超快激光單脈沖誘導(dǎo)硅表面火山坑形貌

紀(jì)煦++丁紅軍++張莉英++付宏鴿++呂玉梅++何健

文章編號(hào)：2095-6835（2017）04-0020-02

摘 要：超快激光單脈沖在高于燒蝕閾值下誘導(dǎo)硅表面形成了納米尺度的火山坑形貌。在相對(duì)低的通量時(shí)，火山坑的形貌為不規(guī)則圓形，沿著激光偏振方向的直徑略長于垂直激光偏振方向的直徑，增加了激光脈沖通量，火山坑形貌漸變成接近圓形。時(shí)域有限差分法模擬分析可能存在的物理機(jī)理為表面缺陷或因初始的彈坑引起硅表面燒蝕區(qū)域的電場(chǎng)重新分布，沿著激光偏振方向的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，進(jìn)而形成火山坑的不規(guī)則圓形狀。

關(guān)鍵詞：超快激光；硅；火山坑；通量

中圖分類號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.04.020

超快激光具有脈沖時(shí)間短、峰值功率高、精確的聚焦定位等特點(diǎn)，可以在多種材料表面上加工出多種形貌的微納結(jié)構(gòu)，這些微納結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域，比如波導(dǎo)吸收、太陽能電池板、光存儲(chǔ)、微通道、增強(qiáng)拉曼散射等。因此超快激光誘導(dǎo)表面微納結(jié)構(gòu)受到了廣泛的關(guān)注。

本文主要研究了高于燒蝕閾值、超快激光單脈沖燒蝕硅表面納米結(jié)構(gòu)的形成和演化。研究發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度的再分布使得燒蝕沿著激光偏振方向。相比在較小的燒蝕能量下，形成了不規(guī)則火山坑，能量增加變成近圓形火山坑。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

美國Newport公司研制的鈦藍(lán)寶石超快激光器提供了激發(fā)硅樣品的脈沖能量。實(shí)驗(yàn)所用的光路如圖1所示，激光經(jīng)過分束鏡（Beam splitter）將光束一分為二，一束光應(yīng)用在本文研究，另一束光提供給另一組實(shí)驗(yàn)。本文所用的光路經(jīng)過偏振片、衰減片、半波片、機(jī)械可控開關(guān)、二向色鏡，經(jīng)物鏡聚焦到硅樣品上；另一路光由白光源提供，主要為實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供照明。實(shí)驗(yàn)硅片固定在玻璃片上，并放在移動(dòng)加工平臺(tái)（M-840.5DG，PI，Inc.）上，該平臺(tái)在x，y，z三個(gè)方向的移動(dòng)精度非常高，甚至達(dá)到了0.5 μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用原子力顯微鏡進(jìn)行表征。

圖1 超快激光燒蝕硅表面的實(shí)驗(yàn)光路示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)，激光脈沖通量高于硅的燒蝕閾值，激光激發(fā)到硅表面上的強(qiáng)度通過連續(xù)衰減片來控制。單脈沖燒蝕硅表面是通過降低激光的重復(fù)頻率為10 Hz，結(jié)合機(jī)械觸發(fā)的開關(guān)快門來控制。本文選取了3個(gè)脈沖通量（1.5 J/cm2、3 J/cm2、6和10 J/cm2）值進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，燒蝕結(jié)果利用原子顯微鏡進(jìn)行了表征，獲取了4個(gè)脈沖通量下彈坑形貌的二維和三維信息，如圖2所示。燒蝕區(qū)域呈現(xiàn)火山坑狀，燒蝕區(qū)域受到了污染物的影響，這些物質(zhì)可能是激光燒蝕過程中濺射出來的去除物堆積而成，但并未影響到整體的燒蝕形貌，在通量低于3 J/cm2時(shí)，火山坑呈現(xiàn)不規(guī)則圓形，沿著激光偏振方向的直徑約為4 μm，垂直激光偏振方向的直徑約為2.5 μm，如圖2中的（a）和（b）所示。隨著燒蝕能量的增加，通量高于6 J/cm2時(shí)，火山坑形貌逐漸變成圓形其直徑約為6～7 μm。

火山坑周圍高出表面的是燒蝕過程中形成的重鑄層。重鑄層的行程取決于超快激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理，對(duì)于半導(dǎo)體材料，激光產(chǎn)生的大量光子瞬時(shí)將能量傳遞給電子，電子吸收了光子的能量后會(huì)躍遷到更高能級(jí)，原子核對(duì)其束縛變小，從而產(chǎn)生大量的自由電子，當(dāng)自由電子達(dá)到非常高的密度時(shí)，就變成了具有很高溫度、很高能量的等離子體。當(dāng)硅的晶格中所有原子都出現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)就產(chǎn)生了相變，固體材料硅會(huì)變成熔融狀態(tài)，這種變化過程會(huì)在皮秒量級(jí)內(nèi)完成，但激光的能量傳遞給物質(zhì)的過程需要更長時(shí)間，所以，在物質(zhì)相變后的能量傳遞就變成在熔池內(nèi)完成，這就像μm大小的顆粒以非常高的速度沖擊高濃度的熔漿，顆粒會(huì)將中心的物質(zhì)推向周圍直到顆粒

的能量被完全吸收，此時(shí)脈沖能量傳遞結(jié)束，熔融池會(huì)迅速冷卻，從而在周圍形成重鑄層類似火山坑，如圖2中的三維圖所示。重鑄層的高度和燒蝕深度很接近。

3 理論模擬分析

超快激光與硅相互作用的機(jī)理非常復(fù)雜，比如電子的激發(fā)過程、電子的擴(kuò)散現(xiàn)象、電子的弛豫時(shí)間、能量選擇沉積以及俄歇復(fù)合過程等至今尚未明確。因此，火山坑形貌的形成機(jī)理仍在探討中。這里給出其他課題組的研究成果，比如伯克利科斯塔教授得出一個(gè)有趣的結(jié)果——在低激光通量作用時(shí)，雙光子吸收起主導(dǎo)作用；在高激光通量時(shí)，電子擴(kuò)散是主要的能量傳輸機(jī)制。這兩種起主導(dǎo)作用的機(jī)制可能是導(dǎo)致低通量下形成不規(guī)則的火山坑，高通量是圓形火山坑。

4 結(jié)束語

本文介紹了高能量密度下激光單脈沖燒蝕硅所形成的火山坑形貌。研究發(fā)現(xiàn)，激光單脈沖燒蝕在較低通量下產(chǎn)生了不規(guī)

則的火山坑形貌，沿著激光偏振方向直徑大于垂直激光偏振方向。隨著脈沖能量增加，這種影響逐漸減小，也就是火山坑接近圓形。這種燒蝕結(jié)構(gòu)的物理機(jī)理可能是表面缺陷或者初始結(jié)構(gòu)引起激光場(chǎng)強(qiáng)重新分布，使得沿著偏振方向場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，導(dǎo)致燒蝕區(qū)域呈現(xiàn)橢圓形貌。

參考文獻(xiàn)

[1]紀(jì)煦.超快激光誘導(dǎo)硅表面微/納結(jié)構(gòu)幾何形貌調(diào)控實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.

[2]華黎敏，陳子陽.部分偏振光束的大數(shù)值孔徑聚焦特性[J].中國激光，2010，37（07）.

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作者簡介：紀(jì)煦（1980—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，講師，畢業(yè)于北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，研究方向?yàn)榫芗庸ぶ圃旒夹g(shù)和微納制造技術(shù)。

〔編輯：張思楠〕