一种利用电子动态调控制备硅纳米线结构的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用电子动态调控化学刻蚀辅助双脉冲飞秒激光贝塞尔光束可控加工硅纳米线结构的方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明专利技术通过对飞秒激光进行时域和空域整形，调控激光作用区域的局部瞬时电子动态(主要为自由电子密度分布)，从而调控被加工材料化学特性，实现高准直度的硅纳米线结构制备。与传统飞秒激光加工方法对比，利用电子动态调控化学刻蚀辅助双脉冲飞秒激光贝塞尔光束加工硅纳米线结构，纳米线准直度可提高数倍，其加工结构尺寸突破了光学衍射极限。

Method for preparing silicon nanowire structure by using electronic dynamic modulation control

The invention relates to a method for processing silicon nanowire structure by using an electronic dynamic control chemical etching auxiliary double pulse femtosecond laser Bessel beam, belonging to the technical field of femtosecond laser application. Through the temporal and spatial shaping of femtosecond laser, the local instantaneous electronic dynamic control of laser interaction region (mainly for the free electron density distribution), so as to regulate the processing chemical properties of the materials, to achieve a high degree of collimation of silicon nanowire structure preparation. Compared with the traditional femtosecond laser processing method using electronic dynamic control of double pulse femtosecond laser assisted chemical etching process of silicon nanowire Bessel beam structure, nano line collimation can improve the processing times, structure size is beyond the diffraction limit.

【技术实现步骤摘要】
一种利用电子动态调控制备硅纳米线结构的方法
本专利技术涉及一种利用电子动态调控制备高准直度硅纳米线结构的方法，特别涉及一种利用电子动态调控化学刻蚀辅助双脉冲飞秒激光贝塞尔光束可控加工硅纳米线结构的新方法，属于飞秒激光应用

技术介绍
作为纳米技术的一个重要组成部分，纳米线结构具有其它大块材料所没有的独特的物理化学特性，例如：量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等。所以纳米线结构在量子器件、纳电子器械、场发射器和生物分子纳米感应器等领域具有非常广泛的应用前景，成为当代国际前沿的研究热点。目前比较成熟的制备方法有：激光烧蚀法、化学气相沉积法、热气相沉积法、模板法、水热法等生长方法。硅晶体材料是目前较重要的半导体材料，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。通过光刻技术、纳米压印技术和干法刻蚀技术等，可以得到不同形貌的硅表面微纳结构。随着研究的进展，飞秒激光加工技术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，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。通过飞秒激光直写技术，可以得到微孔、微槽、微凸起、微纳复合结构和纳米颗粒等形态的微纳结构。特别地，为更好地控制微纳结构形态，在飞秒激光加工技术的基础上引入了化学刻蚀辅助加工。传统的飞秒激光加工技术在加工硅纳米线结构时，激光光束为单脉冲且聚焦平面处的光强分布为高斯分布，与本专利技术所提及经过空域整形而得到的贝塞尔光束的横向光强分布相比，光束主瓣直径大，故导致加工所得结构尺寸宽度较大且未对电子动态进行调控从而导致被加工材料表面化学特性的改性程度不同，而后造成经过化学刻蚀制备的硅纳米线的准直度较低，低准直度会对硅纳米线在微电子方面的结构和性质产生影响，无法制备所期望的集成电路。传统的飞秒激光加工技术未对激光作用区域的局部瞬时电子动态(主要为自由电子密度分布)进行调控，因而在接下来的化学刻蚀步骤中所需时间更长、化学试剂的使用量更大，故导致效率较低、成本较高。而在使用一种利用电子动态调控制备高准直度硅纳米线结构的方法后，硅纳米线结构的尺寸宽度突破光学衍射极限(可到达100nm以下)，并且准直度也得到了很大提升。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有飞秒激光硅纳米线结构加工的效率较低、成本较高、准直度不满足使用要求且难度较大等问题，提出了一种利用电子动态调控化学刻蚀辅助飞秒激光可控加工硅纳米线结构新方法。本专利技术的原理是通过以下技术来实现的：将飞秒激光通过时域、空域整形得到双脉冲飞秒激光贝塞尔光束，直接动态扫描辐照材料表面，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，实现高准直度、小尺寸的硅纳米线结构制备。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种利用电子动态调控化学刻蚀辅助双脉冲飞秒激光贝塞尔光束可控加工硅纳米线结构新方法，具体步骤如下：步骤一：产生飞秒激光脉冲，脉宽介于30飞秒到100飞秒之间；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，调整步骤一得到的飞秒激光脉冲能量，使得能量介于被加工样品的改性能量阈值与烧蚀能量阈值之间，且激光脉冲能量能够连续调节；步骤三：把步骤二所得到的飞秒激光脉冲利用轴棱镜方法空间整形为飞秒激光贝塞尔光束，进一步地，利用迈克尔逊干涉仪形成双脉冲飞秒激光贝塞尔光束，脉冲延时为t2，进行时域整形加工；步骤四：将被加工材料固定在六自由度移动平台上，调节移动平台使双脉冲飞秒激光贝塞尔光束通过20×物镜聚焦于被加工材料表面，控制移动平台带动被加工样品运动，利用激光聚焦点对样品进行动态扫描加工，形成线性改性区域；步骤五：将步骤四中双脉冲飞秒激光贝塞尔光束加工后的样品置于恒温特定浓度下的碱性溶液中，经刻蚀时间t1后，得到高质量硅纳米线结构，具有表面光滑、均匀、高一致性且高准直度的特点；作为优选，通过控制所述激光通量、刻蚀时间t1能够得到尺寸宽度突破光学衍射极限的硅纳米线结构，并能通过控制双脉冲延时t2来精密调控硅纳米线结构的尺寸宽度。作为优选，步骤四所述被加工材料为硅。作为优选，步骤四所述被加工材料为100晶向的N型不掺杂单晶硅。作为优选，步骤五所述碱性刻蚀溶液为氢氧化钾(KOH)溶液。作为优选，为加速化学刻蚀速度，将步骤五所述恒温特定浓度的碱性溶液进行超声振动。作为优选，步骤五所述碱性刻蚀溶液的浓度为25wt％，恒温温度为55℃，刻蚀时间t1介于5s到30s之间。有益效果对比现有硅纳米线加工技术，本专利技术提出的一种利用电子动态调控化学刻蚀辅助双脉冲飞秒激光贝塞尔光束可控加工硅纳米线结构新方法具有以下特点：1、本专利技术所使用飞秒激光为经过时域、空域整形的双脉冲飞秒激光贝塞尔光束，通过双脉冲辐照形成局部改性区，利用电子动态调控化学刻蚀，利用贝塞尔光束聚焦的特性，加工所得到的硅纳米线结构尺寸小、表面质量高；2、对飞秒激光加工后的硅样品使用碱性溶液刻蚀，利用电子动态调控能够精密调控飞秒激光作用区域的局部材料特性以及调控化学刻蚀速率等；3、通过调整飞秒激光能量大小、脉冲延时t2、碱性溶液刻蚀时间t1结合电子动态调控，加工所得到的硅纳米线结构表面质量好、准直度高。附图说明图1为本专利技术一种利用电子动态调控化学刻蚀辅助双脉冲飞秒激光贝塞尔光束可控加工硅纳米线结构的装置的结构示意图。图2为本专利技术一种利用电子动态调控化学刻蚀辅助双脉冲飞秒激光贝塞尔光束可控加工硅纳米线结构的方法步骤示意图。图3为本专利技术一种利用电子动态调控化学刻蚀辅助双脉冲飞秒激光贝塞尔光束可控加工硅纳米线结构的双脉冲产生示意图。附图标记：图1：1-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-迈克尔逊干涉仪、7-机械快门、8-锥透镜、9-二向色镜、10-平凸透镜、11-聚焦显微物镜、12-加工材料、13-六维精密位移平台、14-二向色镜A、15-平凸透镜、16-CCD图像传感器、17-成像照明光源。图3：A-反射镜、B-反射镜、C-分束镜、D-反射镜、E-反射镜。具体实施方式下面结合说明书附图和实施例对本专利技术的优选实施方式做进一步说明。本实施例中实现本专利技术的装置包括：飞秒激光系统1、半波片2、偏振分光棱镜3、连续衰减片4、反射镜5、迈克尔逊干涉仪6、机械快门7、锥透镜8、二向色镜9、平凸透镜10、聚焦显微物镜11、六维精密位移平台13及化学刻蚀所需的水浴加热装置和承载刻蚀溶液的玻璃烧杯器皿。其连接关系如图1和图2所示，图3所示为图1中6-迈克尔逊干涉仪装置示意图。飞秒激光系统1、半波片2、偏振分光棱镜3、连续衰减片4依次平行、同轴放置；反射镜5与连续衰减片4同轴并且互成45°放置；迈克尔逊干涉仪6与反射镜5同轴并且互成45°；迈克尔逊干涉仪6、机械快门7与锥透镜8依次平行、同轴放置；二向色镜9的中心位于锥透镜8的中心轴与平凸透镜10中心轴的焦点位置，并成45°放置；平凸透镜10与聚焦显微物镜11依次平行、同轴放置；激光光轴经二向色镜9反射依次通过平凸透镜10、聚焦显微物镜11、加工材料12的中心。为便于操作人员实时监控加工过程，在上述装置上增加成像照明光源和图像传感器，二者组成正面成像系统对加工过程进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用电子动态调控化学刻蚀辅助双脉冲飞秒激光贝塞尔光束可控加工硅纳米线结构的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一：产生飞秒激光脉冲，脉宽介于30飞秒到100飞秒之间；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，调整步骤一得到的飞秒激光脉冲能量，使得能量介于被加工样品的改性能量阈值与烧蚀能量阈值之间，且激光脉冲能量能够连续调节；步骤三：把步骤二所得到的飞秒激光脉冲利用轴棱镜方法空间整形为飞秒激光贝塞尔光束，进一步地，利用迈克尔逊干涉仪形成双脉冲飞秒激光贝塞尔光束，脉冲延时为t

【技术特征摘要】
1.一种利用电子动态调控化学刻蚀辅助双脉冲飞秒激光贝塞尔光束可控加工硅纳米线结构的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一：产生飞秒激光脉冲，脉宽介于30飞秒到100飞秒之间；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，调整步骤一得到的飞秒激光脉冲能量，使得能量介于被加工样品的改性能量阈值与烧蚀能量阈值之间，且激光脉冲能量能够连续调节；步骤三：把步骤二所得到的飞秒激光脉冲利用轴棱镜方法空间整形为飞秒激光贝塞尔光束，进一步地，利用迈克尔逊干涉仪形成双脉冲飞秒激光贝塞尔光束，脉冲延时为t2，进行时域整形加工；步骤四：将被加工材料固定在六自由度移动平台上，调节移动平台使双脉冲飞秒激光贝塞尔光束通过20×物镜聚焦于被加工材料表面，控制移动平台带动被加工样品运动，利用激光聚焦点对样品进行动态扫描加工，形成线性改性区域；步骤五：将步骤四中双脉冲飞秒激光贝塞尔光束加工后的材料置于恒温特定浓度下的碱性溶液中，经刻蚀时间t1后，得到高质量硅纳米线结构，具有表面光滑、均匀、高一致性且高准直度的特点。2.根据权利要求1所述的一种利用电子动态调控化学刻蚀辅助双脉冲飞秒激光贝塞尔光束可控加工硅纳米线结构的方法，其特征在于：所述被加工材...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，李晓炜，施耀明，谢乾，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11