B兩束激光）對半導體基板的兩個主面M和N分別、或同時進行微細結構1X、1Y的加工。

圖4 多束雙面微細加工載物臺

具體來講，就是用激光A對半導體基板的主面M進行微細結構1X的加工。微細結構1X可以不穿透基板，也可以穿透基板。在微細結構1X的加工過程中，圖形的位置對準，可以用在微細結構1X加工之前形成的對準標志2X來進行。同樣，可以用激光B對半導體基板的另一個主面N進行微細結構1Y的加工。

顯然，這樣的加工方式，可以使微細結構中的各個單一圖形的深度、寬度等幾何特征相同，也可以不同。這樣的高自由度是傳統的光刻加刻蝕方式無法實現的。

如上所述，這種加工方法能夠用復數束激光在半導體基板的兩個相對的主面上分別、或同時進行微細結構的加工，可以提高激光直接加工方式的生產效率和自由度。

3 結束語

為提高傳統激光微細加工的生產效率，降低光刻加刻蝕微細加工的成本和對環境的不良影響，我們研發了一種在半導體基板上形成微細結構的激光加工裝置和加工方法。通過實驗測試，該加工裝置和加工方法可以提高生產效率，滿足工藝要求。