CN115446449A - 制备黑硅的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备黑硅的方法，包括：将待处理材料设置在空气氛围中；在待处理材料的表面依据第一间距设置多个加工行；采用方形平顶光斑对所述多个加工行依次进行诱导加工；其中，相邻两个加工行诱导加工过程中，具有方形平顶光斑边长十分之一以下的重复加工区域。本发明提供的制备黑硅的方法，能够在空气氛围中以高效率制备出黑硅。

Description

制备黑硅的方法及装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种制备黑硅的方法及装置。
背景技术
目前多采用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。同时六氟化硫的尾气处理装置增加了激光设备的复杂性。其次800nm的激光器多为科研级激光，难以实现工程化应用，同时800nm激光器重复频率很低，多为1kHz，影响加工效率，难以实现量产。
发明内容
本发明提供的制备黑硅的方法及装置，能够在空气氛围中以高效率制备出黑硅。
第一方面，本发明提供一种制备黑硅的方法，包括：
将待处理材料设置在空气氛围中；
在待处理材料的表面依据第一间距设置多个加工行；
采用方形平顶光斑对所述多个加工行依次进行诱导加工；其中，相邻两个加工行诱导加工过程中，具有方形平顶光斑边长十分之一以下的重复加工区域。
可选地，所述方形平顶光斑的能量密度为1-2J/cm2。
可选地，每个加工行具有多个加工点位，单个加工点位内，采用100-800个脉冲形成的光斑进行加工。
可选地，在诱导加工过程中，使用的激光器输出功率5-15W，频率为500-700KHz，波长范围在650nm以下。
可选地，所述方形平顶光斑的边长为50μm-70μm。
可选地，还包括：
将所述待处理材料进行抛光，以使所述待处理材料具有平坦表面。
可选地，在诱导加工之前，采用负离焦的方式调节所述方形平顶光斑的边长。
第二方面，本发明提供一种制备黑硅的装置，包括：
激光器，用于发出圆形高斯光束；
整形透镜，设置在所述圆形高斯光束的传播路径上，以使所述圆形高斯光束转换为方形平顶光束；
聚焦镜，设置在所述方形平顶光束的传播路径上，以使所述方形平顶光束聚焦；
载物平台，设置在所述方形平顶光斑在所述聚焦镜之后的传播路径上，以使方形平顶光束在所述载物平台承载的待处理材料上形成方形平顶光斑。
可选地，所述载物平台承载待处理材料时，所述待处理材料的上表面与聚焦透镜的距离，大于所述聚焦镜的焦距。
可选地，所述载物平台能够在水平面内的两个垂直方向上平移，以使所述方形平顶光斑相对于待处理材料运动。
在本发明提供的技术方案中，采用方形平顶光斑进行诱导加工，方形平顶光斑的能量均匀分布，其覆盖局域均具有相同的能量，因此，不存在未达到诱导能量阈值的区域，单条路径加工的边缘更加的平直。方形光斑的不存在无效的覆盖区域，加工后的表面不会出现已发生变形但未形成尖锥结构的区域，因此，有效的减少了飞溅的材料，避免了在当前加工路径之外的区域形成杂质堆积，同时，在开放的空气氛围中，也能够有效避免飞溅物聚集，进一步避免杂质堆积的形成。进一步地，由于方形平顶光斑几乎不存在无效的覆盖区域，因此，可以将间距设置的足够大，相邻两条加工行的光斑覆盖区域的重合范围足够小，有效的提高了加工速度。
附图说明
图1为本发明一实施例制备黑硅的方法的流程图；
图2为本发明另一实施例制备黑硅的装置示意图；
图3为本发明一实施例制备黑硅的方法制备的黑硅的照片；
图4为本发明一实施例制备黑硅的方法制备的黑硅的扫描电镜照片；
图5为本发明一实施例制备黑硅的方法制备的黑硅的吸收率曲线。
图中：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为第三反射镜；6为聚焦镜；7为抛光后的硅材料；8为载物平台。
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制备黑硅的方法，如图1所示，包括：
步骤100，将待处理材料设置在空气氛围中；
在一些实施例中，将待处理材料设置与空气氛围中具有两个优势，其一是无需使用有毒有害的化工气体，其二是在开放的环境中，能够避免飞溅材料的聚集，减少待处理材料的表面产生杂质堆积。
步骤200，在待处理材料的表面依据第一间距设置多个加工行；
在一些实施例中，第一间距是预先依据激光光斑的尺寸设置的，相邻两个加工行沿加工方向的中心线之间的距离即为两个加工行之间的间距。由于光斑尺寸与能量密度是关联的，且，对激光进行诱导加工过程中，其能量密度是需要达到能使待处理材料表面形成尖锥结构。因此，需要确定能量密度后，再确定调节到对应能量密度时的光斑尺寸，再依据光斑尺寸进一步确定第一间距。
步骤300，采用方形平顶光斑对所述多个加工行依次进行诱导加工；其中，相邻两个加工行诱导加工过程中，具有方形平顶光斑边长十分之一以下的重复加工区域。
在一些实施例中，方形平顶光斑具有能量均匀的特点，其覆盖范围内的待处理材料都会形成尖锥结构，不会存在无效的覆盖区域。因此，可以尽可能的减少相邻两个加工行的诱导加工过程中的重复加工区域。但是，由于方形平顶光斑覆盖范围之外的部分与方形平顶光斑的覆盖范围内的区域具有较高的温度梯度，在方形平顶光斑的边缘位置处，会出现能量向外传递的情况，为了确保其边缘区域形成尖锥结构，又需要保证有部分重复加工区域。本步骤中，采用光斑边长的十分之一以下的重复加工区域，实现了相邻两个加工行之间的顺利衔接。
在本发明实施例提供的技术方案中，采用方形平顶光斑进行诱导加工，方形平顶光斑的能量均匀分布，其覆盖局域均具有相同的能量，因此，不存在未达到诱导能量阈值的区域，单条路径加工的边缘更加的平直。方形光斑的不存在无效的覆盖区域，加工后的表面不会出现已发生变形但未形成尖锥结构的区域，因此，有效的减少了飞溅的材料，避免了在当前加工路径之外的区域形成杂质堆积，同时，在开放的空气氛围中，也能够有效避免飞溅物聚集，进一步避免杂质堆积的形成。进一步地，由于方形平顶光斑几乎不存在无效的覆盖区域，因此，可以将间距设置的足够大，相邻两条加工行的光斑覆盖区域的重合范围足够小，有效的提高了加工速度。
作为一种可选的实施方式，所述方形平顶光斑的能量密度为1-2J/cm2。在一些实施例中，方形光斑需要对其覆盖范围内的待处理材料进行诱导形成尖锥结构，因此，方形光斑需要较高的能量密度，本实施方式中采用1-2J/cm2的能量密度进行处理。
作为一种可选的实施方式，每个加工行具有多个加工点位，单个加工点位内，采用100-800个脉冲形成的光斑进行加工。在一些实施例中，激光通常以脉冲的形式进行输出，即，一个脉冲到来时，向外输出激光，没有脉冲到来时，则不输出激光。单个加工点位的脉冲数量决定了单个加工行的加工速度。在一些优选的实施方式中，光斑与待处理材料可以连续的相对运动，这种情况下，相对运动的距离达到方形平顶光斑的边长时，经过的时间输出100-800个脉冲形成的光斑。此时，尽管该100-800个脉冲覆盖范围并不重合，但是在连续加工过程中，每个点位都经过了100-800个脉冲形成的光斑。在另一些优选的实施方式中，光斑与待处理材料可以断续的相对运动，每步进一次，停留100-800个脉冲的时间。在这种情况下，相邻步进位置之间可以存在重合的加工区域，该重合的加工区域应当比相邻两个加工行之间重合的加工区域范围更小，例如方形平顶光斑边长的二十分之一。
作为一种可选的实施方式，在诱导加工过程中，使用的激光器输出功率5-15W，频率为500-700KHz，波长范围在650nm以下。
作为一种可选的实施方式，所述方形平顶光斑的边长为50μm-70μm。
作为一种可选的实施方式，还包括：
将所述待处理材料进行抛光，以使所述待处理材料具有平坦表面。在一些实施例中，由于方形平顶光束的能量是均匀分布的，因此，待处理材料的表面平坦程度将对光斑的能量起到影响，为了提高光斑能量分布的均匀性，本实施方式中对待处理材料进行抛光处理。
作为一种可选的实施方式，在诱导加工之前，采用负离焦的方式调节所述方形平顶光斑的边长。在一些实施方式中，负离焦的方式是指待处理材料表面与透镜之间的距离大于透镜的焦距，正离焦的方式是指待处理材料表面与透镜之间的距离小于透镜的焦距。两种离焦方式都能够有效的放大光斑尺寸，但是，正离焦的方式使焦点位于待处理材料内部，会导致待处理材料从焦点处形成裂纹而造成材料的缺陷，因此，本实施方式中采用负离焦的方式。
本发明实施例提供一种制备黑硅的装置，如图2所示，包括：
激光器1，用于发出圆形高斯光束；
在一些实施例中，激光器1发出的圆形高斯光束可以通过第一反射镜2和第二反射镜3进行传播方向的改变。
整形透镜4，设置在所述圆形高斯光束的传播路径上，以使所述圆形高斯光束转换为方形平顶光束；
在一些实施例中，整形透镜4能够对圆形高斯光束进行整形，将圆形高斯光束变换为方形平顶光束，方形平顶光束是一种能量均匀分布的光束。改变后的方形平顶光束可以通过第三反射镜5改变其传播方向。
聚焦镜6，设置在所述方形平顶光束的传播路径上，以使所述方形平顶光束聚焦；
在一些实施例中，聚焦镜6能够对光束进行聚焦，在调节光斑参数时，也可以通过调节聚焦镜6与待处理材料7之间的距离来调整光斑的尺寸和能量密度。
载物平台8，设置在所述方形平顶光斑在所述聚焦镜6之后的传播路径上，以使方形平顶光束在所述载物平台8承载的待处理材料7上形成方形平顶光斑。
在一些实施例中，载物平台8与聚焦镜6之间不存在任何中间物，而是将聚焦镜6之后的光束直接在待处理材料7上形成光斑。
在本发明提供的技术方案中，采用方形平顶光斑进行诱导加工，方形平顶光斑的能量均匀分布，其覆盖局域均具有相同的能量，因此，不存在未达到诱导能量阈值的区域，单条路径加工的边缘更加的平直。方形光斑的不存在无效的覆盖区域，加工后的表面不会出现已发生变形但未形成尖锥结构的区域，因此，有效的减少了飞溅的材料，避免了在当前加工路径之外的区域形成杂质堆积，同时，在开放的空气氛围中，也能够有效避免飞溅物聚集，进一步避免杂质堆积的形成。进一步地，由于方形平顶光斑几乎不存在无效的覆盖区域，因此，可以将间距设置的足够大，相邻两条加工行的光斑覆盖区域的重合范围足够小，有效的提高了加工速度。
作为一种可选的实施方式，所述载物平台8承载待处理材料7时，所述待处理材料7的上表面与聚焦透镜的距离，大于所述聚焦镜6的焦距。在一些实施例中，负离焦的方式是指待处理材料7表面与透镜之间的距离大于透镜的焦距，正离焦的方式是指待处理材料7表面与透镜之间的距离小于透镜的焦距。两种离焦方式都能够有效的放大光斑尺寸，但是，正离焦的方式使焦点位于待处理材料7内部，会导致待处理材料7从焦点处形成裂纹而造成材料的缺陷，因此，本实施方式中采用负离焦的方式。
作为一种可选的实施方式，所述载物平台8能够在水平面内的两个垂直方向上平移，以使所述方形平顶光斑相对于待处理材料7运动。在一些实施例中，本实施方式中采用载物平台8平移的方式实现光斑与待处理材料7的相对运动，而非振镜系统。这是由于平移的运动方式能够确保待处理材料7与透镜之间的距离始终保持一致，有利于整个加工过程中的能量分布均匀。而振镜系统，随着光路角度的变化，在光路方向上，待处理材料7与透镜的距离会发生微小的变化，不利于整个加工过程的能量均匀分布。
如下，采用一种示例性实施方式对本发明提供的技术方案进行说明：
本实施例提供一种制备黑硅的方法，采用波长515nm、脉宽为600fs的超快激光器对的硅片区域进行诱导加工，激光重复频率为600kHz，输出功率为7W，采用负离焦方式将作用方形光斑边长调至55μm；激光诱导参数：光斑能量密度为1.3J/cm2，加工区域内的单点重复光斑数为700个。加工后的样品如图3所示，可见整块诱导区域黑化程度很高，与周围原本的材料形成明显对比。通过扫描电子显微镜对诱导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9μm以上，如图4所示。最后，测试了样品对300nm-2.5μm波段的吸收率，结果如图5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。在可见光波段范围，可以使用空气气氛环境取代硫系环境，制备黑硅材料。
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)

1.一种制备黑硅的方法，其特征在于，包括：
将待处理材料设置在空气氛围中；
在待处理材料的表面依据第一间距设置多个加工行；
采用方形平顶光斑对所述多个加工行依次进行诱导加工；其中，相邻两个加工行诱导加工过程中，具有方形平顶光斑边长十分之一以下的重复加工区域。
2.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能量密度为1-2J/cm2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个加工行具有多个加工点位，单个加工点位内，采用100-800个脉冲形成的光斑进行加工。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在诱导加工过程中，使用的激光器输出功率5-15W，频率为500-700KHz，波长范围在650nm以下。
5.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为50μm-70μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述待处理材料进行抛光，以使所述待处理材料具有平坦表面。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在诱导加工之前，采用负离焦的方式调节所述方形平顶光斑的边长。
8.一种制备黑硅的装置，其特征在于，包括：
激光器，用于发出圆形高斯光束；
整形透镜，设置在所述圆形高斯光束的传播路径上，以使所述圆形高斯光束转换为方形平顶光束；
聚焦镜，设置在所述方形平顶光束的传播路径上，以使所述方形平顶光束聚焦；
载物平台，设置在所述方形平顶光斑在所述聚焦镜之后的传播路径上，以使方形平顶光束在所述载物平台承载的待处理材料上形成方形平顶光斑。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述载物平台承载待处理材料时，所述待处理材料的上表面与聚焦透镜的距离，大于所述聚焦镜的焦距。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述载物平台能够在水平面内的两个垂直方向上平移，以使所述方形平顶光斑相对于待处理材料运动。
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