CN106216833B - 基于电子动态调控激光加工半导体双级表面结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电子动态调控激光加工半导体双级表面结构的方法,属于飞秒激光应用技术领域。本发明在水辅助的条件下,通过设计时域整形脉冲序列,以调节局域瞬时电子密度和电子温度,改变材料相变过程,从而获得了微纳复合双级结构。相比传统的多级结构加工方法,时域整形脉冲序列加工半导体多级结构具有周期短、成本低、重复性好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电子动态调控激光加工半导体双级表面结构的方法,属于飞秒激光应用技术领域。
背景技术
自从学者发现荷叶的双级结构是其具有超疏水和自清洁性能的关键因素,人们就开始致力于多级结构的加工,并尝试获得功能性表面。多级结构加工的方法多种多样,包括化学气相沉积、电化学法、反应离子束刻蚀,光刻以及激光加工等。其中激光加工因具有适用范围广、高效率、高重复率和低成本的加工优势而被广泛应用。
目前激光加工多级结构主要局限于通过改变激光参数(波长、能量等)以及加工环境(气体、液体等)来获得多级结构,且对于半导体材料,其表面多级结构大多数是粒子附着的微米锥阵列。在文章“Tsibidis G D,Fotakis C,Stratakis E.From ripples tospikes:A hydrodynamical mechanism to interpret femtosecond laser-inducedself-assembled structures[J].Physical Review B,2015,92(4):041405.”中,作者理论模拟出半导体硅表面微米结构上附着纳米周期结构的双级结构,并在金属钛上得到了实验验证,但在半导体硅材料表面并未如期得到该双级结构。飞秒激光加工多级结构的潜力还有待发掘。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有加工手段在加工多级结构时存在的加工周期长、成本高、效率低以及重复性小的问题,并拓展了飞秒激光加工的应用领域,提出了基于电子动态调控水环境辅助半导体材料表面多级结构加工的方法,该方法具有加工周期短、成本低和重复性好的优点。
本发明的目的是通过以下技术来实现的。
基于电子动态调控激光加工半导体双级表面结构的方法,通过将中心波长为800nm的飞秒脉冲激光进行时域整形,产生整形的飞秒激光脉冲序列,在水辅助的条件下,通过设计时域整形脉冲序列,以调节加工过程中材料表面局部瞬时电子密度和电子温度,从而改变材料相变过程,进而获得微纳复合双极结构。
在所述时域整形后调节激光偏振方向能够调控材料表面的微纳复合双极结构。
所述整形的飞秒激光脉冲序列包括双脉冲序列、三脉冲序列以及多脉冲序列;脉冲序列中的子脉冲能量比均相等。
所述材料包括硅等半导体材料。
所述激光偏振方向包括线偏振、圆偏振和椭圆偏振光。
实现该方法的装置,包括飞秒激光器;半波片;P偏振片;脉冲整形装置;第一反射镜;第二反射镜;机械开关;二向色镜;分束镜;CCD成像系统;白光光源;聚焦物镜;待加工样品;六轴移动平台;计算机。
连接关系:飞秒激光器产生飞秒激光脉冲,脉冲依次经过半波片和P偏振片到达脉冲整形装置,脉冲整形装置输出整形的飞秒激光脉冲序列,之后经第一反射镜、第二反射镜、机械开关、二向色镜以及聚焦物镜垂直入射到待加工样品表面,待加工样品置于六轴移动平台上,计算机控制机械开关和六轴移动平台;白光光源发出白光,通过分束镜、二向色镜和聚焦物镜到达样品表面,样品表面反射的部分白光原路返回并被CCD成像系统收集从而可以直接观测加工过程。
该装置的工作过程如下:
步骤一、利用脉冲整形装置产生整形的飞秒激光脉冲序列;
步骤二、步骤一产生的飞秒激光脉冲通过脉冲整形装置产生整形的飞秒激光脉冲序列;
步骤三、将步骤二产生的整形的飞秒激光脉冲序列入射到聚焦物镜中进行聚焦,并保持激光焦点聚焦到待加工样品的上表面,将水滴入放置样品的培养皿中,使其没过样品,随后六轴移动平台下降使激光焦点聚焦在待加工样品的上表面;
步骤四、利用半波片和P偏振片调整加工所需能量;入射激光偏振方向通过额外在机械开关前放置1/4波片调节。
步骤五、计算机控制六轴移动平台,使待加工样品与激光焦点之间产生相对运动,从而在待加工样品上加工出既定形状。
有益效果
1、利用时域整形飞秒脉冲序列,调控飞秒激光加工半导体过程中的电子密度和电子温度,进而影响材料相变过程,并在水辅助下最终得到传统飞秒激光脉冲不能得到的微纳复合多级结构。
2、由于采用飞秒激光辐照加工,且一步扫描即可得到微纳复合结构,加工过程无需真空或者气体环境,无需添加化学试剂,因此该方法具有加工周期短、成本低、操作方便以及重复性好的优点。
3、通过改变脉冲序列的激光偏振方向,即可获得不同的微纳复合多级结构,因此具有方便调控的加工优势。
附图说明
图1为本发明实施方式的微纳复合结构示意图;
图2为具体实施实例中飞秒激光加工系统示意图。
其中,1-飞秒激光器;2-半波片;3-P偏振片;4-脉冲整形装置;5-第一反射镜;6-第二反射镜;7-机械开关;8-二向色镜;9-分束镜;10-CCD成像系统;11-白光光源;12-聚焦物镜;13-待加工样品;14-六轴移动平台;15-计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
基于电子动态调控激光加工半导体双级表面结构的方法,具体步骤如下:
步骤一、飞秒激光器产生中心波长800nm的飞秒脉冲激光,利用脉冲时域整形装置将飞秒脉冲激光整形为飞秒激光双脉冲序列,其子脉冲能量比为1:1;
步骤二、将步骤一得到的飞秒激光双脉冲序列垂直入射至样品表面,并经平凸透镜(f=100mm)聚焦,激光聚焦后的焦点到达样品表面;
步骤三、将水滴入放置样品的培养皿中,使其没过样品约3mm;
步骤四、在溶液中再次找焦点,确保激光焦点在样品上表面,由于激光在溶液中具有自聚焦效应,此时平移台应下降;
步骤五、调节半波片和偏振片组合,使激光能量约为0.4mW-0.7mW,设置激光扫描速度约为20μm/s-60μm/s此时激光偏振方向为线偏振;
步骤六、设置脉冲延迟,进行加工。
本发明实施方式的微纳复合结构示意图如附图1所示。该结构由微米级的突起和纳米级的表面周期结构组成,突起宽度在2μm左右,高度在0.5μm左右,纳米结构的周期在140nm左右。
飞秒激光加工系统示意图如附图2所示。飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲,脉冲依次经过半波片2和P偏振片3到达脉冲整形装置4,脉冲整形装置输出整形的飞秒激光脉冲序列,之后经第一反射镜5、第二反射镜6、机械开关7、二向色镜8以及聚焦物镜12垂直入射到待加工样品13表面,待加工样品置于六轴移动平台14上,计算机控制机械开关7和六轴移动平台14;白光光源11发出白光,通过分束镜9、二向色镜8和聚焦物镜12到达样品表面,样品表面反射的部分白光原路返回并被CCD成像系统10收集从而可以直接观测加工过程。
实验过程中采用的飞秒激光器参数如下:飞秒激光系统采用美国光谱物理(Spectrum Physic)公司生产的激光器,实验过程中采用的为线偏振光,激光中心波长为800nm,脉冲宽度为35fs,重复频率为1KHz;实验中待加工样品为半导体硅,尺寸为10mm×10mm×0.5mm。
步骤一、打开飞秒激光器,调整加工平台为水平;
步骤二、打开脉冲整形装置,使其产生子脉冲能量相等的双脉冲序列;实验所用脉冲整形装置为基于迈克尔逊干涉仪原理的双脉冲发生装置,用来产生脉冲延迟可调,能量比为1:1的双脉冲序列,脉冲延迟通过计算机控制线性移动平台,以调节透射臂和反射臂光程差来实现;
步骤三、调整光路,确保激光最终垂直入射至加工平台,将样品用双面胶固定于培养皿中,培养皿置于六轴移动平台上;
步骤四、调节半波片和偏振片至材料烧蚀阈值之上,利用计算机中软件控制六轴移动平台上下移动使激光焦点聚焦至样品上表面;
步骤五、利用滴管将蒸馏水滴入培养皿中,使液面没过样品表面约3mm,并重复步骤四,在溶液中找焦点;
步骤六、调节半波片和偏振片组合使激光能量在0.5mW左右(本实例中所用聚焦物镜为平凸透镜,f=100mm),扫描速度为40μm/s,扫描间距为6μm,调节线性移动平台运动150μm,350μm,750μm,1500μm,2250μm,得到脉冲延迟分别为1ps,3ps,5ps,10ps,15ps的双脉冲序列,进行加工。
通过本发明的实施例可以看出,基于电子动态调控激光加工半导体双级表面结构的方法,得到了传统脉冲激光加工半导体所不能得到的微纳复合双极结构,该方法具有加工周期短、成本低和重复性好的优点。
Claims (5)
1.基于电子动态调控激光加工半导体双级表面结构的方法,其特征在于:通过将中心波长为800nm的飞秒脉冲激光进行时域整形,产生整形的飞秒激光脉冲序列,在水辅助的条件下,通过设计时域整形脉冲序列,以调节加工过程中材料表面局部瞬时电子密度和电子温度,从而改变材料相变过程,进而获得微纳复合双极结构;
在所述时域整形光束后调节激光偏振方向能够调控材料表面的微纳复合双极结构,所述双极结构由微米级的突起和纳米级的表面周期结构组成,突起宽度在2μm左右,高度在0.5μm左右,纳米结构的周期在140nm左右。
2.如权利要求1所述的基于电子动态调控激光加工半导体双级表面结构的方法,其特征在于:所述时域整形的飞秒激光脉冲序列为多脉冲序列;脉冲序列中子脉冲能量比均相等。
3.如权利要求1所述的基于电子动态调控激光加工半导体双级表面结构的方法,其特征在于:所述材料包括硅半导体材料。
4.如权利要求1所述的基于电子动态调控激光加工半导体双级表面结构的方法,其特征在于:所述激光偏振方向包括线偏振、圆偏振和椭圆偏振。
5.实现如上述任一项权利要求所述的基于电子动态调控激光加工半导体双级表面结构的方法的装置,其特征在于:包括:飞秒激光器;半波片;P偏振片;脉冲整形装置;第一反射镜;第二反射镜;机械开关;二向色镜;分束镜;CCD成像系统;白光光源;聚焦物镜;待加工样品;六轴移动平台;计算机;
连接关系:飞秒激光器产生飞秒激光脉冲,脉冲依次经过半波片和P偏振片到达脉冲整形装置,脉冲整形装置输出整形的飞秒激光脉冲序列,之后经第一反射镜、第二反射镜、机械开关、二向色镜以及聚焦物镜垂直入射到待加工样品表面,待加工样品置于六轴移动平台上,计算机控制机械开关和六轴移动平台;白光光源发出白光,通过分束镜、二向色镜和聚焦物镜到达样品表面,样品表面反射的部分白光原路返回并被CCD成像系统收集从而可以直接观测加工过程。
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