6H-SiC的飛秒激光超衍射加工*

云志強 魏汝省 李威? 羅維維 吳強徐現剛 張心正

1)(南開大學物理科學學院和泰達應用物理學院,弱光非線性光子學教育部重點實驗室,天津 300457)

2)(山東大學,晶體材料國家重點實驗室,濟南 250100)

1 引言

得益于微電子技術以及微機電系統(microelectro-mechanical systems,MEMS)的快速發展,基于半導體的電子信息技術深刻地影響了人們的生活并逐漸擴展到人類文明的各個角落.然而,由常規的Si,Ge等第一代半導體材料和GaAs,InP等第二代半導體材料制備的MEMS器件,難以滿足在高溫度、強腐蝕等惡劣條件下工作的需要[1,2].作為第三代半導體材料的SiC,因其高飽和漂移速率、寬帶隙、高熱導率、高擊穿電壓,低擴散速率、很好的熱穩定性和化學惰性[1,3,4],已經被用于高溫壓力傳感器、加速器、微馬達等[5-14].在諸如石油鉆探、航空電子設備與系統、發動機、渦輪和工業過程控制等許多工業領域,SiC MEMS器件已經得以應用和發揮了革命性的作用.

在半導體領域,對材料傳統的微加工技術多基于化學方法,例如掩模加工、濕法加工、干法加工等[15-17].但由于SiC特殊的性質(莫氏硬度為9,與Al2O3相似;努氏硬度為2480 kg/mm2,略高于Al2O3的2100 kg/mm2),傳統的微加工技術不太適用于加工SiC[1].新興起的激光直寫技術等物理手段應用于SiC的加工具有加工速率高、不需要掩模、不依賴晶體結構、加工步驟簡單等優點.因此研究激光燒蝕加工SiC對于加工MEMS器件具有重要意義[1,10,18-20].但是不管是傳統微加工方法,還是激光燒蝕,目前對SiC的加工尺寸都在微米量級,在一定程度上限制了MEMS器件在高度集成領域的應用.

材料與激光相互作用的非線性效應只發生在光子密度達到一定閾值的有限區域內,因而利用光學非線性的閾值效應可以實現突破衍射極限的加工[21,22].本文以此為基礎,采用飛秒激光系統與顯微鏡系統搭建了微納加工平臺,研究了飛秒激光直寫技術在6H-SiC上進行微納加工的情況,實現了突破衍射極限的微納結構加工.

2 飛秒激光直寫平臺

飛秒激光直寫微納加工平臺包括激光系統和顯微平移系統兩個主要部分.鎖模Ti:Sapphire激光器系統(Spectra-Physics,USA)包括MaiTai種子源、泵浦源Empower 30和Spit fire再生放大器.MaiTai種子源產生的激光經再生放大器形成中心波長800 nm,脈寬130 fs,重復頻率1000 Hz的脈沖激光.顯微鏡平移系統包括顯微物鏡(Olympus,Japan)、三維壓電平移臺(Physik Instrumente,PI,Germany)和CCD.圖1為實驗裝置示意圖:激光脈沖經兩個格蘭泰勒棱鏡進入顯微鏡系統,由100×油浸物鏡(NA=1.45)聚焦到樣品下表面;樣品固定在3D平移臺上的蓋玻片上;照明光經過樣品后由物鏡收集經透鏡成像到CCD;中性密度衰減片和格蘭泰勒棱鏡用來控制激光的功率和偏振方向,計算機連接控制3D平移臺和CCD進行樣品移動和實時監測.加工完樣品用無水乙醇進行超聲清洗,去除樣品表面的濺出物.

圖1 實驗裝置示意

3 6H-SiC的超衍射加工結果與分析

首先研究了結構形貌與加工條件--激光加工功率和曝光時間(掃描速度)的關系.分別在相同掃描速度不同功率和相同功率不同掃描速度的情況下在SiC樣品上進行直線加工.在激光功率不同的情況下的直線加工電子掃描顯微鏡表征結果如圖2所示,從右向左激光功率從173μW逐漸降低到22μW,壓電位移臺的掃描速度是50μm/s.結果顯示加工線寬隨功率的減小而變小.線寬與激光功率的關系曲線如圖3.功率在100μW以上時,加工線寬可以達到微米量級,表明此時功率遠遠超過加工功率閾值.功率在約60μW到100μW范圍時,加工線寬在亞微米量級,功率仍然很高.功率在約35μW到60μW范圍時,加工線寬在亞波長量級,但還沒有突破衍射極限(約400 nm).功率在35μW以下到22μW時,加工線寬已經小于400 nm,突破了衍射極限,此時的條件可以進行超衍射加工.實驗中連續的最細加工線寬約為200 nm,已經達到了超衍射極限的加工,但還不能進行納米加工.

圖2 速度50μm/s,不同加工功率下的加工線型SEM圖片

SiC材料的能帶隙為3 eV,波長800 nm光子的能量為約1.55 eV,800 nm飛秒激光與SiC材料作用時發生多光子吸收,光強達到一定值時,SiC被燒蝕.高斯光束光強表達式為

其中,I0是峰值光強,w(z)是z處光束半徑,w0是束腰半徑,z是束腰偏離加工面的值.焦點區域平均光強與激光功率的關系為:Ifocus=E/AΔthν·photon·cm-2·s-1),P 是激光平均功率,τ是脈沖半高寬,f是激光重復頻率,hν是光子能量.而I0=2e2Ifocus/(e2-1)≈2.3Ifocus.光強超過閾值的區域SiC發生燒蝕,令I(r,z)=Ith,由(1)式得到燒蝕半徑與功率的關系為

以Ith=I(0,0)=2.3Ifocus=代入(2)式,把Ith換成Pth,簡化公式,得到燒蝕寬度與激光功率的關系為

圖3 加工線寬與加工功率間的關系

為了探索燒蝕的極限分辨率,我們把激光功率降到15.8μW,并更精確地調節焦點位置,改變平移臺的掃描速度進行燒蝕.燒蝕線寬與移動臺掃描速度的關系如圖4所示,燒蝕線寬隨著掃描速度的提高而降低.掃描速度小于25μm/s時,加工線寬在亞微米量級,沒有突破衍射極限;當掃描速度在30到45μm/s范圍時,燒蝕線寬降到了200 nm以下.當移動臺掃描速度45μm/s時,得到的最細線寬125 nm,如圖5所示.當掃描速度高于45μm/s,燒蝕線不再連續.這表明在適當控制加工條件的情況下,能在6H-SiC上得到突破衍射極限的極高分辨率的微納結構.

圖4 加工線寬與掃描速度的關系

我們用原子力顯微鏡表征了不同加工條件下的刻蝕線的深度.發現通過調整焦點在加工方向的位置,可以得到從14 nm到30 nm不同的加工深度.通過精確調節加工功率和焦點在加工平面上的相對位置,能實現長徑比(加工深度比線條寬度)從最大約0.25到最小約0.02的線條加工.這可以滿足不同類型MEMs器件需要,但是更大長徑比結構的實現還需要進一步探索.另外,6H-SiC是熱析出方式制備石墨烯的重要材料[23];在帶有結構的6H-SiC上進行石墨烯的生長有望直接制備二維的單層石墨烯功能器件.

柵結構是最基本的電子學結構之一,我們通過調節激光功率和加工速度,得到了線寬240 nm,周期1μm的柵結構,如圖6所示.此結構沒有進行清潔,能明顯看到燒蝕中的濺出物.

圖5 超衍射極限的加工線SEM圖片(功率15.8μW,速度45μm/s,線寬125 nm)

圖6 周期1μm線寬240 nm的線陣列SEM圖片

另外,在一些燒蝕線的內部,可以看到明顯的條紋狀精細結構,如圖7所示.文獻[24]研究結果表明,激光燒蝕碳化硅過程中SiC表面發生物質遷移,在光斑中心光強高的區域產生粗糙條紋,條紋寬度與激光波長相似;在光斑邊緣光強低的區域產生精細條紋,條紋寬度小于激光波長,在百納米左右.圖7中條紋寬度平均約99 nm,周期約155 nm,屬于精細條紋結構.我們的實驗中沒有發現粗糙條紋,這是由于我們采用了高倍物鏡,聚焦光斑很小,大約為激光波長的一半,并且激光的功率降到了SiC材料燒蝕閾值附近,燒蝕區域突破了衍射極限,所以只產生了精細條紋.

圖7 加工線中的精細條紋結構

4 結論

我們在搭建的飛秒激光直寫微納加工平臺上對6H-SiC進行了微納加工研究,獲得了加工線寬和激光功率、掃描速度的關系.結果表明,加工機制系超快激光的燒蝕過程;燒蝕線寬與加工的激光的能量有關.通過適當控制激光功率和掃描速度能實現對燒蝕結構分辨率的控制,甚至突破激光的衍射極限,實現超衍射的微納結構加工.SiC的超衍射結構的實現對于MEMS器件尺寸的進一步減小和微納光子學的集成有重要意義,是進一步推動光電子信息學微型化的關鍵技術之一.此外,我們的研究也為SiC上石墨烯微納結構的生長提供了一條新的思路.

[1]Pecholt B,Gupta S,Molian P 2011 J.Laser Appl.23 1

[2]Sarro P M 2000 Sensors and Actuators 82 210

[3]Zetterling C M 2002 Process Technology for Silicon Carbide Devices p7

[4]Shang Y C,Zhang Y M,Zhang Y M 2000 Acta Phys.Sin.49 1786(in Chinese)[尚也淳,張義門,張玉明2000物理學報49 1786]

[5]Xu C F,Yang Y T,Liu L 2002 Acta Phys.Sin.51 1113(in Chinese)[徐昌發,楊銀堂,劉莉2002物理學報51 1113]

[6]Okojie R S,Ned A A,Kurtz A D 1998 Sensors and Actuators A 66 200

[7]Pakula L S,Yang H,Pham H T M,French P J,Sarro P M 2004 J.Micromech.Microeng.14 1478

[8]Young D J,Du J G,Zorman C A,Ko W H 2004 IEEE Sensors Journal 4 464

[9]Atwell A R,Okojie R S,Kornegay K T,Roberson S L,Beliveau A 2003 Sensors and Actuators A 104 11

[10]Pecholt B,Vendan M,Dong Y Y,Molian P 2008 Int.J.Adv.Manuf.Technol.39 239

[11]Yasseen A A,Wu C H,Zorman C A,Mehregany M 2000 IEEE Electron Device Letters 21 164

[12]Zhou Y H,Zhang Y M,Zhang Y M,Meng X Z 2004 Acta Phys.Sin.53 3710(in Chinese)[周擁華,張義門,張玉明,孟祥志2004物理學報53 3710]

[13]Tang X Y,Zhang Y M,Zhang Y M,Gao J X 2004 Chin.Phys.13 1110

[14]Tang X Y,Zhang Y M,Zhang Y M,Gao J X 2005 Chin.Phys.14 583

[15]Hossain T K,Maclaren S,Engel J M,Liu C,Adesida I,Okojie R S 2006 J.Micromech.Microeng.16 751

[16]Chai C C,Yang Y T,Li Y J,Jia H J,Han J 2001 Res.Prog.SSE 21 109(in Chinese)[柴常春,楊銀堂,李躍進,賈護軍,韓鍵2001固體電子學研究與進展21 109]

[17]Huang W,Chen Z Z,Chen B Y,Zhang J Y,Yan C F,Xiao B,Shi E W 2009 Acta Phys.Sin.58 3443(in Chinese)[黃維,陳之戰,陳博源,張靜玉,嚴成峰,肖兵,施爾畏2009物理學報58 3443]

[18]Farsari M,Filippidis G,Zoppel S,Reider G A,Fotakis C 2005 J.Micromech.Microeng.15 1786

[19]Zoppel S,Farsari M,Merz R,Zehetner J,Stangl G,Reider G A,Fotakis C 2005 Microelectronic Engineering 83 1400

[20]Desbiens J P,Masson P 2007 Sensors and Actuators A 136 554

[21]Kawata S,Sun H B,Tanaka T,Takada K 2001 Nature 412 697

[22]Dong X Z,Chen W Q,Zhao Z S,Duan X M 2008 Sci.China 53 2(in Chinese)[董賢子,陳衛強,趙震聲,段宣明2008中國科學53 2]

[23]Kang C Y,Tang J,Li L M,Pan H B,Yan W S,Xu P S,Wei S Q,Chen X F,Xu X G 2011 Acta Phys.Sin.60 047302(in Chinese)[康朝陽,唐軍,李利民,潘海斌,閆文盛,徐彭壽,韋世強,陳秀芳,徐現剛2011物理學報60 047302]

[24]Tomita T,Okada T,Kawahara T,Kumai R,Matsuo S,Hashimoto S,Kawamoto M,Yamaguchi M,Ueno S,Shindou E,Yoshida A 2010 Appl.Phys.A 100 113