（凝聚态物理专业论文）脉冲激光对硅表面微构造的研究.pdf

独创性声明 必燃y 1 8 2 0 2 4 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：亏苍峰 日期：沙f o i6 二 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：需春彳 导师签名槭红 日期： 沙7 。i 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 利用n d y a g 纳秒激光脉冲( 波长1 0 6 4n l i l 、5 3 2n n l 和3 5 5n m ) 和钛 宝石飞秒激光脉冲对单晶硅表面进行了累积脉冲辐照，并在硅表面制备出了 准规则排列的微米量级锥形尖峰微结构。表面具有尖峰结构的硅材料显示出 奇特的光电性能，在制作新型硅基光电子器件，如，高效的太阳能电池、红 外光探测器和激光功率计等上有很大的潜在应用价值。因此，激光与硅相互 作用，形成表面尖峰微结构的原理与技术的研究已受到国内外的广泛关注。 本论文研究了在一定气压下的s f 6 、空气、n 2 和真空环境中纳秒激光辐 照脉冲数和能量密度对微结构的影响。对比了不同背景气氛下和不同纳秒激 光波长辐照下形成的锥形微结构的尺寸、密度和纵横比；发现s f 6 气氛下形 成的微结构具有更大的纵横比和高的密度，表明在形成尖峰结构方面，s f 6 气体比实验采用的其他气体更有优势。并分别从不同背景气体的作用和激光 辅助化学刻蚀率以及不同激光波长作用下的微结构形成机理上作了初步探讨 并给出了定性的理论解释。 同时研究了飞秒激光在特定背景气氛下对硅表面的微构造，比较了s f 6 、 空气、n 2 和真空气氛下微结构随脉冲数的演化。对比纳秒和飞秒激光对硅表 面微构造，发现纳秒激光诱导形成的微结构表面有熔融、汽化后再从汽相中 沉积到硅基底的物质及熔化后再凝固的硅。而飞秒诱导的结构则没有观察到 熔化和再凝固迹象，且微结构更尖锐，锥形尖峰状微结构的密度更大；表明 飞秒激光在微构造硅表面形成尖峰结构时比纳秒更优异。最后分析了四种气 氛下飞秒激光与硅相互作用形成微结构起主要作用的机理，飞秒激光的脉宽 与峰值功率是形成良好硅锥形微结构的关键因素。 利用5 3 2n m 纳秒激光在空气中对硅表面进行了较大面积微构造，研究 了微构造硅表面o 和n 元素浓度以及光反射特性与辐照脉冲数的关系。对微 构造硅的光反射特性的初步研究表明，在5 0 0 - - - 2 4 0 0n n l 的波长范围内光反 射率不高于2 0 。 关键词：脉冲激光硅激光辐照表面微构造光反射 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t t h em i c r o m e t e r s i z e dc o n i c a ls p i k ea r r a y sa r ep r e p a r e do ns i l i c o ns u r f a c e b yt h ec u m u l a t i v en d ：y a gn a n o s e c o n dl a s e r ( w a v e l e n g t h10 6 4n m ，5 3 2a m a n d 3 5 5n l n ) p u l s e sa n dt i ：s a p p h i r ef e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e s t h es i l i c o nw i t hs p i k e s t r u c t u r e so ns u r f a c es h o w st h en o v e lp h o t o e l e c t r i cp r o p e r t i e s t h e s ep r o p e r t i e s h a v eg r e a tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nh i g h l ye f f i c i e n ts o l a rc e l l s ，i n f r a r e dd e t e c t o r s ， l a s e rp o w e rm e t e r s ，a n ds oo n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h ef o r m a t i o np r i n c i p l e a n do nt h et e c h n o l o g yo fs u r f a c em i c r o s t r u c t u r e sh a sb e e ne x t e n s i v e l yc o n c e r n e di na l lt h ew o r l d i nt h i st h e s i s ，t h ei n f l u e n c eo fn a n o s e c o n dl a s e rs h o tn u m b e ra n de n e r g y d e n s i t yo nt h em i c r o s t r u c t u r e sf o r m e di nt h ea m b i e n tg a s e ss u c ha ss f 6 ，a i r , n 2 a n dv a c u u mh a sb e e ns t u d i e d a f t e rc o m p a r i n gt h es i z e ，d e n s i t ya n da s p e c tr a t i o o fc o n i c a ls p i k e sf o r m e di nd i f f e r e n tb a c k g r o u n da t m o s p h e r e so rf o r m e db y d i f f e r e n tl a s e rw a v e l e n g t hi r r a d i a t i o n ，w ef i n d t h a tm i c r o s t r u c t u r e sf o r m e di n s f 6a t m o s p h e r eh a v eal a r g e ra s p e c tr a t i oa n dh i g h e rd e n s i t y , i n d i c a t i n gt h a ts f 6 g a sh a sa d v a n t a g ei nf o r m a t i o no ft h es p i k es t r u c t u r e st h a no t h e rg a s e su s e di n t h ee x p e r i m e n t 、h a v eg i v e naq u a l i t a t i v et h e o r e t i c a le x p l a n a t i o na b o u tt h e r o l ea n dl a s e r a s s i s t e dc h e m i c a le t c h i n gr a t eo ft h ed i f f e r e n tb a c k g r o u n dg a s e s ， a n dt h em a i nf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fm i c r o s t r u c t u r e su n d e rd i f f e r e n tl a s e r w a v e l e n g t hi r r a d i a t i o n t h es i l i c o nm i c r o s t r u c t u r i n gi n d u c e db yf e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e si n d i f f e r e n ta m b i e n ta t m o s p h e r e sh a sa l s ob e e ni n v e s t i g a t e d a f t e rc o m p a r i n gt h e m i c r o s t r u c t u r e sf o r m e db yn a n o s e c o n da n df e m t o s e c o n dl a s e ri r r a d i a t i o n ，w e f i n dt h a tt h es i l i c o ns u r f a c ei nn a n o s e c o n dl a s e ri r r a d i a t i o nh a sg o n et h r o u g h m e l t i n g ，v a p o r i z a t i o na n dt h e nr e d e p o s i t i o nf r o mt h ev a p o rp h a s et ot h es i l i c o n s u b s t r a t eo rs o l i d i f i c a t i o n t h em i c r o s t r u c t u r e si n d u c e db yf e m t o s e c o n dl a s e r p u l s e sa r em o r ea c u t e ，a n dt h ed e n s i t yo f t h es p i k e si sm o r eg r e a t e r t h e r e f o r e ，i t s h o w st h a tf e m t o s e c o n dl a s e ri sm o r ee x c e l l e n tt h a nn a n o s e c o n dl a s e r i n m i c r o s t r u c t u r i n gs p i k e so nt h es u r f a c eo fs i l i c o n a f t e rw ea n a l y z et h em a i n f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fm i c r o s t r u c t u r e so ns i l i c o nf o r m e db yf e m t o s e c o n d l a s e r e t c h e di nf o u rk i n d so fa t m o s p h e r e ，w ef i n dt h a tt h ep u l s ed u r a t i o na n dp e a k p o w e ro ff e m t o s e c o n dl a s e ra r et h ek e yf a c t o r sf o rt h eg o o ds h a r pc o n i c a ls p i k e s f o r m e do ns i l i c o n t h em i c r o s t r u c t u r e ds i l i c o no nl a r g e rs u r f a c eh a sb e e nf a b r i c a t e di na i rb y 5 3 2n mn a n o s e c o n dl a s e ri r r a d i a t i o n ，a n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e s h o t n u m b e ra n dt h ec o n c e n t r a t i o no fo x y g e na n dn i t r o g e n ，a sw e l la st h el i g h tr e f l e c - t i o no ns u r f a c eo fm i e r o s t r u e t u r e ds i l i c o nh a v eb e e ns t u d i e d t h ee x p e r i m e n t s h o w st h a tt h el i g h tr e f l e e t i v i t yi sn o tm o r et h a n2 0 a tt h ew a v e l e n g t hr a n g e o f 5 0 0 - - - 2 4 0 0a m k e yw o r d s ：p u l s el a s e r ；s i l i c o n ；l a s e ri r r a d i a t i o n ；s u r f a c em i c r o 。s t r u c t u r i n g l i g h tr e f l e c t i o n 1 绪论一1 1 1 引言1 1 2 纳秒激光与半导体材料的相互作用1 1 2 1纳秒激光微构造半导体材料表面波纹结构1 1 2 2 纳秒激光微构造半导体材料表面尖峰结构2 1 2 3 纳秒激光微构造半导体材料表面的特性研究3 1 3 飞秒激光与半导体材料的相互作用3 1 3 1飞秒激光对半导体材料的损伤研究4 1 3 2 飞秒激光微构造半导体材料表面波纹结构4 1 3 3飞秒激光微构造半导体材料表面尖峰结构5 1 3 4 飞秒激光微构造半导体材料表面的特性研究6 1 4 激光微构造硅表面研究的目的和意义”7 1 5 本论文主要内容及安排”7 2 实验及测试设备9 2 1 实验设备一9 2 1 1n d ：y a g 纳秒激光系统9 2 1 2 钛宝石飞秒激光系统1 1 2 1 3g c d 0 3 0 1 电控平移台1 5 2 2 测试设备1 6 2 2 1扫描电子显微镜( s e m ) 1 6 2 2 2 紫外、可见近红外分光光度计1 7 2 3 本章小结l7 3纳秒激光对硅表面的微构造1 8 3 1 纳秒激光对硅表面微构造实验1 8 3 1 1实验装置的搭建1 8 3 1 2实验步骤l8 3 2 纳秒激光微构造硅表面的实验结果1 9 3 2 11 0 6 4n m 激光对硅表面的微构造1 9 3 2 25 3 2n m 激光对硅表面的微构造”2 2 3 3 2 不同波长辐照下的结果分析与讨论一4 0 3 4 本章小结4 4 4 飞秒激光对硅表面的微构造“4 5 4 1 飞秒激光对硅表面的微构造实验4 5 4 2 飞秒激光对硅表面微构造的实验结果”4 5 4 2 1 s f 6 气氛中的硅表面微构造4 5 4 2 2 空气中的硅表面微构造4 6 4 2 3真空中的硅表面微构造”4 8 4 2 4 n 2 气氛中的硅表面微构造4 9 4 3 实验结果分析与讨论5 0 4 3 1s f 6 气氛中的结果分析与讨论5 0 4 3 2 不同背景气氛下的结果分析与讨论”5 l 4 4 纳秒与飞秒激光微构造硅表面的比较5 4 4 5 本章小结5 5 5 微构造硅表面成分及光谱特性的研究5 6 5 1 样品制备5 6 5 2 实验测试结果5 7 5 2 1微构造硅表面成分分析5 7 5 2 2 微构造硅表面反射光谱分析”6 l 5 3 本章小结6 4 结论6 5 致谢6 7 参考文献6 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果7 9 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 引言 自上世纪六十年代第一台激光器问世以来，激光以其高亮度，良好的相 千性、方向性以及单色性已在工业、生活、科技等诸多领域得到了广泛的应 用，并取得了显著的经济效益和不断的发展。由于激光在各领域的应用归根 结底都涉及到了激光与物质的相互作用，因此激光与物质韵相互作用受到了 国内外研究人员的广泛关注和深入研究。随着科学技术和信息技术的不断发 展，现代社会对与社会息息相关的微电子和光学器件的性能提出了更高的要 求；以传统材料尤其是半导体材料为基础制作的器件难以满足高速发展的社 会需要，所以对半导体材料的微处理及改性就显得尤其重要。然而传统的处 理方法( 如电镀和化学镀、表面涂敷技术、气相沉积技术、化学转化膜技术 等) 具有多数采用化学腐蚀方法处理表面，工艺较为复杂，设备成本高，有 的对环境有较大的污染等缺点；与之相比，激光在处理材料方面具有精确度 高、工艺简单、效率高、污染小、成本相对较低等优势。鉴于半导体材料及 器件在诸多领域有着举足轻重的地位，其性能的高低直接关系到制作的微电 子及光学器件的好坏，研究表明通过激光处理后半导体材料表面的光电性能 方面有极大的提高，为制作性能更好的光电器件提供了一种材料获取的新途 径；因此研究激光与半导体材料的相互作用具有重要意义和价值。 1 2 纳秒激光与半导体材料的相互作用 自1 9 6 0 年梅曼发明红宝石激光器后，物理学研究的范围得到了很大的拓 展，许多传统的物理概念受到了较大的冲击；也给研究人员带来了未曾想到 的一些新奇物理现象，在纳秒脉冲激光与物质相互作用的研究领域更是引起 了广泛的关注。 1 2 1纳秒激光微构造半导体材料表面波纹结构 1 9 6 5 年，m b i m b a u m 首次利用红宝石激光在半导体材料锗表面诱导出 了周期性波纹结构。随着激光器和激光技术的不断发展，纳秒脉冲激光器 的出现为研究激光与固体材料的相互作用提供了更好的辐照光源，其较短的 脉冲持续时间在作用材料时带来较小的热效应，有利于更精确的对材料进行 微处理。因此利用脉冲激光对半导体材料表面进行辐照，诱导表面周期性结 构( 通常称为激光诱导周期性表面结构或l i p s s ) 的研究也越来越多 2 - 1 7 ，。 在纳秒激光诱导周期性波纹结构的研究中，研究人员发现激光偏振态m ”， 和激光能量对微结构“3 m 盯的形成有密切的关系。由于实验中采用的激光偏振 态不同，会对形成的周期性微结构的特征以及能否形成波纹微结构产生较大 的影响。经过长期的实验研究，研究人员发现一般在线偏振激光的作用下更 容易形成周期性的条形波纹结构，并且两种( s 型和p 型) 线偏振激光与周 期性波纹结构排列的方向不同口。7 ，。例如，1 9 8 2 年，z h o u 等人利用波长1 0 6 4a m 的y a g 纳秒脉冲激光在砷化镓表面诱导形成了间距2 5p m 的周期性表面结 构，研究表明s 型线偏振激光可以诱导形成间距等于激光波长的波纹结构； 圆偏振激光却没有诱导形成波纹结构阳，。1 9 8 9 年，s e c l a r k 等人利用波长 2 4 9a m 准分子纳秒激光对锗进行辐照，研究了线偏振方向对波纹微结构的影 响，得出s 与p 型偏振激光诱导形成了取向完全相反的波纹结构的结论“”。 激光能量密度对表面周期性微结构的形成也有较大的影响，入射激光能量相 对越高对材料的损伤越大，导致形成的周期性波纹结构的间距却相应变小。 1 9 8 5 年，qg o r o d e t s k y 等人采用低激光能量密度的准分子纳秒激光诱导硅表 面形成了周期约为3 0p m 的波纹微结构；在较高能量密度下，微结构周期仅 为1l a m m l 。 除在硅和锗上做了较多的研究以外，还利用y a g 纳秒激光在磷化铟以 及硅氧化物层( s i 0 2 s i ) 等半导体材料上诱导形成了周期性表面结构n 钉“们n ”。 1 2 2 纳秒激光微构造半导体材料表面尖峰结构 一般在较低的能量密度下( e d 1j c m 2 ) 利用脉冲激光辐照半导体材料， 才能在材料表面诱导形成周期性表面结构。当辐照激光能量在材料烧蚀阈值 之上时，周期性表面结构( 周期性波纹结构) 就不易形成，形成的却是一些 类似圆形的表面结构和裂纹m ，。而当能量密度在烧蚀机制范围时，随着激光 脉冲的累积作用，会在硅材料表面形成一些与采用低能量密度时完全不同的 微结构。例如，可形成尺度在微米量级的孔m 删、凹凸乜引心钉心”、柱形乜 托引n ”以及 锥形尖峰n 盯等结构。 1 9 9 6 年，f s a n c h e z 等人利用a r f 准分子纳秒激光在空气中辐照硅，在 其表面诱导形成了须状微结构。随后又在硅表面上微构造形成了柱形结构， 并对该微结构的生长机理做了研究，认为主要与流体力学生长机制有关他，悖”。 随着研究的不断深入，研究人员开始考虑激光在对固体材料进行微处理时， 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 材料所处环境条件对最终形成微结构的影响。 2 0 世纪9 0 年代末到2 1 世纪初，a j p e d r a z a 等人利用波长2 4 8n m ，脉 宽2 5n s 的k r f 准分子激光在空气、0 2 、h e 以及s f 6 等气体环境中对单晶硅 进行微处理做了一系列的对比实验b 3 删。通过将各种条件下形成的微结构进行 对比发现，空气中的实验结果与f s a n c h e z 小组报道的一致b 3 ，；0 2 中形成了 比空气中相对更粗大的微结构口”，h e 中形成了顶端具有纳米柱的锥形结构n 。 而s f 6 气氛下形成了准规则排列的微米量级的尖峰微结构，该微结构具有较 大的纵横比，并且每个尖峰的顶端均有一个由半导体材料熔化后再固化形成 的小球口。 ，表明激光作用材料过程中的气体环境对微结构形成形状有较大 的影响；但是微结构都具有突出原始表面的共同特点b ”。 1 2 3 纳秒激光微构造半导体材料表面的特性研究 研究人员对这种锥形微结构能否在某方面表现出与原始材料不同的性质 十分感兴趣b 引h h “。在研究纳秒脉冲激光辐照产生的微结构的性质方面，俄 罗斯的a v k a r a b u t o v 研究小组对利用纳秒脉冲激光制得的较大面积的尖峰 微构造硅的场发射特性进行了较多的研究。主要采用的辐照光源为波长5 1 0 6 n m 、脉冲持续时间为2 0n s 以及重复频率1 0k h z 的铜蒸汽激光在空气和低真 空下对单晶硅进行激光扫描，从而制备得到较大面积的尖峰微构造硅。通过 对这种材料的场发射特性测试发现，在较低的启动电压下就可以获得很高的 场发射电流b h ”。随后在2 0 0 6 年，a v k a r a b u t o v 等人还利用y a g 纳秒激 光在真空环境下通过对金涂层的单晶硅的辐照，形成了突出原始表面1 0l a m ， 空间周期为7 0l a m 的较钝的锥形微结构“。并通过对大面积的这种锥形微构 造硅的场发射测试发现，与普通单晶硅相比，具有这种结构的硅材料有更好 的场发射特性。 1 3飞秒激光与半导体材料的相互作用 飞秒激光的出现，为激光与物质相互作用的研究提供了一种更有效的新 的研究工具。由于飞秒激光脉冲持续时间在1 0 。1 5 秒量级，相当于人眼所能分 辨时间极限( o 0 5 秒) 的十亿分之一。正是由于飞秒激光的脉宽极窄，所以 它可以在相对较低的脉冲能量下获得极高的峰值功率，经过放大后的飞秒激 光的峰值功率密度可高达1 0 2 1w c m 2 。飞秒脉冲激光由于其自身的特性以及 对一些极端条件的创造，已成为应用领域相当广泛的一种研究工具，被应用 于如，时间分辨光谱学，飞秒精细加工，飞秒激光对半导体材料表面微处理 及改性等方面的研究”。 鉴于半导体材料在微电子工业应用中的重要地位，以及高速发展的现代 信息社会对电子及光电子器件性能的要求越来越高，半导体材料很快就表现 出了自身的一些缺陷，为进一步在微电子和光学领域的应用带来了较难克服 的瓶颈。为此，各国研究人员不断地在寻找对半导体材料进行表面未处理及 改性的新方法，飞秒激光的出现无疑为这方面的研究提供了一种精确、有效 的加工工具。 1 3 1飞秒激光对半导体材料的损伤研究 上个世纪六七十年代，研究人员已经开始利用飞秒脉冲激光对半导体材 料表面的相互作用进行了研究。较早的研究主要集中在飞秒激光对半导体材 料表面的损伤上，目的在于观察其表面的损伤情况和找出表面损伤阈值。而 对硅表面损伤的研究则是飞秒激光与半导体相互作用的一个较为重要的研究 方向，这方面大多的研究都着眼于研究飞秒激光对硅表面烧蚀后的形貌变化 4 3 - 4 0 ) 。研究手段主要是通过改变激光参数进行研究，通过观察一系列参数下的 形貌求得表面的烧蚀或损伤阈值；并且研究了表面烧蚀区域的尺寸或烧蚀率 与能量密度的关系h 1 4 6 4 6 。 在阈值条件下用飞秒脉冲激光辐照硅表面形成了刻蚀和小纳米簇团的再 沉积，用较多脉冲作用后，在硅表面出现了亮暗环的混合，其边缘区出现周 期性的波纹结构。a p s i n g h 等人认为造成这种微结构的变化是由玻色凝聚 引起的h 】2 0 0 5 年，d v t r a n 等人的研究也得到了类似的结果，但认为这种 结构的形成主要源于材料表面的热扩散”。德国的v h o m m e s 等人用飞秒激 光对硅作用后的形貌和阈值比较后；认为该结构的形成与冷却过程中的表面 能释放有关”。 1 3 2飞秒激光微构造半导体材料表面波纹结构 与飞秒激光对半导体材料损伤研究不同的是，飞秒激光诱导半导体表面 波纹结构的研究不仅在于研究各种条件下激光对材料表面的微构造，更重要 的是通过对激光辐照后形貌的研究到达最终研究形貌改变后的性质，以及这 种性质潜在的应用。因此利用飞秒激光在半导体材料表面诱导出周期性表面 微结构的研究也成为现今研究的热点之一t 4 7 - 1 1 2 ，。 利用飞秒激光在半导体表面诱导出周期性波纹结构的研究，主要包括微 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 结构与入射电磁场h ”，微结构与激光偏振态伟邮”以及亚波长波纹结构哺钉钉n ” 等方面的研究。例如，2 0 0 6 年，b t a n 等人利用波长7 7 5n m 、脉宽1 5 0f s 的飞秒激光辐照硅表面后，在其表面形成了呈平行分布，间距近似等于入射 激光波长的波纹结构“”。研究了波纹结构与入射激光能量和电磁场方向的关 系，并验证了用来计算波纹结构间距的常规模型的公式不适用其实验结果的 计算h ”。2 0 0 8 年，t t o m i t a 等人利用单个飞秒脉冲诱导形成了沿电场方向的 周期近似等于入射波长的同心波纹结构，研究了同心结构随脉冲数变化时与 电场的关系哺们。为了研究激光偏振态对形成的周期性结构的影响，德国的v o l g a 研究小组分别采用椭圆和圆偏振激光在c a f 2 表面进行了微构造；研究 了波纹结构与偏振态的关系，发现波纹结构的取向由椭圆长轴来定义；得出 了右圆偏振光比左圆偏振光更能得到线状波纹结构的结论啼”，。 通过将聚焦后的激光入射到移动平台上的样品，可以对样品进行较大面 积的激光扫描，从而获得较大面积的微结构。研究人员发现在较低激光能量 密度下，通过扫描半导体材料，可在其表面诱导出小于激光入射波长的波纹 结构，即，亚波长波纹结构。2 0 0 5 年，r l eh a r z i c 等人报道了利用飞秒激 光通过对硅表面进行扫描，形成亚波长波纹结构的实验结果晦”。2 0 0 9 年，z h o u m i n g 等人研究了表面周期性波纹结构与扫描速度的关系，报道了在选择最佳 实验条件下，形成间距和宽度小于5 0 0n m 的周期性波纹结构的实验结果”。 近年来，激光诱导周期性波纹结构的研究不仅限于传统的半导体材料， 也在一些半导体化合物材料，如，z n o 、t i 0 2 和i n p 以及s i c 等材料上，利 用飞秒激光辐照形成了相互平行的线状周期性微结构1 5 6 - 6 0 ，或明暗交替的环状 周期性波纹结构邮”。 1 3 3飞秒激光微构造半导体材料表面尖峰结构 对飞秒激光诱导半导体材料表面周期性波纹微结构的研究表明，这种周 期性结构主要在较低能量密度辐照下才能形成，并且多数是在空气环境条件 下获得的。随着研究人员对激光与物质相互作用研究的不断深入，发现在某 些特定的气体条件下采用高能量密度的激光脉冲辐照半导体材料，可在材料 的表面产生准规则排列的微米量级尖峰结构。此材料肉眼看上去完全呈黑色， 因而这种新硅材料也被称为“黑硅 ( b l a c ks i l i c o n ) 。 利用飞秒激光脉冲在硅表面获得这种尖峰结构的研究最初是由哈佛大学 e m a z u r 研究小组的t h h e r 报道的，锥形尖峰微结构是在6 7k p a 的s f 6 气体环境下，累积辐照5 0 0 个飞秒激光脉冲获得的 3 1o 该尖峰微结构顶端有 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 小球，具有较大的纵横比和位于材料原始表面以下的特点。基于该奇特的微 结构，e m a z u r 研究小组在多种条件下对此进行了研究”。首先在s f 6 气氛 儿“，空气m ，n ”，以及其他气体( c 1 2 、h 2 s 、h 2 等) 町哺蚰条件下做了系列的实 验研究。通过上述实验研究发现，只有在s f 6 和c 1 2 气体环境下，才能形成 圆锥形尖峰结构；而在其他气氛下产生的均是较钝的微结构，说明卤素元素 在激光诱导尖峰微结构的过程中起着重要的作用。 除了在气体环境下利用飞秒激光对硅表面进行尖峰微构造外，2 0 0 4 年和 2 0 0 8 年，m y s h e n 利用飞秒激光在蒸馏水中对硅进行辐照实验，在硅表面 产生了准规则微米尖峰结构和纳米棒结构m m ，。目前除哈佛大学外，其他研 究小组也在激光诱导半导体材料形成尖峰结构方面做了相关研究盯一气目前国 内在该方面研究较多的主要是复旦大学的赵利研究小组n ”。 1 3 4 飞秒激光微构造半导体材料表面的特性研究 近年来，各国研究人员的研究重点由先前的只注重对激光诱导半导体表 面微结构已经转向对微构造材料性质的研究，尤其是光吸收特性n “”，场发 射特性r 。”，疏水特性5 m 町”，光致发光特性伯 抽耵和拉曼光谱特性随 方面的研 究。而上述性质中研究较多的则是微构造材料的光吸收特性和场发射特性。 自从1 9 9 8 年，e m a z u r 小组在s f 6 气氛下利用飞秒激光在硅表面制得准 规则排列的微米圆锥尖峰结构后，该小组便对这种大面积的微构造材料的光 吸收特性并畅发射特性进行了研究。2 0 0 1 年至2 0 0 4 年，c w u 、r y o u n k i n 以及c h c r o u c h 等人分别对s f 6 气氛下形成的表面具有圆锥尖峰结构的硅 材料的光谱特性进行了研究 8 0 - 8 3 ，。发现该材料在近红外波段对光的吸收比未被 激光处理的或者在其他气氛中处理的材料对光的吸收高得多阳”，其对光的吸 收达到了9 0 以上，v z o r b a 小组的研究也得出了相同的结论”。另外，研 究人员分析认为导致这种材料具有对光如此高吸收的原因主要与材料表面的 尖峰微结构暗们和硫族掺杂元素的扩散有关。由于硅表面的锥形尖峰微结构 具有准规则排列性，在较低的启动电压下，就具有较高的场发射特性c ，该 性质可与目前最好的场发射装置相比，但该材料的制备方法却相对简单得多。 “黑硅 的这些奇特的光电性质具有较大的潜在应用价值，可用于制作性能 更优越的光电子器件，如新型硅基太阳能扣”，光电二极管n 3 1 d 钉和雪崩光电二 极管钉等。它具有的良好场发射特性在冷阴极微电子设备、平板显示等领域 有较大的应用。 器件从可见到红外波段上的应用，从而会在很大程度上降低器件的转换效率 和响应灵敏度。鉴于硅基半导体器件和光子器件在微电子和光学领域发挥着 越来越重要的作用，为了进一步提高硅基光电子器件的性能，满足越来越高 的使用要求；需克服晶体硅的缺点，改良其本身性质。随着激光技术的不断 发展，短脉冲及超短脉冲激光由于具有热效应小、加工精密以及方法简单等 优势，已在材料表面微处理和改性方面成为十分重要的加工工具。 近年来，利用脉冲激光对硅表面进行微构造的研究越来越广泛，激光辐 照硅表面可形成锥形尖峰微构造硅，这种微构造硅与普通晶体硅相比光电特 性有了显著的提高。然而不同条件下形成的硅表面尖峰微结构具有不同的形 状、尺度和空间分布等特征，这些会对微构造硅表面的光电特性有一定影响。 另外，尖峰微结构具体的形成机理和其与环境条件的关系目前仍然不是很清 。 楚。因此研究脉冲激光在不同条件下对硅表面的微构造及其生长机理仍有重 要意义，并能为下一步制作高性能硅基光电子器件打下基础。 1 5本论文主要内容及安排 本文研究了纳秒脉冲激光和飞秒脉冲激光在特定背景气氛下对硅表面的 微构造，讨论了环境条件和激光参数对微构造硅表面形貌的影响；分析了微 结构形成的机理，研究了微构造硅表面成分及光反射特性。 第2 章简要介绍了脉冲激光微构造硅表面的实验设备和测试设备的组 成、性能及应用。 第3 章介绍了脉冲激光对硅表面进行微构造的实验装置，研究了背景气 体( s f 6 、空气、n 2 和真空) 、激光参数( 脉冲数、能量密度和激光波长) 以 及不同晶体晶面对微结构的影响，分析了背景气体的作用和不同波长辐照下 的主要物理机制。 第4 章研究了飞秒激光在s f 6 、空气、n 2 和真空气氛下微构造硅表面的 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 演化，讨论了四种气氛下起主要作用的机理。 第5 章研究了空气中较大面积微构造硅的表面成分及其反射光谱特性。 j ： _ ： 堕塑型摹奎兰堡主堡窒竺堂垡笙窒 第9 页 2 实验及测试设备 2 1实验设备 2 1 1n d ：y a g 纳秒激光系统 本论文有关纳秒激光对硅表面微构造实验采用的激光光源为安徽光机所 研制的n d ：y a g 激光器。该激光器为氙灯泵浦的固体激光器，主要由于六 部分组成，分别是q 开关y a g 激光头( 即振荡级) 部分、多次谐波部分、 o p o ( 光学参量振荡器) 宽调谐部分、y a g 功率放大及二次谐波部分、o p o 图2 - 1系统结构框图 fig 2 1t h es c h e m eo fs y s t e ms t r u c t u r e s 图2 - 2波长切换及水温控制面板( 振荡级) f i g 2 2 t h es c h e m eo fw a v e i e n g t hs w i t c h i n ga n dt e m p e r a t u r ec o n t r o ip a n e i 宽调谐控制部分及两台电源柜与水冷部分，整个系统的框架如图2 1 所示。 | - ： 堕重型垫奎兰堡主堡室竺兰竺垒窒 第l o 页 该激光器可实现激光功率放大、多波长输出jo p o 宽调谐等功能。从振荡级 输出的1 0 6 4n l n 激光，可通过机械光路切换装置进行光学上的连接，使其进 入y a g 功率放大及二次谐波部分，从而将1 0 6 4n n l 或5 3 2n m 激光进行放大， 可实现高能量输出。为满足多波长实验的要求，也可通过上述的切换装置将 振荡级输出的1 0 6 4n m 激光移入多次谐波部分，通过多次谐波后可输出波长 为5 3 2n n l 、3 5 5h i l l 和2 6 6h i l l 的倍频光。波长切换和o p o 的使用是通过振 荡级控制面板上的波长转换开光来进行控制的，如图2 2 所示。 表2 - 1系统的技术指标 t a b i e2 1 s y s t e ms p e c i f i c a t i o n s 该激光系统还具有以下特点： 采用压缩机制冷的手段对冷却水进行二次冷却以替代传统的自来水 冷却，有效地控制了系统的工作温度，节约了水资源，降低了使用费的开支。 系统采用了先进的热稳定技术，主要的技术手段就是让脉冲氙灯按照 系统的激光头部分采用高强度铸造铝制作底板，具有足够的重量和抗 自然弯曲能力，能够最大限度的防止机械形变的产生。 该激光系统的具体参数见表2 1 。另外，其余辅助性的指标还有：线偏 振输出，输出波形为准高斯型，输出光斑模式为低阶混合模，系统具备波长 自动切换功能，水冷系统自带压缩机制冷等。 2 1 2 钛宝石飞秒激光系统 本论文有关飞秒激光对硅表面微构造的实验研究所采用的激光器为中物 图2 - 3超短脉冲o p a 系统原理示意图 f i g 2 - 3 t h ep ri n c i p i es c h e m eo fu l t r a s h o r tp u is ec p as y s t e m s 匿舅：7 习 三百 m 。辫琏 产警讥，：。 登 鬈 窄 瞳 馘l 斛耄：烈l a l n a mp 二d 程 i p r e 幢? | h1 iil- i 野谚 嘲_ 扣 -嘲 扎l m 雌 l i t l 1 2 p隧攀了 jx f wk 二。 ；知4崩国 ， 念磁 l 曩慰 h 。s t r _ - 嬲， l v 嘲翅眦 n 一，。 啊l c o m b 心h r1 r l 图2 - 4x k i ) t w 超短脉冲系统光路图 f i g 2 - 4 t h es c h e m eo fx k dt wu i t r a s h o r tp u i s os y s t e m 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 院激光聚变研究中心一激光技术工程部设计的x k dt w 级飞秒激光系统。该 飞秒激光系统主要由飞秒振荡器、展宽器、高增益预放大器、主放大器和压 缩器五部分组成，其原理图和具体光路图如图2 3 和图2 4 所示。其中连续 绿光激光器和y a g 激光器主要是分别用来泵浦飞秒振荡器和高增益预防大 器及主放大器，监测系统主要作用是在激光器运行过程中监测锁模情况，同 步系统和选单开光则用来控制激光系统的重复频率。下面对飞秒激光系统的 主要部分做如下简要介绍： ( 1 ) 飞秒振荡器 整个系统前端的钛宝石自锁模飞秒振荡器采用x 型腔设计，并采用啁啾镜 ( m 3 和m 4 ) 补偿色散，可以产生重复频率7 4m h z ，脉宽为2 0f s 的种子脉 冲，其光路图如图2 5 所示。 图2 - 5飞秒振荡器光路图 f i g 2 5 t h eo p t i c a ip a t hs c h e m eo ff e m t o s e c o n do s c iii a t o r ( 2 ) 飞秒展宽器 堇援啦大嚣 。 、搬瞻：- f ；= = 。ni 粼、 ，l ”k 一” b 7 1 1 1 3 ，心。 ， 瞄青；船 羟l s t r h 2 矗 。一n r ： b 冒 7 舶 图2 - 6o f f n e r 展宽器及脉冲选单器光路图 f i g 2 - 6 t h es c h e m eo fo f f n e rs t r e t c h e ra n ds i n g i ep u ls e - c h o o s e dd e v i c e 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 在啁啾脉冲放大系统中，展宽器将振荡器输出的锁模脉冲序列进行时域 啁啾展宽。x k dt w 系统中，展宽器采用o f f n e r 消像差构型，如图2 6 所 示。该构型展宽器包括一块光栅、凹面镜、凸面镜和数块导光用的反射镜构 成。为避免反激光，振荡器和展宽器之间加了一个法拉第隔离器( 法拉第和 转子) 。从展宽器输出的啁啾脉冲序列( 脉宽展至3 0 0p s ) ，进入到脉冲选单 单元( 普克尔盒和格兰棱镜) ，脉冲重复频率变为1h z 。 (