專利名稱：一種激光輔助清除基體表面納米顆粒的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種激光輔助清除硅晶片等基體表面納米顆粒的方法和裝置，特指一種利用激光聚焦將空氣介電擊穿形成急劇膨脹的等離子體，等離子體周圍空氣被快速壓縮成為較強的沖擊波陣面而直接作用于基體表面使納米顆粒受到力或滾動力矩的作用與晶片或光掩模等基體分離的方法和裝置，該方法和裝置尤其適用于去除基體表面100 nm及更小尺寸的顆粒。
背景技術：
基體表面納米顆粒的去除是微型機械、精密光學、微電子、半導體等高新技術中的關鍵問題，納米顆粒會使微型機械表面產生劃痕甚至裂紋等致命損傷，極大降低精密光學設備的分辨率，造成微型高密度存儲設備、超大規模集成電路短路或性能大大降低，是微型機械、精密光學、半導體、微電子等高新技術中需要迫切解決的問題；隨著微電子設備和半導體尺寸越來越小，去除100 nm及更小尺寸的顆粒正在成為一種新的技術挑戰，顆粒越來越小使得去除變得非常困難，常規去除方法如化學清洗、超聲清洗和機械洗刷等，顯得力不從心；同時，化學清洗、超聲清洗等容易腐蝕和二次污染，且浪費資源和污染環境；機械洗刷容易損傷基體表面。脈沖激光束在凸透鏡的聚焦作用下可以使凸透鏡焦點處能量密度及局部溫度急劇上升導致空氣介電擊穿形成快速膨脹的等離子體，等離子體周圍空氣被壓縮而成為強沖擊波陣面，沖擊波陣面直接作用于硅晶片或光刻掩模等基體表面使納米顆粒受到力或滾動力矩的作用與基體分離，基于激光聚焦形成等離子體膨脹來清除硅晶片等基體表面納米顆粒，因其可以保證納米顆粒清除過程環境干燥且作用力為非接觸力，是可以在避免污染及損傷前提下能快速清除100 nm及更小尺寸納米顆粒的有效方法。

發明內容
本發明針對常規納米顆粒清除方法中存在的容易損壞及污染基體和IOOnm及更小尺寸顆粒較難清除的問題，提出一種激光輔助清除基體表面納米顆粒的方法和裝置。一種激光輔助清除基體表面納米顆粒的方法，通過凸透鏡將脈沖激光束聚焦于凸透鏡焦點，焦點處能量密度及溫度急劇上升使空氣介電擊穿產生快速膨脹的等離子體，等離子體迅速壓縮周圍空氣使之作為強沖擊波陣面直接作用于硅晶片等基體表面，使納米顆粒受到力或滾動力矩作用克服納米顆粒與基體之間的粘合力與基體分離，從而達到清除基體表面納米顆粒的目的；利用該方法可有效實現娃晶片等基體表面納米顆粒尤其是100 nm及更小尺寸納米顆粒的清除，并且不會對基體造成損傷和污染。本發明提供了激光輔助清除基體表面納米顆粒的裝置，包括計算機控制裝置、Nd YAG脈沖激光器、凸透鏡、三軸微動控制平臺和監測裝置；凸透鏡用來使脈沖激光束聚焦于焦點使空氣電介擊穿產生急劇膨脹的等離子體；計算機控制裝置控制Nd =YAG脈沖激光器和三軸微動控制平臺，通過控制三軸微動控制平臺控制基體移動，按區域分片清除基體表面納米顆粒，直到整個基體目標表面區域納米顆粒清除完成；監測裝置監測基體表面納米顆粒的數量和大小、基體上表面與等離子體的相對位置、基體上表面與凸透鏡焦點的垂直距離、等離子體急劇膨脹形成的強沖擊波陣面到達基體表面的壓力值，作為用來控制三軸微動控制平臺和調節Nd =YAG脈沖激光器的工藝參數的依據，監測裝置測得數據反饋至計算機控制裝置。為實現上述目的，本發明采取如下技術方案
一種激光輔助清除基體表面納米顆粒清除的方法，其包括以下步驟
(1)將需進行顆粒清除的基體固定在三軸微動控制平臺上；
(2)調節三軸微動控制平臺垂直移動使基體上表面到凸透鏡焦點的垂直距離為1-2mm ;調節三軸微動控制平臺左右前后移動使基體表面位于即將產生的等離子體的(即激光束聚焦位置)正下方；
(3)發射脈沖激光束穿透凸透鏡于透鏡焦點聚焦，焦點處空氣被介電擊穿形成急劇膨脹的等離子體使周圍空氣被迅速壓縮而成為強沖擊波陣面，強沖擊波陣面直接作用于基體表面使納米顆粒受到力或滾動力矩的作用與基體分離。本發明原理的創新在于利用激光聚焦產生的等離子體急劇膨脹壓縮空氣形成的強沖擊波陣面作為清除納米顆粒的力源，使得納米顆粒克服和基體之間的粘合力與基體分離，由于本方法實施于干燥環境中且實施過程中與基體表面及無直接接觸，避免了常規清除手段所帶來的基體損傷及污染，尤其可以在避免污染及損傷前提下有效實現100 nm及更小尺寸納米顆粒的清除，是一種全新的納米顆粒清除方法。所述的一種激光輔助清除基體表面納米顆粒的方法，其特征在于所述基體包括硅晶片和光刻掩模基體。所述的一種激光輔助清除基體表面納米顆粒的方法，其特征在于所述脈沖激光束為Nd :YAG脈沖激光，脈寬1064 nm，脈沖能量150 45 OmJ，重復頻率10 Hz，脈寬5 10ns。所述的一種激光輔助清除基體表面納米顆粒的方法，其特征在于所述凸透鏡焦距為100臟。所述的一種激光輔助清除基體表面納米顆粒的方法，其特征在于所述脈沖激光穿透凸透鏡在透鏡焦點聚焦使焦點處能量密度及局部溫度急劇上升，從而導致透鏡焦點空氣介電擊穿形成快速膨脹的等離子體，等離子體使周圍空氣被迅速壓縮而成為強沖擊波陣面，沖擊波陣面直接作用于基體表面使納米顆粒受到力或滾動力矩的作用從而克服納米顆粒與基體間的粘合力與基體分離。所述的一種激光輔助清除基體表面納米顆粒的方法和裝置，其特征在于所述發射脈沖激光為多次發射，發射次數根據監測裝置反饋的基體表面顆粒清除情況而定。本發明具有以下優勢
(I)本發明基于脈沖激光的聚焦擊穿空氣形成急劇膨脹的等離子體效應，通過等離子體迅速壓縮周圍空氣產生的非接觸力實現對基體表面納米顆粒的清除，避免了常規操作對基體造成的損傷、腐蝕及污染問題，尤其可以在避免污染及損傷前提下有效實現100 nm及更小尺寸納米顆粒的清除，是一種全新的納米顆粒清除方法。(2)本發明所用激光脈寬為5 10 ns，因此清除過程具有超快的特點，可以實現納米顆粒與基體瞬間分離，基體表面納米顆粒被瞬間清除，力或力矩作用時間極短僅為60-120 nso(3)由于本發明激光只是在凸透鏡焦點處聚焦形成等離子體，等離子體中心(焦點)距基體表面仍有距離1-2 mm，激光不會直接照射到基體表面且產生的高溫不會影響到基體、對基體產生燒蝕。(4)本發明還可根據需要，通過計算機控制來調節激光脈沖能量、脈沖激光發射次數，便于根據基體表面納米顆粒清除情況來調節和控制。綜上所述，本發明把激光的聚焦擊穿空氣形成急劇膨脹的等離子體效應應用于納米顆粒的清除，可避免清除過程對基體的污染、腐蝕及損壞，同時可實現納米顆粒的快速清除，清除過程的作用力便于調節，在納米顆粒清除領域有廣闊的應用前景。


圖1是激光輔助清除納米顆粒裝置；
(I)計算機控制裝置，(2) Nd=YAG脈沖激光器，(3)激光束，(4)凸透鏡，(5)等離子體，(6)納米顆粒，(7)基體，(8)三軸微動控制平臺，(9)監測裝置；
圖2 (a)是激光清除前硅晶片附著二氧化鈰顆粒(直徑60 nm)的表面，(b)是激光清除后硅晶片表面，圖中虛線為未激光清除區域和已激光清除區域的分界線；
圖3(a)是激光清除前硅晶片附著二氧化鈰顆粒(直徑30— 400 nm)的表面，(b)是激光清除后硅晶片表面，圖中虛線為未激光清除區域和已激光清除區域的分界線。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明提出的基體的裝置的細節和工作情況。用本發明進行激光輔助清除納米顆粒裝置包括計算機控制裝置l、Nd :YAG脈沖激光器2、凸透鏡4、三軸微動控制平臺8、監測裝置9 ;凸透鏡4用來使脈沖激光束3聚焦于焦點使空氣電介擊穿產生急劇膨脹的等離子體5 ;凸透鏡4的表面可同時覆有減反射涂層，該涂層有助于凸透鏡聚集激光束3能量；計算機控制裝置I控制Nd =YAG脈沖激光器2和三軸微動控制平臺8，通過控制三軸微動控制平臺8控制基體7移動，按區域分片清除基體表面納米顆粒6，直到整個基體7目標表面區域納米顆粒6清除完成。監測裝置9用來監測納米顆粒6的數量和大小、基體7上表面與等離子體5的相對位置、基體7上表面與凸透鏡4焦點的垂直距離、等離子體5急劇膨脹形成的強沖擊波陣面到達基體表面的壓力值，作為用來控制三軸微動控制平臺8和調節Nd =YAG脈沖激光器2的工藝參數的依據；監測裝置9測得數據反饋至計算機控制裝置I。首先將需要顆粒清除的基體7固定于三軸微動控制平臺8，然后通過計算機控制裝置I控制三軸微動控制平臺8進行平動，使基體7上表面位于即將產生的等離子體5的正下方，再通過計算機控制裝置I控制三軸微動控制平臺8進行垂直微動，使基體7上表面與凸透鏡4焦點的垂直距離為1-2 mm ;按照基體7表面清除區域要求，通過計算機控制裝置I編程生成清除軌跡并確定激光工藝參數；發射短脈沖激光束3，激光束3穿過凸透鏡4在凸透鏡4的焦點聚焦使焦點處能量密度及局部溫度急劇上升，從而導致凸透鏡4焦點處空氣介電擊穿形成快速膨脹的等離子體5，等離子體5使周圍空氣被壓縮而成為強沖擊波陣面，沖擊波陣面直接作用于基體7表面使納米顆粒6受到力或滾動力矩的作用從而克服納米顆粒6與基體間7的粘合力與基體7分離,實現基體7表面納米顆粒6的清除。計算機控制裝置I根據監測裝置9反饋回來的數據，并行控制Nd =YAG脈沖激光器2和三軸微動控制平臺8，確保基體7上表面位于等離子體5的正下方、基體7上表面與凸透鏡4焦點的垂直距離為1-2 mm。制:￥46脈沖激光器2發出能量在150 450 mj、波長為1064 nm、重復頻率為10 Hz、脈寬為5 10 ns的脈沖激光束3，激光束3穿過凸透鏡4在凸透鏡4的聚焦作用下使焦點處能量密度及局部溫度急劇上升，從而導致凸透鏡4焦點處空氣介電擊穿形成快速膨脹的等離子體5，等離子體5使周圍空氣被壓縮而成為強沖擊波陣面，沖擊波陣面直接作用于基體7表面使納米顆粒6受到力或滾動力矩的作用從而克服納米顆粒6與基體間7的粘合力與基體7分離，實現基體7表面納米顆粒6的清除。監測裝置9用來監測納米顆粒6的數量和大小、基體7上表面與等離子體5的相對位置、基體7上表面與凸透鏡4焦點的垂直距離、等離子體5急劇膨脹形成的強沖擊波陣面到達基體表面的壓力值，作為用來控制三軸微動 控制平臺8和調節Nd =YAG脈沖激光器2的工藝參數的依據。計算機控制裝置I控制三軸微動控制平臺8移動，按區域分片清除基體7表面納米顆粒6直到整個基體7表面區域納米顆粒清除完成。實施實例
以下為激光輔助清除基體表面納米顆粒的實例，采用Thales激光器對硅晶片表面二氧化鈰顆粒(直徑60 nm)進行清除，硅晶片上表面到凸透鏡焦點的垂直距離為1.5 mm，激光(能量370 mj、波長1064 nm、重復頻率10 Hz、脈寬為5 ns)聚焦形成等離子體膨脹清除了硅晶片基體表面納米顆粒；圖2(a)是激光清除前硅晶片附著二氧化鈰顆粒(直徑60nm)的表面，(b)是激光清除后硅晶片表面，圖中虛線為未激光清除區域和已激光清除區域的分界線；從圖中我們可以看出激光輻射以后，硅晶片表面二氧化鈰顆粒(直徑60 nm)被有效的清除，硅晶片表面潔凈無污潰且無損傷；圖3(a)是激光清除前硅晶片附著二氧化鈰顆粒(直徑30-400 nm)的表面，(b)是激光清除后硅晶片表面，圖中虛線為未激光清除區域和已激光清除區域的分界線，從圖中我們可以看出激光輻射以后，硅晶片表面二氧化鈰顆粒(直徑30-400 nm)被有效的清除，硅晶片表面潔凈無污潰且無損傷。
權利要求
1.一種激光輔助清除基體表面納米顆粒清除的方法，其特征在于包括以下步驟(1)將需進行顆粒清除的基體固定在三軸微動控制平臺上；(2)調節三軸微動控制平臺垂直移動使基體上表面到凸透鏡焦點的垂直距離為1-2mm ;調節三軸微動控制平臺左右前后移動使基體表面位于即將產生的等離子體的(即激光束聚焦位置)正下方；(3)發射脈沖激光束穿透凸透鏡于透鏡焦點聚焦，焦點處空氣被介電擊穿形成急劇膨脹的等離子體使周圍空氣被迅速壓縮而成為強沖擊波陣面，強沖擊波陣面直接作用于基體表面使納米顆粒受到力或滾動力矩的作用與基體分離。
2.如權利要求1所述的一種激光輔助清除基體表面納米顆粒清除的方法，其特征在于所述基體包括硅晶片和光刻掩模基體。
3.如權利要求1所述的一種激光輔助清除基體表面納米顆粒的方法，其特征在于所述脈沖激光束為Nd :YAG脈沖激光，脈寬1064 nm，脈沖能量150 45 OmJ，重復頻率10 Hz,脈寬5 10ns。
4.如權利要求1所述的一種激光輔助清除基體表面納米顆粒的方法，其特征在于所述凸透鏡焦距為100 _。
全文摘要
本發明涉及一種激光輔助清除硅晶片等基體表面納米顆粒的方法和裝置，特指一種利用激光聚焦將空氣介電擊穿形成急劇膨脹的等離子體，等離子體周圍空氣被快速壓縮成為較強的沖擊波陣面而直接作用于基體表面使納米顆粒受到力或滾動力矩的作用與晶片或光掩模等基體分離的方法和裝置，該方法和裝置尤其適用于去除基體表面100nm及更小尺寸的顆粒。
文檔編號B23K26/36GK102989720SQ20121039128
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月16日 優先權日2012年10月16日
發明者魯金忠, 羅開玉, 鐘金杉, 羅密, 齊晗, 劉娟, 王志龍 申請人:江蘇大學