飛秒激光誘導硅材料表面周期結構的研究

高勝淼，閆珂柱，韓培高，許春玉，王榮新

(曲阜師范大學激光研究所山東省激光偏光與信息技術重點實驗室，曲阜273165)

引 言

利用飛秒激光對材料進行微精細加工越來越受到重視。飛秒激光的脈寬很短，因而不會在材料中引起明顯的熱傳導效應［1］。研究表明飛秒激光和材料的作用過程具有很多獨特的優點，比如極高的峰值強度、確定的消融閾值、極小的熱影響區、極干凈的燒蝕邊緣、沒有微裂紋、具有亞波長的特性、又可以實現任對何材料的燒蝕［2-5］。飛秒激光的微納加工特性在微生物、微電子和微機械等領域應用廣泛［6］。利用激光輻照材料表面，如果激光的功率密度接近材料的損傷閾值，就會在材料表面形成自發的、周期性的永久性表面波紋，又稱激光誘導周期性表面結構［7］。研究發現，激光誘導的周期表面結構的產生條件范圍較大，而材料表面一旦形成這種結構，材料表面的光學性質就會發生很大的變化。因此，在實際應用的過程中，必須考慮表面波紋現象的產生。硅的含量很豐富，又是重要的半導體材料，在微電子和光學領域應用廣泛［8］。因此研究飛秒激光誘導硅材料表面的周期結構具有重要意義。

BONSE［9］等人專門做過飛秒激光燒蝕單晶硅的改性閾值研究，論證了目前為止假設的飛秒激光與硅作用過程按順序發生的一系列物理過程，即無定型化，熔化，再結晶，成核蒸發和最后的消融，并成功解釋了實驗結果。為了對比，他們還研究了一個由單脈沖激光脈沖在硅表面產生的損傷點，展現出了不同的改性、退火和消融圓形區域，發現并沒有波紋的形成，波紋只出現在多脈沖照射后的樣品表面。

作者利用飛秒激光 (中心波長λ=800nm，脈沖寬度τ=35fs，重復頻率f=1kHz)對單晶硅在正常大氣環境中進行了脈沖輻照實驗，研究了制備清晰周期波紋的條件，并分析驗證了影響波紋方向的因素。

1 實驗

圖1是BONSE畫出的高斯型飛秒激光脈沖照射硅表面所發生的主要物理過程，圖中φ表示直徑。

Fig.1 Physical processes during silicon modification irradiated by femtosecond laser pulses

圖2 展現了不同改性、退火和消融圓形區域。最外環直徑為45μm。

Fig.2 Nomarski optical micrograph of silicon sample surface treated with single laser pulse in air(λ =800nm，τ=130fs，φ0=1.5J/cm2)

圖3 是硅在激光功率密度為2.5J/cm2(λ=780nm，τ=5fs，脈沖數N≈5)時典型的表面損傷形貌。3個不同的改性區域清晰可見(與圖1相比較):消融和波紋的形成在中心區域，退火區在第1個環形區域內，改性區在外面的環形邊緣。

Fig.3 SEM picture of damage on silicon surface induced by Ti∶sapphire laser pulse in aira—full view b—detail

作者的實驗裝置如圖4所示。實驗中使用的是摻鈦藍寶石飛秒激光系統，輸出的激光中心波長為800nm，脈寬為35fs，重復頻率為1kHz，偏振方向近似水平。可變衰減器(圖中所用為連續可調衰減器)用來調節脈沖能量。樣品硅放在高精密3維移動平臺上。高斯激光通過金相顯微鏡的10倍物鏡出來后照射樣品，飛秒激光脈沖的功率由校準的功率計來測量。測量中由于激光能量的波動，致使脈沖功率的測量有一定的誤差(零點幾個毫瓦)。旋轉格蘭-泰勒棱鏡不但使入射到樣品表面的激光能量連續可調，而且可以改變飛秒激光的偏振方向。飛秒激光加工過程由連接在電腦上的電荷耦合器件(charge-coapled device，CCD)全程監控。這便于控制加工的質量并可以有效地減少失誤。由飛秒激光加工的硅表面形貌通過金相顯微鏡進行分析，然后通過電腦控制的CCD拍攝照片。由于激光加工引起的硅表面結構變化的差別較大，國外科研工作者根據硅表面結構變化的差異將其分為非晶化區、結晶化區、融化區和波紋區等［10］。實驗主要研究的是飛秒激光加工單晶硅引起的波紋結構。

Fig.4 Experimental setup for micromachining Si by femtosecond laser pulse

2 結果與討論

控制飛秒激光(中心波長λ=800nm，脈沖寬度τ=35fs，重復頻率f=1kHz，正常大氣環境中)的功率由高到低進行實驗。實驗中對于Si材料加工的激光最高功率為47mW，此時發現Si材料表面出現了明顯的熔化后凝固特征，而輻照到樣品表面的飛秒激光功率小于2mW時，材料表面未出現任何現象，實驗結果如圖5～圖7所示(均為通過100倍物鏡時用CCD拍攝的照片)。圖5是飛秒激光最高功率達到47mW時的加工表面形貌，此時加工的區域邊界處出現了規則的亮暗條紋，而中心區域由于激光能量過大，燒蝕形貌無規則，在激光成形的過程中由于激光的衍射和干涉造成了不同的波紋含有不同能量的特點，因而在加工材料表面出現了相應的條紋，并且條紋的方向依賴于激光的偏振方向。觀察圖片可以發現條紋略向右傾斜，原因是在光路中加了可旋轉格蘭-泰勒棱鏡，用來改變飛秒激光的偏振方向。

Fig.5 CCD picture of silicon ripples induced by Ti∶sapphire laser pulses in air(P=47mW)

Fig.6 CCD picture of silicon ripples induced by Ti∶sapphire laser pulses in air(P=2.6mW)

Fig.7 CCD picture of silicon ripples induced by Ti∶sapphire laser pulses in air(P=45.5mW)

圖6 是激光功率為2.6mW時的CCD照片，此時加工的區域出現了標準的亮暗條紋，有點兒類似光柵的結構。由于在實驗時沒有加格蘭-泰勒棱鏡，此時出現的條紋是豎直的。在這里，用可旋轉的格蘭-泰勒棱鏡來檢測輻照到Si材料表面飛秒激光的偏振方向。原理是利用偏振方向已知的格蘭-泰勒棱鏡旋轉消光，配合靈敏功率計測量通過棱鏡后激光的功率，功率計的讀數為最大值時，棱鏡的偏振方向即為激光的偏振方向，從而可以判定照射到樣品上的激光的偏振方向為近似水平。因此能夠確定條紋方向與飛秒激光的電矢量方向垂直，并且測量出實驗中的條紋周期約為750nm，這些與國際上有關該方面的研究結果相符合的［9］。通常該條紋的結構和方向與入射激光的脈寬、波長、偏振態以及材料表面性質相關。人們通過大量實驗總結論證出的波紋周期與入射激光波長之間的關系為［11］:

式中，d為波紋周期;λ為激光波長;θ為激光束的入射角。由于實驗中激光為垂直入射，因此條紋周期應在激光的中心波長附近。這與上述的實驗結論是相一致的。并且由加工圖片可以看出，激光輻照過的區域比未輻照區域要干凈得多，這將為以后飛秒激光應用于清洗單晶硅片或其它材料打下一定的基礎。

圖7為激光功率為45.5mW時的CCD照片，此時在光路中加入了格蘭-泰勒棱鏡，旋轉棱鏡以改變飛秒激光的偏振方向，由于相較圖5時旋轉的角度不同，因此條紋的方向也不相同，并且較圖5向右偏轉了更大的角度。

在多脈沖飛秒激光輻照下材料表面形成了激光誘導周期表面結構(laser-induced peiodic surface sfocufure，LIPSS)，而在單脈沖的實驗中卻沒有觀察到該結構，這表明該結構的形成過程中涉及到了反饋機制。有趣的是，在長脈沖激光輻照下Si表面出現的結構，用短脈沖激光輻照時也都能出現。BOROWIEC［12］等人觀察到了兩種激光誘導周期表面結構，其中一種LIPSS的周期遠小于入射光的中心波長，他們稱之為高空間頻率;另一種LIPSS的空間周期與激發脈沖的周期接近，稱之為低空間頻率。用中心波長分別為800nm，1300nm和2100nm的飛秒激光輻照硅材料時，只觀察到了低空間頻率，而沒有觀察到高空間頻率。并且證明了該條紋方向與激光偏振方向相關而與晶向無關。BONSE［9］等人用功率密度為2.5J/cm2的飛秒激光(波長λ=800nm，脈沖寬度τ=5fs，脈沖數N≈5)輻照Si，觀察到了與飛秒激光中心波長相當的周期在650nm和750nm的波紋結構，并且該波紋方向與入射激光電矢量的方向垂直。作者的研究結論與上述結果都是相符合的。

3 結論

使用中心波長為800nm、脈寬為35fs、重復頻率為1kHz的飛秒激光在單晶硅表面制備出了清晰的亞微米周期條紋，測量出實驗中的條紋周期約為750nm，并對影響條紋方向的因素進行了實驗驗證。研究結果表明:條紋方向與飛秒激光的偏振方向垂直。因此可知，在飛秒激光作用下，單晶硅表面的周期波紋的條紋周期大小與激光中心波長相近，并且條紋方向與飛秒激光的偏振方向垂直。而且發現飛秒激光具有清洗單晶硅片的功能。

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