一种高效可控加工大面积硅微纳结构的方法技术

本发明专利技术涉及一种高效可控加工大面积硅微纳结构的方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明专利技术基于化学刻蚀辅助飞秒激光加工及飞行时间打孔的方法，有效利用飞秒激光超快、超强、超精密的加工特点，在较短时间内高效可控加工大面积微纳结构；具体是在单个激光脉冲作用下使得硅表面形成局部改性区，激光辐照区域的化学活性急剧下降，从而能够在后续化学刻蚀过程中起到掩膜的作用，进而实现无掩膜高效高质量硅微纳结构的加工。对比现有技术，本发明专利技术省略了在加工材料表面镀掩膜层步骤，降低成本的同时提高了加工效率，同时也便于操作及控制，实现不同形貌及尺寸下的大面积硅表面微纳结构精密、可控性加工；加工速度只受限于激光脉冲重复频率。

【技术实现步骤摘要】
一种高效可控加工大面积硅微纳结构的方法
本专利技术涉及一种高效可控加工大面积硅微纳结构的方法，特别涉及一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效可控加工大面积硅微纳结构的方法，属于飞秒激光应用

技术介绍
硅晶体材料是目前较重要的半导体材料，主要是由于其具有高折射率并能有效集成到复杂的微电子器件之中。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。不同形貌的硅表面微纳结构可通过不同加工方法得到，比如光刻技术、纳米压印技术和干法刻蚀技术等。近年来，飞秒激光加工技术因具有高精度、低重铸层、无接触、热影响区小和加工灵活等优点，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。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均能通过飞秒激光直写技术加工得到。另外，为更好地控制微纳结构形态的加工，在飞秒激光加工技术的基础上引入了化学刻蚀辅助加工。传统的化学辅助飞秒激光加工技术，需事先在加工样品表面镀上二氧化硅或氮化硅的掩膜层，经飞秒激光辐照局部去除掩膜层，而后暴露出的硅基底在刻蚀溶液中被刻蚀，形成不同形貌的微纳结构。但上述加工方法需要在加工前额外加工掩膜层，这不仅增加了成本而且也使得加工效率大大降低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有高质量、高均一性的大面积硅纳米点阵列加工效率较低、成本较高的问题，提出了一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效可控加工大面积硅微纳结构的方法。本专利技术的原理是通过飞秒激光直接辐照，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，并结合飞秒激光“飞行时间打孔法”(JournalofLaserApplications,4(2),15-24,1992)，实现大面积硅微纳结构的高效可控加工。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效可控加工大面积硅微纳结构的方法，具体步骤如下：步骤一，利用显微物镜聚焦飞秒激光光束；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，使得激光脉冲能量低于加工材料表面的烧蚀阈值，且激光脉冲能量能够连续调节；步骤三，将加工材料固定在移动平台，调节移动平台使飞秒激光脉冲聚焦于加工材料表面；步骤四，利用“飞行时间打孔法”，实现飞秒激光单脉冲条件下的大面积高效加工；步骤五，将步骤四中飞秒激光加工后的加工材料置于恒温的特定浓度下的化学溶液中，经刻蚀时间t后，得到表面光滑且均匀的高质量硅微纳结构。作为优选，通过控制激光通量、刻蚀时间能够得到满足使用要求的不同形貌及尺寸的所述微纳结构，并能通过控制脉冲激光重复频率、扫描速度来控制相邻结构的间距。作为优选，步骤三所述加工材料为100晶向的N型不掺杂单晶硅。作为优选，所述刻蚀溶液为氢氧化钾(KOH)溶液，浓度为25wt％，恒温温度为55℃，刻蚀时间t介于30s到120s之间。有益效果对比现有硅纳米点阵列加工技术，本专利技术提出的一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效加工大面积硅纳米点阵列结构的方法具有以下特点：1、本专利技术通过飞秒激光单脉冲辐照形成局部改性区，此改性区域能够直接作为刻蚀过程中的掩膜，省略了在加工样品表面镀掩膜层步骤，降低成本的同时提高了加工效率；2、对飞秒激光加工后的加工材料使用化学溶液刻蚀，相对于在加工样品表面镀掩膜层，便于操作及控制；3、加工速度只受限于激光脉冲重复频率，若激光器重复频率与加工材料的位移速度的上限更高，理论上可以进一步提高加工效率；4、通过调控飞秒激光能量大小，能够实现不同形貌及尺寸下的大面积硅表面微纳结构精密、可控性加工，以适应不同场合下的应用需求。附图说明图1为本专利技术一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效加工大面积硅纳米点阵列结构的装置的结构示意图。图2为本专利技术一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效加工大面积硅纳米点阵列结构的方法步骤示意图。附图标记：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-机械快门、7-二向色镜、8-聚焦显微物镜、9-加工材料、10-六维精密位移平台、11-二向色镜A、12-平凸透镜、13-CCD图像传感器、14-成像照明光源。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、机械快门6、二向色镜7、聚焦显微物镜8、六维精密位移平台10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。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；机械快门6与反射镜5同轴并且互成45°，二向色镜7的中心位于机械快门6的中心轴与聚焦显微物镜8中心轴的焦点位置，并成45°放置；激光光轴经二向色镜7反射依次通过聚焦显微物镜8、加工材料9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行实时成像；照明光源位于六维精密位移平台的上方，其发出的照明光依次透射二向色镜A11、二向色镜7，经聚焦显微物镜8照射在六维精密位移平台10上的加工材料9上，被加工材料9反射后经聚焦显微物镜8、二向色镜7被二向色镜A11反射后经平凸透镜12聚焦进入CCD图像传感器13形成实时观测图像。飞秒激光1产生中心波长为800nm的超短脉冲飞秒激光，利用半波片2和偏振分光棱镜3的组合能够较大范围内调控激光脉冲通量，而后使用连续衰减片4可进一步连续改变激光通量，通过反射镜5来改变激光光束的方向，机械快门6用来控制激光光束的通过与否，从而控制激光光束能否实现加工；使用聚焦显微物镜8对高斯光束进行聚焦，实现突破衍射极限的高分辨率加工；加工材料9固定在六维精密位移平台10上，通过加工光路上方的成像照明光源14产生照明白光，照明光经过二向色镜A11、二向色镜7和聚焦物镜8到达加工材料表面，而后被加工材料9反射的照明光线沿原路径返回，被二向色镜A11反射后进入CCD图像传感器13成像，在激光加工过程中能够对加工材料表面进行实时监控。飞秒激光辐照加工材料9表面形成大面积改性纳米结构区域后，置入恒温的碱性溶液中，例如氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、四甲基氢氧化氨(TMAH)溶液等，进行化学刻蚀，从而能够得到大面积、高质量的硅微纳结构。实施例本实施例中的飞秒激光系统采用美国光谱物理(SpectraPhysics)公司生产的激光器，激光中心波长为800nm，脉冲宽度35fs，重复频率1KHz可调，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯型，线偏振。加工材料9为N型无掺杂晶向100的单晶硅，其尺寸为10mm×10mm×1mm。当然，本领域技术人员知道，实际加工物不限于单晶硅，其可以是任何其它可以通过激光辐照改变化学特性的物质。本专利技术提出的一种结合化学刻蚀辅助飞秒激光高效加工大面积硅微纳结构的方法，加工光路图和实验步骤示意图分别如图1和图2所示，具体加工步骤如下：步骤一：利用飞秒激光系统1产生飞秒脉冲激光，既可用半波片2和偏振分光棱镜3调节单脉冲激光通量在0.14J/cm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效可控加工大面积硅微纳结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，利用显微物镜聚焦飞秒激光光束；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，使得激光脉冲能量低于加工材料表面的烧蚀阈值，且激光脉冲能量能够连续调节；步骤三，将加工材料固定在移动平台上，调节移动平台使飞秒激光脉冲聚焦于加工材料表面；步骤四，利用“飞行时间打孔法”，实现飞秒激光单脉冲条件下的大面积高效加工；步骤五，将步骤四中飞秒激光加工后的加工材料置于恒温的特定浓度下的化学溶液中，经刻蚀时间t后，得到表面光滑且均匀的高质量硅微纳结构。

【技术特征摘要】
1.一种高效可控加工大面积硅微纳结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，利用显微物镜聚焦飞秒激光光束；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，使得激光脉冲能量低于加工材料表面的烧蚀阈值，且激光脉冲能量能够连续调节；步骤三，将加工材料固定在移动平台上，调节移动平台使飞秒激光脉冲聚焦于加工材料表面；步骤四，利用“飞行时间打孔法”，实现飞秒激光单脉冲条件下的大面积高效加工；步骤五，将步骤四中飞秒激光加工后的加工材料置于恒温的特定浓度下的化学溶液中，经刻蚀时间t后，得到表面光滑且均匀的高质量硅微纳结构。2.根据权利要求1所述的一种高效可控加工大面积硅微纳结构的方法，其特征在于：所述微纳结构包括但不限于类环形硅柱结构、平顶状硅柱...

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