CN114481248A - 一种在硅表面定域电沉积的加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在硅片表面定域电沉积的加工装置及方法，属于复合特种加工技术领域。通过计算机控制刀具在硅片的表面加工去除氧化硅，同时控制激光束辐照硅片去除氧化硅区域，实现硅片表面定域电沉积金属。本发明中利用激光辐照硅片待去除氧化层区域，软化氧化层材料，提高刀具去除氧化层效率和精度；此外，激光具有高的功率密度，激光辐照的热效应使辐照区域温度升高，有效提高硅片局部电导率，加快沉积液离子扩散和界面电子转移速度，同时力效应产生搅拌作用加速沉积过程气体排出，减少沉积层中裂纹和气孔等缺陷，有效提高硅片表面定域电沉积的效率和质量；在硅片下表面和侧壁采用绝缘材料包裹对阴极电场起限制作用，增强电沉积定域性。

Description

一种在硅表面定域电沉积的加工装置及方法

技术领域

本发明涉及复合加工技术领域，特指一种利用刀具去除氧化层和激光辅助电沉积在硅片上局部沉积金属的复合加工装置及方法，适用于硅片表面微细电路的加工和制造。

背景技术

电沉积技术是根据电化学原理，在直流电场或脉冲电场的作用下，在一定的电解质溶液中有阳极和阴极构成回路，使溶液中的金属离子运动到阴极表面获得电子发生还原反应。电沉积技术作为一种表面制取功能性镀层的技术，在硅片上电性能材料镀层制造领域有很大的发展空间。在电沉积技术中引入激光辐照，可以提高电沉积的质量和效率，尤其在硅片基体上电沉积，激光热效应提高辐照区域硅片温度，有效提升硅片电导率，提升沉积速率，但是电沉积金属镀层的形状，尺寸精度和定域性仍有待提升。

国内外对于在硅片上制备功能性镀层具有一定的研究，中国专利号CN102575351A公开的一种使基底的氧化表面活化的溶液和方法中，尤其是硅片基底，从而随后利用通过无电方法沉积的金属层覆盖所述表面。所诉方法能有效活化硅片表面氧化硅层顺利进行沉积，但无法对沉积反应区域进行限制，不易加工形状复杂尺寸精度高的零件。微纳电子技术期刊论文“半导体硅上激光诱导选择性化学镀铜”，提出在半导体基体上，在水溶液中进行激光诱导化学沉积，使用激光剥离活化处理的硅片表面，在未被激光辐射的经过活化处理的表面进行沉积，但激光剥离易损伤硅片影响表面质量。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种在硅表面定域电沉积的加工装置及方法，利用刀具去除氧化层和激光辅助电沉积在硅片上局部沉积金属的复合加工可以有效解决上述问题，有效提高沉积定域性、效率和质量。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种在硅片表面的定域电沉积金属的方法，通过计算机控制刀具在硅片的表面加工去除氧化硅，同时控制激光束辐照硅片去除氧化硅区域，实现硅片表面定域电沉积金属。

上述方案中，包括以下步骤：

绘制刀具运动路径模型，并输入到计算机中；

将硅片装夹在储液槽中，工具阳极接直流脉冲电源正极，硅片与直流脉冲电源负极相连，使硅片和工具阳极的下端浸没在沉积液中，通电后，在沉积液内构成电化学回路，开启脉冲激光器，利用激光辐照硅片表面待去除氧化层区域，软化氧化层材料，同时通过控制刀具去除硅片表面的氧化硅，实现硅片表面定域电化学工艺。

上述方案中，所述工具阳极紧贴储液槽内壁放置，且与硅片保持垂直关系。

上述方案中，沉积液液面高于硅片2～10mm，沉积液温度为15～50℃。

上述方案中，对所述硅片的下表面及侧壁绝缘。

上述方案中，通过绝缘胶带或热熔胶片对所述硅片的下表面及侧壁进行绝缘。

一种在硅片表面的定域电沉积金属的方法的装置，包括激光辐照***、加工***和控制***；

所述激光辐照***包括脉冲激光器、反射镜、聚焦透镜；激光由脉冲激光器发出，经反射镜改变传输方向，再通过聚焦透镜聚焦，聚焦后的激光束辐照在硅片上；

所述加工***包括直流脉冲电源、储液槽、硅片、工具阳极、x-y-z三轴运动平台和刀具；所述刀具设置于由x-y-z三轴运动平台控制的工作手臂上；所述直流脉冲电源的正极与工具阳极相连，负极与硅片相连；硅片及工具阳极的下端浸没于沉积液中，硅片与工件阳极在沉积液内构成电化学回路；

所述控制***包括计算机和运动控制器，所述计算机控制脉冲激光器、直流脉冲电源和运动控制器；所述运动控制器控制x-y-z三轴运动平台。

上述方案中，所述硅片通过夹紧装置夹持，其中，所述夹紧装置左侧采用弹簧辅助加紧装置，右侧采用螺旋夹紧机构。

上述方案中，所述加工***中还包括示波器；所述直流脉冲电源和示波器相连。

上述方案中，所述脉冲激光器为纳秒脉冲激光器或者皮秒脉冲激光器；所述直流脉冲电源电压可调为0～20V，频率为0.1KHz～10MHz，占空比为0～80％。

本发明的技术优势和有益效果：

1.本发明中通过控制刀具去除氧化硅层的同时利用激光软化该区域氧化层材料，提高氧化层定域去除的效率和精度，操作流程简单，加工效率高；通过计算机控制刀具运动路线可以得到图案化/精细化形状或者尺寸的金属沉积；本发明还可以通过计算机控制控制激光束继续辐照硅片去除氧化硅区域，提高在硅片表面电沉积的定域性、效率和质量。

2.本发明中硅片表面氧化膜的去除在溶液中进行，从而避免了在空气中再次氧化。

3.硅片表面未去除氧化硅层可以保护硅片表面，防止激光辐照损伤，减少杂散沉积，控制刀具按照给定加工路径去除氧化硅层可限制电沉积的反应区域，有效控制电沉积的形状和尺寸。

4.激光热效应提升辐照区域硅片温度，带来硅片局部电导率迅速上升，强化辐照区域电场集中效应，进一步提高电沉积的定域性；激光的热效应提高辐照区域温度，加快沉积液离子扩散、硅片内部电荷导速率和界面电子转移速度，提升定域电沉积的效率。

5.激光力效应产生搅拌作用加速界面处气体排出，减少沉积层中裂纹和气孔等缺陷，有效提高硅片表面定域沉积质量。

6.本发明中在硅片下表面和侧壁采用绝缘材料包裹对阴极电场起限制作用，增强了电沉积的定域性，激光具有高的功率密度，激光辐照的热效应使辐照区域温度升高，有效提高硅片局部电导率，加快沉积液离子扩散和界面电子转移速度，同时力效应产生搅拌作用加速气体排出，减少沉积层中裂纹和气孔等缺陷，有效提高硅片表面定域电沉积的效率和质量。本发明适用于硅片表面细微电路的高效加工和制造。

附图说明

图1为一种在硅表面电沉积的加工装置加工***示意图；

图2为刀具加工和激光辅助电沉积复合加工原理图。

附图标记如下：

1-计算机；2-脉冲激光器；3-反射镜；4-聚焦透镜；5-运动控制器；6-x-y-z三轴运动平台；7-刀具8-螺旋夹紧装置；9-储液槽；10-硅片；11-弹簧辅助夹紧装置；12-沉积液；13-工具阳极；14-x-y-z三轴运动平台；15-直流脉冲电源；16-示波器；17-激光束；；18-氧化硅膜；19-绝缘膜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

结合附图1，一种在硅表面电沉积的加工装置，包括加工***、激光辐照***和运动控制***；所述加工***包括直流脉冲电源15、储液槽9、螺旋夹紧装置8、弹簧辅助夹紧装置11、硅片10、工具阳极12、x-y-z三轴运动平台6、x-y-z三轴运动平台13；所述储液槽9置于x-y-z三轴运动平台14上；所述直流脉冲电源15的正极与工具阳极13相连，负极与硅片10相连；硅片10及工具阳极12下端浸没于沉积液中，硅片10与工件阳极13在沉积液内构成电化学回路；所述工具阳极13由x-y-z三轴运动平台6的工作手臂夹持；所述控制***包括计算机1和运动控制器5，所述计算机1控制脉冲激光器2、直流脉冲电源15和运动控制器5；所述运动控制器5控制x-y-z三轴运动平台6，14。

结合附图1所示，计算机1分别与脉冲激光器2、直流脉冲电源15和运动控制器5相连。计算机1可控制脉冲激光器2的激光参数和直流脉冲电源15的电源参数，同时计算机1能够运行路径执行代码，通过运动控制器5控制x-y-z三轴运动平台6的运动。储液槽9安装在x-y-z三轴运动平台14上，硅片10装夹在储液槽9底部，工具阳极13紧贴储液槽9内壁放置，且与硅片10保持垂直关，直流脉冲电源15的正极接工具阳极13，负极接硅片10，示波器16与直流脉冲电源14相连，实时监测电流参数。直流脉冲电源15正极、工具阳极11、沉积液12、硅片10、直流脉冲电源15、负极构成回路，使得电化学反应能够进行。激光束17由脉冲激光器2发出，经过反射镜3改变传输方向，再经过聚焦透镜4并穿透沉积液12聚焦于硅片10表面，运动控制器5控制x-y-z三轴运动平台6的运动路径以实现不同图形的沉积。

结合附图2所示，硅片10的下表面和侧壁由绝缘膜19包裹，硅片10上表面由氧化硅膜18覆盖，计算机1运行所编路径代码，通过运动控制器5控制x-y-z三轴运动平台6的运动，所述x-y-z三轴运动平台6控制刀具运动，刀具由x-y-z三轴运动平台6工作手臂夹持，刀具7进行对硅片10表面氧化硅膜18的去除可使电沉积反应仅在氧化硅去除区域发生，同时计算机1控制激光束17辐照待去除氧化层区域，软化氧化层材料，提高氧化层去除效率和精度，还可以继续采用激光辐照所去除氧化硅膜处，加速电化学回路中电荷的转移，加快沉积液12的循环流动更新，提高沉积效率。

本发明具体实施方法如下：

1)利用软件编写控制代码，以保证得到想要的图形，编写代码时应注意采用较小的运动加速度，防止溶液晃动影响加工效果；

2)配制相应的沉积液12，沉积液12的成分、浓度应根据所需要的沉积层材质合理选择，加入少量添加剂改善镀层性能和沉积速度，以及少量能提高沉积层表面质量的光亮剂、整平剂等；

3)将硅片10进行表面预处理，使用绝缘膜19包裹硅片10下表面和侧壁，然后装夹在储液槽中，与直流脉冲电源15负极相连。将工具阳极13接直流脉冲电源15正极，工具阳极13紧贴储液槽9内壁放置，且与硅片10保持垂直关系。由于硅片10下表面侧壁被绝缘，限制了电沉积反应区域，有利于提高电沉积的效率和质量；

4)加入沉积液12使液面高度高于硅片10表面2～10mm，如果溶液层太薄，激光辐照产生的等离子体会溅起水花，如果溶液层太厚，激光经过溶液时能量损失严重，效率较低；

5)将储液槽9置于x-y-z三轴运动平台5上，调节x-y-z三轴运动平台5，使激光聚焦于硅片10上方0.2～1.5mm，利用激光热力效应软化氧化层材料，同时通过运动控制器5控制x-y-z三轴运动平台6进而控制刀具去除硅片表面氧化硅膜；

6)通过计算机1调节激光参数和直流脉冲电源参数，直流脉冲电源15的电压大小为0～20V可调，占空比为0～80％，频率与激光参数一致，示波器16与直流脉冲电源15相连，实时监测电源参数，确保加工过程中电源的稳定性；

7)开启脉冲激光器2、直流脉冲电源15以及运动控制器5，根据所设定的运动路径，激光辐照带去除氧化层区域的同时，通过运动控制器5控制x-y-z三轴运动平台6进而控制刀具去除硅片表面氧化硅膜；

8)继续用脉冲激光器2产生的激光辐照硅片表面无氧化硅膜区域，有效提高沉积效率和质量；

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种在硅片表面的定域电沉积金属的方法，其特征在于，通过计算机(1)控制激光束辐照硅片(10)待去除氧化硅区域，同时控制刀具(7)在硅片(10)的表面加工去除氧化硅，实现硅片(10)表面定域电沉积金属。

2.根据权利要求1所述的在硅片表面的定域电沉积金属的方法，其特征在于，电沉积过程中可继续利用激光辐照硅片(10)去除氧化硅区域，进一步提升局域沉积效率和质量。

3.根据权利要求1所述的在硅片表面的定域电沉积金属的方法，其特征在于，包括以下步骤：

绘制刀具(7)运动路径模型，并输入到计算机(1)中；

将硅片(10)装夹在储液槽(9)中，工具阳极(13)接直流脉冲电源(15)正极，硅片(10)与直流脉冲电源(15)负极相连，使硅片(10)和工具阳极(13)的下端浸没在沉积液(12)中，通电后，在沉积液(12)内构成电化学回路，通过控制刀具(7)去除硅片(10)表面的氧化硅，同时开启脉冲激光器(2)，激光束(17)定域辐照在沉积部位完成加工。

4.根据权利要求1所述的硅片表面的定域电沉积金属的方法，其特征在于，所述工具阳极(13)紧贴储液槽(9)内壁放置，且与硅片(10)保持垂直关系。

5.根据权利要求3所述的在硅片表面的定域电沉积金属的方法，其特征在于，沉积液液面高于硅片(10)2～10mm，沉积液(12)温度为15～50℃。

6.根据权利要求1所述的在硅片表面的定域电沉积金属的方法，其特征在于，对所述硅片(10)的下表面及侧壁绝缘。

7.根据权利要求6所述的在硅片表面的定域电沉积金属的方法，其特征在于，通过绝缘胶带或热熔胶片对所述硅片(10)的下表面及侧壁进行绝缘。

8.根据权利要求1至7任一项所述的在硅片表面的定域电沉积金属的方法的装置，其特征在于，包括激光辐照***、加工***和控制***；

所述激光辐照***包括脉冲激光器(2)、反射镜(3)、聚焦透镜(4)；激光由脉冲激光器(2)发出，经反射镜(3)改变传输方向，再通过聚焦透镜(4)聚焦，聚焦后的激光束(17)辐照在硅片(10)上；

所述加工***包括直流脉冲电源(15)、储液槽(9)、硅片(10)、工具阳极(13)、x-y-z三轴运动平台(6)和刀具(7)；所述刀具(7)设置于由x-y-z三轴运动平台(6)控制的工作手臂上；所述直流脉冲电源(15)的正极与工具阳极(13)相连，负极与硅片(10)相连；硅片(10)及工具阳极(13)的下端浸没于沉积液中，硅片(10)与工件阳极(13)在沉积液内构成电化学回路；

所述控制***包括计算机(1)和运动控制器(5)，所述计算机(1)控制脉冲激光器(2)、直流脉冲电源(15)和运动控制器(5)；所述运动控制器(5)控制x-y-z三轴运动平台(6)。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述硅片(10)通过夹紧装置夹持，其中，所述夹紧装置左侧采用弹簧辅助加紧装置(11)，右侧采用螺旋夹紧机构(8)。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述加工***中还包括示波器(16)；所述直流脉冲电源(15)和示波器(16)相连；所述脉冲激光器(2)为纳秒脉冲激光器或者皮秒脉冲激光器；所述直流脉冲电源(15)电压可调为0～20V，频率为0.1KHz～10MHz，占空比为0～80％。

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