一种MEMS硅结构的激光刻蚀方法与流程

本发明属于微加工技术领域，涉及一种mems硅结构的激光刻蚀方法。

背景技术：

在硅mems陀螺敏感结构加工过程中辅以表面刻蚀工艺来实现对敏感结构的细微调整，能够有效减小加工过程引入的频率失配、主轴偏角等非理想因素对器件整体性能的影响，从而改善器件性能、提高成品率。

激光刻蚀具有无应力引入、加工方式灵活、操作便捷、成本低等特点，在硅材料的表面加工中应用广泛。激光刻蚀常用的激光器根据脉宽的不同可分为纳秒激光器、皮秒激光器、飞秒激光器，其中飞秒激光器、皮秒激光器的脉冲很短，具有峰值功率高，热效应小，加工精度高等优点，但总体加工效率相对较低，且价格昂贵。纳秒激光器总体成本较低，但由于脉宽限制，无法像飞秒激光器那样实现冷烧蚀，在刻蚀过程中易出现区域边缘形貌不规则、热影响区域过大、颗粒物飞溅严重等现象，造成刻蚀区域超出设计范围、飞溅颗粒污染芯片、飞溅液滴造成引线短路等问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种mems硅结构的激光刻蚀方法，解决采用纳秒激光器对硅材料表面刻蚀中出现的刻蚀形貌差、热影响区域大和颗粒污染严重等问题，提高激光刻蚀的加工效果。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明的目的在于提供一种mems硅结构的激光刻蚀方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、激光束经物镜对硅材料表面进行局部辐照，硅材料吸收部分能量后被加热；

步骤二、辐照区域表面融化成熔融区，被融化的部分硅材料汽化成烟流和熔融飞溅物，被融化的部分散落在硅材料加工表面形成固体飞溅物；

步骤三、激光辐照结束，硅材料冷凝，硅材料辐照区域呈现热影响区和裂痕。

所述激光束由紫外纳秒激光刻蚀系统产生，激光束参数值为：波长：355nm，平均功率：3w，重复频率20～150khz，脉宽45ns。

所述激光束的平均功率、重复频率和脉宽参数之间的关系为：平均功率＝脉冲能量×重复频率，在固定的平均功率下，降低重复频率，提升脉冲能量，减少熔融飞溅物。

所述重复频率为50khz。

所述重复频率为20khz。

所述激光束通过物镜聚焦，激光束腰斑位置作用于硅材料表面。

所述紫外纳秒激光刻蚀系统对焦过程中，对激光束离焦量进行补偿，提高硅材料表面的激光辐照强度。

进一步，补偿的离焦量为-700μm～-900μm。

进一步，利用激光束对硅材料表面进行局部辐照刻蚀环境为真空环境。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明一种mems硅结构的激光刻蚀方法，针对刻蚀过程中出现的热影响区较大、熔融飞溅物等问题，在不改变激光器平均功率和脉宽的条件下，通过减小激光器重复频率、提高单次脉冲能量可减少重铸层影响和周围飞溅物污染。

本发明一种mems硅结构的激光刻蚀方法，通过离焦量补偿，获得最大的局部辐照强度、最小的刻蚀直径并减轻刻蚀飞溅。

本发明一种mems硅结构的激光刻蚀方法，通过辅助真空环境，减少激光传递过程中的耗散，获得相对较高的辐照强度并减少热影响区。

附图说明

图1是本发明激光刻蚀硅材料作用过程示意图；

图2是激光器重复频率为50hz时的刻蚀效果示意图；

图3是激光器重复频率为20hz时的刻蚀效果示意图；

图4是激光器光束腰斑位置示意图；

图5是不同离焦量对刻蚀区域直径的影响曲线示意图；

图6是未采用离焦量补偿条件下的刻蚀效果示意图；

图7是采用离焦量补偿条件下的刻蚀效果示意图；

图8是空气环境下的刻蚀效果示意图；

图9是真空环境下的刻蚀效果示意图；

图中：11-激光束，12-物镜，13-硅材料，14-熔融区，15-烟流和熔融飞溅物，16-固体飞溅物，17-热影响区，18-裂痕，21-光束腰斑位置。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明一种mems硅结构的激光刻蚀方法作详细说明。

如图1所示，本发明一种mems硅结构的激光刻蚀方法，包括以下步骤：

步骤一、激光束11经物镜12对硅材料13表面进行局部辐照，硅材料13吸收部分能量后被加热；

步骤二、辐照区域表面融化成熔融区14，部分硅材料13汽化成烟流和熔融飞溅物15，部分散落在硅材料13加工表面形成固体飞溅物16；

步骤三、激光辐照结束，硅材料13冷凝，呈现热影响区17和裂痕18等。

所述激光束11由紫外纳秒激光刻蚀系统产生，激光器参数值为：波长：355nm，功率：3w，频率20～150khz，脉宽45ns。

由图1可见，激光刻蚀过程中，硅材料13加热后会发生汽化和熔融两种物态变化，其中汽化部分决定了刻蚀材料去除的体积，熔融部分组成了重铸层和飞溅物。

为进一步优化刻蚀工艺，根据激光刻蚀的能量作用机理，短时间内增加材料表面吸收的能量，能够有效增加去除材料汽化部分的比重，当短时能量积聚达到一定程度时，材料将以完全汽化方式去除，将不会出现熔融物质。增加短时辐照激光的能量，能够起到增加汽化材料比重，减少熔融重铸和飞溅物的效果。

激光器的平均功率、重复频率和脉宽是影响激光辐照能量的几个主要因素。

激光器的平均功率作为激光器固有的配置，一般无法更改；脉宽主要影响激光辐照的峰值功率，脉宽越小，峰值功率越大，激光器的最小脉宽通常也是固定的；重复频率决定了单次脉冲可提供的辐照能量，其与平均功率的关系可以描述为：平均功率＝脉冲能量×重复频率，这是激光器可供调节的主要参数，在固定的平均功率下，重复频率越低，脉冲能量越大。

图2和图3给出了50khz、20khz不同激光器重复频率下的刻蚀效果，可见，通过减小激光器重复频率、提高单次脉冲能量可减少重铸层的影响和周围飞溅物污染。

为进一步优化刻蚀工艺，增强材料表面的激光辐照能量，在减小激光器重复频率的基础上，还可以从激光束的光路特点入手。如图4所示，激光器光束11通过物镜12聚焦实现小尺寸范围内的能量集中，在光束腰斑位置21具有最小的刻蚀直径和最大的能量密度。

激光作用于材料表面时产生的材料蒸汽会在作用区域表面产生一个密度梯度场，由于折射率与密度相关，激光穿透这个梯度场时其行进方向会发生微弱转变，从而使得激光光束的聚焦(腰斑)位置偏离其原有焦距位置。

由于腰斑位置偏差的存在，刻蚀系统对焦时激光束的腰斑没有落在材料表面上，此时单位面积的辐照能量没有达到系统最大值。获取实际刻蚀过程中的腰斑位置，并在系统对焦过程中给予补偿，能够进一步提高材料表面的激光辐照强度。图5给出不同离焦量(实际对焦位置相对系统焦点的偏移量)对刻蚀区域直径的影响。

根据图5数据可知，离焦量在-700～-900μm时，刻蚀区域直径最小，此时位于激光束腰斑处，可以获得最大的局部辐照强度和相对较优的刻蚀效果。图6和图7显示不同离焦量条件下的刻蚀效果图，可以看出通过离焦量补偿后，刻蚀区域直径有明显减小，飞溅情况也有所减轻。

刻蚀过程所处的气体环境也会对材料表面的激光辐照强度存在影响，真空环境下激光传递过程中的耗散较空气环境更小，可获得相对较高的辐照强度和较好的材料去除效率。

在真空环境下进行刻蚀实验，并与空气环境下的刻蚀结果进行对比，如图8和图9所示，真空环境下其刻蚀区域边缘较为平整，周围热影响痕迹明显减弱、飞溅物较少，且无液滴状溅射痕迹。