飛秒激光誘導(dǎo)硅材料表面周期結(jié)構(gòu)的研究

高勝淼，閆珂柱，韓培高，許春玉，王榮新

(曲阜師范大學(xué)激光研究所山東省激光偏光與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，曲阜273165)

引 言

利用飛秒激光對(duì)材料進(jìn)行微精細(xì)加工越來(lái)越受到重視。飛秒激光的脈寬很短，因而不會(huì)在材料中引起明顯的熱傳導(dǎo)效應(yīng)［1］。研究表明飛秒激光和材料的作用過(guò)程具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比如極高的峰值強(qiáng)度、確定的消融閾值、極小的熱影響區(qū)、極干凈的燒蝕邊緣、沒(méi)有微裂紋、具有亞波長(zhǎng)的特性、又可以實(shí)現(xiàn)任對(duì)何材料的燒蝕［2-5］。飛秒激光的微納加工特性在微生物、微電子和微機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［6］。利用激光輻照材料表面，如果激光的功率密度接近材料的損傷閾值，就會(huì)在材料表面形成自發(fā)的、周期性的永久性表面波紋，又稱(chēng)激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)［7］。研究發(fā)現(xiàn)，激光誘導(dǎo)的周期表面結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生條件范圍較大，而材料表面一旦形成這種結(jié)構(gòu)，材料表面的光學(xué)性質(zhì)就會(huì)發(fā)生很大的變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，必須考慮表面波紋現(xiàn)象的產(chǎn)生。硅的含量很豐富，又是重要的半導(dǎo)體材料，在微電子和光學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［8］。因此研究飛秒激光誘導(dǎo)硅材料表面的周期結(jié)構(gòu)具有重要意義。

BONSE［9］等人專(zhuān)門(mén)做過(guò)飛秒激光燒蝕單晶硅的改性閾值研究，論證了目前為止假設(shè)的飛秒激光與硅作用過(guò)程按順序發(fā)生的一系列物理過(guò)程，即無(wú)定型化，熔化，再結(jié)晶，成核蒸發(fā)和最后的消融，并成功解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了對(duì)比，他們還研究了一個(gè)由單脈沖激光脈沖在硅表面產(chǎn)生的損傷點(diǎn)，展現(xiàn)出了不同的改性、退火和消融圓形區(qū)域，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有波紋的形成，波紋只出現(xiàn)在多脈沖照射后的樣品表面。

作者利用飛秒激光 (中心波長(zhǎng)λ=800nm，脈沖寬度τ=35fs，重復(fù)頻率f=1kHz)對(duì)單晶硅在正常大氣環(huán)境中進(jìn)行了脈沖輻照實(shí)驗(yàn)，研究了制備清晰周期波紋的條件，并分析驗(yàn)證了影響波紋方向的因素。

1 實(shí)驗(yàn)

圖1是BONSE畫(huà)出的高斯型飛秒激光脈沖照射硅表面所發(fā)生的主要物理過(guò)程，圖中φ表示直徑。

Fig.1 Physical processes during silicon modification irradiated by femtosecond laser pulses

圖2 展現(xiàn)了不同改性、退火和消融圓形區(qū)域。最外環(huán)直徑為45μm。

Fig.2 Nomarski optical micrograph of silicon sample surface treated with single laser pulse in air(λ =800nm，τ=130fs，φ0=1.5J/cm2)

圖3 是硅在激光功率密度為2.5J/cm2(λ=780nm，τ=5fs，脈沖數(shù)N≈5)時(shí)典型的表面損傷形貌。3個(gè)不同的改性區(qū)域清晰可見(jiàn)(與圖1相比較):消融和波紋的形成在中心區(qū)域，退火區(qū)在第1個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)，改性區(qū)在外面的環(huán)形邊緣。

Fig.3 SEM picture of damage on silicon surface induced by Ti∶sapphire laser pulse in aira—full view b—detail

作者的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中使用的是摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光系統(tǒng)，輸出的激光中心波長(zhǎng)為800nm，脈寬為35fs，重復(fù)頻率為1kHz，偏振方向近似水平。可變衰減器(圖中所用為連續(xù)可調(diào)衰減器)用來(lái)調(diào)節(jié)脈沖能量。樣品硅放在高精密3維移動(dòng)平臺(tái)上。高斯激光通過(guò)金相顯微鏡的10倍物鏡出來(lái)后照射樣品，飛秒激光脈沖的功率由校準(zhǔn)的功率計(jì)來(lái)測(cè)量。測(cè)量中由于激光能量的波動(dòng)，致使脈沖功率的測(cè)量有一定的誤差(零點(diǎn)幾個(gè)毫瓦)。旋轉(zhuǎn)格蘭-泰勒棱鏡不但使入射到樣品表面的激光能量連續(xù)可調(diào)，而且可以改變飛秒激光的偏振方向。飛秒激光加工過(guò)程由連接在電腦上的電荷耦合器件(charge-coapled device，CCD)全程監(jiān)控。這便于控制加工的質(zhì)量并可以有效地減少失誤。由飛秒激光加工的硅表面形貌通過(guò)金相顯微鏡進(jìn)行分析，然后通過(guò)電腦控制的CCD拍攝照片。由于激光加工引起的硅表面結(jié)構(gòu)變化的差別較大，國(guó)外科研工作者根據(jù)硅表面結(jié)構(gòu)變化的差異將其分為非晶化區(qū)、結(jié)晶化區(qū)、融化區(qū)和波紋區(qū)等［10］。實(shí)驗(yàn)主要研究的是飛秒激光加工單晶硅引起的波紋結(jié)構(gòu)。

Fig.4 Experimental setup for micromachining Si by femtosecond laser pulse

2 結(jié)果與討論

控制飛秒激光(中心波長(zhǎng)λ=800nm，脈沖寬度τ=35fs，重復(fù)頻率f=1kHz，正常大氣環(huán)境中)的功率由高到低進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)于Si材料加工的激光最高功率為47mW，此時(shí)發(fā)現(xiàn)Si材料表面出現(xiàn)了明顯的熔化后凝固特征，而輻照到樣品表面的飛秒激光功率小于2mW時(shí)，材料表面未出現(xiàn)任何現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖7所示(均為通過(guò)100倍物鏡時(shí)用CCD拍攝的照片)。圖5是飛秒激光最高功率達(dá)到47mW時(shí)的加工表面形貌，此時(shí)加工的區(qū)域邊界處出現(xiàn)了規(guī)則的亮暗條紋，而中心區(qū)域由于激光能量過(guò)大，燒蝕形貌無(wú)規(guī)則，在激光成形的過(guò)程中由于激光的衍射和干涉造成了不同的波紋含有不同能量的特點(diǎn)，因而在加工材料表面出現(xiàn)了相應(yīng)的條紋，并且條紋的方向依賴(lài)于激光的偏振方向。觀察圖片可以發(fā)現(xiàn)條紋略向右傾斜，原因是在光路中加了可旋轉(zhuǎn)格蘭-泰勒棱鏡，用來(lái)改變飛秒激光的偏振方向。

Fig.5 CCD picture of silicon ripples induced by Ti∶sapphire laser pulses in air(P=47mW)

Fig.6 CCD picture of silicon ripples induced by Ti∶sapphire laser pulses in air(P=2.6mW)

Fig.7 CCD picture of silicon ripples induced by Ti∶sapphire laser pulses in air(P=45.5mW)

圖6 是激光功率為2.6mW時(shí)的CCD照片，此時(shí)加工的區(qū)域出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的亮暗條紋，有點(diǎn)兒類(lèi)似光柵的結(jié)構(gòu)。由于在實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有加格蘭-泰勒棱鏡，此時(shí)出現(xiàn)的條紋是豎直的。在這里，用可旋轉(zhuǎn)的格蘭-泰勒棱鏡來(lái)檢測(cè)輻照到Si材料表面飛秒激光的偏振方向。原理是利用偏振方向已知的格蘭-泰勒棱鏡旋轉(zhuǎn)消光，配合靈敏功率計(jì)測(cè)量通過(guò)棱鏡后激光的功率，功率計(jì)的讀數(shù)為最大值時(shí)，棱鏡的偏振方向即為激光的偏振方向，從而可以判定照射到樣品上的激光的偏振方向?yàn)榻扑健Ｒ虼四軌虼_定條紋方向與飛秒激光的電矢量方向垂直，并且測(cè)量出實(shí)驗(yàn)中的條紋周期約為750nm，這些與國(guó)際上有關(guān)該方面的研究結(jié)果相符合的［9］。通常該條紋的結(jié)構(gòu)和方向與入射激光的脈寬、波長(zhǎng)、偏振態(tài)以及材料表面性質(zhì)相關(guān)。人們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)論證出的波紋周期與入射激光波長(zhǎng)之間的關(guān)系為［11］:

式中，d為波紋周期;λ為激光波長(zhǎng);θ為激光束的入射角。由于實(shí)驗(yàn)中激光為垂直入射，因此條紋周期應(yīng)在激光的中心波長(zhǎng)附近。這與上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是相一致的。并且由加工圖片可以看出，激光輻照過(guò)的區(qū)域比未輻照區(qū)域要干凈得多，這將為以后飛秒激光應(yīng)用于清洗單晶硅片或其它材料打下一定的基礎(chǔ)。

圖7為激光功率為45.5mW時(shí)的CCD照片，此時(shí)在光路中加入了格蘭-泰勒棱鏡，旋轉(zhuǎn)棱鏡以改變飛秒激光的偏振方向，由于相較圖5時(shí)旋轉(zhuǎn)的角度不同，因此條紋的方向也不相同，并且較圖5向右偏轉(zhuǎn)了更大的角度。

在多脈沖飛秒激光輻照下材料表面形成了激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)(laser-induced peiodic surface sfocufure，LIPSS)，而在單脈沖的實(shí)驗(yàn)中卻沒(méi)有觀察到該結(jié)構(gòu)，這表明該結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程中涉及到了反饋機(jī)制。有趣的是，在長(zhǎng)脈沖激光輻照下Si表面出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，用短脈沖激光輻照時(shí)也都能出現(xiàn)。BOROWIEC［12］等人觀察到了兩種激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)，其中一種LIPSS的周期遠(yuǎn)小于入射光的中心波長(zhǎng)，他們稱(chēng)之為高空間頻率;另一種LIPSS的空間周期與激發(fā)脈沖的周期接近，稱(chēng)之為低空間頻率。用中心波長(zhǎng)分別為800nm，1300nm和2100nm的飛秒激光輻照硅材料時(shí)，只觀察到了低空間頻率，而沒(méi)有觀察到高空間頻率。并且證明了該條紋方向與激光偏振方向相關(guān)而與晶向無(wú)關(guān)。BONSE［9］等人用功率密度為2.5J/cm2的飛秒激光(波長(zhǎng)λ=800nm，脈沖寬度τ=5fs，脈沖數(shù)N≈5)輻照Si，觀察到了與飛秒激光中心波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)闹芷谠?50nm和750nm的波紋結(jié)構(gòu)，并且該波紋方向與入射激光電矢量的方向垂直。作者的研究結(jié)論與上述結(jié)果都是相符合的。

3 結(jié)論

使用中心波長(zhǎng)為800nm、脈寬為35fs、重復(fù)頻率為1kHz的飛秒激光在單晶硅表面制備出了清晰的亞微米周期條紋，測(cè)量出實(shí)驗(yàn)中的條紋周期約為750nm，并對(duì)影響條紋方向的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:條紋方向與飛秒激光的偏振方向垂直。因此可知，在飛秒激光作用下，單晶硅表面的周期波紋的條紋周期大小與激光中心波長(zhǎng)相近，并且條紋方向與飛秒激光的偏振方向垂直。而且發(fā)現(xiàn)飛秒激光具有清洗單晶硅片的功能。

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