CN102583228B - 利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法及装置，将脉冲激光头发出的脉冲激光通过PLE激光透镜射入真空腔内，使脉冲激光会聚在真空腔体内的样品表面，对样品进行加工；同时用光纤探头在线探测产生的等离子体辉光中电子光谱的变化，通过改变加工气氛来以控制等离子体波的振荡频率，调控脉冲激光在样品上刻蚀出各种发光的纳米结构。本发明利用脉冲激光等离子体刻蚀技术，用光纤探头探测其等离子体辉光在不同气氛中变化，通过改变加工气氛来获得对发光工作物质进行可控的激活操作；本发明可通过切换光路来实现PLE和PLD的复合加工，制备各种半导体的发光纳米结构，特别是含量子点的超晶格发光结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光加工半导体材料的方法及装置，尤其是一种利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法及装置。
背景技术
当今的信息光子化发展进入芯片上的光电子集成与芯片级的全光化，这是实现光量子信息处理和光量子信息计算的关键，而作出硅芯片上的用于光互联的光源与传播节点是一项瓶颈性的工作。另外，让半导体发光与照明走进千家万户势在必行，是低碳与环保的需求。目前，急需高亮度发光材料与元器件的制备和加工技术。
当前，常见的发光材料与元器件的制备和加工传统技术是分子束外延（MBE）技术和化学气相沉积（CVD）技术，但是，其成本较高且较难控制，故不易将其从实验室推广至产业化。
发明内容
本发明的目的是：提供一种利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法及装置，它可以加工高亮度的发光材料和硅基纳米发光材料，并且成本低廉，易于产业化，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法，将脉冲激光头发出的脉冲激光通过PLE透镜射入真空腔内，使脉冲激光会聚在真空腔体内的样品表面，对样品进行加工；同时用光纤探头在线探测产生的等离子体辉光中电子光谱的变化，通过改变加工气氛控制等离子体波的震荡频率，从而实现可控脉冲激光在样品上刻蚀各种纳米结构。
在样品刻蚀纳米结构的加工完成后，将脉冲激光头发出的脉冲激光通过PLD激光透镜射入真空腔内，使脉冲激光会聚在靶材上，利用PLD技术对已刻蚀出纳米结构的样品进行PLD复合加工，可制备各种量子阱和超晶格结构；并用光纤探头同步探测，实现可控脉冲激光等离子体波在刻蚀好的样品上的沉积加工和调控气氛沉积加工。可以通过切换激光透镜实现PLE工艺与PLD工艺的复合加工。
完成脉冲激光加工后，利用双向功能光纤探头传输紫外波长的激发光照射发光样品，实现发光样品的在线光致荧光（PL）光谱检测。这样可以实现在线发光物质的表征与加工质量测定，对发光物质加工的质量监控是关键性的。
所述的脉冲激光的波长为紫外、可见与红外三个波段，脉冲激光的脉宽控制在10-100ns。所选脉冲激光的参量不同，可以加工出不同尺寸的纳米结构。
利用可控脉冲激光加工纳米结构的装置，包括真空腔体，在真空腔体的侧面设有激光窗口，在激光窗口上设有腔入射镜，在激光窗口外设有PLE激光透镜；在真空腔体内设有样品台，样品台与PLE激光透镜的光路对应，在样品台的后端连接有取样柄；在激光窗口外设有光纤探头，在真空腔体外设有光谱仪，光纤探头与光谱仪连接。
在激光窗口外设有PLD激光透镜，在真空腔体内设有靶台，靶台与PLD激光透镜的光路对应。
通过切换光路，可以实现PLE加工、PLD加工或PLE与PLD的复合加工。
光纤探头为双向光纤探头，在光纤探头上连接有LD激发光源。双向光纤探头可以发出激发光对真空腔体内的样品进行照射，进行样品的光致荧光（PL）光谱检测。
最近发展起来的脉冲激光等离子体沉积（PLD）技术是一项较好的制膜技术，我们将其利用研发出具有脉冲激光等离子体沉积（PLD）和脉冲激光等离子体刻蚀（PLE）复合加工功能的新型光子加工技术，可以制备与加工各种低维纳米结构材料，包括半导体的量子点、量子线和量子面及其量子超晶格结构材料，特别是制备与加工高亮度的发光材料和硅基纳米发光材料。
本发明的工作原理是：脉冲激光与半导体样品相互作用可以形成的表面等离子体波，该等离子体波的频率与脉冲激光的脉宽、脉冲激光的功率及其等离子体中电子的密度等相关，在激光打出的Purcell腔体中可形成驻波，由此刻蚀微纳结构，特别是用纳秒脉冲激光可制备硅量子点和量子超晶格结构；控制在不同的氛围下用脉冲激光加工，可以激活微纳结构的表面或界面发光中心，其原理是在半导体微纳结构展宽的能带带隙中形成局域态来构建发光中心，特别是激活硅量子点的发光中心，例如用氧气、氮气或空气等在硅量子点表面形成Si=O、Si-O-Si、Si-N或Si-NO键合构筑硅量子点的发光中心，可以获取不同发光波长的发光材料；光子加工的气氛可以根据发光工作物质的要求进行可控的激活操作，可用光纤探头探测其等离子体辉光在不同气氛中的变化实现精确调控；调用光纤探头的双向功能，用LD激发光照射样品，可实现样品的在线光致荧光PL光谱检测。
由于采用上述的技术方案，与现有技术相比，本发明利用脉冲激光等离子体刻蚀技术，用光纤探头探测其等离子体辉光在不同气氛中的变化，通过改变加工气氛来获得对发光工作物质进行可控的激活操作，以实现精确调控；可通过切换透镜及相应的光路来实现脉冲激光等离子体沉积（PLD）和脉冲激光等离子体刻蚀（PLE）的不同加工功能与复合加工功能；可以对加工完成的产品进行在线光致荧光（PL）光谱检测；本发明可根据对具体加工工艺的调节，加工高亮度的LED发光物质、硅纳米结构发光物质和用于发光选模激射的硅基光晶结构等材料。本发明方法简单，易于产业化，所采用的装置结构简单，在现有设备的基础上进行改装集成即可获得，应用效果好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明制备出的硅量子点结构图；
图3为本发明制备出的含硅量子点的光子晶体图；
图4为制备硅量子点的发光峰图；
图1中箭头表示脉冲激光的光路。
具体实施方式
本发明的实施例1：利用可控脉冲激光加工纳米结构的装置的结构如图1所示，包括真空腔体1，在真空腔体1的侧面设有激光窗口2，在激光窗口2上设有腔入射镜7，在激光窗口2外设有PLE激光透镜3，在真空腔体1内设有样品台5，样品台5与PLE激光透镜的光路对应，，在样品台5的后端连接有取样柄6；在激光窗口2外设有光纤探头8，在真空腔体1外设有光谱仪9，光纤探头8与光谱仪9连接；在激光窗口2外设有PLD激光透镜4，在真空腔体1内设有靶台7，靶台7与PLD激光透镜4的光路对应；光纤探头8为双向光纤探头，在光纤探头8上连接有LD激发光源10。
利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法，将P型单晶硅片安置在样品台5上，在真空腔体1内抽真空，抽至10-5帕，再控制真空腔体1的多气路进行调控，使样品处于氩气氛环境下；选择波长355nm的纳秒脉冲激光头加工样品，将对应波长的PLE激光透镜3安装好后，使纳秒脉冲激光头发出脉冲激光，通过PLE激光透镜3从激光窗口2进入真空腔体1内，然后会聚在P型单晶硅片表面，对P型单晶硅片进行刻蚀加工；在加工过程中，用光纤探头8探测脉冲激光作用在P型单晶硅片上产生的等离子体辉光中电子光谱的变化，以控制等离子体波性状，从而控制脉冲激光等离子体波在硅片上制备硅量子点结构；在加工完成后，用光纤探头8的双向功能，将LD激发光源10发出的紫外波长的激发光通过光纤探头8从激光窗口射入真空腔体1内，对加工好的P型单晶硅片进行照射，实现对加工好的样品在线光致荧光（PL）光谱检测，完成在线的发光物质结构表征与加工质量测定。
本发明的实施例2：利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法，将P型单晶硅片安置在样品台5上，并将硅靶材安装在靶台7上，在真空腔体1内抽真空，抽至10-5帕，再控制真空腔体1的多气路进行调控，使样品处于氮气氛环境下，选择波长为532nm的纳秒脉冲激光头，将对应波长的PLE激光透镜3及PLD激光透镜4安装好后，使纳秒脉冲激光头发出脉冲激光，通过PLE激光透镜3从激光窗口2进入真空腔体1内，然后会聚在P型单晶硅片表面，对P型单晶硅片进行刻蚀加工，在加工过程中，用光纤探头8探测脉冲激光作用在P型单晶硅片上产生的等离子体辉光中电子光谱的变化，以控制等离子体波性状，从而控制脉冲激光等离子体波在硅片上制备硅量子点结构；在加工完成后，将纳秒脉冲激光头的位置切换到PLD激光透镜4，纳秒脉冲激光头发出的脉冲激光通过PLD激光透镜4从激光窗口2进入真空腔体1内，脉冲激光会聚在硅靶材上，并控制多气路调控样品处于氧气氛环境下，在含硅量子点的平面光子晶体阵列层上沉积氧化硅层；再进行PLD加工，在氧化硅层上再沉积硅薄膜层；将PLD激光透镜4的光路切换至PLE激光透镜3的光路，控制多气路调控样品处于氩气氛和氮气氛环境下，再回到PLE加工，在硅薄膜层上制备含硅量子点的平面光子晶体阵列多层结构；最终可制备含硅量子点的光子晶体超晶格结构。加工完后，再用光纤探头的双向功能，将LD激发光源10发出的紫外波长的激发光通过光纤探头8从激光窗口射入真空腔体1内，用紫外波长的激发光照射样品，实现样品的在线光致荧光（PL）光谱检测，进行在线的发光物质结构表征与加工质量测定。
本发明的实施例3：利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法，将半导体衬底样品安置在样品台5上，并将硅靶材安装在靶台7上，在真空腔体1内抽真空，抽至10-5帕，再控制真空腔体1的多气路进行调控，使样品处于氧气氛环境下，选择波长为1064nm的纳秒脉冲激光头，将对应波长的PLE激光透镜3及PLD激光透镜4安装好后，使纳秒脉冲激光头发出脉冲激光，该脉冲激光通过PLE激光透镜3从激光窗口2进入真空腔体1内，然后会聚在样品表面，进行刻蚀加工；在加工过程中，用光纤探头8探测脉冲激光作用样品上产生的等离子体辉光中电子光谱的变化，以控制等离子体波性状，从而控制脉冲激光等离子体波在样品上制备氧化量子点结构；在加工完成后，将纳秒脉冲激光头的位置切换到PLD激光透镜4，纳秒脉冲激光头发出的脉冲激光通过PLD激光透镜4从激光窗口2进入真空腔体1内，脉冲激光会聚在硅靶材上，并控制多气路调控样品处于氧气氛环境下，在含硅量子点的平面光子晶体阵列层上沉积氧化硅层；再进行PLD加工，在氧化硅层上再沉积硅薄膜层；将PLD激光透镜4的光路切换至PLE激光透镜3的光路，控制多气路调控样品处于氩气氛和氧气氛环境下，再回到PLE加工；进一步换置铒靶材安装在靶台7上，再进行PLD加工；最终可加工镶嵌铒的氧化硅超晶格结构，该发光材料在光纤通信的第三窗口有很好的发光特性。加工完后，再用光纤探头的双向功能，将LD激发光源10发出的紫外波长的激发光通过光纤探头8从激光窗口射入真空腔体1内，用紫外波长的激发光照射样品，实现样品的在线光致荧光（PL）光谱检测，进行在线的发光物质结构的表征与加工质量的测定。
Claims (7)
1.一种利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法，其特征在于：将脉冲激光头发出的脉冲激光通过脉冲激光等离子体刻蚀激光透镜射入真空腔内，使脉冲激光会聚在真空腔内的样品表面，对样品进行加工；同时用光纤探头在线探测产生的等离子体辉光中电子光谱的变化，通过改变加工气氛控制等离子体波的震荡频率，从而实现可控脉冲激光在样品上刻蚀各种纳米结构。
2.根据权利要求1所述的利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法，其特征在于：在样品刻蚀纳米结构的加工完成后，将脉冲激光头发出的脉冲激光通过脉冲激光等离子体沉积激光透镜射入真空腔内，使脉冲激光会聚在靶材上，利用脉冲激光等离子体沉积技术对已刻蚀出纳米结构的样品进行脉冲激光等离子体沉积复合加工，制备各种量子阱和超晶格结构；并用光纤探头同步探测，实现可控脉冲激光等离子体波的沉积加工和调控气氛沉积加工。
3.根据权利要求1所述的利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法，其特征在于：完成脉冲激光加工后，利用双向功能光纤探头传输紫外波长的激发光照射发光样品，实现发光样品的在线光致荧光（PL）光谱检测。
4.根据权利要求1所述的利用可控脉冲激光加工纳米结构的方法，其特征在于：所述脉冲激光的波长为紫外、可见与红外三个波段，脉冲激光的脉宽控制在10～100ns。
5.一种利用可控脉冲激光加工纳米结构的装置，包括真空腔体（1），其特征在于：在真空腔体（1）的侧面设有激光窗口（2），在激光窗口（2）上设有腔入射镜（7），在激光窗口（2）外设有脉冲激光等离子体刻蚀激光透镜（3），在真空腔体（1）内设有样品台（5），样品台（5）与脉冲激光等离子体刻蚀激光透镜的光路对应，在样品台（5）的后端连接有取样柄（6）；在激光窗口（2）外设有光纤探头（8），在真空腔体（1）外设有光谱仪（9），光纤探头（8）与光谱仪（9）连接。
6.根据权利要求5所述的利用可控脉冲激光加工纳米结构的装置，其特征在于：在激光窗口（2）外设有脉冲激光等离子体沉积激光透镜（4），在真空腔体（1）内设有靶台（7），靶台（7）与脉冲激光等离子体沉积激光透镜（4）的光路对应。
7.根据权利要求5所述的利用可控脉冲激光加工纳米结构的装置，其特征在于：光纤探头（8）为双向光纤探头，在光纤探头（8）上连接有激光二极管（LD）激发光源（10）。
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