电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法以及系统与流程

本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法以及系统。

背景技术：

微纳制造技术是微传感器、微执行器、微结构和功能微纳系统制造的基本手段和重要基础，刻蚀是微纳制造中必不可少的关键工艺。反应离子刻蚀是目前主流的微纳刻蚀方法，它利用真空系统中等离子体的物理轰击和化学反应来对工件进行刻蚀，可加工出高深宽比的微纳结构，具有精度高、清洁、选择性好等特点。然而，在反应离子刻蚀前需要进行光刻工艺来限定刻蚀区域，刻蚀后要进行去胶清洗工艺，整个工艺过程时间周期长，涉及多项工艺和设备，加工成本高；而且，反应离子刻蚀速率通常在每秒纳米级，刻蚀效率低；并受真空系统的影响，加工尺寸受限，不适宜大尺寸工件，加工灵活性差。其它微纳刻蚀方法也各有限制，如湿法刻蚀精度差、对环境不友好及各向异性刻蚀差。

激光刻蚀是将激光束聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使材料在瞬间汽化蒸发进行加工，具有无机械应力、柔性化程度高、加工效率高、加工方式简单、成本低、环境友好和精度高等特点，作为一种先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等领域。近年来，随着超快激光的发展，激光刻蚀也逐步应用到微纳制造领域。与其它微纳刻蚀方法比较，激光刻蚀具有效率高、可加工任意材料、深宽比高、加工简单灵活、无污染及低成本的优势，因而在隐切、切割、微孔及微槽加工方面得到大量应用。然而，刻蚀用激光光斑通常在微米左右，难以加工纳米级结构，加工精度有限；而且，激光刻蚀时，在高能量密度作用下，材料蒸发产生的高温等离子体悬浮于材料加工表面，将对激光能量产生吸收、散射、反射作用，阻碍激光束的进一步刻蚀，降低刻蚀效率和加工精度。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法以及系统，能够有效提高激光刻蚀精度。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<方法>

本发明提供一种电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.在工件与激光器的激光聚焦物镜之间放置掩膜版，该掩膜版不与工件接触、也不与激光聚焦物镜接触；并且，掩膜版上形成有与待加工微纳结构相对应的透光区域（形状与尺寸都相对应）；步骤2.在掩膜版与工件之间施加垂直于工件表面的纵向电场，在激光与工件的作用区域施加平行于工件表面的横向磁场；步骤3.采用激光器发射激光快速扫描掩膜版，激光穿过透光区域辐照到工件表面，并依照透光区域的形状和尺寸对工件进行刻蚀加工形成微纳结构。

优选地，本发明提供的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法还可以具有以下特征：在步骤1中，掩膜版平行于工件放置，并且掩膜版与工件的间距不应超过激光聚焦物镜焦距的25%，可以使最终透过掩膜的光束更小，精度更高。

优选地，本发明提供的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法还可以具有以下特征：激光的光束形状为平顶线性光斑。

优选地，本发明提供的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法还可以具有以下特征：掩膜版由上至下依次包括：激光反射层、透明基板和透明电极层，激光反射层为形成有中空结构的高激光反射率膜，中空结构为激光可穿透区域并且与待加工微纳结构的形状大小一致，工件的底面设置有底电极，在该底电极与透明电极之间形成纵向电场。

优选地，本发明提供的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法还可以具有以下特征：高激光反射率膜材料选自cr、al、cr2o3、fe2o3，膜厚为0.2~200μm，高激光反射率膜的在反射率80%以上。

优选地，本发明提供的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法还可以具有以下特征：透明基板的材料为石英或玻璃，膜厚为2~5mm。

优选地，本发明提供的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法还可以具有以下特征：透明电极层为透明导电薄膜，材料为氧化铟锡或掺铝氧化锌，膜厚为0.2~20μm。

优选地，本发明提供的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法还可以具有以下特征：纵向电场的电压为5~60v。

优选地，本发明提供的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法还可以具有以下特征：横向磁场的激磁电流为0.5~4a。

优选地，本发明提供的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法还可以具有以下特征：当掩膜版上的透光区域为至少两个时，采用大激光光束对掩膜版上的多个透光区域同时进行扫描，进而同时辐照到工件的多个待刻蚀区域并行进行刻蚀加工。

<系统>

进一步，本发明还提供了一种激光掩膜刻蚀系统，采用上述<方法>中所描述的激光掩膜刻蚀方法对工件进行加工，其特征在于，包括：激光器，用于发射激光；掩膜版，设置在工件与激光器的激光聚焦物镜之间，不与工件接触、也不与激光聚焦物镜接触，并且掩膜版上形成有与待加工图形相对应的、让激光穿过进而辐照工件表面的透光区域；电场发生器，在掩膜版与工件之间施加垂直于工件表面的纵向电场；以及磁场发生器，在激光与工件的作用区域施加平行于工件表面的横向磁场。

发明的作用与效果

本发明所提供的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法以及系统，通过在工件与激光聚焦物镜间放置掩膜版，利用掩膜版上图形化的透光区域来调整穿过掩膜版的激光光束形状与尺寸，可使得辐照在工件表面的激光光斑大小达到纳米量级，从而加工出更微小尺寸的结构，有效提高激光刻蚀精度；同时，在掩膜版与工件之间施加相互垂直的电场与磁场，控制激光衍生等离子体快速离开加工区域，降低等离子体对加工精度的负面影响，进一步提高激光刻蚀精度。

具体地，本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明为非接触式刻蚀方法。加工过程中，不会使工件产生机械缺陷和机械应力，不产生任何废液、废渣，对环境污染小，属于绿色低碳环保、低缺陷加工技术。

（2）本发明与等离子体刻蚀方法相比具有加工灵活、工艺简单、成本低和效率高的优点。等离子体刻蚀方法加工微纳结构时需要光刻等工艺配合，工艺复杂；并需要在真空腔中进行，设备成本高，不适宜加工大尺寸工件；此外，等离子体刻蚀速率为每秒纳米量级。本发明采用激光辐照工件表面直接进行微纳尺度刻蚀，不需要其它辅助工艺，工艺简单；并可直接在大气环境下加工，加工灵活；由于不需要高真空系统，整个处理过程都处于大气环境下，设备成本远低于等离子体刻蚀设备；刻蚀速率可达到每秒几百微米，刻蚀效率明显高于等离子体刻蚀方法。

（3）本发明与现有激光刻蚀方法相比具有更高的加工精度和加工效率。在现有激光刻蚀方法的基础上，本发明通过在工件与激光聚焦物镜间平行放置掩膜版，利用掩膜版上图形化透光区域来调整穿过掩膜版的激光光束形状与尺寸，使得激光辐照在工件表面的光斑最小尺寸可达到纳米量级，从而加工出更小尺度的纳结构，有效提高了加工精度；同时，在掩膜版与工件之间施加相互垂直的电场与磁场，通过产生的电场力和洛伦兹力控制激光衍生等离子体快速离开加工区域，降低等离子体对掩膜版的污染损伤和对激光的吸收、散射与反射，从而降低等离子体对加工精度和加工效率的负面影响，进一步提高激光刻蚀精度和刻蚀效率。此外，大激光光束配合掩膜版透光区图形可同时辐照到工件的多个区域并行进行刻蚀加工，刻蚀效率远比激光直接辐照到工件表面单区域进行加工的效率高。

（4）本发明几乎可加工任意材料，无论是对于金属材料还是非金属材料均能够利用该项技术进行加工。

附图说明

图1为本发明实施例中电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法所采用的激光掩膜刻蚀系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中采用的掩膜版的结构示意图。

以上各图中标号含义为：

w-工件，s-电源，m-横向磁场，p-等离子体；

10-激光掩膜刻蚀装置，11-激光器，11a-激光聚焦物镜，11b-激光束，12-掩膜版，121-激光反射层，121a-中空结构/透光区域，122-透明基板，123-透明电极层，13-电场发生器，131-底电极。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法以及系统的具体实施方案进行详细地说明。

实施例>

如图1所示，本实施例提供的激光掩膜刻蚀装置10包括激光器11、掩膜版12、电场发生器13以及磁场发生器（图中未显示）。

激光器11用于发射激光，具有激光聚焦物镜11a，激光经过激光聚焦物镜11a形成激光束11b，本实施例中激光束的形状为平顶线性光斑。

掩膜版12设置在工件w与激光器11的激光聚焦物镜11a之间，不与工件w接触、也不与激光聚焦物镜11a接触。

掩膜版12上形成有与待加工微纳结构相对应的、让激光穿过进而辐照工件w表面的透光区域。如图1和2所示，掩膜版12由上至下依次包括激光反射层121、透明基板122和透明电极层123。激光反射层121为形成有中空结构121a的高激光反射率膜，中空结构121a为激光可穿透区域121a（透光区域121a）并且与待加工微纳结构的形状大小一致，相邻中空结构121a之间的位置关系也与相邻待加工微纳结构之间的位置关系一致；本实施例中，待加工微纳结构为8×2的圆阵列，每个圆直径为2μm，x与y方向圆心距均为4μm；因此，中空结构121a也为多个，并且同样为8×2的圆阵列，每个圆直径为2μm，x与y方向圆心距均为4μm。本实施例中，采用的高激光反射率膜材料为cr，膜厚200μm。透明基板122为石英，膜厚3mm。透明电极层123为透明导电薄膜，材料为掺铝氧化锌，膜厚20μm。

由于具有以上结构，因此开启激光器11后，超快激光到达掩膜版12，通过掩膜版12的透光区域121a激光能够继续前进到达并聚焦在工件w表面，进行刻蚀加工，而在掩膜版12的其它不透光区域121a激光则无法通过掩膜版。

电场发生器13用于在掩膜版12与工件w之间施加垂直于工件w表面的纵向电场。本实施例中，在工件w的底面设置有平板状的底电极131，通过在该底电极131与透明电极层123之间串联电源s形成纵向电场，本实施例中，纵向电场的电压为5~60v。

磁场发生器用于在激光与工件w的作用区域121a施加平行于工件w表面的横向磁场m，本实施例中，采用永磁铁作为磁场发生器产生横向磁场m，横向磁场m的激磁电流为0.5~4a。

基于以上的激光掩膜刻蚀装置10，本实施例提供的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法具体包括以下步骤：

步骤1.在工件w与激光器11的激光聚焦物镜11a之间非接触式平行放置掩膜版12，掩膜版12与工件w的间距为0.1mm~20mm。

本实施例中，取厚度为500μm的6英寸硅晶圆作为工件w，清洗烘干；然后，将工件w放置在工件台上，在工件w上方2mm处平行放置6英寸掩膜版12，使掩膜版12位于激光束辐照到工件w的路径上。

步骤2.在掩膜版12与工件w之间施加垂直于工件w表面的纵向电场，在激光与工件w的作用区域121a施加平行于工件w表面的横向磁场m。

本实施例中，是在掩膜版12的透明电极层123与工件w底面上的电极之间接通30v直流电源产生垂直于工件w表面的纵向电场；同时，通过磁场发生器在工件w上表面施加横向磁场m，励磁电流3a。

步骤3.采用激光器11发射激光快速扫描掩膜版，激光穿过透光区域121a辐照到工件w表面，并依照透光区域121a的形状和尺寸对工件w进行刻蚀加工形成微纳结构。

本实施例中，激光器11的加工光源为波长为800nm、重复频率为100khz、单脉冲能量30μj、脉宽300fs的超快激光，通过光束整形元件将高斯光斑变为平顶圆光斑，使用焦距40mm的激光聚焦物镜11a进行聚焦，聚焦光斑约为12μm，调整激光焦点使其对准在工件w的待加工面。

激光经过激光聚焦物镜11a形成激光束11b，激光束11b通过掩膜版125的透光区域121a调整成更小尺度的光斑辐照到工件w上进行刻蚀加工，产生等离子体p；接通电源s产生垂直于工件w表面的纵向电场，等离子体p受到此电场的作用离开刻蚀底部形成垂直于工件w表面的等离子体流，在平行工件w表面方向施加横向磁场m，则等离子体流在电场和磁场的相互作用下受到平行于工件w表面的洛伦兹力，使其快速离开工件w与掩膜版125之间的区域121a。

进一步，使用振镜系统与三维精密移动平台可以实现超快激光对掩膜版的快速扫描，保证激光束11b的聚焦光斑至少覆盖2×2个圆阵列进行多个透光区域121a并行刻蚀，在工件w上得到与透光区域121a形状、尺寸一致的微纳结构，快速完成整个加工过程。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的电磁场控制等离子体的激光掩膜刻蚀方法以及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。