基于空間激光干涉光刻的硅表面微結(jié)構(gòu)控制

基于空間激光干涉光刻的硅表面微結(jié)構(gòu)控制

0輻射激光的場分布調(diào)制飛秒激光在許多領(lǐng)域都具有很高的加工精度和低熱效果，可以廣泛應(yīng)用于我國許多領(lǐng)域。近年來，飛秒激光用于單晶硅的處理已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)。當(dāng)飛秒激光用于單晶硅表面時(shí)，在一定閾值內(nèi)，在輻射區(qū)域形成了一個(gè)微結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)表示硅表面的光面積變大，入射光被多次反射，形成“凹光效應(yīng)”。此外，微結(jié)構(gòu)的形成將空氣和材料基礎(chǔ)之間的折射突變轉(zhuǎn)化為折射突變，這降低了回波率。harvard大學(xué)的masur小組詳細(xì)研究了微結(jié)構(gòu)的形成過程。他們發(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)起源于硅表面由激光輻射引起的結(jié)構(gòu)，其大小和深度與輻射激光的波長有關(guān)。然而，由于激光誘導(dǎo)微結(jié)構(gòu)的形成過程是自發(fā)的，因此形成的微結(jié)構(gòu)往往是隨機(jī)的、隨機(jī)的，難以控制薄密度。為了實(shí)現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)分布特征的控制,對輻射激光的場分布進(jìn)行調(diào)制是一種可行的辦法.Mazur小組通過在硅表面放置金屬網(wǎng)格掩膜板來調(diào)制輻射激光,形成了與網(wǎng)格具有相似特征的微結(jié)構(gòu),但是這種方法靈活性差,得到的結(jié)構(gòu)均勻性也一般.HiroshiImamoto等利用全息的方法在硅表面燒蝕出了凹坑狀結(jié)構(gòu),形成的結(jié)構(gòu)分布比較均勻,并且對紅外波段的透過率有著顯著的提高,但是全息圖的形成和優(yōu)化過程卻十分復(fù)雜,而且全息的方法往往難以得到均勻的點(diǎn)陣分布.干涉同樣可以實(shí)現(xiàn)對激光的周期性調(diào)制,利用雙光束干涉形成的周期性條紋結(jié)構(gòu)可以在多種材料中實(shí)現(xiàn)光柵的制備;多光束干涉可以形成均勻分布的二維或三維光學(xué)點(diǎn)陣,這在光子晶體的制作領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,而且點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)特征由參與干涉的光束數(shù)量決定,周期可由各光束之間的夾角控制,這為實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)分布特征的控制提供了一種可行的辦法.本文利用飛秒激光多光束干涉的方法在單晶硅表面形成分布特征可控的微結(jié)構(gòu).通過給空間光調(diào)制器(SpatialLightModulator,SLM)附加多棱錐鏡的相位對飛秒激光的空間相位進(jìn)行調(diào)制,實(shí)現(xiàn)了多光束干涉,形成了均勻分布的二維空間點(diǎn)陣.利用形成的空間點(diǎn)陣在單晶硅表面燒蝕出凹坑狀微結(jié)構(gòu),并通過改變附加的相位得到了具有不同分布特征和周期間距的微結(jié)構(gòu).掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope,SEM)顯示微結(jié)構(gòu)的分布特征和周期間距均與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)一致.利用分光光度計(jì)對微結(jié)構(gòu)在1.2～2μm波段的透過率進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)它相對拋光硅平均提高了11.5%,顯示出良好的減反效果.與其它方法相比,這種方法具有系統(tǒng)簡單穩(wěn)定、微結(jié)構(gòu)的分布特征和周期可靈活控制等優(yōu)點(diǎn).1空間光調(diào)制器的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)裝置如圖1,所用的激光為鈦寶石鎖模激光再生放大系統(tǒng)(Spitfire,SpectraPhysics)產(chǎn)生的超短脈沖激光,輸出的激光中心波長為800nm,重復(fù)頻率為1kHz,脈沖寬度為150fs.沿水平方向偏振的線偏振激光以一定角度入射到空間光調(diào)制器(HoloeyePluto)上,通過給空間光調(diào)制器附加合適的相位圖,可以對飛秒激光的空間相位進(jìn)行調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)多光束干涉,形成的干涉圖樣可以用CCD相機(jī)觀察.在燒蝕硅表面的實(shí)驗(yàn)中,考慮到所用的空間光調(diào)制器是反射式工作的,且空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)距離調(diào)制器面板比較近,為了實(shí)驗(yàn)的方便,采用一個(gè)4f(由L1和L2組成,焦距均為:f=200mm)系統(tǒng)將空間點(diǎn)陣引出,再通過顯微物鏡(10×,NA=0.25)將點(diǎn)陣聚焦到樣品表面.雙面拋光的單晶硅樣品(N型摻雜,〈111〉晶向,厚度為500μm)被放置在能夠沿著平行或垂直于激光傳播軸的方向移動(dòng)的XYZ三維精密位移控制平臺(PhysikInstrumente)上.激光脈沖在樣品上的曝光時(shí)間由電快門(shutter)控制,脈沖能量可通過半波片和偏振片調(diào)節(jié).加工過程由一個(gè)CCD相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控.2結(jié)果與分析2.1不同相位的空間光學(xué)位點(diǎn)的形成利用多棱錐鏡可以形成多光束干涉,實(shí)驗(yàn)中用于產(chǎn)生多光束干涉的相位都是以多棱錐鏡為模型計(jì)算得到的.首先給出形成雙光束、三光束和四光束干涉所用多棱錐鏡的實(shí)物模型以及各棱錐所對應(yīng)的相位圖形貌,同時(shí)用MATLAB軟件對底角為2°的多棱錐鏡形成的多光束干涉進(jìn)行了模擬仿真,相應(yīng)的結(jié)果如圖2.圖2(a)～(c)分別是可以形成雙光束干涉、三光束干涉以及四光束干涉的棱鏡、三棱錐和四棱錐的模型,由于它們各自的結(jié)構(gòu)特征,沿Z軸傳播的激光在通過棱錐鏡后,將會(huì)被分成若干振幅相等的部分,各部分的波矢沿著傳播方向Z對稱分布,這使得形成的干涉圖樣具有對稱性和周期性.圖2(d)～(f)是對應(yīng)于棱鏡、三棱錐和四棱錐模型計(jì)算出的相位圖的形貌.圖2(g)～(i)分別是底角為2°的棱鏡、三棱錐和四棱錐形成的雙光束干涉、三光束干涉以及四光束干涉在XY面內(nèi)強(qiáng)度分布的模擬結(jié)果,模擬過程對激光進(jìn)行了平面波的近似,采用的激光波長為800nm與實(shí)驗(yàn)中所用激光波長一致.考慮到空間光調(diào)制器的分辨能力,實(shí)驗(yàn)中主要采用底角為1°和2°的多棱錐鏡相位.通過給空間光調(diào)制器附加不同的相位,可以形成具有不同分布特征的空間光學(xué)點(diǎn)陣.實(shí)驗(yàn)分別形成了雙光束、三光束以及四光束干涉,通過改變相位圖簡單方便地實(shí)現(xiàn)了對各種干涉圖樣周期的控制,并對不同相位所形成的結(jié)構(gòu)周期做了對比.形成的干涉圖樣通過配接了10×顯微物鏡的CCD進(jìn)行觀察.圖3是附加不同相位時(shí)所形成干涉圖樣照片,它們都表現(xiàn)出周期性,其中圖3(a)～(c)是棱錐底角為1°的相位所形成的雙光束、三光束以及四光束干涉圖樣,它們分別呈現(xiàn)條紋狀結(jié)構(gòu)、正六邊形結(jié)構(gòu)以及正方形結(jié)構(gòu),對應(yīng)的結(jié)構(gòu)周期分別約為46μm、53μm、66μm;圖3(d)～(f)是棱錐底角為2°的相位形成的雙光束、三光束以及四光束干涉圖樣,對應(yīng)的結(jié)構(gòu)周期分別約為23μm、27μm、33μm.通過對不同相位形成的干涉結(jié)構(gòu)周期進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn):相位所對應(yīng)的棱錐底角越大,形成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)周期越小;棱錐的底角增大一倍,形成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)周期就減小到原來的一半.為了對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,給出雙光束干涉、三光束干涉以及四光束干涉形成的干涉結(jié)構(gòu)周期的理論值,它們分別由以下幾個(gè)公式計(jì)算得到.d2?beam=λ/(2sinθ)d3?beam=(2/3√)?λ/(2sinθ)=λ/(3√sinθ)d4?beam=2√λ/(2sinθ)=λ/(2√sinθ)d2-beam=λ/(2sinθ)d3-beam=(2/3)?λ/(2sinθ)=λ/(3sinθ)d4-beam=2λ/(2sinθ)=λ/(2sinθ)式中λ是輻射激光的波長,θ是干涉角,約為多棱錐鏡底角的一半(由折射定律可得:θ≈(n-1)α,棱錐的折射率n取1.5).實(shí)驗(yàn)中所用輻射激光的波長λ為800nm,當(dāng)相位所對應(yīng)棱錐的底角α為1°時(shí),干涉角θ約為0.5°,計(jì)算出的雙光束干涉、三光束干涉以及四光束干涉的結(jié)構(gòu)周期分別為45.8μm、52.9μm、64.8μm;當(dāng)相位所對應(yīng)棱錐的底角α為2°時(shí),干涉角θ約為1°,對應(yīng)干涉圖樣的周期分別是22.9μm、26.5μm、32.4μm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果符合得非常好.圖3(d)～(f)中顯示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,無論是結(jié)構(gòu)特征還是周期間隔都與圖2(g)～(i)的模擬結(jié)果非常吻合,這表明空間光調(diào)制器附加合適的相位可以精確地模擬多棱錐鏡形成多光束干涉,并且干涉結(jié)構(gòu)的分布特征和周期均可以通過改變相位的方法來方便地進(jìn)行控制.2.2激光邊界干涉燒蝕出的微結(jié)構(gòu)根據(jù)上述方法,本文利用空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)多光束干涉,并在拋光的單晶硅表面燒蝕出周期性微結(jié)構(gòu).實(shí)驗(yàn)分別采用三棱錐相位和四棱錐相位形成三光束干涉和四光束干涉,得到正六邊形和正方形分布的空間點(diǎn)陣.形成的點(diǎn)陣由一個(gè)4f系統(tǒng)引出,再通過一個(gè)10×的物鏡聚焦到樣品表面,聚焦物鏡一方面可以獲得更高的能量密度,另一方面可以將干涉產(chǎn)生的點(diǎn)陣間距壓縮到原來的十分之一.為實(shí)現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)間距的控制,分別采用棱錐底角α為1°和2°的相位圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn).設(shè)定輻射激光功率為25mW,曝光時(shí)間為t,經(jīng)過一定時(shí)間的激光作用,在單晶硅表面燒蝕出了凹坑狀結(jié)構(gòu).得到的結(jié)構(gòu)在顯微鏡下就可以清晰地觀察到,更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)形貌特征可以用掃描電子顯微鏡觀察,圖4給出了利用多光束干涉光刻形成的凹坑狀結(jié)構(gòu)的SEM照片.圖4(a)和圖4(b)分別是利用底角為1°和2°的三棱錐相位形成三光束干涉在硅表面燒蝕出的凹坑狀結(jié)構(gòu),采用的激光功率為25mW,曝光時(shí)間為15s.可以看出,三光束干涉燒蝕出的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)正六邊形分布,其中圖4(a)所示結(jié)構(gòu)的間距約為5.5μm,圖4(b)中結(jié)構(gòu)的間距約為2.8μm;同樣的激光參量下,采用底角為1°和2°的四棱錐相位所形成的微結(jié)構(gòu)如圖4(d)和圖4(e)所示,它們呈現(xiàn)正方形分布,圖4(d)和圖4(e)中結(jié)構(gòu)的間距分別約為6.5μm和3.3μm.從圖4可以看出,燒蝕得到的微結(jié)構(gòu)不僅特征與干涉所得到的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特征完全一致,而且間距與之前得到的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)經(jīng)過10倍壓縮后的結(jié)果比較相符;同時(shí)底角為2°的相位形成的結(jié)構(gòu)間距大約是底角為1°時(shí)形成的結(jié)構(gòu)間距的一半,這與理論結(jié)論是完全一致的.以上結(jié)果表明:利用飛秒激光多光束干涉在單晶硅表面燒蝕出的凹坑狀結(jié)構(gòu),其分布特征和周期間隔都可以通過改變多棱錐鏡的相位而簡單靈活地進(jìn)行控制.由圖4(a)和圖4(d)可以看出,底角為1°的相位形成的凹坑結(jié)構(gòu)間距較大,相鄰結(jié)構(gòu)之間還有大面積的硅基底裸露;圖4(b)和圖4(e)中由底角為2°的棱錐相位形成的結(jié)構(gòu)間距縮減到3μm左右,相鄰結(jié)構(gòu)間的裸露基底減少.當(dāng)曝光時(shí)間較短時(shí),得到的凹坑結(jié)構(gòu)深度較小,增加曝光時(shí)間可以在一定范圍內(nèi)增大結(jié)構(gòu)的深度.為此,采用底角為2°的棱錐相位,并增加激光的曝光時(shí)間到30s,得到了圖4(c)和圖4(f)所示的結(jié)構(gòu).由于長時(shí)間的激光作用,凹坑結(jié)構(gòu)的深度在一定范圍內(nèi)變大,同時(shí)單個(gè)凹坑的損傷范圍也有所增大,相鄰結(jié)構(gòu)之間幾乎沒有裸露硅基底的存在,形成了分布均勻排列緊密的蜂窩狀深坑結(jié)構(gòu).圖5給出了采用底角為2°的四棱錐相位,輻射激光功率為25mW,曝光時(shí)間為30s時(shí),所得到的蜂窩狀深坑結(jié)構(gòu)的SEM照片,其中圖5(a)是經(jīng)過飛秒激光四光束干涉燒蝕得到的硅表面蜂窩狀結(jié)構(gòu)的整體形貌,圖5(b)是將結(jié)構(gòu)中單個(gè)損傷坑放大后得到的詳細(xì)形貌.圖5(b)可以顯示出凹坑結(jié)構(gòu)的形狀,其內(nèi)壁近似于一個(gè)拋物面;另外,由5(b)可以大致估計(jì)出凹坑的深度約為3μm左右.由圖5所示的SEM照片可以看出,燒蝕得到的蜂窩狀微結(jié)構(gòu)整體均勻性稍差,單個(gè)損傷坑也呈現(xiàn)出不規(guī)則性.造成這種結(jié)果可能的原因是實(shí)驗(yàn)所用飛秒激光的光束質(zhì)量不夠好,時(shí)間和強(qiáng)度的抖動(dòng)是不可避免的,從而導(dǎo)致干涉點(diǎn)陣的對比度和均勻性受到影響.2.3光束干涉的拋光硅片的透過率為測試這種蜂窩狀深坑微結(jié)構(gòu)的減反效果,選用底角為2°的四棱錐相位形成四光束干涉,固定輻射激光功率為25mW,單個(gè)位置曝光時(shí)間為30s,并通過步進(jìn)式移動(dòng)樣品在單晶硅表面形成了大約4mm2的密排凹坑結(jié)構(gòu).利用分光光度計(jì)(Lambda950)對形成的微結(jié)構(gòu)在1.2～2μm的近紅外波段的透過率進(jìn)行了測試,并與未經(jīng)處理的拋光硅片做了對比,相應(yīng)結(jié)果如圖6.利用四光束干涉的方法燒蝕得到的凹坑結(jié)構(gòu),在1.2～2μm波段的透過率整體提高到了61.5%以上,相對未經(jīng)處理的拋光硅在相應(yīng)波段的透過率平均增加了11.5%.由于單晶硅的帶隙為1.1μm,對于本實(shí)驗(yàn)中所測試的低于單晶硅帶隙的1.2～2μm波段而言,單晶硅對其吸收非常小,而主要表現(xiàn)是透過.因此,凹坑結(jié)構(gòu)的形成所造成的硅片厚度的微小變化對此波段透過率的影響可以忽略不計(jì),所以造成這種凹坑微結(jié)構(gòu)硅的透過率提高的主要原因是:燒蝕形成的凹坑結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁近似于一個(gè)拋物面,入射光可以在側(cè)面間來回反射,形成了“陷光效應(yīng)”;同時(shí),凹坑結(jié)構(gòu)的有效折射率是從結(jié)構(gòu)頂部的空氣層(nair)到結(jié)構(gòu)底部的基底層(n)是連續(xù)變化的,這使得光在結(jié)構(gòu)表面的反射率降低,透過率提高.從上面的測試結(jié)果可以看出,利用多光束干涉光刻的方法燒蝕出的凹坑狀微結(jié)構(gòu),分布均勻、排列緊密,具有良好的減反效果.3基于激光光場分布的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文利用空間光調(diào)制器形成飛秒激光多光束干涉對單晶硅進(jìn)行光刻,在硅表面得到了規(guī)則分布的凹坑微結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)的周期可達(dá)到幾個(gè)微米,分布特征和周期間