多光束纳秒紫外激光制作硅表面微结构

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1、第３８卷第１０期２００９年１０月　　　　　　　　　　　　光　子　学　报ＡＣＴＡＰＨＯＴＯＮＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．８Ｎｏ．０Ｏｃｔｏｂｅｒ２００９多光束纳秒紫外激光制作硅表面微结构朱冀梁，张恒，陈林森，李晓建，周小红（苏州大学信息光学工程研究所，江苏苏州２１５００６）摘　要：使用波长３５１ｎｍ的半导体泵浦全固态脉冲激光器作为光源，经过位相光栅分束，形成干涉光场，在硅表面直接刻蚀微结构，制作了周期为０．５μｍ，槽深可达５５ｎｍ的一维微光栅和周期为１．５μｍ，刻蚀深度４５ｎｍ的正交微光栅结构．给出了

2、微光栅形貌结构的扫描电子显微镜和原子力显微镜的测量结果．正交微光栅的一级衍射效率在１．％～６．％之间．该研究是改变硅表面微结构，优化硅材料特性的一种新方法，并扩展了大功率激光刻蚀在表面微加工领域的应用．关键词：光栅微结构；刻蚀；衍射效率；硅中图分类号ＴＮ２４９；ＴＨ７４４．　　　文献标识码：　　　文章编号：００４４２１３（００９）０２４６３５０　引言随着激光技术的不断成熟和大规模集成电路的发展，激光光刻技术有了长足的进步并且广泛应用于工业加工的各个领域［１７］．许丽［２］，王海旭［３］等利用飞秒激光

3、与其诱导出的等离子波相干作用在单晶硅表面生成了纳米光栅结构．Ｔ．Ｋｏｎｄｏ等［６］利用衍射分束器ＤｉｆｒａｃｔｏｎＢｅａｍＳｐｌｔｅｒ，ＤＢＳ）实现了对复杂的２Ｄ或者３Ｄ周期结构的加工．美国［］加工条件获取了亚微米尺寸的金字塔结构．硅以其特有的光电特性，受到越来越多的关注［２，４，８］，高衍射效率的表面微结构可以增强硅材料对光能的利用效率，二维微光栅结构能够减少表面反射率［９］．因此改变硅表面微结构的实验研究在当今的太阳能电池研发领域有着尤其重要的意义．激光刻蚀通常是利用高功率激光作用于材料表面，材料吸收激

4、光能量而快速升温，发生熔融、气化等物理过程，使部分材料物质被去除，由此来改变物体的表面形貌．目前，很多激光微加工方法在刻蚀过程中需要各种掩膜，工序较多，成本较高；加工结构的微细程度也受限制于单束激光产生的光斑尺寸．这些方法［１１～１５］大多使用短波长的准分子激光或飞秒激光，对环境的要求高，难以应用于工业化生产．本文采用半导体泵浦全固态脉冲激光器（ＤｉｏｄｅＰｕｍｐｅｄＳｏｌｄＳｔａｔｅＬａｓｅｒＤＰＳＳＬ）作为光源，分别用双光束和四光束进行了干涉刻蚀实验，在硅材料表面制作了一维和二维正交微光栅结构．这种在硅

5、表面直接进行微加工的方法，工艺简洁，运行效率和刻蚀微结构精细程度较高．１　光刻系统和实验实验所用光刻系统如图１．其中ＤＰＳＳＬ激光器的参量为波长３５１ｎｍ、脉冲宽度２０ｎｓ、重复频率１ｋＨｚ、输出脉冲能量０～２ｍＪ，出射光束直径为０．ｍｍ．图１　光刻系统Ｆｉｇ．　Ｄｉｇｒａｍｏｆｏｐｔｃａｌｔｈｏｇｒａｐｈｉｓｙｓｔｅｍ光束整形系统πＳｈａｐｅｒ将激光呈高斯分布的能量转为矩形分布，入射波形和出射波形如图２．图２　光束整形Ｆｉｇ．　Ｄｉｇｒａｍｏｆｓｈａｐｉｎｇｔｈｅｂｅａｍｓｚｅ国家８６３项目（０

6、０６ＡＡ０４Ｚ３１８）和国家自然科学基金（０７７７０３９）资助Ｔｅ：５１２６５１１２７１１Ｅｍａｌ：ｕｌａｎ１０２１０９１６＠ｈｏｔｍａｌ．ｏｍ光束通过置于透镜Ｌ１前焦面上的方孔光阑Ａｐｅｒｔｕｒｅ后，经双远心投影缩微透镜组Ｌ１和Ｌ２（Ｌ１＝４犳Ｌ２，缩小倍率为４．）缩小得方形光点．位于收稿日期：００８１０２２修回日期：００８１２３１透镜Ｌ前焦面上的分束器Ｂｅａｍｓｐｌｔｅｒ中放置了３１５２８３：５Ａ１２１Ｈａｒｖａｒｄ大学的Ｍａｚｕｒ小组７通过控制飞秒激光的（ｆｉｉｉ，８１ａｉｌｉｃ２ａ２６ｌ０ｉｊ

7、ｉｉｃ２２３ｉ２４６４光　子　学　报３８卷不同空间频率的光栅或光栅组，光栅的衍射满足光栅方程Λｓｎθ＝犓λ（）式中：是光栅常量，是衍射角，是衍射级数，为激光波长．选择其中的±１级衍射光作为干涉光束，经消象差成像系统（３、４）在硅片表面（位于Ｌ前焦面）形成干涉光场，由式（）可计算出干涉条纹的周期犱＝λ／２ｓｎ（）式中β为光束干涉角，为条纹的周期．透镜Ｌ和Ｌ的焦距相等，＝θ，即犱由分束器内光栅周期决定．实验材料为单晶硅，表面光洁度ＰＶ值小于５ｎｍ，厚度为１ｍｍ．用丙酮洗净表面后将其固定在工作平台上，光束

8、干涉刻蚀得到方形微光栅点（０μｍ×８０μｍ）．采用逐点工作模式，由计算机控制平台做ｘ、方向二维运动，刻完一个方点后将硅片移至下一位置进行刻蚀，得到微光栅点阵．使用激光能量计测量激光能量；用扫描电子显微镜（ｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｒｏｓｃｏｐｙ，ＥＭ）和原子力显微镜ＡｔｏｍｉＦｏｒｃｅＭｉｒｏｓｃｏｐｅＡＦＭ）分析光栅形貌；计算正交光栅表面微结构在５３２ｎｍ波长下的衍射效率．２　结果与讨论在分束器中放置９