CN104708196B - 一种增大光电材料有效感光面积的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增大光电材料有效感光面积的制备方法，是利用具有调制性的三光束激光干涉光刻在基质材料或者感光材料表面，通过多角度叠加曝光或者移动距离叠加曝光的方式获得不同形状结构的多重周期微纳复合结构制备，也可以利用具有调制性的多光束激光干涉光刻在材料表面，直接制备多重周期微纳复合结构，实现在二维单位平面内增大三维的有效感光面积的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种增大光电材料有效感光面积的制备方法，具体涉及一种制作高效、低成本的增大有效感光面积的多周期微纳复合结构的制备，可应用于如太阳能电池、LED等半导体器件中，也为制造新器件、新材料提供一种先进的制备技术。
背景技术
在上世纪末至今，新型高性能材料、器件与系统的进步一直依赖于微纳制造技术的发展。随着纳米制造技术研究的不断深入，微纳米多尺度复合结构制造已成为一个当前亟待解决的关键问题。近年来，昆虫复眼表面复合微纳结构的超疏水自清洁特性和宽谱广角增透性能引起了科学界和工业界的广泛关注。这是发现荷叶表面具有微纳米尺度混合的双重结构外，又一类具有特殊功能的微纳双重结构。该结构具有的两种典型特性，使得它在工业生产、生物技术、国防、新能源和新器件等方面具有广泛的潜在应用。过去的十几年里，人们发展了多种具有超疏水结构的制备技术和方法，如纳米颗粒法、溶胶凝胶法、化学沉积法、模板法和刻蚀法等。随着对超疏水结构及机制的深入研究，发现仍有许多关键问题需要进一步探讨，如老化、稳定性和制备成本等问题。这些问题的存在导致其在大规模产业化应用上受到限制。如刻蚀法属于“自上而下”的制备技术，在制备抗老化和稳定性好的超疏水结构方面存在优势，但这些刻蚀法大都局限于平面单一特征尺寸的制备技术，不适合复合微纳表面结构制备，且工艺复杂不能满足大规模生产和商业化的需要。从根本上讲，当前制约其广泛应用的重要因素之一是缺少低成本高效多尺度复合微纳制造技术与工具。
同时，通过各种技术制造功能性微纳结构材料一直是研究人员关注的焦点，发展了多种制备复合微纳表面结构的技术和方法，如投影光刻、电子束光刻、离子束光刻、纳米压印、纳米颗粒法、溶胶凝胶法、化学沉积法、模板法和刻蚀法等。这些技术和方法或采用耗时的顺序工作方式，对于多周期混合结构的加工速度非常慢，不适合批量生产；或使用条件严格，图案形状相对固定；或存在环境问题，结构参数不易控制，均匀性差等缺点。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术和方法的不足，提出一种可以显著增大光电转换材料或者元件有效感光面积，从而提高光电转换效率，且成本较低的光电材料制备技术。
本发明技术解决方案，一种增大光电材料有效感光面积的制备方法，利用具有调制性的激光干涉光刻技术在基质材料或者感光材料表面直接制备多重周期的微纳复合结构，用于在二维单位平面面积内增加三维的光接触面积；所述多重周期的微纳复合结构通过具有调制性的三光束激光干涉光刻的多角度多次曝光叠加直接获得，第一束光与第二束光的入射角均为θ，0°<θ≤89°，同时，第一束光的空间角分别为0°，第二束光的空间角为180°，第三束光的入射角为θ±δ，0°<θ±δ≤89°，且0°<δ≤30°，第三束光的空间角为0°或者180°，即三束光在同一平面内。
所述多重周期的微纳复合结构通过具有调制性的四、五、六光束激光干涉光刻的多次曝光直接获得，光束的入射角度为0°-90°，每束光的空间角为0°-360°，激光器单次曝光时长为5-15ns，单束激光的能量密度：0.1-1J/cm2。
所述的具有调制性的三光束激光干涉光刻中每次叠加曝光的旋转角度为0°-90°，旋转精度为1’。
所述微纳复合结构的多重周期范围为50nm-10um，单元结构的尺寸为50nm-5um，结构深度为50nm-5um。
所述多重周期的微纳复合结构是条纹形、锥形、楔形、金字塔形、倒金字塔形、半球形、六边柱形、圆柱形中的任意一种单一形状的结构，也可以是两种或多种形状拼接的结构。
本发明原理：本发明的这种多重周期的微纳复合结构可以通过具有调制性的三光束激光干涉光刻的多角度叠加曝光直接获得，也可以通过具有调制性的四、五、六光束激光干涉光刻的多次曝光直接获得。其中，三光束激光干涉光刻叠加曝光是指完成第一次曝光后，通过旋转台和位移台使样品转动一定角度或者挪动一定距离后进行第二次曝光，完成二次曝光后再移动一定角度或者距离后进行第三次曝光，以此类推，可以进行两次曝光叠加或者多次曝光叠加得到需要的图形结构，每次旋转的角度为0°-90°，此外干涉光束的入射角度可以相同，也可以不同，相邻干涉光束之间的空间角度可以相同，也可以不同，每束干涉光的能量可以相同，也可以不同。通过这种方式获得的微纳复合结构可以是锥形、楔形、金字塔形、倒金字塔形、半圆形、六边柱形、圆柱形中的任意一种单一形状的结构，也可以是两种或多种形状拼接的结构。
本发明与现有技术相比：
(1)现有的激光干涉光刻技术由于其自身的干涉特点所限，只能制备出单一形状的结构。本发明利用了光束干涉时常常发生调制的现象，实现了多周期微纳复合结构的制备，同时，本发明不仅可以通过制备单一形状结构实现在二维单位平面面积内增加三维的光子作用接触面，还可以通过调节干涉参数，利用多角度多次曝光和移动多次曝光等方法，实现不同形状拼接的大面积多周期微纳复合结构的制备。
(2)本发明通过在二维单位平面面积内增加三维的光接触面来提高半导体器件与光子作用的接触面积，从而提高器件的光电转换效率。另外，还具有成本较低，操作容易等优点，是未来产业化微纳结构制备的首选技术。
附图说明
图1所示为具有调制性的三光束激光干涉光路图；
图2所示为四光束激光干涉光路图，其中4为控制计算机，5为激光器，6、7、8、9、10、11为高反射镜，12、13、14为1/2反光镜,15、16、17、18为1/2波片，19、20、21、22为偏振片，23为旋转台，24为二维微位移平台；
图3所示为硅材料表面多周期微纳复合结构SEM扫描图。
图4所示为本发明获得的点阵结构图。
具体实施方式
利用具有调制性的激光干涉光刻技术在基质材料或者感光材料表面制备出多重周期的微纳复合结构，其方法可以是具有调制性的三光束激光干涉光刻的多角度多次曝光叠加直接获得，也可以是具有调制性的四、五、六光束激光干涉光刻的多次曝光直接获得。
激光干涉光刻系统包括激光器、分光镜、高反射镜、波片、偏振片、旋转样品台、二维微位移平台及相关的金属支架等，激光光束由激光器发出后由分光镜进行分光，经反射镜、波片和偏振片会聚于样品台中心。
如图1所示，在三光束激光干涉光刻中，设置光束1和光束2的入射角为θ，0°<θ≤89°，光束1的空间角分别为0°，光束2的空间角为180°，光束3的入射角为θ±δ，0°<θ±δ≤89°，且0°<δ≤30°，其空间角为180°，三束光在同一平面内，且偏振态相同，使三光束干涉形成具有调制周期的条纹结构，完成第一次曝光后，使用旋转台转动一定角度或者使用位移台移动一定距离，进行第二次曝光，完成二次曝光后再重复上述动作，以此类推，可以进行两次曝光叠加或者多次曝光叠加得到需要的拼接图形结构，旋转台每次旋转的角度为0°-90°，位移台移动的距离必须是结构中的任意一周期数的倍数，以实现两种或多种形状拼接结构的制备。
该多重周期的微纳复合结构也可以通过具有调制性的四、五、六光束激光干涉光刻的多次曝光直接获得，光束的入射角度为0°-90°，每束光的空间角为0°-360°，激光器单次曝光时长为5-15ns，单束激光的能量密度：0.1-1J/cm2。调整反射镜改变干涉光束的入射角度和空间角，干涉光束的入射角可以相同，也可以不同，相邻干涉光束之间的空间角度可以相同，也可以不同；通过调节衰减器控制干涉光束的能量，其能量可以相同，也可以不同；通过调节干涉光束的偏振片改变光束的偏振态。以图2所示的四光束激光干涉光刻系统为例，由计算机4控制激光器5发出一束激光光束，经反射镜6、7和分光镜12、13、14进行分光，获得四束相干光，经若干个高反射镜调整聚焦于样品台23表面，四束光的入射角度由高反射镜8、9、10、11控制，四束光的能量通过偏振片15、16、17、18和波片19、20、21、22来控制，样品台23下面安装有二维微位移平台24，用于控制干涉图案的拼接。
上述的两种方法都不需要光刻胶和掩膜的辅助，具有灵活性、成本低的优点。根据获得的多重周期微纳复合结构的参数，包括结构的周期、单元结构的尺寸，结构的深度等参数，选择磁控溅射、MBE、蒸镀(合金法、扩散法、外延法、离子注入)等技术中的一种或者两种技术，通过空位掺入、填隙掺入或替位掺入的方式将与基质极性相反的杂质掺入多重周期的微纳复合结构的空隙中，从而获得具较大有效感光面积的P-N节器件。
实施例1
利用三光束激光干涉系统光路，激光波长为1.064μm，每束光的能量密度为0.64J/cm2，脉宽为6ns，三束激光的入射方式如图1所示，光束1和光束2的入射角均为7°，光束3的入射角为14°，光束1的空间角为0°，光束2和光束3的空间角为180°，三束光的偏振态相同，在抛光的单晶硅表面曝光10s，完成第一次曝光后，通过旋转台，顺时针旋转90°，进行第二次曝光，曝光时间为8s，获得如图3的正方形复合结构，正方形的边长为4.4μm，结构深度为0.2-1um，调制周期为8.7μm，材料的表面面积增加15％。
实施例2
四光束激光干涉系统光路如图2所示，激光波长为1.064μm，每束光的能量密度为0.64J/cm2，脉宽为6ns，四光束的入射角度均为8°，四光束的空间角分别为0°,90°,180°,270°，在抛光单晶硅材料表面曝光时间为5s，获得如图4所示的点阵结构，结构类似凸起的半球形，其周期为4μm，单个凸起的尺寸为2-2.5μm，结构深度为0.1-0.32μm，材料的表面积增加30％。
总之，本发明利用具有调制性的激光干涉光刻技术在基质材料或者感光材料表面直接制备多重周期的微纳复合结构，在二维单位平面面积内增加三维的光接触面，根据微纳复合结构的最大周期值，最小周期值，结构深度，单位结构尺寸等参数，利用磁控溅射、MBE、蒸镀(合金法、扩散法、外延法、离子注入)等技术，通过空位掺入、填隙掺入或替位掺入的方式将与基质极性相反的杂质掺入多重周期的微纳复合结构的空隙中，从而获得具有较大有效感光面积的P-N节器件，其有效感光面积可以增加10-70％。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (2)
1.一种增大光电材料有效感光面积的制备方法，其特征在于：
利用具有调制性的激光干涉光刻技术在基质材料或者感光材料表面直接制备多重周期的微纳复合结构，用于在二维单位平面面积内增加三维的光接触面积，获得具有较大有效感光面积的P-N节器件，有效感光面积可以增加10-70％；
不仅可以通过制备单一形状结构实现在二维单位平面面积内增加三维的光子作用接触面，还可以通过调节干涉参数，利用多角度多次曝光和移动多次曝光方法，实现不同形状拼接的大面积多周期微纳复合结构的制备；
所述多重周期的微纳复合结构通过具有调制性的三光束激光干涉光刻的多角度多次曝光叠加直接获得，第一束光与第二束光的入射角均为θ，0°<θ≤89°，同时，第一束光的空间角分别为0°，第二束光的空间角为180°，第三束光的入射角为θ±δ，其中0°<θ±δ≤89°，且0°<δ≤30°，第三束光的空间角为0°或者180°，即三束光在同一平面内；
且偏振态相同，使三光束干涉形成具有调制周期的条纹结构，完成第一次曝光后，使用旋转台转动一定角度或者使用位移台移动一定距离，进行第二次曝光，完成二次曝光后再重复上述动作，以此类推，进行两次曝光叠加或者多次曝光叠加得到需要的拼接图形结构，旋转台每次旋转的角度为0°-90°，位移台移动的距离必须是结构中的任意一周期数的倍数，以实现两种或多种形状拼接结构的制备；所述多重周期的微纳复合结构也可以通过具有调制性的四、五、六光束激光干涉光刻的多次曝光直接获得，光束的入射角度为0°-90°，每束光的空间角为0°-360°，偏振态相同，激光器单次曝光时长为5-15ns，单束激光的能量密度：0.1-1J/cm2；
所述的具有调制性的三光束激光干涉光刻中每次叠加曝光的旋转角度为0°-90°，旋转精度为1’；
所述微纳复合结构的多重周期范围为50nm-10um，单元结构的尺寸为50nm-5um，结构深度为50nm-5um；
激光干涉光刻系统包括激光器、分光镜、高反射镜、波片、偏振片、旋转样品台、二维微位移平台及相关的金属支架，激光光束由激光器发出后由分光镜进行分光，经反射镜、波片和偏振片会聚于样品台中心。
2.根据权利要求1所述的增大光电材料有效感光面积的制备方法，其特征在于：所述多重周期的微纳复合结构是条纹形、锥形、楔形、金字塔形、倒金字塔形、半球形、六边柱形或圆柱形中的任意一种单一形状的结构，也可以是上述两种或多种形状拼接的结构。
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