一种等离子体刻蚀辅助激光加工碳化硅的方法与流程

本发明属于mems(微机电系统)微纳加工技术领域，具体涉及一种等离子体刻蚀辅助激光加工碳化硅的方法。

背景技术：

耐高温压力传感器在国防军工领域有着广阔的应用前景，例如各种发动机腔体内的压力测量、喷气发动机、火箭、导弹、卫星等耐热腔体和表面各部分的压力测量，尤其在武器系统中，高温压力传感器是动力系统所不可或缺的。而目前使用的多为硅基或绝缘体上硅(soi)基底的mems压力传感器，在超过600℃的高温恶劣环境压力测量中，常采用引压管或给传感器加装水冷套的方式实现间接测量。作为第三代宽禁带半导体的典型代表，碳化硅的禁带宽度是硅的将近3倍，具有高熔点、高硬度、耐酸碱腐蚀等优势，具有高温恶劣环境下压力测量的巨大潜力，近些年被广泛研究。而半导体碳化硅的上述材料优势也给其用作mems传感器基底材料带来了极大挑战，主要体现在刻蚀加工难度上。长期以来，借助于从硅基mems移植来的刻蚀工艺，通过加工参数的优化，基本实现了碳化硅的等离子体刻蚀，然而较低的刻蚀速率始终限制着碳化硅基高温传感器的进一步发展，随后，又有研究提出了使用皮秒激光等方式对碳化硅进行加工，而加工结果及表面质量都有待提高。因此，目前针对碳化硅的高效高质量材料去除工艺仍处在探索阶段。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种等离子体刻蚀辅助激光加工碳化硅的方法，实现了碳化硅的高效高质量材料去除，具有加工效率高，成本低，加工表面质量较好等优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种等离子体刻蚀辅助激光加工碳化硅的方法，先利用飞秒激光对材料的辐照烧蚀作用，实现碳化硅的粗加工快速去除，随后用氢氟酸和硝酸混合溶液去除加工表面的杂质，再进行等离子体刻蚀精细加工，得到预期的微纳结构。

一种等离子体刻蚀辅助激光加工碳化硅的方法，包括以下步骤：

步骤1，清洗：将碳化硅晶圆片先后在丙酮和无水乙醇溶液中浸泡，超声清洗20-30分钟；

步骤2，飞秒激光辐照加工：将步骤1清洗过的碳化硅晶圆片放置于飞秒激光加工工作台上，按照程序设定好的加工路径，调节加工参数，使激光聚焦在材料表面并开始扫描加工；

步骤3，腐蚀：将经过步骤2激光加工完的碳化硅晶圆片浸入氢氟酸和硝酸的混合溶液中，先超声清洗15-20分钟，接着静置24小时；

步骤4，清洗：将步骤3腐蚀过的碳化硅晶圆片先后在丙酮和无水乙醇溶液中浸泡，超声清洗15-30分钟，去离子水冲洗后烘干；

步骤5，按照微纳加工工艺在步骤4清洗过的碳化硅晶圆片上图形化掩膜；

步骤6，对步骤5处理过的碳化硅晶圆片进行等离子体刻蚀，得到预期的微纳结构。

所述的碳化硅晶圆片为包括3c、4h或6h在内的任意一种晶型。

所述的碳化硅晶圆片为任意晶向。

所述的步骤2中飞秒激光辐照加工的加工结构为程序实现的任意一种结构形状，包括圆形形状和矩形形状等：对于圆形形状结构，采用螺旋状路径逐层加工；对于矩形形状，采用弓字形路径逐层去除材料；对于其他形状，则采用相应程序或者编写新的加工路径程序。

所述的步骤2中飞秒激光辐照加工的加工参数包括飞秒激光功率、扫描速度、扫描线间隔和扫描层数等。

所述的步骤3中氢氟酸和硝酸体积浓度均在40％～70％范围内，且按照体积比1:1～1:5范围内的任意比例混合得到混合溶液。

所述的步骤6中等离子体刻蚀是指利用等离子体轰击材料表面实现材料去除的相关干法刻蚀，包括感应耦合等离子体刻蚀(icp)和反应离子刻蚀(rie)。

本发明的有益效果是：本发明将飞秒激光加工与等离子体刻蚀结合，利用飞秒激光加工的高效率优势快速去除大部分材料，接着使用传统微纳工艺对样品进行等离子体刻蚀精加工，可对激光加工所得样品表面修整和完善；实现以碳化硅为代表的高硬度，耐腐蚀性材料的高效去除，大大提高了碳化硅基传感器微纳加工的效率，降低了制造成本，推动了各类碳化硅基高温传感器的研究和应用。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明实施例1加工后样片孔的部分形貌，图(a)为扫描电子显微镜下观察到的形貌图；图(b)为激光共聚焦显微镜下观察到的形貌图。

图3为本发明实施例2加工后样片孔的形貌。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本实施例中，所采用的激光器为钛：蓝宝石激光器，加工的均为方孔，边长800μm，孔深度不一，主要取决于加工功率和扫描层数。

参照图1，一种等离子体刻蚀辅助激光加工碳化硅的方法，包括以下步骤：

步骤1，清洗：取一片4寸n型导电4h-sic晶圆片，厚度为340μm，相对于<1120>晶向偏轴4.0°±0.5°，划片切割成1.5cm×1cm的小型样片备用，将其中一个样片先后在丙酮和无水乙醇溶液中浸泡，超声清洗20分钟，去除表面杂质污染物并烘干；

步骤2，飞秒激光辐照加工方孔：用普通透明胶带粘贴样片的四角，将其固定在干净的毛玻璃片上，防止样片在激光辐照加工过程中发生移动；将粘贴有样片的毛玻璃载片放置在飞秒激光加工置物台上；钛：蓝宝石飞秒激光器中心波长为800nm,脉冲宽度小于120fs，设置程序为“弓字形”路径加工方孔，调试好加工程序后开始加工；飞秒激光的功率调节范围为30mw～80mw，扫描线间隔从2μm～4μm，扫描速度为2000μm/s,3000μm/s，4000μm/s，扫描层数为2～5层；

步骤3，腐蚀：将经过步骤2激光加工完的碳化硅样片浸泡在氢氟酸和硝酸的混合溶液中，先超声15分钟，接着静置24小时；所述的混合溶液是由体积浓度为68％的氢氟酸和体积浓度为45％的硝酸，按照1:1的比例混合后制成；

步骤4，清洗：将步骤3腐蚀过的碳化硅样片取出后，先后用丙酮和无水乙醇浸泡，超声清洗15分钟，去离子水冲洗后烘干，去除残留酸溶液及杂质；

步骤5，按照微纳加工工艺在步骤4清洗过的碳化硅晶圆片上图形化掩膜；

步骤6：对步骤5处理过的碳化硅样片进行感应耦合等离子体刻蚀(icp)，刻蚀厚度为40μm；用光学显微镜、扫描电子显微镜及激光共聚焦显微镜观察加工后的样片表面形貌，测量加工深度和表面粗糙度，图2为本发明实施例1加工后样片孔的部分形貌，图(a)为扫描电子显微镜下观察到的形貌图；图(b)为激光共聚焦显微镜下观察到的形貌图，从图2可以看出所述一种等离子体刻蚀辅助激光加工碳化硅的方法能加工出方形孔，并且孔边缘较规则，孔表面无明显凹凸不平。

实施例2，本实施例中所采用的激光器为钛：蓝宝石激光器，加工的均为圆孔，边长直径800μm，孔深度不一，主要取决于加工功率和扫描层数。

参照图1，一种等离子体刻蚀辅助激光加工碳化硅的方法，包括以下步骤：

步骤1，清洗：取一片4寸n型半绝缘4h-sic晶圆片，厚度为500μm，晶向<0001>，划片切割成1.5cm×1cm的小型样片备用，将其中一样片先后用丙酮和无水乙醇溶液浸泡，分别超声清洗30分钟，去除表面杂质污染物并烘干；

步骤2，飞秒激光辐照加工圆孔：用普通透明胶带粘贴样片的四角，将其固定在干净的毛玻璃片上，防止样片在激光辐照加工过程中发生移动；将粘贴有样片的毛玻璃载片放置在飞秒激光加工置物台上；钛：蓝宝石飞秒激光器中心波长为800nm,，设置程序为“螺旋线”路径加工圆孔，调试好加工程序后开始加工；飞秒激光的功率调节范围为400mw～560mw，扫描速度为2000μm/s,3000μm/s，4000μm/s；

步骤3，腐蚀：将经过步骤2激光加工完的碳化硅样片浸泡在氢氟酸和硝酸的混合溶液中，先超声20分钟，接着静置24小时；所述的混合溶液是由体积浓度为68％的氢氟酸和体积浓度为45％的硝酸，按照1:1的比例混合后制成；

步骤4，清洗：将步骤3腐蚀过的碳化硅样片取出后，先后用丙酮和无水乙醇浸泡，超声清洗30分钟，去离子水冲洗后烘干，去除残留酸溶液及杂质；

步骤5，按照微纳加工工艺在步骤4清洗过的碳化硅晶圆片上图形化掩膜；

步骤6：对步骤5处理过的碳化硅样片进行感应耦合等离子体刻蚀(icp)，刻蚀厚度为40μm；用光学显微镜、扫描电子显微镜及激光共聚焦显微镜观察加工后的样片表面形貌，测量加工深度和表面粗糙度，图3为加工完成所得圆孔在光学显微镜下的形貌，从图3可以看出一种等离子体刻蚀辅助激光加工碳化硅的方法加工所得的圆孔较为规整，可有效去除高硬度碳化硅材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。