飛秒激光脈沖能量累積優(yōu)化對(duì)黑硅表面形貌的影響?

陶海巖 陳銳 宋曉偉 陳亞楠 林景全?

1)(長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)

2)(光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300308)

(2016年10月19日收到;2016年11月30日收到修改稿)

飛秒激光脈沖能量累積優(yōu)化對(duì)黑硅表面形貌的影響?

陶海巖1)陳銳1)宋曉偉1)陳亞楠2)林景全1)?

1)(長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)

2)(光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300308)

(2016年10月19日收到;2016年11月30日收到修改稿)

在黑硅表面制備的微結(jié)構(gòu)可以使其獲得多種表面功能,這些功能在太陽(yáng)能、探測(cè)器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用.因此,黑硅微結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理及制備條件優(yōu)化一直是研究關(guān)注的焦點(diǎn).本文的研究發(fā)現(xiàn),隨著激光輻照量(提高單脈沖能量或增加積累脈沖數(shù))的增加會(huì)遇到形貌尺寸生長(zhǎng)的瓶頸效應(yīng):過(guò)多的能量累積對(duì)微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和控制并沒(méi)有進(jìn)一步的作用.理論計(jì)算結(jié)果表明,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是前序飛秒激光脈沖誘導(dǎo)產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)形貌對(duì)當(dāng)前激光脈沖能量的吸收產(chǎn)生了調(diào)制,使當(dāng)前激光脈沖的有效燒蝕效率降低.根據(jù)這一飛秒激光燒蝕規(guī)律,提出了一種優(yōu)化表面形貌的新方案——在輻照激光總能量一定的條件下,通過(guò)改變激光能量的分配方式(單脈沖能量與脈沖數(shù)的組合)可實(shí)現(xiàn)表面形貌的優(yōu)化.這一新的工作方式不但可以提高黑硅的制備效率,而且還有助于減少飛秒加工過(guò)程帶來(lái)的表面缺陷及損傷,并降低加工過(guò)程中的能源消耗.這一研究成果對(duì)黑硅性能的進(jìn)一步提升及其工程應(yīng)用具有重要的意義.

飛秒激光,微結(jié)構(gòu),黑硅,表面形貌

1 引 言

利用飛秒激光對(duì)在SF6氣體中的硅片表面進(jìn)行聚焦輻照,可誘導(dǎo)形成以微米尖峰為形貌特點(diǎn)的微結(jié)構(gòu),這樣微結(jié)構(gòu)表面幾乎可以將從紫外到近紅外波段(0.2—2.5μm)的光全部吸收,因此表面呈黑色,故得名“黑硅”[1,2].這一光學(xué)特性使其在探測(cè)器、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值.而且黑硅表面經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理還可以兼?zhèn)涑杷?、自清潔等?rùn)濕功能特性[3],與寬光譜吸收特性相結(jié)合,使其成為制備高效太陽(yáng)能電池的有力候選者[4,5].同時(shí),黑硅的尖錐結(jié)構(gòu)在場(chǎng)發(fā)射器件中也具有重要的應(yīng)用價(jià)值[6].而黑硅這些優(yōu)良特性的獲得,均得益于其表面的特殊形貌,因此如何更好地對(duì)其表面形貌進(jìn)行優(yōu)化是提升黑硅性能的重要途徑,同時(shí)避免過(guò)多激光能量沉積帶來(lái)的表面缺陷與損傷也是其光電性能提升的一個(gè)重要課題.例如,利用更少的激光輻照獲得最佳的結(jié)構(gòu)形貌,這樣既節(jié)省了能源消耗同時(shí)又有效減少甚至避免材料表面的損傷.目前對(duì)黑硅形貌優(yōu)化的研究已經(jīng)被開展,在單點(diǎn)輻照的實(shí)驗(yàn)方式下,進(jìn)行了激光能量密度[7]、波長(zhǎng)[8,9]、脈寬[10]、輻照脈沖數(shù)[11]和氣體種類及氣壓[12,13]等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)表面形貌影響的研究.發(fā)現(xiàn)單脈沖激光能量密度對(duì)黑硅微觀形貌尺寸有著顯著的影響,提高激光能量是獲得更大尺寸微結(jié)構(gòu)的理想方式.而對(duì)于從多個(gè)脈沖能量累積的角度研究激光能量對(duì)形貌的影響還很少[14].黑硅表面形貌的演化是伴隨著輻照表面的激光脈沖累積過(guò)程的,在累積激光總能量一定的前提下,單個(gè)脈沖的飛秒激光能量和累積的脈沖數(shù)之間具有多種組合方式,不同的組合方式是否會(huì)對(duì)表面形貌產(chǎn)生影響還有待于進(jìn)行深入研究.這一物理機(jī)理的明確,對(duì)于避免過(guò)多激光能量沉積造成的基底損傷等負(fù)面影響有著重要的意義.據(jù)我們所知,到目前為止,尚未見(jiàn)到這種飛秒激光脈沖能量累積優(yōu)化對(duì)表面形貌產(chǎn)生影響的研究報(bào)道.

本文通過(guò)飛秒激光聚焦掃描的方式制備黑硅樣品,研究激光能量的不同分配方式(單脈沖能量和積累脈沖數(shù)的組合數(shù)值)對(duì)黑硅表面尖峰尺寸的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),單向提高激光能量或累積脈沖數(shù),微結(jié)構(gòu)尺寸不會(huì)一直增加,而是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尺寸生長(zhǎng)的瓶頸.通過(guò)建立的物理模型對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析,由于脈沖積累燒蝕過(guò)程中每一發(fā)脈沖對(duì)硅表面都引起不同程度的形貌變化,同時(shí)這些形貌對(duì)后續(xù)脈沖激光能量的吸收會(huì)產(chǎn)生調(diào)制,使其有效燒蝕效率逐漸降低,從而出現(xiàn)瓶頸.這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使我們對(duì)入射飛秒激光能量累積在黑硅制備過(guò)程所起到的作用有了新的認(rèn)識(shí),從而提出一種新的黑硅表面形貌優(yōu)化方案——恰當(dāng)?shù)剡x擇單脈沖能量和脈沖數(shù)的組和來(lái)控制微結(jié)構(gòu)演化過(guò)程,從而更有利于表面微觀形貌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化.這種優(yōu)化表面微結(jié)構(gòu)的新方法可以有效提高黑硅制備效率,降低加工過(guò)程中的能源消耗,更重要的是同時(shí)減小了微結(jié)構(gòu)制備過(guò)程中對(duì)基底材料造成的缺陷及損傷.這對(duì)黑硅的工程應(yīng)用具有重要的意義,同時(shí)這種新方法對(duì)其他材料微結(jié)構(gòu)表面的制備技術(shù)的發(fā)展也具有一定指導(dǎo)意義.

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,飛秒激光由美國(guó)Coherent公司生產(chǎn)的Libra型Ti:sapphire飛秒激光系統(tǒng)提供,輸出為線性偏振光,中心波長(zhǎng)為800 nm,重復(fù)頻率為1 kHz,脈寬50 fs,最大輸出單脈沖能量4 m J.實(shí)驗(yàn)中使用N型(111)單面拋光的單晶硅片,厚度為0.5 mm,電阻率為1—100?·m.實(shí)驗(yàn)前用丙酮將硅片表面清洗干凈,然后將樣品放置于真空室內(nèi)的三維電控平移臺(tái)上(日本Sigma).將真空室內(nèi)的氣壓抽至10?2Pa,隨后沖入SF6氣體使腔內(nèi)氣壓達(dá)到70 kPa.由激光器輸出的飛秒激光通過(guò)中性密度衰減片(ND fi lter)調(diào)節(jié)激光能量,再由聚焦透鏡(f=300mm)聚焦垂直入射到真空室內(nèi)的樣品表面,樣品表面平行于x-y面.通過(guò)電腦程序控制平移臺(tái)在x和y平面進(jìn)行移動(dòng),從而可實(shí)現(xiàn)飛秒激光對(duì)硅片表面的光柵式掃描.平移臺(tái)x軸沿水平方向,其運(yùn)動(dòng)速度定義為掃描速度.y軸沿豎直方向,完成每次掃描后進(jìn)行下一次掃描時(shí)所移動(dòng)的距離為掃描間距.激光入射方向始終沿著硅靶面的法線方向(沿平移臺(tái)z軸),沿z軸移動(dòng)平移臺(tái),固定透鏡與靶面之間的距離,使所獲得激光聚焦光斑直徑約為200μm.在實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)改變激光脈沖能量的方式變化燒蝕激光能量密度.

圖1 飛秒激光制備硅表面微結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1.The experim ent setup of fem tosecond laser fab ricating m icrostructu re on silicon.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

飛秒激光誘導(dǎo)硅表面微結(jié)構(gòu)的形成主要是由于激光脈沖累積燒蝕所造成,而激光能量的累積方式主要分為兩種:1)單個(gè)脈沖能量不變的情況下改變激光的掃描速度,也就是改變單位面積硅片所接收的激光脈沖數(shù);2)總輻照脈沖數(shù)不變的情況下,改變激光單脈沖能量.下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究掃描速度和單脈沖激光能量對(duì)硅表面微結(jié)構(gòu)尺寸的影響.

在本文中對(duì)所制備黑硅樣品表面微結(jié)構(gòu)高度的測(cè)量采取以下方式:將已經(jīng)制備好的黑硅樣品沿著晶向方向進(jìn)行切割,并對(duì)切割后樣品截面進(jìn)行掃描電鏡成像觀測(cè).圖2為飛秒激光制備黑硅樣品截面的典型掃描電子顯微鏡(SEM)圖像,隨機(jī)取10個(gè)峰進(jìn)行高度測(cè)量并取平均值,即得到了所制備黑硅樣品的微結(jié)構(gòu)高度.

圖2 激光能量為240μJ,掃描間距40μm,掃描速度0.8 mm/s時(shí)獲得的黑硅樣品截面SEM形貌圖Fig.2.Cross sectional SEM im age of the laser-treated Si sam p le by 240μJ laser energy w ith scanning speed of 0.8 mm/s and line interval of 40μm,respectively.

3.1 飛秒激光掃描速度對(duì)硅表面微結(jié)構(gòu)形貌的影響

首先進(jìn)行飛秒激光脈沖數(shù)對(duì)硅表面微結(jié)構(gòu)尺寸影響的實(shí)驗(yàn)研究.圖3所示為掃描間距為40μm時(shí)不同激光能量條件下制備微結(jié)構(gòu)高度隨激光掃描速度的變化趨勢(shì).我們知道,掃描速度決定硅表面單位面積所接收的脈沖數(shù):掃描速度越快,單位面積累積的脈沖數(shù)越少;掃描速度越慢,單位面積接收的脈沖數(shù)越多.因此在分析表面微結(jié)構(gòu)高度變化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著單位面積累積的激光脈沖數(shù)逐漸增加(隨著掃描速度的逐漸減小),微結(jié)構(gòu)的高度先稍有增加,隨后幾乎保持不變.在掃描速度為3.2—2.4 mm/s時(shí),隨著脈沖數(shù)的增加微結(jié)構(gòu)的高度迅速增長(zhǎng);掃描速度為2.4—0.8 mm/s時(shí),繼續(xù)增加脈沖數(shù),微結(jié)構(gòu)的變化并不明顯,高度增長(zhǎng)緩慢,幾乎保持不變.這說(shuō)明微結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)僅在脈沖能量最初積累的階段產(chǎn)生影響.

下面分析產(chǎn)生這種形貌尺寸增長(zhǎng)飽和現(xiàn)象的原因.隨著輻照到硅表面的激光脈沖數(shù)逐漸累積,硅表面的幾何形貌也隨之發(fā)生改變,同時(shí)表面對(duì)激光的吸收效率也逐漸發(fā)生變化[15],那么在微結(jié)構(gòu)形成和演化的過(guò)程中,具有微結(jié)構(gòu)后的硅片如何影響激光能量的有效吸收的過(guò)程需要被揭示.圖4所示為硅表面幾何形貌隨激光脈沖累積燒蝕后的變化趨勢(shì)示意圖,I0為入射激光強(qiáng)度,θA和θB分別為微結(jié)構(gòu)左右斜面與平面(硅片表面平面)所成的角度,IA與IB為微結(jié)構(gòu)斜面接收激光強(qiáng)度的垂直分量.第一發(fā)激光脈沖入射到硅表面時(shí),表面是平整的,由于激光是垂直入射的(如圖4(a)所示),此時(shí)硅表面對(duì)激光能量的吸收僅取決于表面光吸收率.隨著激光脈沖數(shù)的累積,硅表面的錐形微結(jié)構(gòu)開始形成,此時(shí)入射光與錐形結(jié)構(gòu)的表面有一個(gè)角度,我們把入射光分解成垂直結(jié)構(gòu)表面和平行結(jié)構(gòu)表面的兩個(gè)分量,能夠?qū)﹀F形結(jié)構(gòu)起燒蝕作用的只有垂直于表面的分量IA和IB(如圖4(b)所示),繼續(xù)增加脈沖數(shù),錐形結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸增長(zhǎng),錐形結(jié)構(gòu)的底角θA和θB也會(huì)逐漸增大,當(dāng)θA=θB=π/2時(shí)(理論情況下),入射光I0平行于結(jié)構(gòu)表面,此時(shí)IA與IB達(dá)到最小值IA=IB=0(如圖4(d)所示).

圖3 不同激光能量條件下掃描速度對(duì)微結(jié)構(gòu)高度的影響規(guī)律Fig.3.Dependence of the height ofm icrostructure on scanning speed under the d iff erent laser energies.

以上物理過(guò)程進(jìn)一步表達(dá)如下:定義Ii= I0G(A,θi),Ii是硅片從入射激光吸收到的有效激光強(qiáng)度,即IA或IB.這部分激光能量對(duì)硅表面微結(jié)構(gòu)尺寸的增長(zhǎng)是有利的;I0正比于入射到硅表面的單脈沖激光能量,與飛秒激光的本身參數(shù)相關(guān),實(shí)驗(yàn)中激光的能量是固定的,因此I0是不變的,所以Ii只由G(A,θi)決定;G(A,θi)是一個(gè)關(guān)于硅表面物理性質(zhì)的函數(shù),與材料表面的幾何形貌及光學(xué)參數(shù)有關(guān),根據(jù)圖4的幾何關(guān)系,具體可表示如下[16]:

Gi(A,θi)=A(θi)cos(θi)=(1?R(θi))cos(θi),A(θi)為材料對(duì)激光的吸收效率,θi為錐形結(jié)構(gòu)的底角,R(θi)是反射率;實(shí)驗(yàn)中所用到的激光為平行偏振光,因此反射率R(θi)為

Rp(θi)是水平方向的反射率[17]:

n和κ分別是材料的折射率系數(shù)和復(fù)數(shù)折射率系數(shù).通過(guò)以上公式進(jìn)一步可以得到

我們用MATLAB軟件對(duì)Ii=I0G(A,θi)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,從圖4可以看出θi的取值范圍為0—90?,每隔一度取一組數(shù)據(jù),獲得圖5所示的模擬結(jié)果.可以明顯地看到,隨著角度θi的增加,Ii(A,θi)不斷減小,并且減小的速率越來(lái)越快.Ii的大小直接影響表面結(jié)構(gòu)尺寸的變化:Ii越大,微結(jié)構(gòu)尺寸增長(zhǎng)越快;Ii越小,微結(jié)構(gòu)尺寸增長(zhǎng)越慢.結(jié)合圖4和圖5可分析得出,在激光輻照硅表面前期,表面接收到較少激光脈沖輻照時(shí),相應(yīng)的錐形結(jié)構(gòu)的底角θi也較小,因此激光吸收的有效能量Ii會(huì)很大,此時(shí)微結(jié)構(gòu)尺寸的增長(zhǎng)速度是最快的;隨著激光脈沖數(shù)的增加,表面微結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸增長(zhǎng),錐形結(jié)構(gòu)的底角θi也隨之增大,相應(yīng)的Ii(A,θi)開始變小;當(dāng)入射到硅表面的脈沖數(shù)達(dá)一定時(shí),硅片從每個(gè)激光脈沖吸收到的有效能量不足以達(dá)到硅的燒蝕閾值,這時(shí)微結(jié)構(gòu)的尺寸增長(zhǎng)緩慢甚至停止.對(duì)比圖3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖5的模擬結(jié)果可以看出,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好.

圖4 硅表面幾何形貌隨激光燒蝕變化的示意圖Fig.4.Schem atic illustration of evolu tion of the local p rofi le under laser irradiation(verticalm icrocolum ns).

圖5 用于微結(jié)構(gòu)形成的有效激光強(qiáng)度Ii(A,θi)隨角度θi的演化規(guī)律Fig.5.Evolution of eff ective laser intensity versus the angles.

3.2 飛秒激光單脈沖能量對(duì)微結(jié)構(gòu)形貌的影響

基于以上研究發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象(如圖3),在激光能量為360μJ和480μJ時(shí),兩條曲線非常接近,這說(shuō)明單脈沖能量增加到一定值后,表面形貌尺寸增長(zhǎng)也能出現(xiàn)飽和現(xiàn)象.為了進(jìn)一步研究激光能量累積對(duì)表面形貌的影響,我們固定輻照脈沖數(shù)目(固定掃描速度),改變單個(gè)激光脈沖的能量,研究激光脈沖能量對(duì)表面形貌的影響.如圖6所示,圖中的6條曲線分別是在不同的掃描速度下獲得的微結(jié)構(gòu)高度隨激光能量變化的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果.可以明顯看到以下幾個(gè)現(xiàn)象:從掃描速度的角度看,速度為3.2 mm/s時(shí)制備出的硅表面微結(jié)構(gòu)的高度明顯小于其他速度,而其他速度條件下制備出的微結(jié)構(gòu)的高度相差并不大,這與之前討論的掃描速度對(duì)微結(jié)構(gòu)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符;從激光能量的角度看,在能量為120—300μJ區(qū)間時(shí),微結(jié)構(gòu)的高度迅速增加,而當(dāng)能量為300—480μJ時(shí),微結(jié)構(gòu)的高度變化緩慢,幾乎保持不變,對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象我們?nèi)匀豢梢杂们懊娴臄?shù)學(xué)模型來(lái)解釋.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)相同掃描條件微結(jié)構(gòu)高度隨激光能量的變化Fig.6.(color on line)Dependence the height of m icrostructu re on laser energy under the d iff erent scanning speeds.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)不同激光強(qiáng)度條件下,用于微結(jié)構(gòu)形成的有效激光強(qiáng)度Ii隨角度θi的演化規(guī)律Fig.7.(color on line)Evolution of eff ective laser intensity versus the angles under diff erent laser energies.

圖7為激光垂直入射到硅表面時(shí),不同激光能量條件下,硅片吸收的有效激光強(qiáng)度Ii隨錐形微結(jié)構(gòu)底角θi變化的曲線.其中令I(lǐng)0分別取1.0I0, 1.5I0,2I0,2.5I0,3I0和4I0.我們可以看到Ii隨θi增大逐漸減小,并且隨著θi逐漸接近90?,不同激光能量條件下獲得的有效吸收強(qiáng)度Ii值也逐漸接近,當(dāng)θi達(dá)到某一定值時(shí),入射的激光能量?jī)H有很小一部分對(duì)硅表面產(chǎn)生燒蝕作用,即Ii將接近甚至小于硅的燒蝕閾值,這種情況下,繼續(xù)增加I0(增加激光能量),對(duì)微結(jié)構(gòu)尺寸的增加作用有限.以上的模擬結(jié)果與圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合.

3.3 飛秒激光制備硅表面微結(jié)構(gòu)的最佳能量累積方式

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析可以得出,利用飛秒激光對(duì)硅表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)制備時(shí),在一定范圍內(nèi)增加激光脈沖數(shù)或激光能量都會(huì)引起硅表面微結(jié)構(gòu)尺寸的增長(zhǎng),而且硅表面吸收的有效激光能量由激光單脈沖能量和前序脈沖制備的微結(jié)構(gòu)底角共同決定,但是當(dāng)微結(jié)構(gòu)的尺寸達(dá)到一定時(shí),繼續(xù)增加激光能量或脈沖數(shù),對(duì)微結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)沒(méi)有明顯的作用.那么當(dāng)相等的激光總能量累積沉積在硅表面時(shí),激光總能量的不同分配方式(單脈沖能量與脈沖數(shù)的組合)會(huì)對(duì)形成微結(jié)構(gòu)的尺寸產(chǎn)生影響.這樣在輻照脈沖數(shù)(掃描速度)和單脈沖激光能量之間會(huì)存在一個(gè)最佳的組合方式,那么在這個(gè)條件下我們能夠使用有限的激光能量制備出最理想的硅表面微結(jié)構(gòu).下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證.保持入射到硅表面單位面積的激光總能量不變(本實(shí)驗(yàn)情況下為3.75 J/m2),改變激光能量分配方式的條件下,對(duì)硅表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行制備.圖8是在不同實(shí)驗(yàn)條件下所獲得的硅表面微結(jié)構(gòu)的SEM圖像,可以清晰地看到,微結(jié)構(gòu)的尺寸和分布產(chǎn)生了明顯的變化.

隨后對(duì)1—6號(hào)樣品表面微結(jié)構(gòu)高度進(jìn)行了測(cè)量統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖9所示.雖然6種樣品表面接收的激光總能量完全相同,但形成的微結(jié)構(gòu)尺寸卻不一致:脈沖數(shù)累積最多(樣品1)和單脈沖能量最大(樣品6)的樣品表面形貌都沒(méi)有形成尺寸最大的微結(jié)構(gòu)分布,而樣品4和5表面微結(jié)構(gòu)的高度和間距達(dá)到最大.綜上,我們?cè)谟蔑w秒激光對(duì)硅表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)制備時(shí),不僅僅要單純考慮增加激光輻照量(增加脈沖能量或脈沖輻照數(shù)目),還要考慮激光能量的累積方式(不同的累積脈沖數(shù)和單脈沖激光能量的組合方式).

圖8 在入射總激光能量一定的條件下,改變激光單脈沖能量與脈沖數(shù)組合方式對(duì)黑硅表面微結(jié)構(gòu)形貌的影響 (a)120μJ,0.8 mm/s;(b)180μJ,1.2 mm/s;(c)240μJ,1.6 mm/s;(d)300μJ,2.0 mm/s;(e)360μJ, 2.4 mm/s;(f)480μJ,3.2 mm/sFig.8.Com bination eff ect of single pu lse energy and pu lse num ber on b lack silicon surface topography w ith fi xed total incident laser energy:(a)120μJ,0.8 mm/s;(b)180μJ,1.2 mm/s;(c)240μJ,1.6 mm/s; (d)300μJ,2.0 mm/s;(e)360μJ,2.4 mm/s;(f)480μJ,3.2 mm/s.

圖9 在入射總激光能量固定的條件下,改變激光單脈沖能量與脈沖數(shù)組合方式獲得的微結(jié)構(gòu)高度統(tǒng)計(jì)圖Fig.9.Statistical data for the m easu red geom etrical size ofm icro-structu re achieved by op tim izing both of single pu lse energy and pu lse num ber under the cond ition of a fi xed total laser irrad iation energy.

4 結(jié) 論

本文研究了在飛秒激光制備黑硅過(guò)程中能量累積方式(總能量一定時(shí),單脈沖能量與脈沖數(shù)的組合方式)對(duì)微結(jié)構(gòu)尺寸的影響.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),過(guò)多的激光脈沖數(shù)和過(guò)高的單脈沖能量對(duì)于表面微結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)都存在瓶頸效應(yīng).通過(guò)建立的物理模型對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析和解釋,結(jié)果表明前序脈沖制備的微結(jié)構(gòu)形貌對(duì)當(dāng)前激光脈沖吸收效率的改變導(dǎo)致了這些瓶頸效應(yīng).而且硅表面吸收的有效激光總能量(用于燒蝕制備微結(jié)構(gòu)的)由激光單脈沖能量和脈沖數(shù)共同決定.在激光總輻照量一定的條件下,僅通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖數(shù)和單個(gè)激光脈沖能量之間組合關(guān)系,便可對(duì)表面形貌尺度進(jìn)行優(yōu)化和控制.這種通過(guò)分配飛秒激光能量的方式為黑硅表面形貌結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了一種新方案.這些結(jié)果對(duì)于提高硅表面微結(jié)構(gòu)的制備效率和減少表面損傷及降低加工過(guò)程中的能量消耗都具有重要的意義.

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PACS:79.20.Eb,61.72.uf,68.37.–dDOI:10.7498/aps.66.067902

Fem tosecond laser pu lse energy accum u lation op tim ization eff ect on su rface m orphology of b lack silicon?

Tao Hai-Yan1)Chen Rui1)Song Xiao-Wei1)Chen Ya-Nan2)Lin Jing-Quan1)?

1)(School of Science,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)
2)(Science and Technology on E lectro-Op tical Inform ation Security Control Laboratory,T ianjin 300308,China)
(Received 19 O ctober 2016;revised m anuscrip t received 30 Novem ber 2016)

A rrays of sharp conical spike m icrostructures are created by repeated ly irradiating silicon surfaces w ith focused fem tosecond laser pu lses in SF6.The absorbance of light is increased to app roximately 90%in a wavelength range from the near u ltraviolet(0.25μm)to the near in frared(2.5μm)by them icrostructured silicon surface.Them icrostructured surface presents pitch-black because of enhanced absorp tion w ith a broad wavelength range,which is called black silicon. The uniquem icrostructurem orphology of b lack silicon surface form ed by fem tosecond laser can also bring a lot of other surface functions,for exam p le,self-cleaning and field em ission.These functionsm ake b lack silicon high ly desirable in solar energy,detectors and other fields.Therefore,the form ing mechanism and conditions of fabrication optim ization for b lack silicon m icrostructure have always been the focus of research.In our work,the sam p le ism oved by m otorcontrolled stage while the laser beam is fixed.In the case of laser beam scanning,arrays of sharp conical spikes on the silicon aremanufactured in 70 kPa SF6.The aim of the experiment is to find how to optim ize the distribution of the laser energy in a number of laser accumulation pulses(the combination of single pu lse energy and pu lse number) to control the surface m orphology of the black silicon.Experim ental results show that there appears a bottleneck eff ect ofmorphology size grow th w ith the increase of laser irradiation(im proving the single pulse energy or increasing pu lse accumulation number).Excessive energy accumu lation brings no extra eff ect on optim izing and controlling of m icrostructure m orphology on the surface.Based on theoretical results obtained from a physicalm odel we p roposed, we find that the reason for this phenomenon is that them icrostructuremorphology induced by former sequence pulse m odulates the laser energy absorp tion of current laser pulse,and changes the laser ab lation effi ciency of the current pulse. According to this physicalmechanism,we propose a new way of op tim izing surfacemorphology,w ith fixing the total laser irradiation energy.And the size and distribution of surfacem orphology can be achieved by op tim izing the distribution of the laser energy in a number of laser accumulation pulses.This approach can not only im prove the effi ciency of silicon surface p reparation of m icrostructures but also reduce the surface defects and damage.Furthermore,the proposed m ethod can reduce the energy consum p tion in the process of fem tosecond m achining.It is of great significance for the engineering app lication of black silicon.

fem tosecond laser,m icrostructures,black silicon,surface topography

10.7498/aps.66.067902

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61605017)、長(zhǎng)春市科技計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):14KP007)、長(zhǎng)春理工大學(xué)青年科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):XQNJJ-2015-01)和光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助的課題.

?通信作者.E-m ail:lin jingquan@cust.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.61605017),the Science and Technology P lanning Project of Changchun,China(G rant No.14KP007),the Young Scientists Fund of Changchun University of Science and Technology,China(G rant No.XQNJJ-2015-01),and the Foundation of the Science and Technology on E lectro-Op tical In form ation Security Control Laboratory,China.

?Corresponding author.E-m ail:lin jingquan@cust.edu.cn