發(fā)布時(shí)間：2019-12-14所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：為了解決飛秒激光加工硬質(zhì)材料所帶來的表面質(zhì)量差的問題，提出了離子束刻蝕與飛秒激光復(fù)合加工技術(shù).利用飛秒激光加工技術(shù)在碳化硅表面制備微納結(jié)構(gòu)圖形，然后通過離子束刻蝕技術(shù)對(duì)碳化硅微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，以調(diào)控結(jié)構(gòu)的線寬和深度，使結(jié)構(gòu)表面粗糙度
摘 要：為了解決飛秒激光加工硬質(zhì)材料所帶來的表面質(zhì)量差的問題，提出了離子束刻蝕與飛秒激光復(fù)合加工技術(shù).利用飛秒激光加工技術(shù)在碳化硅表面制備微納結(jié)構(gòu)圖形，然后通過離子束刻蝕技術(shù)對(duì)碳化硅微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，以調(diào)控結(jié)構(gòu)的線寬和深度，使結(jié)構(gòu)表面粗糙度由約106nm 降低到11.8nm.研究表明，利用該技術(shù)制備的碳化硅菲涅爾波帶片展現(xiàn)出良好的聚焦和成像效果.
關(guān)鍵詞：超快激光;半導(dǎo)體加工技術(shù);離子束刻蝕;碳化硅;微光學(xué)元件
0 引言
碳化硅、氮化鎵、金剛石等硬質(zhì)材料作為第三代半導(dǎo)體材料，其微納結(jié)構(gòu)[1-3]逐漸在微電子[4]、微光學(xué)[5]、光電子[6]等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用.由于硬質(zhì)材料具有硬度大、穩(wěn)定度高等特點(diǎn)，使得對(duì)其進(jìn)行微納加工較為困難.傳統(tǒng)制備微納結(jié)構(gòu)[7]的方法有平面光刻技術(shù)[8]、納米壓印[9]、聚焦離子束刻蝕[10]、電子束刻蝕[11]等.這些微納加工方法可以將加工精度縮小到十幾到幾納米之間，具有較高的加工精度[12]，但難以實(shí)現(xiàn)三維微納結(jié)構(gòu)的制備.飛秒激光加工[13]由于采用高能量密度激光進(jìn)行掃描加工，利用非線性效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬質(zhì)材料的三維精密加工[14]，但是采用高能量飛秒激光進(jìn)行燒蝕加工會(huì)造成結(jié)構(gòu)表面粗糙度大、表面形貌差的問題，難以滿足光學(xué)元件對(duì)于表面質(zhì)量高的要求.
為此，本文提出了離子束刻蝕輔助飛秒激光加工技術(shù)來降低結(jié)構(gòu)表面的粗糙度.通過飛秒激光加工進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)造型，然后利用離子束刻蝕去除表面碎屑并不斷對(duì)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行平滑，以此實(shí)現(xiàn)高平滑度微光學(xué)元件的制備.在此基礎(chǔ)上，制備出高表面質(zhì)量的碳化硅菲涅爾波帶片，展現(xiàn)了良好的成像和聚焦效果.
1 實(shí)驗(yàn)與設(shè)備
1.1 飛秒激光加工參數(shù)對(duì)碳化硅線條結(jié)構(gòu)的影響
實(shí)驗(yàn)中使用的碳化硅樣品為1cm×1cm 大小的方形薄片，厚度為1mm，依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲清 洗 30 min，去 除 表 面 污 染 物，保 持 表 面 潔 凈.首 先 利 用 Ti∶Sapphire飛秒激光放大器 (SpectraPhysics，USA)對(duì)干凈的碳化硅樣品進(jìn)行微納加工，激光器波長(zhǎng)λ為800nm，脈沖寬度為100fs，重復(fù)頻率為1000Hz，光斑直徑為5mm，實(shí)驗(yàn)中通過80倍的顯微物鏡(數(shù)值孔徑dNA為0.85)進(jìn)行聚焦，由于衍射極限限制，聚焦后的光斑直徑為d=1.22λ/dNA=1.15μm.分別在激光功率為65μW、75μW、90μW、120μW、150μW、175μW 和單點(diǎn)曝光時(shí)間為1000μs、2000μs、3000μs、4000μs、5000μs的條件下，在碳化硅表面掃描加工出長(zhǎng)為60μm 的線條結(jié)構(gòu)，并利用掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope，SEM)對(duì)其進(jìn)行表征，觀察其表面形貌，如圖1.圖1(a)～(c)為激光功率分別為65μW、90μW、175μW 條件下的不同單點(diǎn)曝光時(shí)間的碳化硅線條結(jié)構(gòu)的SEM 照片，可以看出其表面具有較多的散落顆粒，線條結(jié)構(gòu)周圍有很多毛刺，造成其表面的粗糙度較大.而且隨著激光功率和脈沖數(shù)的增加，表面散落顆粒增多，表面質(zhì)量更差.隨后，對(duì)飛秒激光加工制備的碳化硅線條結(jié)構(gòu)進(jìn)行離子束刻蝕15min，刻蝕參數(shù)為離子能量600eV、離子束流70mA.利用SEM 對(duì)結(jié)構(gòu)表面的形貌進(jìn)行表征，如圖1(d)～(f)，從圖中可以看出碳化硅線條結(jié)構(gòu)周圍的毛刺基本消失，線條結(jié)構(gòu)表面的粗糙度得到顯著改善.結(jié)構(gòu)表面粗糙度的改善得益于兩方面：1)利用飛秒激光燒蝕對(duì)材料進(jìn)行微納加工過程中，除了在表面形成微納結(jié)構(gòu)外，同時(shí)在材料內(nèi)部會(huì)形成改性層，導(dǎo)致材料的相變以及化學(xué)成分的改變，這些變化直接影響材料的刻蝕或腐蝕速率[15，16]，改性層與未改性區(qū)域之間具有光滑的界面;2)表面微納結(jié)構(gòu)的尖端部位由于具有較低的表面結(jié)合能，更易于被刻蝕，因此在刻蝕過程中會(huì)使表面逐漸的平滑[17].
期刊推薦：《光子學(xué)報(bào)》是中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)主辦并編輯、中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所承辦、科學(xué)出版社出版的學(xué)術(shù)月刊。1972年創(chuàng)刊。主要刊登本學(xué)科的學(xué)術(shù)論文、研究簡(jiǎn)報(bào)、研究快報(bào)，內(nèi)容涉及光學(xué)，尤其是瞬態(tài)光學(xué)、光電子學(xué)、智能光學(xué)儀器、集成光學(xué)、信息光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、非線性光學(xué)、光物理、光化學(xué)、光生物學(xué)、光通信、光傳感、光計(jì)算、光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光子功能材料、光子自身相互作用、光子的經(jīng)典與非經(jīng)典效應(yīng)等。有投稿需求的作者，可以直接與期刊天空在線編輯聯(lián)系。
利用共聚焦顯微鏡對(duì)碳化硅線條結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，得到線條結(jié)構(gòu)的寬度和深度隨激光能量和曝光時(shí)間的變化規(guī)律，圖2(a)所示為相同單點(diǎn)曝光時(shí)間下，不同激光功率的碳化硅線條結(jié)構(gòu)的 SEM 照片，圖2(b)是相同激光功率下，不同單點(diǎn)曝光時(shí)間的碳化硅線條結(jié)構(gòu)的 SEM 圖.通過測(cè)試獲得如圖2(c)和(d)所示的激光功率、單點(diǎn)曝光時(shí)間與線條結(jié)構(gòu)的寬度和深度的關(guān)系.由圖2(c)可以看出在相同單點(diǎn)曝光時(shí)間下，隨著激光功率的增加，碳化硅線條結(jié)構(gòu)的寬度和深度逐漸變大.由圖2(d)可以看出在相同激光功率下，隨著單點(diǎn)曝光時(shí)間的增加，碳化硅線條結(jié)構(gòu)的寬度和深度逐漸變大.激光脈沖能量的增加導(dǎo)致激光在焦點(diǎn)處光斑的橫向以及縱向的能量分布隨之增加，從而形成的結(jié)構(gòu)的寬度和深度隨之增加.而單點(diǎn)曝光時(shí)間的增加使得累計(jì)在局部區(qū)域的能量增加，對(duì)材料的影響與直接的脈沖能量增加類似，同樣會(huì)使形成的線條結(jié)構(gòu)的寬度和深度增加.表1和表2為在不同激光功率和單點(diǎn)曝光時(shí)間的條件下制備的碳化硅線條的深度和寬度.線條的深度和寬度隨著激光功率和單點(diǎn)曝光時(shí)間的增加而增加，可知碳化硅線條結(jié)構(gòu)的寬度和深度可以通過激光功率和單點(diǎn)曝光時(shí)間進(jìn)行靈活調(diào)控.
1.2 離子束刻蝕對(duì)飛秒激光加工后結(jié)構(gòu)粗糙度的影響
用激光功率為40μW、單點(diǎn)曝光時(shí)間為1000μs的飛秒激光脈沖在碳化硅表面加工出20μm×20μm的微米級(jí)方塊結(jié)構(gòu)，對(duì)制備好的碳化硅結(jié)構(gòu)進(jìn)行離子束刻蝕，離子束刻蝕的參數(shù)為離子能量600eV、離子束流70mA，刻蝕時(shí)間分別為5min、10min、30min.對(duì)刻蝕不同時(shí)間的碳化硅方塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子力顯微鏡測(cè)試，圖3表示不同刻蝕時(shí)間下碳化硅方塊結(jié)構(gòu)的表面形貌.由于表面微納結(jié)構(gòu)的尖端部位具有較低的表面結(jié)合能，更易于被刻蝕，因此在刻蝕過程中會(huì)使表面逐漸平滑.從圖中也可以看出隨著刻蝕時(shí)間的增加，碳化硅方塊結(jié)構(gòu)的粗糙度Ra逐漸降低，從刻蝕前的106nm 降低到刻蝕30min后的11.8nm.隨著刻蝕時(shí)間的增加，結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量逐步得到改善.
2 碳化硅菲涅爾波帶片的制備
通過實(shí)驗(yàn)摸索，選取合適的加工參數(shù)實(shí)現(xiàn)碳化硅表面菲涅爾波帶片的制備.飛秒激光加工參數(shù)為激光功率40μW、單點(diǎn)曝光時(shí)間1000μs.圖4(a)所示為刻蝕前的碳化硅菲涅爾波帶片的SEM 圖，圖4(b)為其局部放大圖，從圖中可以看出飛秒激光加工后的碳化硅菲涅爾波帶片結(jié)構(gòu)表面比較粗糙.對(duì)飛秒激光加工后的菲涅爾波帶片采用離子束刻蝕處理，離子束刻蝕的參數(shù)為離子能量600eV、離子束流70mA，刻蝕10min后，對(duì)碳化硅菲涅爾波帶片進(jìn)行SEM 測(cè)試，如圖4(c)，圖4(d)為其局部放大圖，從圖4(c)和(d)中可以看出刻蝕后的碳化硅菲涅爾波帶片粗糙度顯著降低，消除了激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的周期性條紋結(jié)構(gòu)，表面變得比較平滑.
對(duì)刻蝕前后的碳化硅菲涅爾波帶片進(jìn)行共聚焦顯微鏡測(cè)試，如圖5(a)和(b)，可以看出由于加工過區(qū)域的粗糙度較大，因而刻蝕前的碳化硅菲涅爾波帶片的反射率較差，而刻蝕后的碳化硅菲涅爾波帶片表面粗糙度較小，反射率較高.而且表面粗糙度的降低會(huì)降低結(jié)構(gòu)對(duì)光的散射，從而增加器件對(duì)光的透過率.對(duì)碳化硅菲涅爾波帶片進(jìn)行光學(xué)效果測(cè)試，圖5(c)和(d)分別為離子束刻蝕前碳化硅菲涅爾波帶片的聚焦和成像的光學(xué)照片.圖5(e)和(f)分別是離子束刻蝕后碳化硅菲涅爾波帶片聚焦和成像的光學(xué)照片，可以看出，與飛秒激光直寫制備的菲涅爾波帶片相比，使用離子束刻蝕輔助飛秒激光加工制備的碳化硅菲涅爾波帶片能夠呈現(xiàn)更為清晰的聚焦和成像效果.
3 結(jié)論
通過離子束刻蝕輔助飛秒激光加工技術(shù)可以解決飛秒激光直寫硬質(zhì)材料所帶來的表面形貌差、粗糙度高的問題，將碳化硅表面結(jié)構(gòu)粗糙度從106nm 降低到11.8nm，大幅度降低飛秒激光直寫后碳化硅的表面粗糙度.通過對(duì)飛秒激光直寫碳化硅和離子束刻蝕碳化硅的參數(shù)摸索，制備了具有較好表面質(zhì)量、較低粗糙度的碳化硅菲涅爾波帶片，其具有較好的聚焦和成像效果.研究結(jié)果驗(yàn)證了離子束刻蝕輔助飛秒激光加工技術(shù)對(duì)于碳化硅結(jié)構(gòu)高精度加工的可行性，為碳化硅微納加工提供的新的方案.
