基于空间激光干涉光刻的硅表面微结构控制.docx

基于空间激光干涉光刻的硅表面微结构控制 0 辐射激光的场分布调制 飞秒激光在许多领域都具有很高的加工精度和低热效果，可以广泛应用于我国许多领域。近年来，飞秒激光用于单晶硅的处理已经成为研究的重点。当飞秒激光用于单晶硅表面时，在一定阈值内，在辐射区域形成了一个微结构。微结构表示硅表面的光面积变大，入射光被多次反射，形成“凹光效应”。此外，微结构的形成将空气和材料基础之间的折射突变转化为折射突变，这降低了回波率。harvard大学的masur小组详细研究了微结构的形成过程。他们发现，微结构起源于硅表面由激光辐射引起的结构，其大小和深度与辐射激光的波长有关。然而，由于激光诱导微结构的形成过程是自发的，因此形成的微结构往往是随机的、随机的，难以控制薄密度。 为了实现对微结构分布特征的控制,对辐射激光的场分布进行调制是一种可行的办法.Mazur小组通过在硅表面放置金属网格掩膜板来调制辐射激光,形成了与网格具有相似特征的微结构,但是这种方法灵活性差,得到的结构均匀性也一般.Hiroshi Imamoto等利用全息的方法在硅表面烧蚀出了凹坑状结构,形成的结构分布比较均匀,并且对红外波段的透过率有着显著的提高,但是全息图的形成和优化过程却十分复杂,而且全息的方法往往难以得到均匀的点阵分布.干涉同样可以实现对激光的周期性调制,利用双光束干涉形成的周期性条纹结构可以在多种材料中实现光栅的制备;多光束干涉可以形成均匀分布的二维或三维光学点阵,这在光子晶体的制作领域已经得到了广泛的应用,而且点阵的结构特征由参与干涉的光束数量决定,周期可由各光束之间的夹角控制,这为实现微结构分布特征的控制提供了一种可行的办法. 本文利用飞秒激光多光束干涉的方法在单晶硅表面形成分布特征可控的微结构.通过给空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)附加多棱锥镜的相位对飞秒激光的空间相位进行调制,实现了多光束干涉,形成了均匀分布的二维空间点阵.利用形成的空间点阵在单晶硅表面烧蚀出凹坑状微结构,并通过改变附加的相位得到了具有不同分布特征和周期间距的微结构.扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)显示微结构的分布特征和周期间距均与点阵结构一致.利用分光光度计对微结构在1.2～2 μm波段的透过率进行测试,发现它相对抛光硅平均提高了11.5%,显示出良好的减反效果.与其它方法相比,这种方法具有系统简单稳定、微结构的分布特征和周期可灵活控制等优点. 1 空间光调制器的应用 实验装置如图1,所用的激光为钛宝石锁模激光再生放大系统(Spitfire,Spectra Physics)产生的超短脉冲激光,输出的激光中心波长为800 nm,重复频率为1 kHz,脉冲宽度为150 fs.沿水平方向偏振的线偏振激光以一定角度入射到空间光调制器(Holoeye Pluto)上,通过给空间光调制器附加合适的相位图,可以对飞秒激光的空间相位进行调制,从而实现多光束干涉,形成的干涉图样可以用CCD相机观察.在烧蚀硅表面的实验中,考虑到所用的空间光调制器是反射式工作的,且空间点阵结构距离调制器面板比较近,为了实验的方便,采用一个4f(由L1和L2组成,焦距均为:f=200 mm)系统将空间点阵引出,再通过显微物镜(10×,NA=0.25)将点阵聚焦到样品表面.双面抛光的单晶硅样品(N型掺杂,〈111〉晶向,厚度为500 μm)被放置在能够沿着平行或垂直于激光传播轴的方向移动的XYZ三维精密位移控制平台(Physik Instrumente)上.激光脉冲在样品上的曝光时间由电快门(shutter)控制,脉冲能量可通过半波片和偏振片调节.加工过程由一个CCD相机实时监控. 2 结果与分析 2.1 不同相位的空间光学位点的形成 利用多棱锥镜可以形成多光束干涉,实验中用于产生多光束干涉的相位都是以多棱锥镜为模型计算得到的.首先给出形成双光束、三光束和四光束干涉所用多棱锥镜的实物模型以及各棱锥所对应的相位图形貌,同时用MATLAB软件对底角为2°的多棱锥镜形成的多光束干涉进行了模拟仿真,相应的结果如图2. 图2(a)～(c)分别是可以形成双光束干涉、三光束干涉以及四光束干涉的棱镜、三棱锥和四棱锥的模型,由于它们各自的结构特征,沿Z轴传播的激光在通过棱锥镜后,将会被分成若干振幅相等的部分,各部分的波矢沿着传播方向Z对称分布,这使得形成的干涉图样具有对称性和周期性.图2(d)～(f)是对应于棱镜、三棱锥和四棱锥模型计算出的相位图的形貌.图2(g)～ (i)分别是底角为2°的棱镜、三棱锥和四棱锥形成的双光束干涉、三光束干涉以及四光束干涉在XY面内强度分布的模拟结果,模拟过程对激光进行了平面波的近似,采用的激光波长为800 nm与实验中所用激光波长一致