高重頻皮秒脈沖激光對多晶硅的損傷特性研究

李星辰，徐立君，張鵬波，吳強，蔡鵬程，湯磊

（1.長春理工大學 理學院，長春 130022；2.中國機械裝備研究院，北京 100089）

高重頻皮秒脈沖激光對多晶硅的損傷特性研究

李星辰1，徐立君1，張鵬波1，吳強1，蔡鵬程1，湯磊2

（1.長春理工大學 理學院，長春 130022；2.中國機械裝備研究院，北京 100089）

為研究高重頻皮秒脈沖激光對多晶硅的損傷特性，用不同重復頻率的皮秒脈沖激光輻照多晶硅，用掃描電子顯微鏡對激光輻照后多晶硅的損傷形貌進行檢測。探究了高重頻皮秒脈沖激光與多晶硅相互作用的機理，得到了不同輻照時間和重頻的皮秒激光對多晶硅的損傷規(guī)律。研究表明：多晶硅的損傷閾值隨著皮秒激光重頻的增加逐漸降低，當激光重頻大于5kHz時，多晶硅的損傷閾值達到一個“飽和”值，損傷閾值幾乎不再隨著重頻的增加而發(fā)生變化。研究結果對低脈沖能量高重復頻率激光加工具有借鑒意義。

多晶硅；高重頻；皮秒脈沖；損傷特性

多晶硅太陽能電池是國際上廣泛使用的一種太陽能電池，具有光電轉化效率較高、耗能低、生產效率高等優(yōu)點，被廣泛應用到工業(yè)、軍事、航天等領域。硅基半導體材料通常在高重復頻率激光輻照下使用，高重頻激光作用下半導體材料的損傷閾值要比單脈沖激光輻照時低很多［1］。研究高重頻皮秒脈沖激光輻照多晶硅材料的損傷機理，對探究激光與半導體材料的相互作用機理，優(yōu)化多晶硅元件的抗激光損傷特性具有重要意義［2-4］。國內外學者對硅基半導體材料的激光輻照效應開展了很多的研究工作［5-9］，但對高重頻皮秒脈沖激光多脈沖輻照多晶硅材料的損傷特性研究的報道極少，本文主要研究不同重復頻率的皮秒脈沖激光對多晶硅的損傷特性。

1 實驗裝置

高重頻皮秒脈沖激光輻照多晶硅的實驗原理如圖1所示。重復頻率可調的皮秒脈沖激光被分光鏡分為兩束，一束激光經(jīng)過聚焦透鏡后垂直作用在靶材表面，另外一束激光被功率計接收，實時監(jiān)測入射激光的功率值。通過調節(jié)衰減片倍率和改變激光電流來調節(jié)入射激光的功率、輻照時間和重復頻率，采用掃描電子顯微鏡檢測多晶硅的損傷形貌。

圖1 實驗裝置圖

實驗用的多晶硅片被切割為20×20mm的小片，并用丙酮和乙醇溶液去除雜質。光源為北京寶瑞光電公司生產的BR-PLM-1000全固態(tài)皮秒激光器，該激光器重復頻率調節(jié)范圍為1-10kHz，室內最大輸出功率為10W，輸出波長為1064nm，脈沖寬度為20p；功率采用以色列OPHIR公司型號為12A的功率計探頭，范圍為2mW-12W；電子掃描顯微鏡為Quanta 250超高分辨率場發(fā)射電子掃描顯微鏡。

2 實驗結果與分析

2.1 燒蝕分析

采用不同功率密度、重復頻率的皮秒脈沖激光輻照多晶硅材料。多晶硅的損傷形貌如圖2（a）所示，可以將多晶硅表面分為三個區(qū)域：（1）激光光斑中心輻照區(qū)域稱為熔融區(qū)；（2）材料內的熱傳導作用使損傷坑外部區(qū)域的溫度升高的熱影響區(qū)。（3）最外層的材料無明顯的變化的無激光影響區(qū)。圖2（b）為熔融區(qū)域局部放大圖，可以看到激光光束中心損傷程度較大，熔融形成一個邊緣清晰、完全將材料擊穿的損傷坑，損傷坑周圍區(qū)域因為溫度達不到熔點發(fā)生了氧化還原反應，形成一圈致密的氧化層。

圖2 多晶硅被高重頻皮秒脈沖激光作用后的損傷形貌

2.2 激光輻照時間對多晶硅損傷特性的影響

形貌判別法是損傷閾值判定方法之一［10］，當激光作用到靶材后，用100倍以上的顯微鏡觀察到材料表面上有任何可見的變化時，即判定激光對靶材造成了損傷，此刻對應的激光峰值功率密度即為靶材的損傷閾值。采用形貌判別法來判定多晶硅是否被高重頻皮秒脈沖激光損傷。

保持激光功率密度不變，激光輻照時間分別1、3、5、10、15、20s時，多晶硅的損傷閾值如圖3所示。從圖中可以看到：高重頻皮秒脈沖激光輻照多晶硅的熱積累現(xiàn)象顯著，隨著激光輻照時間的增加，多晶硅的損傷閾值逐漸減小，輻照時間在10s附近時，多晶硅的損傷閾值逐漸達到一個穩(wěn)定值。

圖3 多晶硅損傷閾值隨輻照時間變化圖

多晶硅在生產過程中內部會形成微觀缺陷，缺陷吸收系數(shù)較高。能量的積累使多晶硅形成局部高溫，使多晶硅結構缺陷處發(fā)生熱爆炸、雪崩離化等過程，所以，隨著輻照時間的增加，缺陷的積累使材料激光損傷閾值逐漸降低。而多晶硅的損傷閾值在10s后不再受輻照時間的影響，這是由于激光單脈沖能量達到了微觀缺陷爆炸的臨界點。

圖4 多晶硅損傷程度隨輻照時間的變化圖

圖4為多晶硅的損傷形貌隨輻照時間的變化圖，對應的入射激光的峰值功率密度為3.86×1010W/ cm2。從圖4（a）可以看到，當激光作用時間為1s時，激光只在材料很淺的表層造成了損傷。增加激光的輻照時間的增加，多晶硅損傷坑的深度也在逐漸增加。從圖e可以看出，當輻照時間增加至15s時，多晶硅被激光完全擊穿，形成一個輪廓清晰的損傷坑。

2.3 激光重復頻率對多晶硅損傷特性的影響

2.3.1 激光重頻對多晶硅損傷閾值的影響

對于高重復頻率激光而言，激光重復頻率不同，激光的脈沖間隔和單脈沖能量以及峰值功率不同，則多脈沖激光輻照下多晶硅的損傷閾值也會發(fā)生變化。為了探究不同重復頻率激光與多晶硅相互作用的損傷規(guī)律，實驗中設定激光的輻照時間為10s，測量了多晶硅在不同激光重頻作用下的損傷閾值，實驗結果如圖5所示。

從圖中可以看出：多晶硅的損傷閾值隨著激光重復頻率的改變而發(fā)生變化。在激光重復頻率在0.5～5kHz范圍內，隨著激光重復頻率的增加，多晶硅的損傷閾值逐漸降低。當激光重復頻率超過5kHz時，繼續(xù)增加激光的重復頻率，多晶硅的損傷閾值幾乎沒有改變。材料的損傷主要與激光的峰值功率密度有關。當激光功率一定時，激光的重頻越高，其脈沖間隔越短。相同的輻照時間下，作用在多晶硅上的激光脈沖個數(shù)越來越多，多晶硅就較容易被激光損傷。但高重頻激光輻照多晶硅時，其單脈沖能量不能低于一個特定的值，否則再高的重復頻率也不能對多晶硅材料造成損傷。

圖5 多晶硅的損傷閾值隨不同激光重頻的變化

2.3.2 激光重頻對多晶硅損傷形貌的影響

實驗中設定激光平均功率為0.43W，輻照時間為10s，用重復頻率分別為1kHz、3kHz、5kHz、7kHz、9kHz的激光對多晶硅進行輻照。重復頻率對損傷形貌的影響如圖6所示，從圖中可以看出：多晶硅材料的損傷程度隨著激光重復頻率的增加而逐漸減弱。圖6（a）是激光重頻1kHz時，輻照后材料表面形成一個輪廓清晰并且中心區(qū)域被擊穿的損傷坑。當增加激光的重復頻率時，損傷坑的直徑和深度逐漸減小，到激光重頻為9kHz時（見圖6（e）），激光只在材料較淺的表層形成損傷結構。造成這種結果的原因是，當激光輻照時間相同，入射激光的平均功率保持為定值時，其單脈沖能量與激光重頻呈反比關系，激光的重頻越高，其單脈沖能量越低，所以對多晶硅造成的損傷程度也越弱。所以高重頻皮秒脈沖激光輻照多晶硅時，單脈沖能量對材料的損傷起著主要的作用。

圖6 不同重復頻率激光損傷形貌SEM圖

3 結論

論文建立了高重頻皮秒脈沖激光輻照多晶硅的實驗系統(tǒng)，分析了高重頻皮秒脈沖激光不同參數(shù)對多晶硅材料損傷特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)：

多晶硅材料的損傷閾值隨著激光輻照時間的增加逐漸降低，并在輻照時間為10s時達到“飽和”狀態(tài)，再增加輻照時間，多晶硅的損傷閾值幾乎不變。

激光重頻對多晶硅材料的損傷閾值有較大的影響，激光重頻越高，多晶硅的損傷閾值越低。當激光重頻達到5kHz時，損傷閾值達到“飽和”狀態(tài)，損傷閾值幾乎不再隨著重復頻率的增加而發(fā)生變化。

高重頻皮秒脈沖激光輻照下，多晶硅的損傷形貌并未發(fā)現(xiàn)應力損傷造成的裂紋，其主要的損傷機制是熱熔燒蝕。

［1]Liu P L，Yen R，Bloembergen N，et al.Picosecond laser

induced melting and resolidification morphology on Si

［J］.Applied Physics Letters，1979，34（12）：864-866.［2]Stuart B C，F(xiàn)eit M D，Herman S，et al．Nanosecondto-femtosecond laser-induced breakdown in dielectrics［J］.Phys.Rev，1996，53（4）：749-1761．

［3]Singh A P，Kapoor A，Tripathi K N，et al.Laser dam?age studies of silicon surfaces using ultra-short laser pulses［J］.Optics&Laser Technology，2002，34（1）：37-43.

［4]Zhonghua S，Jianping C，Jian L.Damage phenomena in?duced by a single laser pulse and multiple laser pulses in crystal silicon［J］.Journal-nanjing University Natural Sciences Edition，2001，37（1）：79-83.

［5]Singh A P，Kapoor A，Tripathi K N，et al.Laser dam?age studies of silicon surfaces using ultra-short laser pulses［J］.Optics&Laser Technology，2002，34（1）：37-43.

［6]付耀龍，孫振皓，徐立君，等.長脈沖激光輻照硅材料熱應力的數(shù)值模擬［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2013（z2）：107-109.

［7]韓振春，薛偉，馮愛新，等.不同波長的納秒脈沖激光對多晶硅損傷特性研究［J］.應用激光，2013（3）：313-317.

［8]湯化一，陳桂波，韓玉濤，等.空心激光輻照硅材料產生應力場的數(shù)值模擬與分析［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2016，39（3）：83-87.

［9]劉強，林理彬，祖小濤，等.強激光輻照損傷判別方法［J］.激光雜志，2002，23（4）：3-5.

Damage Characteristics of Polysilicon
under High Frequency Picosecond Pulse Laser

LI Xingchen1，XU Lijun1，ZHANG Pengbo1，WU Qiang1，CAI Pengchen1，TANG Lei2
（1.School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.China Academy of Machinery Equipment R&D，Beijing 100089）

In order to obtain Polysilicon damage characteristics irradiated by high repetition frequency picosecond laser，polysili?con was irradiated by different repetition frequencies pulsed laser.The surface ablation morphology of Polysilicon was observed by SEM.The physical mechanism of damage was explored.The impact of irradiation time and repetition frequency on damage thresh?old was analyzed.The experimental results showed that the damage threshold was increased with the increasing laser repetition rate.When the repetition frequency is more than 5kHz，the damage threshold is almost constant with the increasing laser repeti?tion rate.The study results might be useful for laser processing with low pulse energy and high repetition rate to increase the pro?cessing efficiency.

polysilicon；high frequency；picosecond pulse；damage characteristics

TN248

A

1672-9870（2017）02-0010-04

2016-12-28

李星辰（1991-），男，碩士研究生，E-mail：13174420355@163.com

徐立君（1973-），男，副教授，E-mail：xucust@sina.com