书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：氧化铝陶瓷基板上的紫外激光微加工和化学蚀刻

编号：JFKJ-21-

作者：华林科纳

引言

在这项研究中，使用Nd:YVO4紫外激光器对用作多层微芯片衬底的超薄(μm)陶瓷板进行微加工。采用4×4正交设计研究了紫外激光微加工参数(包括激光功率密度、频率、激光扫描速度和传输延迟)对微加工精度和质量(切口宽度和切口侧壁算术平均粗糙度Ra)的影响。在保持高生产效率的同时，为小切口宽度和切口侧壁的最小Ra确定并优化关键工艺参数。随后对激光处理区域进行化学蚀刻，以通过去除碎片和薄重铸层来降低切口表面和切口侧壁粗糙度，以达到所需的尺寸精度和后镀金处理。结果表明，通过激光微加工和化学刻蚀可以获得表面清洁、无裂纹、粗糙度Ra为0.16m的切口侧壁。

介绍

超薄微型陶瓷部件广泛用于电子集成电路、医学和微机电系统(MEMS),作为隔离器、刚性支撑件和生物相容性元件。超薄陶瓷基板微加工技术的目标是在保持质量和生产效率的同时降低生产成本。与传统的微加工方法(如金刚石研磨和超声波微加工)相比，激光微加工由于其非接触和高效率的特性，在制造复杂和超薄的微陶瓷零件方面具有很大的优势。1，2但是，这种技术也存在许多问题，包括重铸中的微裂纹、微结构变化、热影响区(HAZ)以及熔融材料飞溅到加工区域周围的表面上。一些研究人员致力于通过使用合适的激光参数和保护气体来提高厚陶瓷的切割质量。

通过消除最剧烈的温度梯度来降低应力。然而，次级光束能够显著降低移动激光器前方出现的拉伸应力，但是不能降低扫描激光器侧面的应力。氧化铝切割壁上的微裂纹是由熔融陶瓷冷却过程中的收缩引起的，只存在于重铸层内部。HAZ的范围和强度受激光参数的影响，辅助气体压力仅决定HAZ从工件上表面的开始。在过去的几年中，已经开发了新的方法来减少或消除在陶瓷材料的激光微加工过程中出现的HAZ、碎片和微裂纹。提出了一种使用板条CO2激光器和高压辅助气体切割厚达10mm的厚Al2O3陶瓷的紧密穿孔研磨(CPL)方法。通过优化工艺参数，可以获得粗糙度Ra为31.74m的无裂纹切割表面。然而，在切割边缘仍然存在重铸层，并且高压辅助气体不适合超薄陶瓷微加工。

讨论

陶瓷衬底材料在激光辐射的区域中部分熔化和蒸发，并且没有采用气体喷射来去除熔化的材料，因为这可能破坏精细的微结构。因此，在激光多扫描切割过程中，只有两种材料去除机制:熔体蒸发和由蒸发引起的反冲压力引起的熔体喷射。为了获得良好的激光加工精度和质量，蒸发与熔化喷射的比率必须很大，因为这将导致较少的熔化材料喷射而在切口顶部和侧壁上形成碎片或重铸层。因此，功率密度、频率和激光扫描速度是影响激光微加工效率、精度和质量的三个关键因素。

虽然它可以极大地提高微加工效率，但是在恒定扫描速度下功率密度的增加将产生较低的蒸发与熔化材料的比率，并产生较高的温度梯度，导致在每次激光扫描期间更多的材料熔化。这将导致精度和质量降低，碎片更多，切口宽度和热影响区更宽，以及带有微裂纹的重铸层更厚。相反，较高的功率密度与较高的激光扫描相匹配陶瓷衬底材料在激光辐射的区域中部分熔化和蒸发，并且没有采用气体喷射来去除熔化的材料，因为这可能破坏精细的微结构。因此，在激光多扫描切割过程中，只有两种材料去除机制:熔体蒸发和由蒸发引起的反冲压力引起的熔体喷射。为了获得良好的激光加工精度和质量，蒸发与熔化喷射的比率必须很大，因为这将导致较少的熔化材料喷射而在切口顶部和侧壁上形成碎片或重铸层。因此，功率密度、频率和激光扫描速度是影响激光微加工效率、精度和质量的三个关键因素。

虽然它可以极大地提高微加工效率，但是在恒定扫描速度下功率密度的增加将产生较低的蒸发与熔化材料的比率，并产生较高的温度梯度，导致在每次激光扫描期间更多的材料熔化。这将导致精度和质量降低，碎片更多，切口宽度和热影响区更宽，以及带有微裂纹的重铸层更厚。相反，较高的功率密度与较高的激光扫描相匹配在重铸层和基底材料之间。基于缝隙腐蚀原理的化学反应可以加速重铸层的去除过程。此外，切口侧壁上的重铸层由α-Al2O3和γ-Al2O3化合物的致密且不规则的晶粒组成，17并且化学性质不稳定γ-Al2O3容易与♀C的浓硫酸反应，从而去除重铸层。

因此，通过使用紫外激光切割和随后的化学蚀刻对超薄陶瓷基板进行微加工，可以实现高加工质量、精度和效率。

结论

使用紫外激光微加工和化学蚀刻在μm超薄陶瓷基板上产生精细和复杂的图形。采用4×4正交设计寻找并优化了激光微加工的关键激光参数超薄Al2O3陶瓷基板的加工。在使用不同组合的大量实验之后，可以得出结论，较高的激光功率密度与合适的高扫描速度和频率相结合可以获得较高的微加工效率、质量和精度。

使用化学蚀刻方式去除顶部表面上的飞溅和碎屑以及切口侧壁上的薄重铸层。这在浸泡后完全去除了颗粒，并且可以获得非常干净的表面。激光处理后，重铸层内部出现许多微裂纹。在♀C98%浓硫酸中浸泡2h，部分表面裂纹变宽变深。10小时后，许多重铸分层直接从切缝侧壁分块脱落，重铸物在48h内完全去除。经化学处理后，侧壁粗糙度从0.25m降至0.16m，最终满足后续镀金工作的要求。