基于電子動態(tài)調控的晶硅表面飛秒激光選擇性燒蝕方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于電子動態(tài)調控的晶硅表面飛秒激光選擇性燒蝕方法，屬于飛秒激光應用【技術領域】。本方法綜合激光偏振參數(shù)與晶硅材料的晶格性質，通過有效調節(jié)飛秒激光線或者橢圓偏振與單晶硅的夾角，調控材料表面瞬時電子激發(fā)動態(tài)來控制晶硅表面周期性波紋微納結構選擇性誘導產生，能高效精確的按照預先的設計實現(xiàn)晶硅表面周期性波紋微納結構的誘導產生。本發(fā)明從靜態(tài)激光輻照及激光直寫兩方面對具有金剛石晶格結構的硅表面周期性波紋微納結構進行選擇性燒蝕控制，大大提高了其表面處理的加工精度及加工效率，在信息存儲等方面具有至關重要的應用價值。
【專利說明】基于電子動態(tài)調控的晶硅表面飛秒激光選擇性燒蝕方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于電子動態(tài)調控的晶硅表面飛秒激光選擇性燒蝕方法，屬于飛秒激光應用【技術領域】。
【背景技術】
[0002]單晶硅表面微納結構是半導體和晶體硅太陽能領域研究中的一個重點，原因是單晶硅表面的微納結構與晶體光電性能密切相關。因而有效地調節(jié)硅表面微納結構成為一個研究的重點。隨著鎖模及放大技術的出現(xiàn)，飛秒激光技術得到了飛速發(fā)展。飛秒激光加工與傳統(tǒng)的長脈沖激光加工相比，具有不可比擬的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在極高的峰值功率和較小的損傷閾值，加工熱影響區(qū)小，三維超高精度。由于飛秒激光脈沖寬度極短抑制了熱擴散過程，所以飛秒激光可以在不對亞表面層產生顯著影響的情況下改變表面形貌和結構，通過控制加工參數(shù)等就可以獲得獨特的材料表面結構。
[0003]材料的表面形貌大大地影響著其光學、潤濕、化學、生物等特性，半導體單晶硅經飛秒激光輻照后可誘導產生不同形態(tài)的表面微/納結構，如表面波紋結構，微凸起結構等，改變了其表面材料的光學、電子學等性質，可廣泛應用于光子學、光電子學、熱輻射源和生物光學器件中。由于飛秒激光與物質的相互作用過程不同于傳統(tǒng)的制造方法，極其復雜使得對于晶硅表面周期性波紋微納結構誘導的精確控制制約了其實際的應用。因而對晶硅表面波紋微納結構的精確高效誘導對于其實際應用至關重要，對于飛秒激光誘導晶硅表面周期性波紋微納結構的控制研究具有重大意義。然而對于這種表面周期性微納結構的高效精確控制上的難題仍然制約著其廣泛的應用。偏振態(tài)是影響激光與物質相互作用的一個重要參數(shù)之一，尤其是材料在飛秒激光作用下所誘導產生的表面周期性波紋微納結構形態(tài)。如在文獻“Revealing localfieldstructureoffocusedultrashortpulses，，中 Hnatovsky 等人通過飛秒激光偏振態(tài)整形實現(xiàn)了各種走向的表面波紋結構的生成。但對這種飛秒激光誘導材料表面周期性波紋微納結構產生的研究其主要聚焦于激光本身性質一偏振態(tài)，而未考慮材料本身的性質。作為影響材料的特性之一，其晶格結構也是影響飛秒激光誘導材料表面周期性波紋微納結構產生的重要參數(shù)之一，因而將激光偏振態(tài)與材料的晶格特性綜合考慮來實現(xiàn)對表面周期性波紋微納結構的精確高效燒蝕控制對于其廣泛應用具有至關重要作用。通過對激光偏振態(tài)的調控改變材料特定局部區(qū)域的電子激發(fā)密度，從而影響其燒蝕特性，為調制表面微納結構的誘導產生提供了可能。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是為解決綜合考慮晶格結構來實現(xiàn)對表面周期性波紋微納結構的精確高效燒蝕控制問題，提供一種于電子動態(tài)調控的晶硅表面飛秒激光選擇性燒蝕的方法。
[0005]本方法基于局部瞬時電子激發(fā)動態(tài)調制，綜合飛秒激光線或者橢圓偏振與單晶硅
(100)的晶格特性，通過有效調節(jié)飛秒激光線或者橢圓偏振與單晶硅的夾角，實現(xiàn)選擇性誘導晶硅表面周期性波紋微納結構燒蝕加工。具體實施方法通過偏振飛秒激光調控晶硅材料激發(fā)瞬時局部電子密度，進而調控光子與電子之間的能量耦合，實現(xiàn)高效精確的選擇性燒蝕加工。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術來實現(xiàn)的:
[0007]步驟一，調節(jié)激光能量:利用半波片-偏振片組合調節(jié)激光能量使之大于被加工樣品材料的燒蝕閾值，且激光能量能夠連續(xù)調節(jié)。
[0008]步驟二，調節(jié)飛秒激光脈沖偏振方向與晶軸方向的夾角。
[0009]線偏振與橢圓偏振均可達到周期性波紋微納結構的加工，在線偏振條件下產生的周期性波紋微納結構條紋規(guī)則性好，在橢圓偏振條件產生的波紋結構根據(jù)材料和振幅比的不同而不同，能滿足不同加工要求；如橢圓偏振作用于電解質氟化鈣材料表面產生的表面周期性波紋結構為斷續(xù)的波紋鏈條。
[0010]若選擇線偏振進行加工，則利用半波片調節(jié)飛秒激光脈沖的線偏振方向與晶軸方向夾角α ;若選擇橢圓偏振進行加工，則利用四分之一波片與半波片的組合調節(jié)橢圓主軸方向與晶軸方向夾角β，在調節(jié)過程中保持橢圓的振幅比不變。
[0011]步驟三，利用消色差雙膠合平凸透鏡將飛秒激光聚焦到被加工樣品表面，被加工樣品固定在6維移動平臺上。
[0012]步驟四，尋找飛秒激光脈沖的加工規(guī)律。具體方法為:
[0013]在靜態(tài)條件下 ，即加工過程中激光脈沖單點入射，與加工樣本無相對移動:保持步驟一確定的能量大小，作用在被燒蝕材料上的飛秒激光脈沖數(shù)通過設定飛秒激光脈沖頻率與機械開關開啟時間控制在一個固定值；然后在0≤α ≤90°或者0≤β ≤90°范圍內(從0°開始到90°結束)，按設定角度間隔連續(xù)改變輻照到晶硅表面的線/橢圓偏振飛秒激光的角度(線偏振時為α，橢圓偏振時為β );根據(jù)材料在多個脈沖作用下、能量在燒蝕閾值以上能自組裝產生表面周期性波紋微納波紋結構的理論，能在晶硅表面燒蝕出類余弦曲線分布的選擇性周期性波紋微納結構。
[0014]所述靜態(tài)條件下的類余弦曲線分布的特征為:曲線最低點為燒蝕抑制點，頂點為燒蝕最強點，最低點到最高點燒蝕強度遞增。每個燒蝕強度值對應一個激光脈沖夾角值(α或者β的值)。
[0015]在動態(tài)條件下，即加工方式為激光直寫，激光脈沖與加工樣本相對移動:設定脈沖頻率、移動平臺與激光焦點的相對速度(在1-2000 μ m/s范圍內)，并在加工過程中保持脈沖頻率，激光脈沖與晶軸方向以不同的夾角(Y )勻速運動；激光直寫過程中通過半波片調節(jié)線偏振激光方向始終平行于激光直寫方向以排除激光偏振的影響作用；在0≤ y ≤90°范圍內(從0°開始到90°結束)，按設定角度間隔連續(xù)改變Y，能在晶硅表面直寫加工出連續(xù)度呈類余弦曲線分布的表面周期性波紋微納波紋鏈結構。
[0016]所述動態(tài)條件下的類余弦曲線分布的特征為:曲線最低點為連續(xù)度最低點，最高點為連續(xù)度最高點，最低點到最高點連續(xù)度遞增。每個連續(xù)度對應一個Y的值，最高點對應0°或者90°。
[0017]步驟五，按照步驟四找到的靜態(tài)和動態(tài)下的類余弦曲線分布加工規(guī)律，結合實際加工要求(脈沖能量、脈沖個數(shù)、脈沖頻率及速度)，選擇加工所需夾角(α或者β或者y )，進行加工。[0018]有益效果
[0019]本發(fā)明提出了一種基于局部瞬時電子動態(tài)調控方法，綜合激光偏振參數(shù)與晶硅材料的晶格性質通過調控材料表面瞬時電子激發(fā)動態(tài)來控制晶硅表面周期性波紋微納結構選擇性誘導產生，可高效精確的按照預先的設計實現(xiàn)晶硅表面周期性波紋微納結構的誘導產生。本發(fā)明從靜態(tài)激光輻照及激光直寫兩方面對具有金剛石晶格結構的(100)硅表面周期性波紋微納結構進行選擇性燒蝕控制，大大提高了其表面處理的加工精度及加工效率，在信息存儲等方面具有至關重要的應用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為具體實施例中，飛秒激光誘導晶硅表面周期性波紋微納結構選擇性燒蝕加工光路圖:
[0021]圖2為具體實施例中線偏振激光直寫選擇性誘導晶硅表面周期性波紋微納結構控制加工不意圖:
[0022]標號說明:1-飛秒激光器；2_第一半波片；3_偏振片；4_第二半波片；5_反射鏡；6-四分之一波片；7_機械開關；8_ 二向色鏡；9_分束鏡；10_照明白光源；11_聚焦透鏡；12-成像(XD ; 13-消色差雙膠合平凸透鏡；14_樣本；15_六維移動平臺。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖以及實施例對本發(fā)明做進一步的介紹。
[0024]本實施方式中，調控飛秒激光誘導晶硅表面周期性波紋微納結構選擇性燒蝕的加工方法，具體加工光路如圖1所示。其加工光路為飛秒激光器1產生飛秒激光脈沖，飛秒激光脈沖經過第一半波片2、偏振片3、第二半波片4之后，被第一反射鏡5反射后經過四分之一波片6、機械開關7，被第二反射鏡8反射后經過消色差雙膠合平凸透鏡13后聚焦到樣本14表面，待加工樣本14固定在六維移動平臺15上；照明白光源10經過分束鏡9、二向色鏡
8、消色差雙膠合平凸透鏡13后照射到樣本14后反射光經消色差雙膠合平凸透鏡13、二向色鏡8，被分束鏡反射后經聚焦透鏡11后入射到成像(XD中。
[0025]實驗過程中采用的飛秒激光器參數(shù)如下:中心波長為800nm，脈沖寬度為50fs，重復頻率為1kHz,線偏振；實驗中待加工樣品為具有金剛石晶格結構的(100)娃，其[011]晶軸方向平行于X軸方向。
[0026]上述系統(tǒng)的加工方式如下:
[0027]調整光路，確保激光入射方向與所加工樣本表面垂直；
[0028](一)基于飛秒激光線偏振方向與晶軸方向夾角控制的選擇性燒蝕調控方法:
[0029](1)在光路中加入半波片，調節(jié)半波片光軸方向與晶軸方向夾角得到不同激光偏振方向與晶軸方向夾角的線偏振飛秒激光脈沖。
[0030](2)打開機械開關Shutter，借助成像(XD，通過消色差雙膠合平凸透鏡把激光聚焦到材料表面；
[0031](3)調整激光入射頻率并控制機械開關Shutter開啟時間，激光脈沖以設定的脈沖數(shù)作用到樣本表面；
[0032](4)在不同夾角α的線偏振飛秒激光作用下，在晶硅樣本表面選擇性燒蝕出周期性微/納結構；
[0033](5)重復(3)、(4)過程，調整不同的入射脈沖數(shù)，在樣本加工出不同燒蝕程度的選擇性燒蝕表面周期性波紋微納結構。
[0034](二)基于不同振幅比橢圓偏振激光主軸方向與晶軸方向夾角控制的選擇性燒蝕調控方法:
[0035](1)在光路中加入四分之一波片，將線偏振激光調節(jié)為橢圓偏振激光，綜合調節(jié)半波片與四分之一波片實現(xiàn)相同振幅比條件下橢圓主軸方向與晶軸方向夾角β的變化，具體為通過四分之一波片設定橢圓偏振的振幅比，在通過半波片調節(jié)調節(jié)橢圓偏振主軸方向的變化角度β為保證振幅比不變四分之一波片需旋轉2β角；
[0036](2)重復(一)中(2)、(3)過程，在不同夾角β的橢圓偏振飛秒激光作用下，在單晶硅樣本表面選擇性燒蝕出周期性波紋微納結構。
[0037](三)控制飛秒激光直寫方向與晶軸方向夾角調控線偏振激光掃描微/納結構的選擇性燒蝕產生:
[0038](1)重復(一)中(2)過程;
[0039](2)設置激光入射頻率并編程控制移動平臺速度以控制入射到樣本表面單位面積上的脈沖數(shù)；
[0040](3)編程控制激光直寫方向與晶軸方向(X軸)夾角(Υ)，同時通過調節(jié)光路中的半波片以控制激光偏振方向始終平行于激光直寫方向，隨著Υ角的變化在樣本表面選擇性誘導出垂直于激光偏振方向的鏈狀波紋微納結構。
[0041]上述飛秒激光系統(tǒng)采用的是美國光譜物理(SpectrumPhysics)公司生產的激光器，激光波長800nm，脈沖寬度5`0fs，重復頻率ΙΚΗζ，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。
[0042]試驗樣本為具有金剛石晶格結構的(100)單晶硅。線偏振激光直寫選擇性誘導晶硅表面周期性波紋微納結構控制加工如圖2所示。雙箭頭表示激光偏振方向，0°，40°，60° ,90°為激光偏振方向與晶軸方向夾角，單箭頭ν表7^激光直寫方向。
[0043](1)在0.2J/cm2的能量密度下，脈沖作用個數(shù)從100以50為間隔增大到500，調節(jié)線偏振方向與晶軸方向夾角(α)從0°到90° (10°為一個間隔)變化，通過對輻照表面區(qū)域特定方向上的局部瞬時電子動態(tài)的激發(fā)特性進行調控，使得單晶硅在單點飛秒激光脈沖作用下得到特定α角條件下的選擇性表面周期性波紋微納結構燒蝕產生，從0°到90°呈現(xiàn)出類余弦曲線的燒蝕程度(表面周期性波紋微納結構的面積)變化規(guī)律。
[0044](2)根據(jù)電子動態(tài)調控理論依據(jù)，采用不同振幅比的橢圓偏振飛秒激光對材料的局部電子動態(tài)進行調控來控制晶硅表面周期性波紋微納結構形態(tài)及燒蝕特性。在0.25J/cm2的能量密度下，脈沖作用個數(shù)從100以50為間隔增大到500，通過四分之一波片將線偏振激光變換為不同振幅比的橢圓偏振激光，進一步通過半波片的綜合調節(jié)實現(xiàn)橢圓主軸方向與晶軸方向夾角β從0。到90° (10°為一個間隔)變化，單晶硅在單點橢圓偏振飛秒激光脈沖作用下得到特定β角條件下的選擇性表面周期性波紋微納結構燒蝕產生。
[0045](3)基于上述(1)單點線偏振飛秒激光對晶硅表面周期性波紋微納結構的選擇性燒蝕調控，將其應用于飛秒激光直寫技術。通過線偏振態(tài)的飛秒激光在特定晶格方向上的電子激發(fā)動態(tài)調節(jié)實現(xiàn)表面周期性波紋微納結構的選擇性直寫燒蝕產生。具體為在0.2J/cm2的能量密度，脈沖重復頻率200Hz，激光直寫速度200 μ m/s條件下，保持線偏振激光方向與激光直寫方向平行，程序控制激光直寫方向(即線偏振方向)與晶軸方向夾角(Y )從0°到90°變化(10°為一個間隔)，在晶硅表面選擇性誘導產生周期性表面微/納結構，且呈現(xiàn)出不同的連貫性，當Y為0°及90°得到最均勻，燒蝕程度最深的表面周期性波紋微納結構，當、為45°時樣本表面未產生燒蝕。當Y從0°變化到90°的過程中其燒蝕程度及連貫性呈現(xiàn)出類余弦曲線的變化規(guī)律。
【權利要求】
1.基于電子動態(tài)調控的晶硅表面飛秒激光選擇性燒蝕方法，其特征在于:包括如下步驟:步驟一，調節(jié)激光能量使之大于被加工樣品材料的燒蝕閾值，且激光能量能夠連續(xù)調節(jié);步驟二，調節(jié)飛秒激光脈沖偏振方向與晶軸方向的夾角；若選擇線偏振進行加工，則利用半波片調節(jié)飛秒激光脈沖的線偏振方向與晶軸方向夾角α ;若選擇橢圓偏振進行加工，則利用四分之一波片與半波片的組合調節(jié)橢圓主軸方向與晶軸方向夾角β，在調節(jié)過程中保持橢圓的振幅比不變；步驟三，將飛秒激光聚焦到被加工樣品表面，被加工樣品固定在6維移動平臺上；步驟四，尋找飛秒激光脈沖的加工規(guī)律；具體方法為:在靜態(tài)條件下，即加工過程中激光脈沖單點入射，與加工樣本無相對移動:保持步驟一確定的能量大小，作用在被燒蝕材料上的飛秒激光脈沖數(shù)通過設定飛秒激光脈沖頻率與機械開關開啟時間控制在一個固定值；然后在0≤α≤90°或者0≤β≤90°范圍內，按設定角度間隔連續(xù)改變輻照到晶硅表面的線/橢圓偏振飛秒激光的角度α或者β ;從而在晶硅表面燒蝕出類余弦曲線分布的選擇性周期性波紋微納結構；所述靜態(tài)條件下的類余弦曲線分布的特征為:曲線最低點為燒蝕抑制點，頂點為燒蝕最強點，最低點到最高點燒蝕強度遞增；每個燒蝕強度值對應一個激光脈沖夾角值；在動態(tài)條件下，即加工方式為激光直寫，激光脈沖與加工樣本相對移動:設定脈沖頻率、移動平臺與激光焦點的相對速度，并在加工過程中保持脈沖頻率，激光脈沖與晶軸方向以不同的夾角Y勻速運動；激光直寫過程中線偏振激光方向始終平行于激光直寫方向；在Y<90°范圍內，按設定角度間隔連續(xù)改變Y，能在晶硅表面直寫加工出連續(xù)度呈類余弦曲線分布的表面周期性波紋微納波紋鏈結構；所述動態(tài)條件下的類余弦曲線分布的特征為:曲線最低點為連續(xù)度最低點，最高點為連續(xù)度最高點，最低點到最高點連續(xù)度遞增；每個連續(xù)度對應一個Y的值，最高點對應0°或者90° ;步驟五，按照步驟四找到的靜態(tài)和動態(tài)下的類余弦曲線分布加工規(guī)律，結合實際加工要求，選擇加工所需夾角進行加工。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于電子動態(tài)調控的晶硅表面飛秒激光選擇性燒蝕方法，其特征在于:激光能量調節(jié)通過半波片-偏振片組合實現(xiàn)。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于電子動態(tài)調控的晶硅表面飛秒激光選擇性燒蝕方法，其特征在于:在線偏振條件下產生的周期性波紋微納結構條紋規(guī)則性好，在橢圓偏振條件產生的波紋結構根據(jù)材料和振幅比的不同而不同，能滿足不同加工要求。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于電子動態(tài)調控的晶硅表面飛秒激光選擇性燒蝕方法，其特征在于:移動平臺與激光焦點的相對速度在1-2000 μ m/s范圍內。
【文檔編號】B23K26/064GK103658993SQ201310677091
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權日:2013年12月11日
【發(fā)明者】姜瀾, 韓偉娜, 李曉煒 申請人:北京理工大學