多光束納秒紫外激光制作硅表面微結(jié)構(gòu)

《多光束納秒紫外激光制作硅表面微結(jié)構(gòu)》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、第３８卷第１０期２００９年１０月　　　　　　　　　　　　光　子　學(xué)　報ＡＣＴＡＰＨＯＴＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．８Ｎｏ．０Ｏｃｔｏｂｅｒ２００９多光束納秒紫外激光制作硅表面微結(jié)構(gòu)朱冀梁，張恒，陳林森，李曉建，周小紅（蘇州大學(xué)信息光學(xué)工程研究所，江蘇蘇州２１５００６）摘　要：使用波長３５１ｎｍ的半導(dǎo)體泵浦全固態(tài)脈沖激光器作為光源，經(jīng)過位相光柵分束，形成干涉光場，在硅表面直接刻蝕微結(jié)構(gòu)，制作了周期為０．５μｍ，槽深可達(dá)５５ｎｍ的一維微光柵和周期為１．５μｍ，刻蝕深度４５ｎｍ的正交微光柵結(jié)構(gòu)．給出了

2、微光柵形貌結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡的測量結(jié)果．正交微光柵的一級衍射效率在１．％～６．％之間．該研究是改變硅表面微結(jié)構(gòu)，優(yōu)化硅材料特性的一種新方法，并擴(kuò)展了大功率激光刻蝕在表面微加工領(lǐng)域的應(yīng)用．關(guān)鍵詞：光柵微結(jié)構(gòu)；刻蝕；衍射效率；硅中圖分類號ＴＮ２４９；ＴＨ７４４．　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：　　　文章編號：００４４２１３（００９）０２４６３５０　引言隨著激光技術(shù)的不斷成熟和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，激光光刻技術(shù)有了長足的進(jìn)步并且廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工的各個領(lǐng)域［１７］．許麗［２］，王海旭［３］等利用飛秒激光

3、與其誘導(dǎo)出的等離子波相干作用在單晶硅表面生成了納米光柵結(jié)構(gòu)．Ｔ．Ｋｏｎｄｏ等［６］利用衍射分束器ＤｉｆｒａｃｔｏｎＢｅａｍＳｐｌｔｅｒ，ＤＢＳ）實現(xiàn)了對復(fù)雜的２Ｄ或者３Ｄ周期結(jié)構(gòu)的加工．美國［］加工條件獲取了亞微米尺寸的金字塔結(jié)構(gòu)．硅以其特有的光電特性，受到越來越多的關(guān)注［２，４，８］，高衍射效率的表面微結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)硅材料對光能的利用效率，二維微光柵結(jié)構(gòu)能夠減少表面反射率［９］．因此改變硅表面微結(jié)構(gòu)的實驗研究在當(dāng)今的太陽能電池研發(fā)領(lǐng)域有著尤其重要的意義．激光刻蝕通常是利用高功率激光作用于材料表面，材料吸收激

4、光能量而快速升溫，發(fā)生熔融、氣化等物理過程，使部分材料物質(zhì)被去除，由此來改變物體的表面形貌．目前，很多激光微加工方法在刻蝕過程中需要各種掩膜，工序較多，成本較高；加工結(jié)構(gòu)的微細(xì)程度也受限制于單束激光產(chǎn)生的光斑尺寸．這些方法［１１～１５］大多使用短波長的準(zhǔn)分子激光或飛秒激光，對環(huán)境的要求高，難以應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)．本文采用半導(dǎo)體泵浦全固態(tài)脈沖激光器（ＤｉｏｄｅＰｕｍｐｅｄＳｏｌｄＳｔａｔｅＬａｓｅｒＤＰＳＳＬ）作為光源，分別用雙光束和四光束進(jìn)行了干涉刻蝕實驗，在硅材料表面制作了一維和二維正交微光柵結(jié)構(gòu)．這種在硅

5、表面直接進(jìn)行微加工的方法，工藝簡潔，運(yùn)行效率和刻蝕微結(jié)構(gòu)精細(xì)程度較高．１　光刻系統(tǒng)和實驗實驗所用光刻系統(tǒng)如圖１．其中ＤＰＳＳＬ激光器的參量為波長３５１ｎｍ、脈沖寬度２０ｎｓ、重復(fù)頻率１ｋＨｚ、輸出脈沖能量０～２ｍＪ，出射光束直徑為０．ｍｍ．圖１　光刻系統(tǒng)Ｆｉｇ．?。模椋纾颍幔恚铮妫铮穑簦悖幔欤簦瑁铮纾颍幔穑瑁椋螅螅簦澹砉馐蜗到y(tǒng)πＳｈａｐｅｒ?qū)⒓す獬矢咚狗植嫉哪芰哭D(zhuǎn)為矩形分布，入射波形和出射波形如圖２．圖２　光束整形Ｆｉｇ．?。模椋纾颍幔恚铮妫螅瑁幔穑椋睿纾簦瑁澹猓澹幔恚螅濯尝L國家８６３項目（０

6、０６ＡＡ０４Ｚ３１８）和國家自然科學(xué)基金（０７７７０３９）資助Ｔｅ：５１２６５１１２７１１Ｅｍａｌ：ｕｌａｎ１０２１０９１６＠ｈｏｔｍａｌ．ｏｍ光束通過置于透鏡Ｌ１前焦面上的方孔光闌Ａｐｅｒｔｕｒｅ后，經(jīng)雙遠(yuǎn)心投影縮微透鏡組Ｌ１和Ｌ２（Ｌ１＝４犳Ｌ２，縮小倍率為４．）縮小得方形光點(diǎn)．位于收稿日期：００８１０２２修回日期：００８１２３１透鏡Ｌ前焦面上的分束器Ｂｅａｍｓｐｌｔｅｒ中放置了３１５２８３：５Ａ１２１Ｈａｒｖａｒｄ大學(xué)的Ｍａｚｕｒ小組７通過控制飛秒激光的（ｆｉｉｉ，８１ａｉｌｉｃ２ａ２６ｌ０ｉｊ

7、ｉｉｃ２２３ｉ２４６４光　子　學(xué)　報３８卷不同空間頻率的光柵或光柵組，光柵的衍射滿足光柵方程Λｓｎθ＝犓λ（）式中：是光柵常量，是衍射角，是衍射級數(shù)，為激光波長．選擇其中的±１級衍射光作為干涉光束，經(jīng)消象差成像系統(tǒng)（３、４）在硅片表面（位于Ｌ前焦面）形成干涉光場，由式（）可計算出干涉條紋的周期犱＝λ／２ｓｎ（）式中β為光束干涉角，為條紋的周期．透鏡Ｌ和Ｌ的焦距相等，＝θ，即犱由分束器內(nèi)光柵周期決定．實驗材料為單晶硅，表面光潔度ＰＶ值小于５ｎｍ，厚度為１ｍｍ．用丙酮洗凈表面后將其固定在工作平臺上，光束

8、干涉刻蝕得到方形微光柵點(diǎn)（０μｍ×８０μｍ）．采用逐點(diǎn)工作模式，由計算機(jī)控制平臺做ｘ、方向二維運(yùn)動，刻完一個方點(diǎn)后將硅片移至下一位置進(jìn)行刻蝕，得到微光柵點(diǎn)陣．使用激光能量計測量激光能量；用掃描電子顯微鏡（ｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｒｏｓｃｏｐｙ，ＥＭ）和原子力顯微鏡ＡｔｏｍｉＦｏｒｃｅＭｉｒｏｓｃｏｐｅＡＦＭ）分析光柵形貌；計算正交光柵表面微結(jié)構(gòu)在５３２ｎｍ波長下的衍射效率．２　結(jié)果與討論在分束器中放置９