CN105834589A

CN105834589A - 利用飞秒激光光丝在硅晶体表面远程制备微结构的装置及方法

Info

Publication number: CN105834589A
Application number: CN201610430067.8A
Authority: CN
Inventors: 孙洪波; 徐淮良; 詹学鹏
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2016-08-10

Abstract

本发明涉及一种利用飞秒激光光丝在硅晶体表面远程制备微结构的装置及方法，首先，利用长焦距(1000mm)的平凸透镜使飞秒激光脉冲在空气中形成光丝，再利用水平方向的一维电控精密位移平台和竖直方向的一维手动精密位移平台的结合，使飞秒激光光丝能够在硅晶体表面进行扫描。在空气中，飞秒激光在硅晶体表面进行远程微结构的制备，微结构的存在能够降低其反射率，提升其在可见光波段的光吸收率。这种远程加工微结构的技术将在对硅基太阳能电池等光电器件的坏损微结构的修复领域，具有独特的优势和良好应用前景。

Description

利用飞秒激光光丝在硅晶体表面远程制备微结构的装置及方法

技术领域

本发明属于飞秒激光远程加工微结构技术领域，具体涉及一种利用飞秒激光光丝在硅晶体表面进行远程微加工以提升其可见光波段的吸收率的装置及方法。

背景技术

在光伏电池产业领域中，半导体材料的硅太阳电池一直处于主导地位。由于硅晶体具有良好的光电转换性能，使得包括单晶硅和多晶硅的晶体硅电池在市场中占据着绝大部分的份额。1999年，美国哈佛大学的Eric Mazur教授首次发现了黑色的硅晶体，这种黑硅材料相比于传统的蓝色硅太阳能电池具有更高的能量转换效率，其在250nm到2500nm的范围内都具有极高的吸收率，可高达90％以上。传统的由激光辅助的制备黑硅材料的方法是：将硅晶体放置于洁净的真空腔内,并向其中通入一定量的SF₆、Cl₂等气体，并利用具有超短脉冲的飞秒激光照射在硅片表面，在具有极高峰值功率的飞秒激光脉冲的作用下，SF₆气体被电离出F-离子，将不断的刻蚀硅晶体表面产生易挥发的基团，导致硅片表面呈现出尖峰状形貌结构，使得表面的反射率极低，肉眼看上去完全呈黑色。

1995年，美国密歇根大学的Braun教授，首次发现了具有超短脉冲时间和超高脉冲能量的飞秒激光在透明介质如空气中传播时，当激光的功率满足一定阈值要求后会产生一种独特的非线性光学现象，产生一条明亮的、稳定的、具有一定长度的光通道，即被称作飞秒激光光丝。飞秒激光光丝的产生需要满足几个特定的条件，具体为飞秒激光在空气中进行传输的距离远远大于光束瑞利长度；其具有较高脉冲能量(高于一定阈值)。此时，由于光的非线性传播的自聚焦效应和电离空气后产生的等离子体散焦效应的动态平衡，使得飞秒激光在空中形成具有一定长度和很高强度的等离子体激光通道。另外飞秒激光光丝是一种远程的、稳定的、自引导的现象，光丝中的激光强度可达到10¹³W/cm²，可以诱导分解光丝通道内的所有物质，因此，其在大气环境污染物质检测、光频率转换、激光引雷等领域具有广泛的应用前景。

传统的利用飞秒激光制备黑硅材料的方法，一般是用短焦距的会聚透镜将飞秒激光聚焦到真空腔内的硅晶体表面。这种近场的方法，不适宜于在硅材料表面进行远程的微构造的制备，同时只有在会聚透镜焦点位置所处的平面内才能进行有效的微构造的制备。

发明内容

利用飞秒激光在透明介质如水、空气中远距离传输形成光丝的现象，可以在硅晶体表面实现微结构高速的远程操控和加工，因而能够降低硅片表面的反射率，增加其对光的吸收率，使之满足于光电器件对于光电转换效率的要求。而这种基于飞秒激光光丝对硅晶体的远程加工和控制的技术，尤其是在远程微构造的加工以及远程微构造的修复时具有潜在的应用前景和不可替代的优势。

为了实现上述目的，本发明提供了一种利用飞秒激光光丝在硅晶体材料表面远程制备微结构的装置，由飞秒激光放大器1、光闸2、半波片3、偏振镜片4、平凸透镜5、硅晶体6及夹具靶台7组成；飞秒激光放大器1出光口的后面，依次竖直放置光闸2、半波片3、偏振镜片4、平凸透镜5，夹具靶台7放置于平凸透镜5的焦距位置范围内，硅晶体6放置在夹具靶台7上，夹具靶台7上配有水平和竖直两个方向的精密位移平台，水平方向上采用电控的步进电机精密位移平台，竖直方向采用手动精密位移平台。可通过旋转半波片的角度来改变入射到偏振镜片上的飞秒激光在偏振方向上的能量分量，以达到连续改变飞秒激光的单脉冲能量的效果。

进一步地，所述的飞秒激光放大器1为带有振荡器的飞秒激光放大器，其工作波长为800nm，脉冲宽度为35fs～60fs，重复频率为10Hz～1000Hz，飞秒激光的单脉冲脉冲能量为0.5mJ/cm²～3.5mJ/cm²。

进一步地，所述的平凸透镜5的焦距为500mm～2000mm，可以使飞秒激光在空气中形成光丝。

进一步地，所述的偏振镜片4为布鲁斯特镜片，可以在满足特定角度入射后，所使用的反射光束均为线偏振光。

进一步地，所述的步进电机精密平台的水平方向运动的速度为1mm/s～40mm/s、扫描距离为1mm～500mm。

进一步地，所述的手动精密位移平台的调节距离为0.05mm～25mm。

一种利用飞秒激光光丝在硅晶体材料表面远程制备微结构的方法，其具体步骤如下：

(1)、用玻璃刀将硅晶体切割成正方形硅片，分别经过丙酮、乙醇和去离子水擦拭表面，然后将其放置在夹具靶台上；

(2)、将飞秒激光放大器的重复频率调节为100Hz-1000Hz，通过旋转半波片的方向，并使用功率计测试激光功率，调整飞秒激光的单脉冲脉冲能量为0.5mJ/cm²～3.5mJ/cm²；

(3)、打开光闸，使飞秒激光通过平凸透镜形成光丝，然后将放置硅片的夹具靶台调整到适当的位置，即光丝的位置处于硅片的边缘，等待扫描，夹具靶台的水平方向上采用电控的步进电机精密位移平台以实现飞秒激光光丝对硅片的水平方向的扫描，在水平方向扫描完成后，竖直方向通过调控手动精密位移平台实现对夹具靶台的垂直方向距离的调节，然后重复以上水平方向的扫描及竖直方向的移动，从而完成对硅片表面的扫描，从而实现微结构的制备。

进一步地，步骤(1)所述的正方形硅片的尺寸为100mm²～400mm²。

进一步地，步骤(1)所述的光丝在硅片一侧的边缘，距离硅片1～3mm。

进一步地，通过改变水平方向的电控位移平台的移动速度，可以调节光丝在硅片表面某具体位置的等效作用时间，相应的可以改变光丝扫描后在硅片表面所形成的微结构的深度；改变每次水平扫描后垂直方向的手动位移平台的移动的距离，可以调节每条光丝扫描区域的间隔，以实现从完全重叠到其边缘相距一定距离的转变。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的装置及方法适用于远程的微构造的制备，并且适用于在非平面的样品微构造的加工，可以快速大范围的在样品表面进行加工扫描。

附图说明

图1为本发明的利用飞秒激光光丝在硅片表面远程制备微结构的装置结构示意图；

图中：飞秒激光放大器1、光闸2、半波片3、偏振镜片4、平凸透镜5、硅晶体6、夹具靶台7；

图2为本发明实施例1制备出的单晶硅的平面扫描电子显微镜图；

其中，a为扫描速度5mm/s，每行的扫描间隔为0.10mm的样品的平面扫描电镜图，b为该样品局部放大的平面扫描电镜图；

由图可以看出，该样品微结构的尺寸范围是3～12μm；

图3为本发明实施例1制备出单晶硅的45度倾斜的扫描电子显微镜图；

其中，a为扫描速度5mm/s，每行的扫描间隔为0.10mm的样品的倾斜的扫描电镜图，b为该样品局部放大的倾斜扫描电镜图；

由图可以看出，飞秒激光光丝表面制备出微构造具有的深度为10μm。

图4为本发明实施例1制备的单晶硅与未经处理的单晶硅在可见光波段的吸收率的对比图；

由图可以看出，未经处理的单晶硅片的吸收率为70％左右，而实施例1制备的硅片的吸收率增强了1.5倍，最高可达95％。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施为例来对本发明进行详细说明。

本发明的具体实施步骤如下：

本发明提供了一种利用飞秒激光光丝在硅晶体材料表面远程制备微构造的装置，由飞秒激光放大器1、光闸2、半波片3、偏振镜片4、平凸透镜5、硅晶体6及夹具靶台7组成，飞秒激光放大器的光路中依次竖直放置光闸2、半波片3、偏振镜片4、平凸透镜5，夹具靶台7放置于飞秒激光放大器1通过平凸透镜5形成光丝的范围内，硅晶体6放置在夹具靶台7上，夹具靶台7上配有水平和竖直两个方向的精密位移平台，水平方向上采用电控的步进电机精密位移平台，竖直方向采用手动精密位移平台。可通过旋转半波片的角度来改变入射到偏振镜片上的飞秒激光在偏振方向上的能量分量，以达到连续改变飞秒激光的单脉冲能量的效果。

首先，将无掺杂的(100)晶向的单晶硅片，用玻璃刀切割成为400mm²大小的正方形，将其分别用丙酮、乙醇、去离子水擦拭表面，然后将其放置在配有水平和竖直两个精密位移平台的夹具靶台上，水平方向上使用北京北光世纪公司的电控步进电机一维位移平台(型号为MTS304、分辨率为0.00032mm、工作波长为800nm，脉冲宽度为35fs～60fs、最大速度40mm/s)，以及该公司提供的配套的步进电机控制器(型号为SC100)，竖直方向使用北京北光世纪公司的手动精密位移平台(型号为PTS104M、分辨率为0.002mm、调节距离为0.05mm～25mm)。

然后，使用Spectra-Physics公司的波长为800nm的带有振荡器的飞秒激光放大器，并且设置其工作的重复频率为500Hz，在光路中放置控制激光是否能够通过的光闸，接下来放置半波片，布鲁斯特镜片(均为Thorlabs公司产品)，以及焦距为1000mm的带有增透膜的平凸透镜作为成丝透镜(长春金龙光电公司)。

其次，使用功率计(Spectral Physics)测试激光功率，通过不断旋转半波片，在测量到的激光功率为1W时停止，即此时激光的单脉冲能量为2.0mJ/cm²。移走功率计，打开光闸使激光通过所设计的光路，即可在成丝透镜的后方得到飞秒激光光丝。将放置由硅片样品的夹具靶台调整到适当的位置，光丝紧邻硅片并在其外边缘，处于硅片的左外侧并距离硅片边缘2mm，等待扫描。

接着，水平方向上在配套的步进电机控制器中设置夹具靶台的运动的速度和距离，其中运动速度分别为5mm/s，扫描距离为25mm，电控步进电机位移平台即可带动夹具靶台在水平方向上从右向左进行移动，从而使得飞秒激光光丝在硅片表面上进行一次一维扫描，留下一条黑色印记，此时光丝超出硅片的右外侧，距离硅片边缘约3mm。此时，通过调节手动精密位移平台，使得夹具靶台的高度在竖直的方向上升0.10mm，然后再设置步进电机控制器将靶台在水平方向上从左向右移动，完成飞秒激光光丝对硅片的第二次扫描。以后不断重复以上过程，即可实现飞秒激光光丝对整个切割好的硅片的光栅扫描，在其表面形成具有一定周期性的微结构。此时，样品的扫描电镜显微镜(JEOL JSM-7500F)的水平表征和45度倾斜表征，分别如图2、图3所示。此外，通过增加切割硅片的尺寸和相应调节步进电机控制所设置的水平方向上的运行距离，即可制得具有周期性微构造的硅片。

最后，通过利用配有积分球的UV3600分光光度计，分别测量制备出硅片和未经处理的硅片在可见光波段的光反射率和透射率，由于对于同一个样品的反射率、透射率和吸收率的和为常数1，因此可以得到经过加工的硅片和未经处理的硅片在可见光波段的光吸收率如图4所示，从图中可以看出，未经处理的单晶硅片的吸收率为70％左右，而通过本发明制备的硅片的吸收率增强了1.5倍，最高可达95％。

Claims

1.利用飞秒激光光丝在硅晶体表面远程制备微结构的装置，其特征在于，由飞秒激光放大器(1)、光闸(2)、半波片(3)、偏振镜片(4)、平凸透镜(5)、硅晶体(6)及夹具靶台(7)组成，飞秒激光放大器(1)的光路中依次竖直放置光闸(2)、半波片(3)、偏振镜片(4)、平凸透镜(5)，夹具靶台(7)放置于平凸透镜(5)的焦距位置范围内，硅晶体(6)放置在夹具靶台(7)上，夹具靶台(7)上配有水平和竖直两个方向的精密位移平台，水平方向上采用电控的步进电机精密位移平台，竖直方向采用手动精密位移平台。

2.如权利要求1所述的利用飞秒激光光丝在硅晶体表面远程制备微结构的装置，其特征在于，所述的飞秒激光放大器(1)为带有振荡器的飞秒激光放大器，其工作波长为800nm，脉冲宽度为35fs～60fs，重复频率为10Hz～1000Hz，飞秒激光的单脉冲脉冲能量为0.5mJ/cm²～3.5mJ/cm²。

3.如权利要求1所述的利用飞秒激光光丝在硅晶体表面远程制备微结构的装置，其特征在于，所述的平凸透镜(5)的焦距为500mm～2000mm。

4.如权利要求1所述的利用飞秒激光光丝在硅晶体表面远程制备微结构的装置，其特征在于，所述的偏振镜片(4)为布鲁斯特镜片。

5.如权利要求1所述的利用飞秒激光光丝在硅晶体表面远程制备微结构的装置，其特征在于，所述的步进电机精密平台的水平方向运动的速度为1mm/s～40mm/s、扫描距离为1mm～500mm。

6.如权利要求1所述的利用飞秒激光光丝在硅晶体表面远程制备微结构的装置，其特征在于，所述的手动精密位移平台的调节距离为0.05mm～25mm。

7.利用飞秒激光光丝在硅晶体表面远程制备微结构的方法，其特征在于，其具体步骤如下：

8.如权利要求7所述的利用飞秒激光光丝在硅晶体材料表面远程制备微结构的方法，其特征在于：步骤(1)所述的正方形硅片的尺寸为100mm²～400mm²。

9.如权利要求7所述的利用飞秒激光光丝在硅晶体材料表面远程制备微结构的方法，其特征在于：步骤(3)所述的光丝在硅片一侧的边缘，距离硅片1～3mm。