CN115446448A - 黑硅的制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种黑硅的制备方法及装置，包括：当前加工路径不是第一条加工路径时，对当前加工路径以方形平顶光斑进行至少一次激光清洗，以去除前一加工路径激光诱导过程中在当前加工路径沉积的杂质；对当前加工路径以圆形高斯光斑进行激光诱导，以使当前加工路径形成黑硅；其中，所述方形平顶光斑的能量密度是所述圆形高斯光斑能量密度的0.08～0.25倍。本发明提供的黑硅的制备方法及装置，能够在空气氛围下对硅片进行加工，在保持了黑硅性能的前提下，减少了对人体的伤害，降低了加工成本和设备的复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种黑硅的制备方法及装置。
背景技术
现有的硅片诱导扫描技术中，通常采用800nm、1030nm或1064nm的飞秒激光器和圆形高斯光斑对在SF6气体氛围中的硅片直接进行诱导扫描，可以获得对300nm-2500nm波段吸收率高于90％的黑硅材料。然而SF6气体是一种温室效应气体，其对温室效应产生的影响是二氧化碳分子的25000倍，同时排放在大气中的六氟化硫(SF6)气体寿命特长，约3400年。六氟化硫是一种窒息剂，在高浓度下会造成人员呼吸困难、喘息、皮肤和黏膜变蓝、全身痉挛。吸入80％六氟化硫+20％的氧气的混合气体几分钟后，人体会出现四肢麻木，甚至窒息死亡。为了避免这种情况，通常采用增加六氟化硫的尾气处理装置，但是该装置增加了激光设备的复杂性，增加了成本，且空间利用性不高。
发明内容
本发明提供的黑硅的制备方法及装置，能够在空气氛围下对硅片进行加工，在保持了黑硅性能的前提下，减少了对人体的伤害，降低了加工成本和设备的复杂性。
第一方面，本发明提供一种黑硅的制备方法，包括：
当前加工路径不是第一条加工路径时，对当前加工路径以方形平顶光斑进行至少一次激光清洗，以去除前一加工路径激光诱导过程中在当前加工路径沉积的杂质；
对当前加工路径以圆形高斯光斑进行激光诱导，以使当前加工路径形成黑硅；其中，所述方形平顶光斑的能量密度是所述圆形高斯光斑能量密度的0.08～0.25倍。
可选地，当前加工路径是第一条加工路径时，对当前加工路径以圆形高斯光斑进行激光诱导。
可选地，所述当前加工路径与前一加工路径之间的间隔为所述圆形高斯光斑直径的1/5～5/7。
可选地，所述圆形高斯光斑的直径为70-100μm；当前加工路径与前一加工路径之间的间隔为20-50μm。
可选地，对当前加工路径以方形平顶光斑进行至少一次激光清洗，包括：将整形透镜移动到圆形高斯光束的传播路径中，以使所述圆形高斯光束穿过所述整形透镜后形成方形平顶光束；
对当前加工路径以圆形高斯光斑进行激光诱导，包括：将整形透镜从圆形高斯光束的传播路径中移出。
可选地，在所述激光清洗和所述激光诱导过程中，光斑与待加工材料的相对移动速度为20-100mm/s。
可选地，在所述激光清洗和所述激光诱导过程中，激光发生器的输出功率为1-10W，频率为400-500KHz，脉冲宽度范围在650nm以下。
可选地，所述圆形高斯光斑的能量密度为2-2.5J/cm2；所述方形平顶光斑的能量密度为0.2-0.5J/cm2。
可选地，所述方形平顶光斑的边长大于所述圆形高斯光斑的直径，以使所述方形平顶光斑在对当前加工路径的激光清洗过程中，实现对前一加工路径的二次激光处理。
第二方面，本发明提供一种黑硅的制备装置，包括：
激光发生模块，用于产生圆形高斯光束；
整形透镜模块，具有整形透镜和驱动模块，所述驱动模块用于驱动所述整形透镜在第一状态和第二状态之间转换；所述第一状态为所述整形透镜在所述圆形高斯光束的传播路径中的状态，以将所述圆形高斯光束转换为方形平顶光束；所述第二状态为所述整形透镜在所述圆形高斯光束的传播路径之外的状态，以使所述圆形高斯光束保持不变；其中，所述方形平顶光束形成的光斑能量密度是所述圆形高斯光束形成的光斑能量密度的0.08～0.25倍；
控制模块，用于当前加工路径不是第一条加工路径时，控制整形透镜模块的整形透镜转换为第一状态，并在完成激光清洗之后控制整形透镜模块的整形透镜转换为第二状态；
承载模块，用于承载待加工材料，所述承载模块设置在所述整形透镜模块之后的激光传播路径中，以使所述圆形高斯光束或者所述方形平顶光束在所述待加工材料上形成光斑。
本发明提供的技术方案，在前一加工路径加工完成之后，采用方形平顶激光在下一加工路径进行激光清洗，使用能量均匀的方形平顶光斑基于激光等离子体清洗的原理去除掉硅表面的纳米级堆积物，再采用圆形高斯光斑对激光清洗完成后的区域进行诱导加工，形成黑硅。使用方形平顶光斑的超快激光与材料相互作用，能够产生等离子体，随着激光能量的吸收，在等离子体羽流中发生气化和电离，并且随着等离子体的扩展产生高温(>104K)和高压(>1GPa)，最后等离子体爆炸产生冲击波和高温气流，从而去除掉堆积的纳米颗粒。这种加工方式，使用空气取代六氟化硫气体，减少对环境和人体的影响，节省成本，降低激光设备复杂性。
附图说明
图1为本发明一实施例黑硅的制备方法的流程图；
图2为本发明另一实施例黑硅的制备装置的示意图；
图3为本发明另一实施例黑硅的制备方法制备的黑硅的扫描电镜形貌；
图4为本发明另一实施例黑硅的制备方法制备的黑硅的吸收特性曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种黑硅的制备方法，如图1所示，包括：
步骤100，当前加工路径不是第一条加工路径时，对当前加工路径以方形平顶光斑进行至少一次激光清洗，以去除前一加工路径激光诱导过程中在当前加工路径沉积的杂质；
在一些实施例中，在现有技术中，激光直接扫描诱导加工制备黑硅，超快激光扫描硅表面时，激光与硅材料相互作用，有硅材料从表面飞溅出来，因密闭腔室、六氟化硫气压以及自身颗粒物的重力，这些飞溅物堆积在加工区域周围的硅表面上，堆积物大多为硅氧化物。当激光对周围区域继续进行扫描加工时，堆积物会降低激光在该区域的诱导结构高度和硫原子掺杂浓度，继而最终降低所制备的大面积黑硅材料的吸收性能。在本实施方式中，则在空气气氛中采用激光扫描进行诱导加工，在加工过程中，不可避免的会产生杂质的飞溅，导致加工区域的周围形成堆积物，为了避免前一加工路径形成的堆积物对当前加工路径造成影响，当前加工路径不是第一条加工路径时，采用方形平顶光斑进行清洗。
步骤200，对当前加工路径以圆形高斯光斑进行激光诱导，以使当前加工路径形成黑硅；其中，所述方形平顶光斑的能量密度是所述圆形高斯光斑能量密度的0.08～0.25倍。
在一些实施例中，在完成激光清洗之后，采用圆形高斯光斑进行激光诱导，使得硅片表面形成高度为7-12μm的尖锥状微结构。在硅片表面形成尖锥装的微结构之后，300nm-2500nm波段的吸收率大于93％，在2.5μm-15μm波段的吸收率大于70％。由于激光清洗过程是执行于激光诱导过程之前的，为了避免激光清洗过程对激光诱导过程造成影响，应当尽可能的降低激光清洗过程中的能量密度，但是为了实现堆积物的彻底清除，又应当尽可能的提供足够的能量密度，因此，本实施方式中方形平顶光斑的能量密度是所述圆形高斯光斑能量密度的0.08～0.25倍。
本发明实施例提供的技术方案，在前一加工路径加工完成之后，采用方形平顶激光在下一加工路径进行激光清洗，使用能量均匀的方形平顶光斑基于激光等离子体清洗的原理去除掉硅表面的纳米级堆积物，再采用圆形高斯光斑对激光清洗完成后的区域进行诱导加工，形成黑硅。使用方形平顶光斑的超快激光与材料相互作用，能够产生等离子体，随着激光能量的吸收，在等离子体羽流中发生气化和电离，并且随着等离子体的扩展产生高温(>104K)和高压(>1GPa)，最后等离子体爆炸产生冲击波和高温气流，从而去除掉堆积的纳米颗粒。这种加工方式，使用空气取代六氟化硫气体，减少对环境和人体的影响，节省成本，降低激光设备复杂性。
作为一种可选的实施方式，当前加工路径是第一条加工路径时，对当前加工路径以圆形高斯光斑进行激光诱导。在一些实施例中，由于第一条加工路径之前并不存在其他加工路径，也就不存在杂质形成的堆积物。因此，在本实施方式中，当前加工路径是第一条加工路径时，不需要进行激光清洗，可以直接进行圆形高斯光斑的激光诱导加工。
作为一种可选的实施方式，所述当前加工路径与前一加工路径之间的间隔为所述圆形高斯光斑直径的1/5～5/7。在一些实施例中，由于高斯光斑的边缘能量较低，将两条加工路径之间的路径设置为小于圆形高斯光斑直径的范围，能够使得两条加工路径在激光诱导加工过程中在边缘区域形成重叠部分，能够形成良好的尖锥结构。
作为一种可选的实施方式，所述圆形高斯光斑的直径为70-100μm；当前加工路径与前一加工路径之间的间隔为20-50μm。在一些实施例中，圆形高斯光斑的角点直径为50微米左右，在本实施方式中，采用离焦的方式进行加工，使得待加工材料上形成70-100μm的圆形高斯光斑。两条加工路径之间的间隔明显小于高斯圆形光斑的直径，其作用以在前述的实施方式中予以说明，此处不再进行赘述。
作为一种可选的实施方式，对当前加工路径以方形平顶光斑进行至少一次激光清洗，包括：将整形透镜移动到圆形高斯光束的传播路径中，以使所述圆形高斯光束穿过所述整形透镜后形成方形平顶光束；
对当前加工路径以圆形高斯光斑进行激光诱导，包括：将整形透镜从圆形高斯光束的传播路径中移出。
在一些实施例中，对于圆形高斯光斑和方形平顶光斑来说，可以都采用圆形高斯光束实现，这样能够采用同一套激光发生模块和光路传播装置实现两种光斑的加工过程，降低了设备的成本。
作为一种可选的实施方式，在所述激光清洗和所述激光诱导过程中，光斑与待加工材料的相对移动速度为20-100mm/s。
作为一种可选的实施方式，在所述激光清洗和所述激光诱导过程中，激光发生器的输出功率为1-10W，频率为400-500KHz，脉冲宽度范围在650nm以下。
作为一种可选的实施方式，所述圆形高斯光斑的能量密度为2-2.5J/cm2；所述方形平顶光斑的能量密度为0.2-0.5J/cm2。
作为一种可选的实施方式，所述方形平顶光斑的边长大于所述圆形高斯光斑的直径，以使所述方形平顶光斑在对当前加工路径的激光清洗过程中，实现对前一加工路径的二次激光处理。在一些实施例中，由于在当前加工路径的加工过程中，也会产生少量的堆积物形成在当前加工路径的加工区域，因此，本实施方式中，清洗过程中采用较大的方形平顶光斑，能够在当前加工路径清洗过程中，对前一加工路径中的少量堆积物极性二次处理，有利于提高黑硅的性能。
本发明实施例还提供一种黑硅的制备装置，如图2所示，包括：
激光发生模块，用于产生圆形高斯光束；
整形透镜模块，具有整形透镜和驱动模块，所述驱动模块用于驱动所述整形透镜在第一状态和第二状态之间转换；所述第一状态为所述整形透镜在所述圆形高斯光束的传播路径中的状态，以将所述圆形高斯光束转换为方形平顶光束；所述第二状态为所述整形透镜在所述圆形高斯光束的传播路径之外的状态，以使所述圆形高斯光束保持不变；其中，所述方形平顶光束形成的光斑能量密度是所述圆形高斯光束形成的光斑能量密度的0.08～0.25倍；
控制模块，用于当前加工路径不是第一条加工路径时，控制整形透镜模块的整形透镜转换为第一状态，并在完成激光清洗之后控制整形透镜模块的整形透镜转换为第二状态；
承载模块，用于承载待加工材料，所述承载模块设置在所述整形透镜模块之后的激光传播路径中，以使所述圆形高斯光束或者所述方形平顶光束在所述待加工材料上形成光斑。
在图2中，1为激光器；2为第一反射镜；3为第二反射镜；4为整形镜片；5为镜片旋转轮；6为不加镜片的镜片孔；7为第三反射镜；8为聚焦镜；9为硅材料；10为承载模块。在本实施方式中，可以将激光器1、第一反射镜2和第二反射镜3作为激光发生模块，将整形镜片4、镜片旋转轮5和镜片孔6作为整形透镜模块。在加工过程中，镜片旋转轮5一边装入整形镜片4，一边不加入镜片；在加工过程中使镜片旋转轮5旋转，激光经过整形镜片4时，圆形高斯光斑转换为方形平顶光斑；激光从不加入镜片的镜片孔6通过，依旧为圆形高斯光斑。可以设置镜片旋转轮5的旋转速度，使用方形平顶光斑进行激光清洗时，使激光正中心通过整形镜片4；使用圆形高斯光斑进行激光诱导时，激光正中心通过不加镜片的孔6。对于光斑与待加工材料的相对移动来说，可采用承载模块的水平移动来实现，也可以采用振镜系统驱动光束的移动来实现，或者采用两者结合的形式来实现。
如下为本发明提供的一种实施例性实施例：本实施例提供一种制备黑硅的方法，采用波长515nm、脉宽为400fs的超快激光器对的硅片区域进行刻蚀加工，激光重复频率为420kHz，采用负离焦方式将作用光斑直径调至80μm，加工行间距为40μm；激光诱导参数：光斑能量密度为2.2J/cm2，激光扫描速度为40mm/s；激光清洗参数：光斑能量密度为0.2J/cm2，激光扫描速度为20mm/s，激光清洗扫描次数为2次。加工后的样品通过扫描电子显微镜对刻蚀区域的微观形貌进行观测，发现整块区域由大量的尖锥状微结构构成，整体清晰致密，尖锥结构高度均在10μm以上，如图3所示。最后，测试了样品对300nm-15μm波段的吸收率，结果如图4所示，可见，所得黑硅样品对整个测试波段具有很好的吸收特性，0.3-2.5μm波段范围吸收率均在98％左右，2.5-15μm波段范围吸收率在75％以上。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种黑硅的制备方法，其特征在于，包括：
当前加工路径不是第一条加工路径时，对当前加工路径以方形平顶光斑进行至少一次激光清洗，以去除前一加工路径激光诱导过程中在当前加工路径沉积的杂质；
对当前加工路径以圆形高斯光斑进行激光诱导，以使当前加工路径形成黑硅；其中，所述方形平顶光斑的能量密度是所述圆形高斯光斑能量密度的0.08～0.25倍。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当前加工路径是第一条加工路径时，对当前加工路径以圆形高斯光斑进行激光诱导。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前加工路径与前一加工路径之间的间隔为所述圆形高斯光斑直径的1/5～5/7。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述圆形高斯光斑的直径为70-100μm；当前加工路径与前一加工路径之间的间隔为20-50μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对当前加工路径以方形平顶光斑进行至少一次激光清洗，包括：将整形透镜移动到圆形高斯光束的传播路径中，以使所述圆形高斯光束穿过所述整形透镜后形成方形平顶光束；
对当前加工路径以圆形高斯光斑进行激光诱导，包括：将整形透镜从圆形高斯光束的传播路径中移出。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述激光清洗和所述激光诱导过程中，光斑与待加工材料的相对移动速度为20-100mm/s。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述激光清洗和所述激光诱导过程中，激光发生器的输出功率为1-10W，频率为400-500KHz，脉冲宽度范围在650nm以下。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述圆形高斯光斑的能量密度为2-2.5J/cm2；所述方形平顶光斑的能量密度为0.2-0.5J/cm2。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方形平顶光斑的边长大于所述圆形高斯光斑的直径，以使所述方形平顶光斑在对当前加工路径的激光清洗过程中，实现对前一加工路径的二次激光处理。
10.一种黑硅的制备装置，其特征在于，包括：
激光发生模块，用于产生圆形高斯光束；
整形透镜模块，具有整形透镜和驱动模块，所述驱动模块用于驱动所述整形透镜在第一状态和第二状态之间转换；所述第一状态为所述整形透镜在所述圆形高斯光束的传播路径中的状态，以将所述圆形高斯光束转换为方形平顶光束；所述第二状态为所述整形透镜在所述圆形高斯光束的传播路径之外的状态，以使所述圆形高斯光束保持不变；其中，所述方形平顶光束形成的光斑能量密度是所述圆形高斯光束形成的光斑能量密度的0.08～0.25倍；
控制模块，用于当前加工路径不是第一条加工路径时，控制整形透镜模块的整形透镜转换为第一状态，并在完成激光清洗之后控制整形透镜模块的整形透镜转换为第二状态；
承载模块，用于承载待加工材料，所述承载模块设置在所述整形透镜模块之后的激光传播路径中，以使所述圆形高斯光束或者所述方形平顶光束在所述待加工材料上形成光斑。
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| CN (1) | CN115446448A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115475803A (zh) * | 2022-09-21 | 2022-12-16 | 中国科学院微电子研究所 | 陷光结构制备方法 |
-
2022
- 2022-09-21 CN CN202211154726.1A patent/CN115446448A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115475803A (zh) * | 2022-09-21 | 2022-12-16 | 中国科学院微电子研究所 | 陷光结构制备方法 |
| CN115475803B (zh) * | 2022-09-21 | 2024-03-19 | 中国科学院微电子研究所 | 陷光结构制备方法 |
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