CN111250874A - 多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法 - Google Patents

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韩冰
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于彩芸
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Abstract

本发明提出了一种多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法，包括：单面抛光的半导体材料；将激光从半导体材料抛光面垂直入射，在半导体材料表面被吸收，在半导体材料抛光面一侧表面形成LIPSS。通过本发明制得LIPSS能够改变材料的润湿特性、材料的生物相容性、调节材料表面催化反应效率以及改变材料表面的光学特性。

Description

多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法
技术领域
本发明涉及半导体材料表面周期性结构制备技术，尤其是一种多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法。
背景技术
半导体材料表面微纳尺度周期性结构(PSS)能够改变材料的光学，机械或化学性质等性能，从而在光学、电子学、摩擦学、医学等领域得到应用。制备材料表面微纳尺度结构，即通过某种方法在原材料表面上形成具有某种特定形状的基本结构单元，这种基本结构单元的尺寸控制在微米或者纳米量级。基于生长的自下而上方法和基于去除的自上而下方法都可以在材料表面上实现这种基本结构单元的制备。比如在自上而下的方法中，利用激光辐照材料表面就是一种诱发材料自组织效应形成PSS的技术手段，即激光诱导周期性表面结构(LIPSS)，或称为ripples。LIPSS是一种具有一定缺陷但是高度周期性的栅状结构，可由多种激光辐照在几乎所有类型的材料表面产生。例如在文献“Hendrikson,W.,et al.(2016)."Mold-Based Application of Laser-Induced Periodic Surface Structures(LIPSS)on Biomaterials for Nanoscale Patterning."Macromolecular Bioscience 16(1):43-49.”、和“
Figure BDA0002384285780000011
Bonse,Kirner S V,Sandra
Figure BDA0002384285780000012
et al.Applications of laser-induced periodic surface structures(LIPSS)[C]//Laser-based Micro-and Nanoprocessing XI.International Society for Optics and Photonics,2017.”中表明LIPSS可以在生物材料、金属、半导体、聚合物薄膜等多种材料表面产生。现有用于硅或锗等半导体材料LIPSS加工的方法采用的激光光源多为飞秒激光，但飞秒激光价格昂贵、操作复杂，并不适合用于大规模工业生产。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法，解决现有技术制备半导体材料表面周期性结构步骤复杂，环境条件要求苛刻，设备昂贵的问题。
实现本发明的技术解决方案为：一种多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法，具体步骤为：
步骤1、将激光从将激光从半导体材料抛光面垂直入射，并在抛光面一侧表面形成LIPSS，其中，所述激光单脉冲能量密度的范围为烧蚀阈值的0.2到0.9倍。
优选地，步骤1中所述半导体材料厚度在50μm到10mm之间。
优选地，步骤1中的激光为线偏振光，脉宽为8ps，脉冲个数在1到50个之间，且半导体材料表面的激光焦斑直径在220μm到450μm之间。
优选地，激光入射到半导体材料表面的焦斑直径为420μm。
优选地，激光波长范围为530nm到540nm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)通过本发明在半导体材料上产生的LIPSS能够改变材料的润湿特性、材料的生物相容性、调节材料表面催化反应效率以及改变材料表面的光学特性；2)本发明适用于在非平面半导体材料表面形成LIPSS；3)本发明适用于在半导体材料表面产生结构色；4)本发明适用于在MEMS器件表面形成LIPSS；5)本发明可以在大气环境中进行；6)本发明所采用的皮秒激光光源成本大幅降低，且操作维护简便，更适用于大规模工业加工。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为半导体材料表面激光诱导周期性结构(LIPSS)产生示意图。
图2为实施例1Si基片表面产生LIPSS的光学显微镜扫描结果示意图。
图3为实施例1Si基片表面产生LIPSS的(a)原子力显微镜扫描结果及(b)横截面示意图。
图4为实施例1激光在Si基片表面诱导产生LIPSS周期随激光能量密度变化而改变的结果示意图。
图5为实施例1激光在Si基片表面诱导产生LIPSS深度随激光脉冲个数变化而改变的结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法，通过本发明所形成的LIPSS参数与所使用的激光参数密切相关，通过改变激光参数对LIPSS参数进行控制，参照由前序实验结果得到的激光参数与结构参数相对应的数据，则可以通过多个皮秒激光脉冲在半导体材料表面产生周期可控的LIPSS。所用激光单脉冲能量密度小于材料烧蚀阈值，因此不会造成裂纹、表面粗糙度较高的烧蚀坑、或者环状烧蚀形貌。本发明与现在广泛使用方法的不同点为使用了更便于大规模加工的皮秒激光作为光源，具体为：
步骤1、将固定个数的皮秒脉冲激光从与单面抛光的半导体材料抛光一面入射，激光在材料抛光表面被吸收，并在半导体材料抛光的一侧表面形成LIPSS，其中，所述激光单脉冲能量密度的范围为烧蚀阈值的0.2到0.9倍。激光被吸收层吸收后，在材料表面产生等离子体，进而加热材料表面，产生材料的熔融、气化、以及冲击波辐射。如图2所示，半导体材料表面形成的LIPSS具有各向同性特征，其栅状结构(即条纹状)的取向一致，并且具有大于激光波长的平均周期。能够有效产生LIPSS的激光能量密度取决于待加工材料种类、作用激光脉宽、波长以及脉冲个数。通过各种应用实例发现LIPSS周期随作用激光能量密度增加而增加，如图4所示。
进一步的实施例中，所述激光单脉冲能量密度在0.15J/cm2到0.4J/cm2之间。如图4所示，脉冲个数都为50个的情况下，通过改变作用激光的能量密度调节LIPSS周期，即加大激光能量密度有助于增加LIPSS周期。
进一步的实施例中，步骤1中所述半导体材料厚度在500μm到10mm之间。在某些实施例中，半导体材料选用Si、Ge、或者ITO。
进一步的实施例中，步骤1中的激光为线偏振光，脉宽15ps，脉冲个数在1到50个之间，且材料表面的激光焦斑直径在220μm到420μm之间。如图5所示，能量密度都为0.17J/cm2的情况下，通过改变激光脉冲个数调节LIPSS深度，即增大激光脉冲个数有助于增加LIPSS深度。
进一步的实施例中，步骤1中激光入射到半导体材料表面的焦斑直径为420μm。
进一步的实施例中，步骤1中激光波长大于350nm。
进一步的实施例中，激光波长范围为530nm到540nm。
实施例1
以Si基片表面LIPSS的蚀刻过程为例详细描述本发明的技术方案。
(1)采用直径2.5cm、厚500μm、单面抛光Si基片。
(2)选用波长532nm、脉宽8ps、线偏振激光作为作用光源，激光从Si基片抛光一侧(正面)入射。
(3)选用150mm焦距透镜聚焦作用激光束，使得激光焦点位于抛光表面后10.5mm处。
(4)材料表面上激光能量密度0.17J/cm2。
(5)通过50个脉冲激光作用，激光辐照区域的中间层、吸收层和约束层介质同时被移除，Si基片上抛光一侧表面将产生周期在1.25μm到1.32μm之间的LIPSS。
本实施例适用于在半导体材料表面形成周期在500nm到2000nm的栅状周期性结构(LIPSS)，并通过改变激光参数调节LIPSS周期。通过多脉冲激光作用实现半导体材料表面LIPSS成型，并使得激光能量密度小于材料烧蚀阈值。通过调节激光能量密度能够调节LIPSS周期以及深度。

Claims (5)

1.一种多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法，其特征在于可以通过单步骤在材料表面生成周期性结构，具体步骤为：
步骤1、将激光从将激光从半导体材料抛光面垂直入射，并在抛光面一侧表面形成LIPSS，其中，所述激光单脉冲能量密度的范围为烧蚀阈值的0.2到0.9倍。
2.根据权利要求1所述的多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法，其特征在于，步骤1中所述半导体材料厚度在500μm到10mm之间。
3.根据权利要求1所述的多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法，其特征在于，步骤1中的激光为线偏振光，脉宽为8ps，脉冲个数在1到50个之间，且半导体材料表面的激光焦斑直径在150μm到450μm之间。
4.根据权利要求3所述的多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法，其特征在于，步骤1中激光入射到半导体材料表面的焦斑直径为420μm。
5.根据权利要求1所述的多脉冲皮秒激光诱导半导体材料表面周期性结构的方法，其特征在于，激光波长范围为530nm到540nm。
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