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

利用飛秒激光對材料進(jìn)行微精細(xì)加工越來越受到重視。飛秒激光的脈寬很短，因而不會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、沒有微裂紋、具有亞波長的特性、又可以實(shí)現(xiàn)任對何材料的燒蝕［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，就會在材料表面形成自發(fā)的、周期性的永久性表面波紋，又稱激光誘導(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)就會發(fā)生很大的變化。因此，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，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］等人專門做過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程按順序發(fā)生的一系列物理過程，即無定型化，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λ=800nm，脈沖寬度τ=35fs，重復(fù)頻率f=1kHz)對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(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為800nm，脈寬為35fs，重復(fù)頻率為1kHz，偏振方向近似水平?？勺兯p器(圖中所用為連續(xù)可調(diào)衰減器)用來調(diào)節(jié)脈沖能量。樣品硅放在高精密3維移動平臺上。高斯激光通過金相顯微鏡的10倍物鏡出來后照射樣品，飛秒激光脈沖的功率由校準(zhǔn)的功率計(jì)來測量。測量中由于激光能量的波動，致使脈沖功率的測量有一定的誤差(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金相顯微鏡進(jìn)行分析，然后通過電腦控制的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)域由于激光能量過大，燒蝕形貌無規(guī)則，在激光成形的過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)兒類似光柵的結(jié)構(gòu)。由于在實(shí)驗(yàn)時(shí)沒有加格蘭-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-泰勒棱鏡來檢測輻照到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)測量通過棱鏡后激光的功率，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?。因此能夠確定條紋方向與飛秒激光的電矢量方向垂直，并且測量出實(shí)驗(yàn)中的條紋周期約為750nm，這些與國際上有關(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、偏振態(tài)以及材料表面性質(zhì)相關(guān)。人們通過大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)論證出的波紋周期與入射激光波長之間的關(guān)系為［11］:

式中，d為波紋周期;λ為激光波長;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)中卻沒有觀察到該結(jié)構(gòu)，這表明該結(jié)構(gòu)的形成過程中涉及到了反饋機(jī)制。有趣的是，在長脈沖激光輻照下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，他們稱之為高空間頻率;另一種LIPSS的空間周期與激發(fā)脈沖的周期接近，稱之為低空間頻率。用中心波長分別為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)而與晶向無關(guān)。BONSE［9］等人用功率密度為2.5J/cm2的飛秒激光(波長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，測量出實(shí)驗(yàn)中的條紋周期約為750nm，并對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。

［1］ ZHOU M，YUAN D Q，LI J，et al.Micro-and nano-structures on metal induced by fentosecond laser radiation［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis，2009，29(6):1454-1458(in Chinese).

［2］ WANG Y R，LI Y，HE Sh T，et al.Femtosecond laser directly writing two dimensional metal sub-wavelength hole array applicable to terahertz band［J］.Laser ＆ Optoelectronics Progress，2011(5):051402(in Chinese).

［3］ XU B，WU X Y，LING Sh Q，et al.Numerical simulation of thermal electron emission in metal films ablated by multi-pulse femtosecond laser［J］.Laser ＆ Optoelectronics Progress，2012(8):083201(in Chinese).

［4］ JEON S，MALYARCHUK V，ROGERS J A，et al.Fabricating threedimensional nanostructures using two photon lithography in a single exposure step［J］.Optics Express，2006，14(6):2300-2308.

［5］ YU H.Study on measurement of femtosecond laser pulse width［J］.Laser Technology，2013，37(5):679-681(in Chinese).

［6］ BAI L，ZHAO X L，LIU Y，et al.Optical fiber micro-hole sensor fabricated with femtosecond laser［J］.Laser Technology，2013，37(1):101-104(in Chinese).

［7］ NI X，SUN Q，CHEN Y，et al.Nano-ripples structure on material surface during femtosecond laser ablation［J］.Nanotechnology and Precision Engineering，2009，7(1):47-50(in Chinese).

［8］ YANG Ch H，LIANG X H，TANG D Ch，et al.Evolution of silicon surface microstructure induced by Nd∶YAG nanosecond laser［J］.Acta Physica Sinica，2010(10):7015-7019(in Chinese).

［9］ BONSE J，BAUDACH S，KRüGER J，et al.Femtosecond laser ablation of silicon-modification thresholds and morphology［J］.Applied Physics，2002，A74(1):19-25.

［10］ MIAO E M.Analysis of thermal influence of Si processed with femtosecond laser［J］.China Mechanical Engineering ，2009，15(12):1869-1872(in Chinese).

［11］ BONCH-BRUEVICH A M，LIBENSON M N，MAKIN V S，et al.Surface electromagnetic waves in optics［J］.Optical Engineering，1992，31(4):718-730.

［12］ BOROWIEC A，HAUGEN H K.Subwavelength ripple formation on the surfaces of compound semiconductors irradiated with femtosecond laser pulses［J］.Applied Physics Letters，2003，82(25):4462-4464.