專(zhuān)利名稱(chēng)：基于飛秒激光在硅表面制備功能微納米材料的制備裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于飛秒激光硅表面功能微納米材料制備裝置和方法，屬于硅基半導(dǎo)體光電材料技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用領(lǐng)域包括太陽(yáng)能電池、探測(cè)器、場(chǎng)致發(fā)射器等光電子行業(yè)。
背景技術(shù)：
目前價(jià)格廉價(jià)的硅材料廣泛地用于半導(dǎo)體微電子的基質(zhì)，從電腦芯片到光探測(cè)儀，硅材料開(kāi)拓了許多商業(yè)應(yīng)用。但是由于硅材料本身禁帶寬度(1.07eV)的限制，從根本上限制了其對(duì)紅外(> 1. Iym)波段吸收和光電轉(zhuǎn)化的能力。1997年，哈佛大學(xué)Mazur 教授研究組在飛秒激光(IOOfs)與物質(zhì)相互作用研究的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)利用飛秒激光在一定氣體環(huán)境下照射硅片可在硅表面激光輻照區(qū)產(chǎn)生微米量級(jí)的尖峰結(jié)構(gòu)。[Appl. Phys. Lett. 73，1673-1675(1998)]。具有這種表面微納米微觀結(jié)構(gòu)的硅材料具有奇特的光電性質(zhì)，對(duì)200nm 2500nm波長(zhǎng)的光具有很高的吸收。不過(guò)制備掃描速度僅為0. 2 0. 3mm/s。 [J. Appl. Phys. 93，2626-2628 (2003)]，制約了其制備效率。本發(fā)明所提供的制備技術(shù)其掃描速度可達(dá)4mm/s，與傳統(tǒng)掃描速度相比提高了近 20倍。而且飛秒激光脈沖寬度小于50fs，在此條件下得到的高峰值功率可使得加工時(shí)造成的熱損傷進(jìn)一步降低。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有的硅材料吸收率受本身禁帶寬度限制的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用基于飛秒激光硅表面功能微納米材料制備裝置和方法，可對(duì)普通硅材料表面進(jìn)行高效率加工，進(jìn)而得到表面具有微納米結(jié)構(gòu)且具有高吸收率的新型硅材料。本發(fā)明提出了一種基于飛秒激光硅表面功能微納米材料的制備裝置，包括激光器 1、衰減片2、第一分束鏡3、能量計(jì)4、聚焦鏡5、第二分束鏡6、(XD7、真空靶室8、三維電動(dòng)平移臺(tái)9、電腦主機(jī)10和顯示器11 ；其中激光器1在其輸出光束的光軸上依次與衰減片2、第一分束鏡3、聚焦鏡5、第二分束鏡6、真空靶室8、三維電動(dòng)平移臺(tái)9連接。第二分束鏡3與能量計(jì)4連接；聚焦鏡5與(XD7連接；(XD7與電腦主機(jī)10連接； 三維電動(dòng)平移臺(tái)9與電腦主機(jī)10連接；電腦主機(jī)10與顯示器11連接。激光器1為飛秒激光器，其脈寬為50fs，中心波長(zhǎng)為800nm，重復(fù)頻率為IkHz衰減片2為吸收濾波片或反射衰減片；第一分束鏡3和第二分束鏡6均分固定分光比例的分束鏡，第一分束鏡3分束比例為χ (100-x)，反射比例X，透射比例為 (100-x)，χ的取值范圍為1 10，反射光束能量由能量計(jì)4測(cè)得；第二分束鏡6分束比例為 Y (100-y)，反射比例為y，透射比例(100-y)，y的取值范圍為1 3，其反射光束由(XD7 監(jiān)測(cè)聚焦光斑大小。(XD7為面陣成像CXD ；三維電動(dòng)平移臺(tái)9為可計(jì)算機(jī)編程控制的三維電動(dòng)平移臺(tái)。 第二分束鏡6與(XD7之間的距離等于第二分束鏡6與三維電動(dòng)平移臺(tái)9的距離。
電腦主機(jī)10內(nèi)裝有(XD7的圖像測(cè)量軟件和三維電動(dòng)平移臺(tái)9的編程控制軟件。 根據(jù)不同需求輸入相應(yīng)調(diào)制參數(shù)，控制三維電動(dòng)平移臺(tái)9移動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而帶動(dòng)硅片，實(shí)現(xiàn)飛秒激光在硅表面上的微納制備?；陲w秒激光硅表面功能微納米材料的制備裝置和方法如下步驟1 將硅片安裝在三維電動(dòng)平移臺(tái)的載物架上；步驟2 真空靶室排出空氣后充入刻蝕氣體；步驟3 將激光聚焦引入真空室內(nèi)三維平移臺(tái)的靶面上；步驟4 通過(guò)電腦編程實(shí)現(xiàn)特定模式的光柵式掃描加工；步驟5 排氣且對(duì)廢氣進(jìn)行處理；步驟6:取出加工成品。上述步驟1中所述的硅片為單晶硅片，分別選取雙面不拋光、雙面拋光或單面拋光樣品，厚度ΙΟΟμ 500μ ，電阻率為0. 1Ω · cm 10 Ω · cm，單晶硅晶向?yàn)镾i (100)、 Si(Ill)或 Si (110)。上述步驟2中對(duì)真空室進(jìn)行排出空氣，最終抽得真空度范圍在10_3Pa 5 ；在排氣完成之后再對(duì)其充入刻蝕氣體，其氣壓范圍在IOkPa 80kPa，其中優(yōu)選80kPa。上述步驟3中激光能量由能量計(jì)4測(cè)得單脈沖能量I，由第一分束鏡3分束比例 χ (100-x)換算成飛秒激光單脈沖能量(100-x) 1/100，再由裝在電腦主機(jī)10上(XD7的圖像測(cè)量軟件測(cè)量聚焦光斑面積S，所以能量密度為P = (100-x) I/100S。上述步驟4中光柵式掃描特征為三維電動(dòng)平移臺(tái)由聚焦光斑位置水平掃描距離a 后縱向移動(dòng)一定距離d，然后反向繼續(xù)水平掃描相同的距離，縱向再移動(dòng)d的距離，此后以相同的方式進(jìn)行掃描加工。水平掃描速度為4mm/s，縱向移動(dòng)距離d為掃描間距，其可選定范圍在 0. 02mm 0. 04mm。脈寬50fs的激光光源，其發(fā)射的飛秒激光脈沖峰值功率是IOOfs的激光光源的2 倍，在加工過(guò)程中與硅片作用時(shí)間可縮短一倍，進(jìn)而減小了硅片的熱損傷，有利于硅表面進(jìn)行微納加工和摻雜。本發(fā)明應(yīng)用了 4mm/s的掃描速度，提高了微納制備硅材料的速率。


圖1是本發(fā)明基于飛秒激光硅表面功能微納米材料制備裝置的整體結(jié)構(gòu)框圖。圖2是利用本發(fā)明基于飛秒激光硅表面功能微納米材料制備裝置的方法制備的成品微觀形貌照片。圖3是本發(fā)明基于飛秒激光硅表面功能微納米材料制備裝置的方法中所提及光柵式掃描方式的示意圖。圖4是實(shí)施例1所得產(chǎn)品的微觀形貌。圖5是實(shí)施例2所得產(chǎn)品的微觀形貌。圖6是實(shí)施例3所得產(chǎn)品的微觀形貌。圖7是實(shí)施例4所得產(chǎn)品的微觀形貌。圖8是實(shí)施例5所得產(chǎn)品的微觀形貌。
圖9是實(shí)施例6所得產(chǎn)品的微觀形貌。
圖10是實(shí)施例7所得產(chǎn)品的微觀形貌。
圖11是實(shí)施例8所得產(chǎn)品的微觀形貌。圖12是實(shí)施例9所得產(chǎn)品的微觀形貌。圖13是實(shí)施例10所得產(chǎn)品的微觀形貌。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本發(fā)明的基于飛秒激光硅表面功能微納米材料的制備裝置和方法包括包括激光器1、衰減片2、第一分束鏡3、能量計(jì)4、聚焦鏡5、第二分束鏡6、(XD7、真空靶室8、三維電動(dòng)平移臺(tái)9、電腦主機(jī)10和顯示器11 ；其中激光器1在其輸出光束的光軸上依次連接有衰減片2、第一分束鏡3、聚焦鏡5、第二分束鏡6、真空靶室8、三維電動(dòng)平移臺(tái)9。第二分束鏡6與能量計(jì)4連接；聚焦鏡5與(XD7連接；(XD7與電腦主機(jī)10連接； 三維電動(dòng)平移臺(tái)9與電腦主機(jī)10連接；電腦主機(jī)10與顯示器11連接。激光器1為飛秒激光器，其脈寬為50fs，中心波長(zhǎng)為800nm，重復(fù)頻率為IkHz。衰減片2為吸收濾波片或反射衰減片；第一分束鏡3和第二分束鏡6均為固定比例的分束鏡，第一分束鏡3分束比例為χ (100-x)，反射比例X，透射比例為(100-x)，x的取值范圍為1 10，反射光束能量由能量計(jì)4測(cè)得；第二分束鏡6分束比例為y (100-y), 反射比例為y，透射比例(100-y)，y的取值范圍為1 3，其反射光束由(XD7監(jiān)測(cè)聚焦光斑大小。(XD7為面陣成像CXD ；三維電動(dòng)平移臺(tái)9為可計(jì)算機(jī)編程控制的三維電動(dòng)平移臺(tái)。 第二分束鏡6與(XD7之間的距離等于第二分束鏡6與三維電動(dòng)平移臺(tái)9的距離。電腦主機(jī)10內(nèi)裝有(XD7的圖像測(cè)量軟件和三維電動(dòng)平移臺(tái)9的編程控制軟件。 根據(jù)不同需求輸入相應(yīng)調(diào)制參數(shù)，控制三維電動(dòng)平移臺(tái)9移動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而帶動(dòng)硅片，實(shí)現(xiàn)飛秒激光在硅表面上的微納制備?；陲w秒激光硅表面功能微納米材料的制備裝置和方法的使用步驟如下步驟1 將硅片安裝在三維電動(dòng)平移臺(tái)的載物架上；步驟2 真空靶室排出空氣后充入刻蝕氣體；步驟3 將激光聚焦引入真空室內(nèi)三維平移臺(tái)的靶面上；步驟4 通過(guò)電腦編程實(shí)現(xiàn)特定模式的光柵式掃描加工；步驟5 排氣且對(duì)廢氣進(jìn)行處理；步驟6:取出加工成品。上述步驟1中所述硅片為單晶硅片，電阻率0. 1 Ω .cm 10 Ω ^m,晶向111，η型摻雜。上述步驟2中真空靶室排出空氣后真空度為5Pa，充入SF6刻蝕氣體氣壓為 80kPao上述步驟3中聚焦激光能量密度為P為0. 51J/cm2。上述步驟4中光柵式掃描特征為三維電動(dòng)平移臺(tái)放在聚焦光斑位置處，水平掃描距離a后縱向移動(dòng)一定距離d，然后反向繼續(xù)水平掃描相同的距離a，而后縱向再移動(dòng)上次縱向移動(dòng)的距離d，此后以相同的方式進(jìn)行掃描加工。通過(guò)電腦編程控制掃描速度4mm/s， 掃描間距d為0. 02mm。
實(shí)施例2
步驟2中充入SF6刻蝕氣體氣壓為IOkPa ；其余的同實(shí)施例1。
實(shí)施例3
步驟2中充入SF6刻蝕氣體氣壓為20kPa ；其余的同實(shí)施例1。
實(shí)施例4
步驟2中充入SF6刻蝕氣體氣壓為30kPa ；其余的同實(shí)施例1。
實(shí)施例5
步驟2中充入SF6刻蝕氣體氣壓為40kPa ；其余的同實(shí)施例1。
實(shí)施例6
步驟2中充入SF6刻蝕氣體氣壓為50kPa ；其余的同實(shí)施例1。
實(shí)施例7
步驟2中充入SF6刻蝕氣體氣壓為60kPa ；其余的同實(shí)施例1。
實(shí)施例8
步驟2中充入SF6刻蝕氣體氣壓為70kPa ；其余的同實(shí)施例1。
實(shí)施例9
步驟3中所提聚焦激光與樣品作用處的能量密度P為0. 31J/cm2 ；其余的同實(shí)施例1。
實(shí)施例10
步驟3中所提聚焦激光與樣品作用處的能量密度P為0. 38J/cm2 ；其余的同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種基于飛秒激光硅表面功能微納米材料的制備裝置，包括激光器(1)、衰減片 (2)、第一分束鏡(3)、能量計(jì)(4)、聚焦鏡(5)、第二分束鏡(6)、CCD (7)、真空靶室(8)、三維電動(dòng)平移臺(tái)(9)、電腦主機(jī)(10)和顯示器(11)，其中，激光器(1)在其輸出光束的光軸上依次連接至衰減片( 、第一分束鏡C3)、聚焦鏡( 、第二分束鏡(6)、真空靶室(8)、三維電動(dòng)平移臺(tái)(9)。其中，第二分束鏡(6)與能量計(jì)⑷連接；聚焦鏡(5)與CCD (7)連接；CCD (7)與電腦主機(jī)10連接；三維電動(dòng)平移臺(tái)(9)與電腦主機(jī)(10)連接；以及電腦主機(jī)(10)與顯示器(11) 連接，其中，衰減片( 為吸收濾波片或反射衰減片；第一分束鏡C3)和第二分束鏡(6)均為固定分光比例的分束鏡，第一分束鏡C3)分束比例為χ (100-x)，反射光束比例X，透射光束比例為(100-x)，χ的取值范圍為1 10，反射光束能量由能量計(jì)(4)測(cè)得；第二分束鏡 (6)分束比例為y (100-y)，反射比例為y，透射比例(100-y)，y的取值范圍為1 3，由 CCD(7)監(jiān)測(cè)第二束鏡(6)的反射光束的聚焦光斑大小，其中，CCD(7)為面陣成像CCD;三維電動(dòng)平移臺(tái)(9)為可計(jì)算機(jī)編程控制的三維電動(dòng)平移臺(tái)，第二分束鏡(6)與CCD(7)之間的距離等于第二分束鏡(6)與三維電動(dòng)平移臺(tái)(9) 的距離。其中，電腦主機(jī)(10)內(nèi)裝有CCD(7)的圖像測(cè)量軟件和三維電動(dòng)平移臺(tái)(9)的編程控制軟件，根據(jù)不同需求輸入相應(yīng)調(diào)制參數(shù)，控制三維電動(dòng)平移臺(tái)(9)的移動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而帶動(dòng)硅片，實(shí)現(xiàn)飛秒激光在硅表面上的微納制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備裝置，其中，激光器(1)為飛秒激光器，其脈寬為50fs， 中心波長(zhǎng)為800nm，重復(fù)頻率為IkHz。
3.一種基于飛秒激光硅表面功能微納米材料的制備方法，包括如下步驟步驟1 將硅片安裝在三維電動(dòng)平移臺(tái)的載物架上；步驟2 真空靶室排出空氣后充入刻蝕氣體；步驟3 將激光聚焦引入真空室內(nèi)三維平移臺(tái)的靶面上；步驟4 通過(guò)電腦編程實(shí)現(xiàn)特定模式的光柵式掃描加工；步驟5 排氣且對(duì)廢氣進(jìn)行處理；步驟6:取出加工成品。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其中，真空靶室排出空氣時(shí)，最終抽得真空度范圍為10_3Pa-5Pa，再充入刻蝕氣體，其氣壓范圍在10kPa_80kPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其中，所述步驟3中，激光單脈沖能量I由能量計(jì) (4)測(cè)得，由第一分束鏡(3)分束比例χ (100-x)換算成飛秒激光單脈沖能量(100-x) 1/100，再由裝在電腦主機(jī)(10)上CCD(7)的圖像測(cè)量軟件測(cè)量聚焦光斑面積S，從而能量密度為P= (100-x) I/100S，通過(guò)能量計(jì)(4)對(duì)加工所應(yīng)用的激光能量施行在線監(jiān)測(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其中，所述步驟4中，光柵式掃描通過(guò)電腦主機(jī) (10)編程控制，三維電動(dòng)平移臺(tái)放置在聚焦光斑位置上，水平掃描距離a后縱向移動(dòng)一定距離d，然后反向繼續(xù)水平掃描相同的距離，縱向再移動(dòng)d的距離，此后以相同的方式進(jìn)行掃描加工，其中，水平掃描速度為4mm/s，縱向移動(dòng)距離d為掃描間距，其可選定范圍在 0. 02mm 0. 04mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其中，所述步驟1中，所述硅片為單晶硅片，分別選取雙面不拋光、雙面拋光或單面拋光樣品，厚度100 μ m 500 μ m，電阻率為0. 1 Ω 10 Ω · cm，單晶硅晶向分別為 Si (100)、Si (111)或 Si (110)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于飛秒激光硅表面功能微納米材料的制備裝置和方法，利用本裝置制備時(shí)的掃描速度達(dá)到4mm/s，比傳統(tǒng)方法制備微納米材料時(shí)的掃描速度提高了20倍。同時(shí)，在制備過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了硅材料表面的過(guò)飽和摻雜和表面微納米結(jié)構(gòu)的制備，制備的微納米材料可對(duì)為200nm～2500nm波長(zhǎng)的光具有90％以上吸收，并且可得到表面無(wú)掃描痕跡的硅材料。本發(fā)明設(shè)計(jì)精巧、易于掌握，所制備材料可應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、探測(cè)器、場(chǎng)致發(fā)射器等光電子行業(yè)。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102500923SQ20111028081
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者林景全, 譚欣, 陶海巖 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)