一種控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法，該方法在單點(diǎn)飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面周期性微納結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)飛秒激光線偏振方向與激光直寫(xiě)方向進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直寫(xiě)線寬的調(diào)控，當(dāng)激光直寫(xiě)方向與線偏振方向平行時(shí)得到最小線寬表面周期性微納結(jié)構(gòu)，當(dāng)激光直寫(xiě)方向與線偏振方向垂直時(shí)得到最大線寬表面周期性微納結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明通過(guò)簡(jiǎn)單的基于激光偏振態(tài)的調(diào)節(jié)及飛秒激光脈沖序列的應(yīng)用，能夠精確控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面周期結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)，從而為飛秒激光直寫(xiě)誘導(dǎo)大面積周期結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生提供了精確的可控參數(shù)，適用于飛秒激光直寫(xiě)精確誘導(dǎo)大面積表面周期結(jié)構(gòu)的制造。
【專利說(shuō)明】一種控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及飛秒激光應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]1965年Birnbaum首次用紅寶石激光在半導(dǎo)體表面誘導(dǎo)了規(guī)則的波紋結(jié)構(gòu)，此后，研究者利用各種連續(xù)、脈沖激光在各種材料的表面和內(nèi)部誘導(dǎo)了周期性結(jié)構(gòu)。飛秒激光加工過(guò)程中具有低污染和可以加工各種復(fù)雜形狀器件等的優(yōu)勢(shì)，在微/納加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。飛秒激光誘導(dǎo)表面周期結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生可以實(shí)現(xiàn)納米尺度上的激光加工結(jié)構(gòu)，在光子學(xué)、光電子學(xué)、熱輻射源和生物光學(xué)器件等方面有潛在的重要應(yīng)用。另一方面，對(duì)于這種周期性結(jié)構(gòu)的控制還可用于光柵結(jié)構(gòu)的加工。因此對(duì)于這種表面周期性結(jié)構(gòu)制造的控制研究具有重大意義。然而對(duì)于這種表面周期性微納結(jié)構(gòu)的精密控制上的難題仍然制約著其廣泛的應(yīng)用。主要包括對(duì)于單點(diǎn)自組裝周期性微納結(jié)構(gòu)的加工控制以及在單點(diǎn)自組裝周期性微納結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，逐點(diǎn)重疊掃描直寫(xiě)大尺度周期性微納結(jié)構(gòu)的制備控制。在文獻(xiàn)“Two-dimens1nal microstructures induced by femtosecond vector light fields onsilicon”中Lou等人通過(guò)對(duì)激光偏振方向的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜二維半波長(zhǎng)表面周期結(jié)構(gòu)的制備。但對(duì)于這種表面周期性結(jié)構(gòu)的控制均為對(duì)其波紋走向的控制，對(duì)于大面積周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行制備時(shí)，相鄰掃描點(diǎn)間距為其主要參數(shù)。因而對(duì)于表面周期結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)的控制為這種表面周期性結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的是提供一種控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法，以克服目前現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足。
[0004]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0005]一種控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法，該方法包括以下步驟:
[0006]步驟一:打開(kāi)脈沖整形器，調(diào)整光路，確保激光入射方向與所加工樣本表面垂直；
[0007]步驟二:在線偏振態(tài)飛秒激光作用下調(diào)節(jié)不同的偏振方向，同時(shí)對(duì)激光偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)控；
[0008]步驟三:在線偏振態(tài)飛秒激光作用下的表面周期性結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出橢圓形幾何形態(tài)，基于脈沖序列的表面周期性微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行各向異性消除；以及
[0009]步驟四:控制激光直寫(xiě)方向與激光線偏振方向調(diào)整掃描線寬。
[0010]進(jìn)一步的，步驟二中，所述激光偏振態(tài)的調(diào)控方法包括以下步驟:
[0011](I)調(diào)節(jié)脈沖能量為0.8J/cm2，在光路中加入半波片，調(diào)節(jié)半波片光軸與原偏振方向夾角得到不同方向的線偏振飛秒激光脈沖；
[0012](2)打開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)，借助成像攝像機(jī)，通過(guò)消色差雙膠合平凸透鏡把激光聚焦到材料表面；
[0013](3)調(diào)整激光入射頻率并控制機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間，激光脈沖以設(shè)定的脈沖數(shù)作用到樣本表面；
[0014](4)在不同的線偏振激光作用下，在樣本表面加工出不同幾何形態(tài)的表面周期性結(jié)構(gòu)；
[0015](5)在光路中加入四分之一波片,調(diào)節(jié)波片光軸方向與原激光偏振方向夾角45°得到圓偏振激光；以及
[0016](6)重復(fù)(2)、(3)過(guò)程，在圓偏振激光作用下，在樣本表面加工出幾何形態(tài)各向同性的表面周期性結(jié)構(gòu)。
[0017]進(jìn)一步的，所述步驟三中，所述基于脈沖序列的表面周期性微納結(jié)構(gòu)各向異性消除方法包括以下步驟:
[0018](I)打開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)，借助成像攝像機(jī)，通過(guò)消色差雙膠合平凸透鏡把激光聚焦到材料表面；
[0019](2)調(diào)整激光入射頻率并控制機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間，激光脈沖以設(shè)定的脈沖數(shù)作用到樣本表面；以及
[0020](3)在樣本表面加工出幾何形態(tài)各向同性的表面周期性結(jié)構(gòu)。
[0021]進(jìn)一步的，所述步驟四中，所述控制激光直寫(xiě)方向與激光線偏振方向調(diào)整掃描線寬的加工方法包括以下步驟:
[0022](I)打開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)，借助成像攝像機(jī)，通過(guò)消色差雙膠合平凸透鏡把激光聚焦到材料表面；
[0023](2)設(shè)置激光入射頻率并編程控制移動(dòng)平臺(tái)速度以控制入射到樣本表面單位面積上的脈沖數(shù)，在樣本上加工出垂直于激光偏振方向的鏈狀波紋結(jié)構(gòu)；
[0024](3)在光路中加入半波片，通過(guò)半波片光軸與原偏振方向夾角控制來(lái)調(diào)整入射激光的線偏振方向，保持激光掃描方向不變，在晶硅表面直寫(xiě)出不同周期走向，不同線寬的鏈狀波紋結(jié)構(gòu)。
[0025]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提出了一種可精確控制線寬的方法，通過(guò)調(diào)整激光偏振方向可精確控制掃描線寬，大大提高了大面積周期結(jié)構(gòu)的制備效率及精度，同時(shí)，本發(fā)明提出的有關(guān)表面周期結(jié)構(gòu)形態(tài)各向異性的控制，大大提高了其加工精度，在信息存儲(chǔ)等方面具有至關(guān)重要的應(yīng)用價(jià)值。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明實(shí)施例所述的一種控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法，該方法包括以下步驟:
[0027]步驟一:打開(kāi)脈沖整形器，調(diào)整光路，確保激光入射方向與所加工樣本表面垂直；
[0028]步驟二:在線偏振態(tài)飛秒激光作用下調(diào)節(jié)不同的偏振方向以及對(duì)激光偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)控；
[0029]步驟三:在線偏振態(tài)飛秒激光作用下的表面周期性結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出橢圓形幾何形態(tài)，基于脈沖序列的表面周期性微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行各向異性消除；以及
[0030]步驟四:控制激光直寫(xiě)方向與激光線偏振方向調(diào)整掃描線寬。
[0031]步驟二中，所述激光偏振態(tài)的調(diào)控方法包括以下步驟:
[0032](I)調(diào)節(jié)脈沖能量為0.8J/cm2，在光路中加入半波片，調(diào)節(jié)半波片光軸與原偏振方向夾角得到不同方向的線偏振飛秒激光脈沖；
[0033](2)打開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)，借助成像攝像機(jī)，通過(guò)消色差雙膠合平凸透鏡把激光聚焦到材料表面；
[0034](3)調(diào)整激光入射頻率并控制機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間，激光脈沖以設(shè)定的脈沖數(shù)作用到樣本表面；
[0035](4)在不同的線偏振激光作用下，在樣本表面加工出不同幾何形態(tài)的表面周期性結(jié)構(gòu)；
[0036](5)在光路中加入四分之一波片,調(diào)節(jié)波片光軸方向與原激光偏振方向夾角45°得到圓偏振激光；以及
[0037](6)重復(fù)(2)、(3)過(guò)程，在圓偏振激光作用下，在樣本表面加工出幾何形態(tài)各向同性的表面周期性結(jié)構(gòu)。
[0038]所述步驟三中，所述基于脈沖序列的表面周期性微納結(jié)構(gòu)各向異性消除方法包括以下步驟:
[0039](I)打開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)，借助成像攝像機(jī)，通過(guò)消色差雙膠合平凸透鏡把激光聚焦到材料表面；
[0040](2)調(diào)整激光入射頻率并控制機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間，激光脈沖以設(shè)定的脈沖數(shù)作用到樣本表面；以及
[0041](3)在樣本表面加工出幾何形態(tài)各向同性的表面周期性結(jié)構(gòu)。
[0042]所述步驟四中，所述控制激光直寫(xiě)方向與激光線偏振方向調(diào)整掃描線寬的加工方法包括以下步驟:
[0043](I)打開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)，借助成像攝像機(jī)，通過(guò)消色差雙膠合平凸透鏡把激光聚焦到材料表面；
[0044](2)設(shè)置激光入射頻率并編程控制移動(dòng)平臺(tái)速度以控制入射到樣本表面單位面積上的脈沖數(shù)，在樣本上加工出垂直于激光偏振方向的鏈狀波紋結(jié)構(gòu)；
[0045](3)在光路中加入半波片，通過(guò)半波片光軸與原偏振方向夾角控制來(lái)調(diào)整入射激光的線偏振方向，保持激光掃描方向不變，在晶硅表面直寫(xiě)出不同周期走向，不同線寬的鏈狀波紋結(jié)構(gòu)。
[0046]具體實(shí)施例一
[0047]波長(zhǎng)為800nm,脈沖寬度為50fs,重復(fù)頻率為IkHz,光強(qiáng)為高斯分布的線偏振飛秒激光脈沖通過(guò)脈沖整形器壓縮對(duì)飛秒激光傳播過(guò)程中的色散進(jìn)行精確補(bǔ)償；利用半波片-偏振片組合連續(xù)調(diào)節(jié)激光的能量；利用半波片實(shí)現(xiàn)對(duì)飛秒激光脈沖的線偏振方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，四分之一波片實(shí)現(xiàn)圓偏振態(tài)激光脈沖；通過(guò)脈沖整形器，在時(shí)域上調(diào)制為飛秒激光脈沖序列(每個(gè)脈沖序列里至少包含兩個(gè)子脈沖，子脈沖間的延遲時(shí)間為100fs-2ps，可由脈沖整形器控制)。利用消色差雙膠合平凸透鏡(焦距為100mm)將飛秒激光聚焦到樣品表面；樣品固定在6維精密移動(dòng)平臺(tái)上，利用飛秒激光脈沖頻率設(shè)定及機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間控制單點(diǎn)飛秒激光脈沖作用個(gè)數(shù)；利用飛秒激光脈沖頻率設(shè)定及直寫(xiě)速度設(shè)定控制激光直寫(xiě)單位面積上作用脈沖個(gè)數(shù)，精密移動(dòng)平臺(tái)可按照預(yù)先設(shè)定的程序以1-2000 μ m/s的速度運(yùn)動(dòng)，重復(fù)定位精度為I μ m ;控制一定個(gè)數(shù)的不同線偏振態(tài)及圓偏振態(tài)飛秒激光脈沖，可在晶硅表面誘導(dǎo)出不同幾何形態(tài)表面周期性微納結(jié)構(gòu)。設(shè)定一定的脈沖頻率，程序控制精密移動(dòng)平臺(tái)與激光焦點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并調(diào)節(jié)激光脈沖的線偏振方向，可在晶硅表面制備出不同線寬的表面周期性微納結(jié)構(gòu)。
[0048]上述飛秒激光系統(tǒng)采用的是美國(guó)光譜物(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器，激光波長(zhǎng)800nm，脈沖寬度50fs，重復(fù)頻率ΙΚΗζ，單脈沖最大能量3mJ，光強(qiáng)分布為高斯型，線偏振。
[0049]脈沖整形器為美國(guó)B1photonic公司生產(chǎn)的MIIPS box,可對(duì)飛秒激光在傳播過(guò)程中產(chǎn)生的色散進(jìn)行精確補(bǔ)償并可實(shí)現(xiàn)把傳統(tǒng)的飛秒激光脈沖整形成間隔時(shí)間為100fs-5ps的脈沖序列。
[0050]具體實(shí)施例二:試驗(yàn)樣本為單晶硅
[0051](I)在0.8J/cm2的能量密度下，脈沖作用個(gè)數(shù)20，不同線偏振方向的單點(diǎn)飛秒激光脈沖序列作用下得到不同橢圓形狀的表面周期性微納結(jié)構(gòu)，橢圓形激光誘導(dǎo)表面周期結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)短軸比約為0.6，其長(zhǎng)軸方向平行于激光偏振方向。
[0052](2)在輻照參數(shù)下，圓偏振單點(diǎn)飛秒激光脈沖作用下得到圓形的表面周期性微納結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)。
[0053](3)在輻照參數(shù)下，線偏振脈沖序列(兩個(gè)子脈沖，延遲時(shí)間300fs)作用下的表面周期性微納結(jié)構(gòu)消除了基于激光偏振態(tài)的各向異性，呈現(xiàn)出圓形幾何形態(tài)。
[0054](4)在0.8J/cm2的能量密度，脈沖重復(fù)頻率200Hz，激光直寫(xiě)速度100 μ m/s條件下，保持直寫(xiě)方向不變，調(diào)整線偏振激光偏振方向與激光直寫(xiě)方向夾角，從0°到90°變化，得到不同線寬的表面周期性微納結(jié)構(gòu)。當(dāng)直寫(xiě)方向與激光偏振方向平行或垂直時(shí)得到直寫(xiě)極限線寬。直寫(xiě)方向平行于激光偏振方向時(shí)所得線寬最小，直寫(xiě)方向垂直于激光偏振方向時(shí)所得線寬最大。
[0055]本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人在本發(fā)明的啟示下都可得出其他各種形式的產(chǎn)品，但不論在其形狀或結(jié)構(gòu)上作任何變化，凡是具有與本申請(qǐng)相同或相近似的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一:打開(kāi)脈沖整形器，調(diào)整光路，確保激光入射方向與所加工樣本表面垂直；步驟二:在線偏振態(tài)飛秒激光作用下調(diào)節(jié)不同的偏振方向，同時(shí)對(duì)激光偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)控；步驟三:在線偏振態(tài)飛秒激光作用下的表面周期性結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出橢圓形幾何形態(tài)，基于脈沖序列的表面周期性微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行各向異性消除；以及 步驟四:控制激光直寫(xiě)方向與激光線偏振方向調(diào)整掃描線寬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法，其特征在于:步驟二中，所述激光偏振態(tài)的調(diào)控方法包括以下步驟: (1)調(diào)節(jié)脈沖能量為0.8J/cm2，在光路中加入半波片，調(diào)節(jié)半波片光軸與原偏振方向夾角得到不同方向的線偏振飛秒激光脈沖； (2)打開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)，借助成像攝像機(jī)，通過(guò)消色差雙膠合平凸透鏡把激光聚焦到材料表面； (3)調(diào)整激光入射頻率并控制機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間，激光脈沖以設(shè)定的脈沖數(shù)作用到樣本表面； (4)在不同的線偏振激光作用下，在樣本表面加工出不同幾何形態(tài)的表面周期性結(jié)構(gòu)； (5)在光路中加入四分之一波片，調(diào)節(jié)波片光軸方向與原激光偏振方向夾角45°得到圓偏振激光；以及 (6)重復(fù)(2)、(3)過(guò)程，在圓偏振激光作用下，在樣本表面加工出幾何形態(tài)各向同性的表面周期性結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法，其特征在于，所述步驟三中，所述基于脈沖序列的表面周期性微納結(jié)構(gòu)各向異性消除方法包括以下步驟: (1)打開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)，借助成像攝像機(jī)，通過(guò)消色差雙膠合平凸透鏡把激光聚焦到材料表面； (2)調(diào)整激光入射頻率并控制機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間，激光脈沖以設(shè)定的脈沖數(shù)作用到樣本表面；以及 (3)在樣本表面加工出幾何形態(tài)各向同性的表面周期性結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制飛秒激光誘導(dǎo)晶硅表面微納結(jié)構(gòu)形態(tài)的方法，其特征在于，所述步驟四中，所述控制激光直寫(xiě)方向與激光線偏振方向調(diào)整掃描線寬的加工方法包括以下步驟: (1)打開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)，借助成像攝像機(jī)，通過(guò)消色差雙膠合平凸透鏡把激光聚焦到材料表面； (2)設(shè)置激光入射頻率并編程控制移動(dòng)平臺(tái)速度以控制入射到樣本表面單位面積上的脈沖數(shù)，在樣本上加工出垂直于激光偏振方向的鏈狀波紋結(jié)構(gòu)； (3)在光路中加入半波片，通過(guò)半波片光軸與原偏振方向夾角控制來(lái)調(diào)整入射激光的線偏振方向，保持激光掃描方向不變，在晶硅表面直寫(xiě)出不同周期走向，不同線寬的鏈狀波紋結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】B23K26/36GK104209652SQ201310209667
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2013年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月31日
【發(fā)明者】姜瀾, 韓偉娜, 李曉煒, 徐樂(lè), 袁艷萍 申請(qǐng)人:中自高科（蘇州）光電有限公司