[发明专利]一种高效可控加工大面积硅微纳结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高效可控加工大面积硅微纳结构的方法，特别涉及一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效可控加工大面积硅微纳结构的方法，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

硅晶体材料是目前较重要的半导体材料，主要是由于其具有高折射率并能有效集成到复杂的微电子器件之中。可控形貌和排列的硅表面微纳结构在微电子、光子、光电伏、微流体、润湿特性、太阳能电池及传感器等领域有着极其重要的应用。不同形貌的硅表面微纳结构可通过不同加工方法得到，比如光刻技术、纳米压印技术和干法刻蚀技术等。

近年来，飞秒激光加工技术因具有高精度、低重铸层、无接触、热影响区小和加工灵活等优点，被认为是在固体材料上精密加工微纳结构的最有效的加工工具。微孔、微槽、微凸起、微纳复合结构和纳米颗粒等形态的微纳结构均能通过飞秒激光直写技术加工得到。另外，为更好地控制微纳结构形态的加工，在飞秒激光加工技术的基础上引入了化学刻蚀辅助加工。传统的化学辅助飞秒激光加工技术，需事先在加工样品表面镀上二氧化硅或氮化硅的掩膜层，经飞秒激光辐照局部去除掩膜层，而后暴露出的硅基底在刻蚀溶液中被刻蚀，形成不同形貌的微纳结构。但上述加工方法需要在加工前额外加工掩膜层，这不仅增加了成本而且也使得加工效率大大降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有高质量、高均一性的大面积硅纳米点阵列加工效率较低、成本较高的问题，提出了一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效可控加工大面积硅微纳结构的方法。

本发明的原理是通过飞秒激光直接辐照，调控激光辐照区域瞬态的电子密度，改变材料局部的化学活性，进而调控化学刻蚀过程中改性区的刻蚀速率，并结合飞秒激光“飞行时间打孔法”(Journal of Laser Applications,4(2),15-24,1992)，实现大面积硅微纳结构的高效可控加工。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效可控加工大面积硅微纳结构的方法，具体步骤如下：

步骤一，利用显微物镜聚焦飞秒激光光束；

步骤二，调节激光能量：利用半波片-偏振片组合调节激光能量，使得激光脉冲能量低于加工材料表面的烧蚀阈值，且激光脉冲能量能够连续调节；

步骤三，将加工材料固定在移动平台，调节移动平台使飞秒激光脉冲聚焦于加工材料表面；

步骤四，利用“飞行时间打孔法”，实现飞秒激光单脉冲条件下的大面积高效加工；

步骤五，将步骤四中飞秒激光加工后的加工材料置于恒温的特定浓度下的化学溶液中，经刻蚀时间t后，得到表面光滑且均匀的高质量硅微纳结构。

作为优选，通过控制激光通量、刻蚀时间能够得到满足使用要求的不同形貌及尺寸的所述微纳结构，并能通过控制脉冲激光重复频率、扫描速度来控制相邻结构的间距。

作为优选，步骤三所述加工材料为100晶向的N型不掺杂单晶硅。

作为优选，所述刻蚀溶液为氢氧化钾(KOH)溶液，浓度为25wt％，恒温温度为55℃，刻蚀时间t介于30s到120s之间。

有益效果

对比现有硅纳米点阵列加工技术，本发明提出的一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效加工大面积硅纳米点阵列结构的方法具有以下特点：

1、本发明通过飞秒激光单脉冲辐照形成局部改性区，此改性区域能够直接作为刻蚀过程中的掩膜，省略了在加工样品表面镀掩膜层步骤，降低成本的同时提高了加工效率；

2、对飞秒激光加工后的加工材料使用化学溶液刻蚀，相对于在加工样品表面镀掩膜层，便于操作及控制；

3、加工速度只受限于激光脉冲重复频率，若激光器重复频率与加工材料的位移速度的上限更高，理论上可以进一步提高加工效率；

4、通过调控飞秒激光能量大小，能够实现不同形貌及尺寸下的大面积硅表面微纳结构精密、可控性加工，以适应不同场合下的应用需求。

附图说明

图1为本发明一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效加工大面积硅纳米点阵列结构的装置的结构示意图。

图2为本发明一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效加工大面积硅纳米点阵列结构的方法步骤示意图。

附图标记：1-飞秒激光系统、2-半波片、3-偏振分光棱镜、4-连续衰减片、5-反射镜、6-机械快门、7-二向色镜、8-聚焦显微物镜、9-加工材料、10-六维精密位移平台、11-二向色镜A、12-平凸透镜、13-CCD图像传感器、14-成像照明光源。