[发明专利]一种表面功能复合结构化单晶碳化硅的制备方法

说明书

本发明公开了一种表面功能复合结构化单晶碳化硅的制备方法，所述方法包含有如下步骤：一、待加工单晶碳化硅晶片的处理；二、将处理完成的单晶碳化硅晶片进行初步结构化；三、将已完成初步结构化的单晶碳化硅晶片进行第二次结构化，在晶片表面形成刀刃形沟槽，完成第二次结构化，形成最终的复合结构化表面，该表面包括有三角形肋条沟槽和刀刃形沟槽。利用飞秒激光对单晶碳化硅表面进行材料去除型烧蚀加工，初步结构化成三角形肋条沟槽，然后在初步结构化的基础上进行第二次结构化，使表面加工出刀刃形沟槽，最终形成复合结构化的表面，得到良好的表面以及边缘形貌。

技术领域

本发明涉及一种半导体材料制备方法，尤其涉及一种表面功能复合结构化单晶碳化硅的制备方法，属于激光微纳加工技术领域。

背景技术

现今的半导体行业中，对于高频率、大功率、耐高温、化学稳定性好的要求越来越高，同时还要求电子器件可以在强辐射环境中保持正常的工作状态。表面功能结构制造是在物体表面加工制造出具有各种不同形貌、不同维数、不同尺度和不同功能的结构。单晶碳化硅表面功能结构化是指通过一些方法在单晶碳化硅表面形成宏观或微观的沟槽或几何形状，以达到单晶碳化硅表面降黏减阻、改善摩擦性能的目的。根据沟槽或几何形状大小的不同，单晶碳化硅晶片的结构化可以分为宏观结构化和微观结构化，微观结构化简称为微结构化，由于本专利使用的单晶碳化硅晶片是纳米级的，所以本专利中的结构化属于单晶碳化硅的微结构化。

20世纪70年代NASA兰利研究中心发现，顺流向的微小沟槽(肋条)表面能有效地降低壁面摩阻，且具有一定尺度的三角形肋条沟槽为最佳减阻沟槽几何形状。肋条减阻技术目前已经在管道运输、航空、船舶以及风力机叶片等领域得到相关的应用。然而，三角形肋条表面局部摩擦阻力在展向位置分布不均匀，肋底附近局部摩擦阻力小，为局部减阻区;肋尖附近局部摩擦阻力急剧增大，为局部增阻区。所以，仅仅将碳化硅晶片结构化成三角形肋条不能满足日益增长的产品需求。丛茜等人利用有限体积法对三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算，最后发现刀刃形沟槽的抗粘减阻效果最好。

碳化硅具有光学透过率高、高硬度、耐高温、低热膨胀系数以及优良的化学稳定性，是制备半导体和微纳光学器件的理想材料，然而现有三维微纳结构制备方法如微纳3D打印技术和飞秒激光双光子聚合直写技术都采用增材加工的方式，对材料的选择性较高，无法实现对硬脆材料的加工。目前对硬脆材料的微纳加工方法主要集中在光刻工艺，然而即使目前的多次套刻技术仍然无法实现真三维结构和曲面结构的加工。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种表面功能复合结构化单晶碳化硅的制备方法，通过利用飞秒激光对单晶碳化硅表面进行材料去除型烧蚀加工，初步结构化成三角形肋条沟槽，然后在初步结构化的基础上进行第二次结构化，使表面加工出刀刃形沟槽，最终形成复合结构化的表面。由于飞秒激光的短脉冲和低平均功率的特性，加工过程中热效应较低，可以得到良好的表面以及边缘形貌。利用高数值孔径物镜产生紧聚焦光场对材料表面进行直写烧蚀，从而有效提高加工精度，减小加工线宽。本发明不仅解决了碎屑附着在材料表面带来的光斑散射问题，而且实现了三维体结构的烧蚀加工。

本发明的技术方案为：一种表面功能复合结构化单晶碳化硅的制备方法，所述方法包含有如下步骤：一、待加工单晶碳化硅晶片的处理；二、将处理完成的单晶碳化硅晶片进行初步结构化；三、将已完成初步结构化的单晶碳化硅晶片进行第二次结构化，在晶片表面形成刀刃形沟槽，完成第二次结构化，形成最终的复合结构化表面，该表面包括有三角形肋条沟槽和刀刃形沟槽。

所述步骤一中，首先把单晶碳化硅晶片进行研磨抛光处理，将需要结构化的单晶碳化硅晶片以设定的排列方法固定在加工平台上。

所述步骤二中，在绘图软件中设计激光烧蚀路径，调整三维数控工作台和工件的相对位置，选择好合适的加工区域，再设计加工路径以加工出三角形肋条沟槽。

所述步骤二中，采用飞秒激光微加工系统进行微加工。