飛秒激光燒蝕硅表面彈坑形貌偏振依賴性研究

紀(jì)煦+張莉英+丁紅軍+付宏鴿+呂玉梅

摘 要：不同偏振方向下飛秒激光單點(diǎn)燒蝕硅表面形成了橢圓形彈坑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沿著激光偏振方向，形成了橢圓形彈坑。隨著激光脈沖能量密度的增加，彈坑的形狀逐漸接近圓形。利用時(shí)域有限差分法（FDTD）分析了物理機(jī)理，表面微納缺陷或初始燒蝕點(diǎn)引起硅表面燒蝕區(qū)域電場(chǎng)重新分布，使得電場(chǎng)強(qiáng)度沿著激光偏振方向增強(qiáng)，因此形成了橢圓形狀的彈坑。

關(guān)鍵詞：飛秒激光；偏振；硅表面；彈坑

1 概述

飛秒激光可以在金屬、半導(dǎo)體和絕緣體等多種材料表面上加工出多種形貌的微納結(jié)構(gòu)，加工條件很大程度取決于光束的偏振、激光脈沖數(shù)和激光能量[1-3]。近年來研究結(jié)果證明偏振對(duì)激光誘導(dǎo)表面周期性結(jié)構(gòu)起著顯著作用，如橢圓偏振態(tài)激光可以在金屬鎢和銅表面上加工出不同方向的規(guī)則的微米結(jié)構(gòu)[4]。脈沖個(gè)數(shù)也是飛秒激光微納加工的重要參數(shù)，飛秒激光在多脈沖條件下燒蝕半導(dǎo)體材料表面出現(xiàn)周期性結(jié)構(gòu)，脈沖數(shù)量可用來調(diào)控結(jié)構(gòu)的周期大小[5]，Zhang課題組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在燒蝕閾值附近，硅表面微米和納米結(jié)構(gòu)隨著脈沖個(gè)數(shù)增加的演化規(guī)律[6]。Delobelle區(qū)別于之前的研究，都是激光多脈沖誘導(dǎo)表面周期結(jié)構(gòu)，他的實(shí)驗(yàn)研究了飛秒激光圓偏振態(tài)在燒蝕閾值附近單點(diǎn)激發(fā)BO玻璃形成納米孔的形貌[7]。這些研究工作主要集中在燒蝕閾值附近，對(duì)于高于燒蝕閾值激光單脈沖激發(fā)表面微納結(jié)構(gòu)是否受到偏振的影響報(bào)道很少。當(dāng)然，有些課題組在研究超快激光與物質(zhì)相互作用的過程中也得到了類似的彈坑結(jié)構(gòu)，但他們沒有給出激光偏振對(duì)彈坑形貌特征的影響[8，9]。本文研究了高于燒蝕閾值條件下飛秒激光單脈沖與半導(dǎo)體材料硅相互作用下，激光偏振對(duì)所形成的微米結(jié)構(gòu)形貌特征的影響。

2 實(shí)驗(yàn)條件及方法

實(shí)驗(yàn)光路圖如圖1（a）所示，實(shí)驗(yàn)光路由激光器、光學(xué)元器件、CCD、白光源和實(shí)驗(yàn)臺(tái)等組成。激光器是由newport公司研制的鈦藍(lán)寶石激光器，其放大系統(tǒng)提供高斯模式的光束，波長(zhǎng)為800納米，脈沖為50飛秒，重復(fù)頻率為1000赫茲，圖1（b）為高斯激光脈沖模擬圖。光學(xué)元件包括衰減輪、半波片、機(jī)械開關(guān)、雙色鏡、分束鏡和物鏡等，衰減輪可以用來調(diào)節(jié)激光能量密度，半波片可以用來控制激光的偏振方向，機(jī)械觸發(fā)開關(guān)用來保證脈沖個(gè)數(shù)，物鏡是將光束聚焦到硅片上。白光源和CCD是監(jiān)控系統(tǒng)，可以全程觀測(cè)實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)臺(tái)是六軸高精度移動(dòng)平臺(tái)。利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行表征。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2所示是為飛秒激光能量密度分別為1.5、3、6和10J/cm2單脈沖激發(fā)硅表面的SEM圖。從圖中可以看出，激光單脈沖與硅相互作用形成了彈坑形貌，較低的通量下，彈坑呈現(xiàn)橢圓形，如圖2（a）所示，主軸長(zhǎng)度近5微米方向與激光偏振方向一致，短軸約為3微米垂直于激光偏振方向。隨著脈沖能量密度高于6J/cm2，彈坑形貌與高斯光束的半高全寬橫截面一致，逐漸變成圓形，直徑約為8微米，如圖2（d）所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光偏振態(tài)會(huì)影響燒蝕彈坑形貌。如圖2所示，當(dāng)激光的偏振方向?yàn)樗?，橢圓彈坑的主軸也為水平方向。當(dāng)激光偏振方向?yàn)棣?45°，對(duì)應(yīng)激光脈沖通量為1.5、3、6和10J/cm2的燒蝕能量下，彈坑燒蝕形貌如圖3（a）中（i-iv）所示，在低通量時(shí)依然為橢圓形，且長(zhǎng)軸平行于激光偏振方向，如圖3（a）中（i，ii），燒蝕彈坑的主軸也被旋轉(zhuǎn)了45°，在高通量下，彈坑形貌趨近于圓形，如圖3（a）中（iii，iv）所示。當(dāng)激光偏振方向?yàn)棣?90°，在低通量下依然為橢圓形貌且長(zhǎng)軸平行于激光偏振方向，如圖3（b）中（i，ii）所示，在高通量下，燒蝕彈坑接近為圓形，如圖3（b）中（iii，iv）所示。由此可以得出激光偏振影響著燒蝕彈坑的形貌。在偏振方向改變過程中，不同偏振方向激光燒蝕的彈坑橢圓度基本不變。在高通量時(shí)，都是近圓形的燒蝕彈坑形貌，這與激光高斯脈沖光束的半高橫截面形貌一致。

4 理論模擬

利用FDTD方法計(jì)算了燒蝕硅表面的電場(chǎng)分布，如圖4所示。激發(fā)的表面等離子波和散射波決定了電場(chǎng)分布，光子激發(fā)電子成為高密度載流子從而產(chǎn)生表面等離子體，表面結(jié)構(gòu)決定散射。在數(shù)值模擬中，如何在物理模型中正確的確定激發(fā)的表面等離子體波是非常重要。

硅表面燒蝕出一個(gè)直徑3-6微米的彈坑，在整個(gè)燒蝕過程中主要分為兩個(gè)階段：（1）光子能量吸收階段在飛秒到皮秒時(shí)間尺度上完成，主要是自由電子的產(chǎn)生、加熱和電子激發(fā)；（2）能量再分布傳遞給晶格導(dǎo)致材料的去除在皮秒到納秒時(shí)間尺度。在燒蝕過程中，一個(gè)1微米的小彈坑會(huì)瞬間產(chǎn)生在皮秒的時(shí)間尺度。簡(jiǎn)便起見，硅表面上一個(gè)直徑1微米，重鑄高度200納米的彈坑作為物理模型進(jìn)行計(jì)算，如圖4（a）。

在激光脈沖激發(fā)下，產(chǎn)生高密度載流子，硅的復(fù)折射系數(shù)產(chǎn)生巨大變化，在該條件下，硅的介電常數(shù)可以由德魯特模型描述[3]。

式中，εc是介電常數(shù)， 是等離子體頻率，Γ是電子碰撞系數(shù)，載流子密度ne大，ωp也變大，方程1介電常數(shù)的實(shí)部、虛部由下式得出：

算證明，自由電子密度決定復(fù)折射系數(shù)的實(shí)部和虛部。激光通量高于硅的燒蝕閾值，載流子密度約為1021cm-3。因此，選取復(fù)折射系數(shù)n=3.4+i0.5[3]。在模擬過程中，激光光束垂直入射硅表面，激光偏振態(tài)方向在θ=0°、θ=45°和θ=90°時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖4（b）、（c）和（d）所示，電場(chǎng)強(qiáng)度局域在彈坑內(nèi)部，沿著偏振方向有所增強(qiáng)，增強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)激發(fā)電子，形成高密度自由電子從而形成等離子體導(dǎo)致相變，使得燒蝕結(jié)構(gòu)沿著偏振方向呈現(xiàn)橢圓形。當(dāng)脈沖能量密度更高時(shí)，高密度等離子體起到能量吸收的屏蔽作用，使得橢圓形彈坑變成了圓形彈坑。

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)飛秒激光單脈沖與半導(dǎo)體硅相互作用產(chǎn)生了橢圓形貌的彈坑，激光偏振影響著彈坑形貌，脈沖能量密度和橢圓彈坑形貌關(guān)系也有一定關(guān)系，能量密度越高，橢圓度越小，越接近于圓形。

參考文獻(xiàn)

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