飞秒激光参数对硅表面微结构影响的研究

罗坤+陈向前+彭滟+朱亦鸣

摘要： 为了制备出表面具有准规则排列的微米量级锥形尖峰结构的黑硅材料，在SF6气体氛围中，用一定能量密度的飞秒脉冲激光照射单晶硅片表面。针对激光通量和激光峰值功率这两个参量分别进行实验，具体分析了15 fs和130 fs脉冲宽度的飞秒激光脉冲作用下硅表面微结构的形成，不同实验条件下制备出的硅微纳结构也有明显的差异。研究表明，在同一背景气体下，激光的峰值功率对硅表面微结构的形成起着决定性的作用。

关键词： 表面微结构； 黑硅； 脉冲宽度； 激光峰值功率

中图分类号： O 0437 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.005

文章编号： 1005-5630（2016）05-0402-05

引 言

目前，激光技术的发展越来越迅速，采用激光技术对固体材料进行性质的改善和研究也越来越普遍。在特定气体SF6条件下，硅材料表面在飞秒激光脉冲的作用下会生成一种表面呈黑色的比较特别的微纳结构，能在表面产生这种微结构的硅材料称为黑硅[1]。与通常的硅材料相比，这种黑硅表面具有尖峰形态，形状呈椭圆形，在性质以及形态方面都有很大不同，大大改善了这种材料对光辐射的吸收性质，尤其对中红外波段以及近紫外线波段的光，其吸收的效率都超过了90% [2]。黑硅这种新材料的产生，使其在光伏电池以及光电探测等方面得到了广泛的应用[3-8]。目前，大量研究表明，激光的能量、脉冲的数目以及激光脉冲的能量密度等因素都会对黑硅材料表面的形态产生很大的影响。还有一些研究发现，拥有相对高的微小型尖锐锥状峰的黑硅材料会对光辐射产生更加好的吸收效率[9-10]。为制备出表面具有这种尖锐峰的黑硅材料需要选取适当的激光参数，因此，研究飞秒激光峰值功率、激光通量等对黑硅表面微结构形成的影响，找出对硅表面微结构的形成起决定性作用的因素，具有重要的现实意义。

本文着重研究了在SF6 气体条件下，飞秒激光峰值功率与硅材料表面生成的尖峰高度的关系。

1 实验过程

实验选取的样品为晶向 （100）、n型磷掺杂、厚度500 μm、电阻率0.01～0.02 Ω·cm的单晶硅。把硅片放在去离子水中清洗后，再经过甲醇以及丙酮溶液清洗以去掉硅表面的有机物和杂质。随后样品材料被放置于真空腔体内，两维步进电机安放于真空腔的下面，用于移动真空腔的位置。最后利用真空泵将真空腔内的气压抽到小于1.0×10-2 Pa后，再充入6.5×104 Pa的SF6气体。

图1为基于中空光线管系统[11]的15 fs激光脉冲制备微纳结构硅系统图，该系统利用中空光纤管系统，将激光器发出的130 fs脉冲激光压缩为脉宽15 fs的脉冲激光作为制备微纳结构硅材料的能量来源，飞秒激光经焦距为1 000 mm的光学透镜会聚，会聚后的激光通过真空室窗片（厚度为0.4 mm），然后直接垂直照射在样品上。130 fs脉冲激光制备微纳结构时，只需将激光器出来的激光直接通过焦距为1 000 mm的透镜到达真空腔体。

2 实验结果及分析

2.1 相同激光通量不同脉宽飞秒激光制备的微纳结构

激光的峰值功率P0可表示为

P0=（P*t）/（f*S*τ） （1）

式中：P为激光的平均功率；t为激光脉冲的作用时间；f为激光的重复频率；S为硅片表面的激光照射光斑面积；τ为脉冲宽度。因激光通量φ的表达式为φ=P*t/S，因此P0的表达式可表示成P0=φ/（f*τ）。因激光脉冲的作用时间t=m/f，所以激光通量φ=P*m/（f*S），m为激光脉冲数。激光通量对硅表面微结构的形成具有重要影响[11-12]，在脉冲宽度以及激光通量相同的情况下，激光功率与脉冲数之间的比例对硅材料微纳结构的生成有着很重要的作用[7]。

激光通量在数值上与功率、脉冲数两者乘积有着正比的关系，而不同的激光功率以及脉冲数的组合所制备的微结构也不同[13]，因此在研究相同激光通量不同脉宽时应保证激光功率与脉冲数的比例一致。因此，选取了以下两组参数分别制备了微纳结构硅材料样品：

（1）15 fs激光，P=650 mW，m=200 个 130 fs激光，P=650 mW，m=200 个

（2）15 fs激光，P=650 mW，m=500 个 130 fs激光，P=650 mW，m=500 个

图2为实验得到的硅表面微结构图，比较图（a）与图（b）可知，虽然制备两种样品的激光通量相同，但是制备出的微结构有着很大差异，测量可知15 fs激光制备的微纳结构峰高约为20.3 μm，而130 fs激光制备的微纳结构峰高只有3.8 μm左右。图（c）中15 fs激光制备的微纳结构峰高达到约28.5 μm，图（d）中130 fs激光制备的微纳结构峰高只有5.0 μm左右。因此，可以得出：相同激光通量条件下，不同脉冲宽度的激光制备的微纳结构相差甚远，且所使用的激光的脉冲宽度越窄，制备的微纳结构尺寸越大。

2.2 相同峰值功率不同脉宽飞秒激光制备的微纳结构

根据式（1），若想使两种脉宽的峰值功率保持一致，则130 fs激光的激光通量需要为15 fs激光的激光通量的8.66（130/15）倍，即φ130=（130/15）* φ15，而φ=P*t/S=（P*m）/（f*S），所以也可以通过保证二者平均功率相同，调整二者脉冲数的比例关系来实现，即P130=P15，m130=130/15*m15。因此，选取了以下两组参数分别制备了微纳结构硅材料样品：

（1）15 fs激光，P=580 mW，m=200 个 130 fs激光，P=580 mW，m=1 732 个

（2）15 fs激光，P=580 mW，m=300 个 130 fs激光，P=580 mW，m=2 598 个

图3为实验结果，通过测量可知图3（a）中微纳结构的峰高约为13.3 μm，而图3 （b）中微纳结构的峰高约为14.1 μm，15 fs激光与130 fs激光在二者峰值功率相同的前提下，所制备的微纳结构的尺寸极为接近。当15 fs激光脉冲数变为300时，15 fs激光制备的微纳结构的峰高约为13.4 μm，而对应的130 fs激光在脉冲数为2 598所制备的微纳结构的峰高约为13.8 μm。因此，在峰值功率相同的情况下，两种脉宽激光制备的微纳结构具有极为相似的峰结构。

为了进一步验证这个结论，在相同的条件下继续进行实验，激光功率保持580 mW不变，而15 fs激光的脉冲数为20、50～500，每隔50个脉冲进行一次对比，130 fs激光脉冲数相应地为15 fs激光脉冲数的8.66倍。如图4所示，随着脉冲数的增加，15 fs激光制备的微纳结构的峰高值与相应的130 fs激光制备的微纳结构的峰高值都很接近，实验结果进一步证明了激光的峰值功率对微结构的形成具有决定性的影响。

上面的实验结果显示，激光脉冲峰值功率对硅材料微纳结构的生成影响很重要。激光和固体材料的相应作用机理相对比较复杂，但是通过激光来激发固体材料内部电子这一基本的过程开始的。激光照射在固体上，固体材料吸收到能量后，固体本身的热学过程随之产生。在10-13s的时间内，固体内大量的电子在吸收到光子后被激发到高能态[14]，这种情况下，由于电子的温度远比晶格的温度要大，系统处在了一个非平衡态的位置。位于激发态状态的电子，其温度极高，通过电声子学之间作用的形式将电子释放出来的能量传递到晶格，因此可使得系统达到一种平衡的状态，这个过程在τe-p=10-12s的时间范围内发生[15]。之后再通过热传导的方式将固体表面所吸收到的能量传递到固体的内部，这个过程在10-11 s的时间范围内发生。实验中所使用的飞秒脉冲激光，其脉冲宽度τ= 130 fs远小于τe-p，处于激发态的电子和晶格两者相互之间达不到建立起热平衡状态的时间，材料表面瞬间吸收到的激光能量很难传递到固体的内部，所以不会对其表面造成熔化。短时间内，在材料表面积聚了很高的能量，高能量使得在固体材料的表面产生了等离子体，等离子体与周围物质产生作用。在相互作用的过程中，不仅带走了大量的表层物质，另外也带走了很多的能量。所以，在材料表面产生的强烈刻蚀效果并非是热刻蚀所导致的，在一定程度上是激光峰值功率这一瞬态的能量对硅表面产生强烈的刻蚀效果，因而激光脉冲的峰值功率对微观结构的形成起着重要的作用。

3 结 论

实验中，我们在6.5×104 Pa的SF6气体环境下，分别对激光通量和激光峰值功率这两个参量进行实验，在飞秒激光脉冲的作用下，获得了不同的硅材料表面微结构。利用扫描电子显微镜（SEM）测量了不同实验条件下生成的尖峰高度，然后算出各尖峰高度的平均数值 （SEM软件的测量精度为0.1μm），该数值即为对应实验条件下的尖峰高度。分别用15 fs和130 fs两种脉冲宽度的飞秒激光制备了黑硅材料，并分析了两种参量与硅材料表面微纳结构产生的关系。利用飞秒激光成功制备出微纳结构硅材料样品，研究发现激光脉冲的峰值功率对微观结构的形成有着重要的影响，对硅材料以后在光伏电池以及光通信等领域的应用研究具有参考价值。

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