CN102500923B - 基于飞秒激光在硅表面制备功能微纳米材料的制备装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料的制备装置和方法，利用本装置制备时的扫描速度达到4mm/s，比传统方法制备微纳米材料时的扫描速度提高了20倍。同时，在制备过程中实现了硅材料表面的过饱和掺杂和表面微纳米结构的制备，制备的微纳米材料可对为200nm～2500nm波长的光具有90％以上吸收，并且可得到表面无扫描痕迹的硅材料。本发明设计精巧、易于掌握，所制备材料可应用于太阳能电池、探测器、场致发射器等光电子行业。

Description

基于飞秒激光在硅表面制备功能微纳米材料的制备装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料制备装置和方法，属于硅基半导体光电材料技术领域，应用领域包括太阳能电池、探测器、场致发射器等光电子行业。

背景技术

目前价格廉价的硅材料广泛地用于半导体微电子的基质，从电脑芯片到光探测仪，硅材料开拓了许多商业应用。但是由于硅材料本身禁带宽度(1.07eV)的限制，从根本上限制了其对红外(＞1.1μm)波段吸收和光电转化的能力。1997年，哈佛大学Mazur教授研究组在飞秒激光(100fs)与物质相互作用研究的过程中，发现利用飞秒激光在一定气体环境下照射硅片可在硅表面激光辐照区产生微米量级的尖峰结构。[Appl.Phys.Lett.73，1673-1675(1998)]。具有这种表面微纳米微观结构的硅材料具有奇特的光电性质，对200nm～2500nm波长的光具有很高的吸收。不过制备扫描速度仅为0.2～0.3mm/s。[J.Appl.Phys.93，2626-2628(2003)]，制约了其制备效率。

本发明所提供的制备技术其扫描速度可达4mm/s，与传统扫描速度相比提高了近20倍。而且飞秒激光脉冲宽度小于50fs，在此条件下得到的高峰值功率可使得加工时造成的热损伤进一步降低。

发明内容

为解决现有的硅材料吸收率受本身禁带宽度限制的问题，本发明提供了一种用基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料制备装置和方法，可对普通硅材料表面进行高效率加工，进而得到表面具有微纳米结构且具有高吸收率的新型硅材料。

本发明提出了一种基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料的制备装置，包括激光器1、衰减片2、第一分束镜3、能量计4、聚焦镜5、第二分束镜6、CCD7、真空靶室8、三维电动平移台9、电脑主机10和显示器11；其中激光器1在其输出光束的光轴上依次与衰减片2、第一分束镜3、聚焦镜5、第二分束镜6、真空靶室8、三维电动平移台9连接。

第二分束镜3与能量计4连接；聚焦镜5与CCD7连接；CCD7与电脑主机10连接；三维电动平移台9与电脑主机10连接；电脑主机10与显示器11连接。

激光器1为飞秒激光器，其脉宽为50fs，中心波长为800nm，重复频率为1kHz

衰减片2为吸收滤波片或反射衰减片；第一分束镜3和第二分束镜6均分固定分光比例的分束镜，第一分束镜3分束比例为x∶(100-x)，反射比例x，透射比例为(100-x)，x的取值范围为1～10，反射光束能量由能量计4测得；第二分束镜6分束比例为y∶(100-y)，反射比例为y，透射比例(100-y)，y的取值范围为1～3，其反射光束由CCD7监测聚焦光斑大小。

CCD7为面阵成像CCD；三维电动平移台9为可计算机编程控制的三维电动平移台。第二分束镜6与CCD7之间的距离等于第二分束镜6与三维电动平移台9的距离。

电脑主机10内装有CCD7的图像测量软件和三维电动平移台9的编程控制软件。根据不同需求输入相应调制参数，控制三维电动平移台9移动状态，进而带动硅片，实现飞秒激光在硅表面上的微纳制备。

基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料的制备装置和方法如下：

步骤1：将硅片安装在三维电动平移台的载物架上；

步骤2：真空靶室排出空气后充入刻蚀气体；

步骤3：将激光聚焦引入真空室内三维平移台的靶面上；

步骤4：通过电脑编程实现特定模式的光栅式扫描加工；

步骤5：排气且对废气进行处理；

步骤6：取出加工成品。

上述步骤1中所述的硅片为单晶硅片，分别选取双面不抛光、双面抛光或单面抛光样品，厚度100μm～500μm，电阻率为0.1Ω·cm～10Ω·cm，单晶硅晶向为Si(100)、Si(111)或Si(110)。

上述步骤2中对真空室进行排出空气，最终抽得真空度范围在10^-3Pa～5Pa；在排气完成之后再对其充入刻蚀气体，其气压范围在10kPa～80kPa，其中优选80kPa。

上述步骤3中激光能量由能量计4测得单脉冲能量I，由第一分束镜3分束比例x∶(100-x)换算成飞秒激光单脉冲能量(100-x)I/100，再由装在电脑主机10上CCD7的图像测量软件测量聚焦光斑面积S，所以能量密度为P＝(100-x)I/100S。

上述步骤4中光栅式扫描特征为三维电动平移台由聚焦光斑位置水平扫描距离a后纵向移动一定距离d，然后反向继续水平扫描相同的距离，纵向再移动d的距离，此后以相同的方式进行扫描加工。水平扫描速度为4mm/s，纵向移动距离d为扫描间距，其可选定范围在0.02mm～0.04mm。

脉宽50fs的激光光源，其发射的飞秒激光脉冲峰值功率是100fs的激光光源的2倍，在加工过程中与硅片作用时间可缩短一倍，进而减小了硅片的热损伤，有利于硅表面进行微纳加工和掺杂。本发明应用了4mm/s的扫描速度，提高了微纳制备硅材料的速率。

附图说明

图1是本发明基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料制备装置的整体结构框图。

图2是利用本发明基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料制备装置的方法制备的成品微观形貌照片。

图3是本发明基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料制备装置的方法中所提及光栅式扫描方式的示意图。

图4是实施例1所得产品的微观形貌。

图5是实施例2所得产品的微观形貌。

图6是实施例3所得产品的微观形貌。

图7是实施例4所得产品的微观形貌。

图8是实施例5所得产品的微观形貌。

图9是实施例6所得产品的微观形貌。

图10是实施例7所得产品的微观形貌。

图11是实施例8所得产品的微观形貌。

图12是实施例9所得产品的微观形貌。

图13是实施例10所得产品的微观形貌。

具体实施方式

实施例1

本发明的基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料的制备装置和方法包括：包括激光器1、衰减片2、第一分束镜3、能量计4、聚焦镜5、第二分束镜6、CCD7、真空靶室8、三维电动平移台9、电脑主机10和显示器11；其中激光器1在其输出光束的光轴上依次连接有衰减片2、第一分束镜3、聚焦镜5、第二分束镜6、真空靶室8、三维电动平移台9。

第二分束镜6与能量计4连接；聚焦镜5与CCD7连接；CCD7与电脑主机10连接；三维电动平移台9与电脑主机10连接；电脑主机10与显示器11连接。

激光器1为飞秒激光器，其脉宽为50fs，中心波长为800nm，重复频率为1kHz。

衰减片2为吸收滤波片或反射衰减片；第一分束镜3和第二分束镜6均为固定比例的分束镜，第一分束镜3分束比例为x∶(100-x)，反射比例x，透射比例为(100-x)，x的取值范围为1～10，反射光束能量由能量计4测得；第二分束镜6分束比例为y∶(100-y)，反射比例为y，透射比例(100-y)，y的取值范围为1～3，其反射光束由CCD7监测聚焦光斑大小。

CCD7为面阵成像CCD；三维电动平移台9为可计算机编程控制的三维电动平移台。第二分束镜6与CCD7之间的距离等于第二分束镜6与三维电动平移台9的距离。

电脑主机10内装有CCD7的图像测量软件和三维电动平移台9的编程控制软件。根据不同需求输入相应调制参数，控制三维电动平移台9移动状态，进而带动硅片，实现飞秒激光在硅表面上的微纳制备。

基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料的制备装置和方法的使用步骤如下：

步骤1：将硅片安装在三维电动平移台的载物架上；

步骤2：真空靶室排出空气后充入刻蚀气体；

步骤3：将激光聚焦引入真空室内三维平移台的靶面上；

步骤4：通过电脑编程实现特定模式的光栅式扫描加工；

步骤5：排气且对废气进行处理；

步骤6：取出加工成品。

上述步骤1中所述硅片为单晶硅片，电阻率0.1Ω·cm～10Ω·cm，晶向111，n型掺杂。

上述步骤2中真空靶室排出空气后真空度为5Pa，充入SF6刻蚀气体气压为80kPa。

上述步骤3中聚焦激光能量密度为P为0.51J/cm2。

上述步骤4中光栅式扫描特征为三维电动平移台放在聚焦光斑位置处，水平扫描距离a后纵向移动一定距离d，然后反向继续水平扫描相同的距离a，而后纵向再移动上次纵向移动的距离d，此后以相同的方式进行扫描加工。通过电脑编程控制扫描速度4mm/s，扫描间距d为0.02mm。

实施例2

步骤2中充入SF₆刻蚀气体气压为10kPa；其余的同实施例1。

实施例3

步骤2中充入SF₆刻蚀气体气压为20kPa；其余的同实施例1。

实施例4

步骤2中充入SF₆刻蚀气体气压为30kPa；其余的同实施例1。

实施例5

步骤2中充入SF₆刻蚀气体气压为40kPa；其余的同实施例1。

实施例6

步骤2中充入SF₆刻蚀气体气压为50kPa；其余的同实施例1。

实施例7

步骤2中充入SF₆刻蚀气体气压为60kPa；其余的同实施例1。

实施例8

步骤2中充入SF₆刻蚀气体气压为70kPa；其余的同实施例1。

实施例9

步骤3中所提聚焦激光与样品作用处的能量密度P为0.31J/cm²；其余的同实施例1。

实施例10

步骤3中所提聚焦激光与样品作用处的能量密度P为0.38J/cm²；其余的同实施例1。

Claims (7)

1.一种基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料的制备装置，包括：激光器(1)、衰减片(2)、第一分束镜(3)、能量计(4)、聚焦镜(5)、第二分束镜(6)、CCD(7)、真空靶室(8)、三维电动平移台(9)、电脑主机(10)和显示器(11)，其中，激光器(1)在其输出光束的光轴上依次连接至衰减片(2)、第一分束镜(3)、聚焦镜(5)、第二分束镜(6)、真空靶室(8)、三维电动平移台(9)，

其中，第一分束镜(3)与能量计(4)连接；第二分束镜(6)与CCD(7)连接；CCD(7)与电脑主机(10)连接；三维电动平移台(9)与电脑主机(10)连接；以及电脑主机(10)与显示器(11)连接， 

其中，衰减片(2)为吸收滤波片或反射衰减片；第一分束镜(3)和第二分束镜(6)均为固定分光比例的分束镜，第一分束镜(3)分束比例为x∶(100-x)，反射光束比例x，透射光束比例为(100-x)，x的取值范围为1～10，反射光束能量由能量计(4)测得；第二分束镜(6)分束比例为y∶(100-y)，反射比例为y，透射比例(100-y)，y的取值范围为1～3，由CCD(7)监测第二分束镜(6)的反射光束的聚焦光斑大小， 

其中，CCD(7)为面阵成像CCD；三维电动平移台(9)为可计算机编程控制的三维电动平移台，第二分束镜(6)与CCD(7)之间的距离等于第二分束镜(6)与三维电动平移台(9)的距离。 

其中，电脑主机(10)内装有CCD(7)的图像测量软件和三维电动平移台(9)的编程控制软件，根据不同需求输入相应调制参数，控制三维电动平移台(9)的移动状态，进而带动硅片，实现飞秒激光在硅表面上的微纳制备。 

2.根据权利要求1所述的制备装置，其中，激光器(1)为飞秒激光器，其脉宽为50fs，中心波长为800nm，重复频率为1kHz。 

3.一种基于飞秒激光硅表面功能微纳米材料的制备方法，其特征在于采用权利要求1或2所述的制备装置，包括如下步骤： 

步骤1：将硅片安装在三维电动平移台的载物架上； 

步骤2：真空靶室排出空气后充入刻蚀气体； 

步骤3：将激光聚焦引入真空室内三维平移台的靶面上； 

步骤4：通过电脑编程实现特定模式的光栅式扫描加工； 

步骤5：排气且对废气进行处理； 

步骤6：取出加工成品。 

4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，真空靶室排出空气时，最终抽得真空度范 围为10^-3Pa-5Pa，再充入刻蚀气体，其气压范围在10kPa-80kPa。 

5.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述步骤3中，激光单脉冲能量I由能量计(4)测得，由第一分束镜(3)分束比例x∶(100-x)换算成飞秒激光单脉冲能量(100-x)I/100，再由装在电脑主机(10)上CCD(7)的图像测量软件测量聚焦光斑面积S，从而能量密度为P＝(100-x)I/100S，通过能量计(4)对加工所应用的激光能量施行在线监测。 

6.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述步骤4中，光栅式扫描通过电脑主机(10)编程控制，三维电动平移台放置在聚焦光斑位置上，水平扫描距离a后纵向移动一定距离d，然后反向继续水平扫描相同的距离，纵向再移动d的距离，此后以相同的方式进行扫描加工，其中，水平扫描速度为4mm/s，纵向移动距离d为扫描间距，其可选定范围在0.02mm-0.04mm。 

7.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述步骤1中，所述硅片为单晶硅片，分别选取双面不抛光、双面抛光或单面抛光样品，厚度100μm-500μm，电阻率为0.1Ω·cm～10Ω·cm，单晶硅晶向分别为Si(100)、Si(111)或Si(110)。