高重频皮秒脉冲激光对多晶硅的损伤特性研究

李星辰，徐立君，张鹏波，吴强，蔡鹏程，汤磊

（1.长春理工大学 理学院，长春 130022；2.中国机械装备研究院，北京 100089）

高重频皮秒脉冲激光对多晶硅的损伤特性研究

李星辰1，徐立君1，张鹏波1，吴强1，蔡鹏程1，汤磊2

（1.长春理工大学 理学院，长春 130022；2.中国机械装备研究院，北京 100089）

为研究高重频皮秒脉冲激光对多晶硅的损伤特性，用不同重复频率的皮秒脉冲激光辐照多晶硅，用扫描电子显微镜对激光辐照后多晶硅的损伤形貌进行检测。探究了高重频皮秒脉冲激光与多晶硅相互作用的机理，得到了不同辐照时间和重频的皮秒激光对多晶硅的损伤规律。研究表明：多晶硅的损伤阈值随着皮秒激光重频的增加逐渐降低，当激光重频大于5kHz时，多晶硅的损伤阈值达到一个“饱和”值，损伤阈值几乎不再随着重频的增加而发生变化。研究结果对低脉冲能量高重复频率激光加工具有借鉴意义。

多晶硅；高重频；皮秒脉冲；损伤特性

多晶硅太阳能电池是国际上广泛使用的一种太阳能电池，具有光电转化效率较高、耗能低、生产效率高等优点，被广泛应用到工业、军事、航天等领域。硅基半导体材料通常在高重复频率激光辐照下使用，高重频激光作用下半导体材料的损伤阈值要比单脉冲激光辐照时低很多［1］。研究高重频皮秒脉冲激光辐照多晶硅材料的损伤机理，对探究激光与半导体材料的相互作用机理，优化多晶硅元件的抗激光损伤特性具有重要意义［2-4］。国内外学者对硅基半导体材料的激光辐照效应开展了很多的研究工作［5-9］，但对高重频皮秒脉冲激光多脉冲辐照多晶硅材料的损伤特性研究的报道极少，本文主要研究不同重复频率的皮秒脉冲激光对多晶硅的损伤特性。

1 实验装置

高重频皮秒脉冲激光辐照多晶硅的实验原理如图1所示。重复频率可调的皮秒脉冲激光被分光镜分为两束，一束激光经过聚焦透镜后垂直作用在靶材表面，另外一束激光被功率计接收，实时监测入射激光的功率值。通过调节衰减片倍率和改变激光电流来调节入射激光的功率、辐照时间和重复频率，采用扫描电子显微镜检测多晶硅的损伤形貌。

图1 实验装置图

实验用的多晶硅片被切割为20×20mm的小片，并用丙酮和乙醇溶液去除杂质。光源为北京宝瑞光电公司生产的BR-PLM-1000全固态皮秒激光器，该激光器重复频率调节范围为1-10kHz，室内最大输出功率为10W，输出波长为1064nm，脉冲宽度为20p；功率采用以色列OPHIR公司型号为12A的功率计探头，范围为2mW-12W；电子扫描显微镜为Quanta 250超高分辨率场发射电子扫描显微镜。

2 实验结果与分析

2.1 烧蚀分析

采用不同功率密度、重复频率的皮秒脉冲激光辐照多晶硅材料。多晶硅的损伤形貌如图2（a）所示，可以将多晶硅表面分为三个区域：（1）激光光斑中心辐照区域称为熔融区；（2）材料内的热传导作用使损伤坑外部区域的温度升高的热影响区。（3）最外层的材料无明显的变化的无激光影响区。图2（b）为熔融区域局部放大图，可以看到激光光束中心损伤程度较大，熔融形成一个边缘清晰、完全将材料击穿的损伤坑，损伤坑周围区域因为温度达不到熔点发生了氧化还原反应，形成一圈致密的氧化层。

图2 多晶硅被高重频皮秒脉冲激光作用后的损伤形貌

2.2 激光辐照时间对多晶硅损伤特性的影响

形貌判别法是损伤阈值判定方法之一［10］，当激光作用到靶材后，用100倍以上的显微镜观察到材料表面上有任何可见的变化时，即判定激光对靶材造成了损伤，此刻对应的激光峰值功率密度即为靶材的损伤阈值。采用形貌判别法来判定多晶硅是否被高重频皮秒脉冲激光损伤。

保持激光功率密度不变，激光辐照时间分别1、3、5、10、15、20s时，多晶硅的损伤阈值如图3所示。从图中可以看到：高重频皮秒脉冲激光辐照多晶硅的热积累现象显著，随着激光辐照时间的增加，多晶硅的损伤阈值逐渐减小，辐照时间在10s附近时，多晶硅的损伤阈值逐渐达到一个稳定值。

图3 多晶硅损伤阈值随辐照时间变化图

多晶硅在生产过程中内部会形成微观缺陷，缺陷吸收系数较高。能量的积累使多晶硅形成局部高温，使多晶硅结构缺陷处发生热爆炸、雪崩离化等过程，所以，随着辐照时间的增加，缺陷的积累使材料激光损伤阈值逐渐降低。而多晶硅的损伤阈值在10s后不再受辐照时间的影响，这是由于激光单脉冲能量达到了微观缺陷爆炸的临界点。

图4 多晶硅损伤程度随辐照时间的变化图

图4为多晶硅的损伤形貌随辐照时间的变化图，对应的入射激光的峰值功率密度为3.86×1010W/ cm2。从图4（a）可以看到，当激光作用时间为1s时，激光只在材料很浅的表层造成了损伤。增加激光的辐照时间的增加，多晶硅损伤坑的深度也在逐渐增加。从图e可以看出，当辐照时间增加至15s时，多晶硅被激光完全击穿，形成一个轮廓清晰的损伤坑。

2.3 激光重复频率对多晶硅损伤特性的影响

2.3.1 激光重频对多晶硅损伤阈值的影响

对于高重复频率激光而言，激光重复频率不同，激光的脉冲间隔和单脉冲能量以及峰值功率不同，则多脉冲激光辐照下多晶硅的损伤阈值也会发生变化。为了探究不同重复频率激光与多晶硅相互作用的损伤规律，实验中设定激光的辐照时间为10s，测量了多晶硅在不同激光重频作用下的损伤阈值，实验结果如图5所示。

从图中可以看出：多晶硅的损伤阈值随着激光重复频率的改变而发生变化。在激光重复频率在0.5～5kHz范围内，随着激光重复频率的增加，多晶硅的损伤阈值逐渐降低。当激光重复频率超过5kHz时，继续增加激光的重复频率，多晶硅的损伤阈值几乎没有改变。材料的损伤主要与激光的峰值功率密度有关。当激光功率一定时，激光的重频越高，其脉冲间隔越短。相同的辐照时间下，作用在多晶硅上的激光脉冲个数越来越多，多晶硅就较容易被激光损伤。但高重频激光辐照多晶硅时，其单脉冲能量不能低于一个特定的值，否则再高的重复频率也不能对多晶硅材料造成损伤。

图5 多晶硅的损伤阈值随不同激光重频的变化

2.3.2 激光重频对多晶硅损伤形貌的影响

实验中设定激光平均功率为0.43W，辐照时间为10s，用重复频率分别为1kHz、3kHz、5kHz、7kHz、9kHz的激光对多晶硅进行辐照。重复频率对损伤形貌的影响如图6所示，从图中可以看出：多晶硅材料的损伤程度随着激光重复频率的增加而逐渐减弱。图6（a）是激光重频1kHz时，辐照后材料表面形成一个轮廓清晰并且中心区域被击穿的损伤坑。当增加激光的重复频率时，损伤坑的直径和深度逐渐减小，到激光重频为9kHz时（见图6（e）），激光只在材料较浅的表层形成损伤结构。造成这种结果的原因是，当激光辐照时间相同，入射激光的平均功率保持为定值时，其单脉冲能量与激光重频呈反比关系，激光的重频越高，其单脉冲能量越低，所以对多晶硅造成的损伤程度也越弱。所以高重频皮秒脉冲激光辐照多晶硅时，单脉冲能量对材料的损伤起着主要的作用。

图6 不同重复频率激光损伤形貌SEM图

3 结论

论文建立了高重频皮秒脉冲激光辐照多晶硅的实验系统，分析了高重频皮秒脉冲激光不同参数对多晶硅材料损伤特性的影响，研究发现：

多晶硅材料的损伤阈值随着激光辐照时间的增加逐渐降低，并在辐照时间为10s时达到“饱和”状态，再增加辐照时间，多晶硅的损伤阈值几乎不变。

激光重频对多晶硅材料的损伤阈值有较大的影响，激光重频越高，多晶硅的损伤阈值越低。当激光重频达到5kHz时，损伤阈值达到“饱和”状态，损伤阈值几乎不再随着重复频率的增加而发生变化。

高重频皮秒脉冲激光辐照下，多晶硅的损伤形貌并未发现应力损伤造成的裂纹，其主要的损伤机制是热熔烧蚀。

［1]Liu P L，Yen R，Bloembergen N，et al.Picosecond laser

induced melting and resolidification morphology on Si

［J］.Applied Physics Letters，1979，34（12）：864-866.［2]Stuart B C，Feit M D，Herman S，et al．Nanosecondto-femtosecond laser-induced breakdown in dielectrics［J］.Phys.Rev，1996，53（4）：749-1761．

［3]Singh A P，Kapoor A，Tripathi K N，et al.Laser dam⁃age studies of silicon surfaces using ultra-short laser pulses［J］.Optics&Laser Technology，2002，34（1）：37-43.

［4]Zhonghua S，Jianping C，Jian L.Damage phenomena in⁃duced by a single laser pulse and multiple laser pulses in crystal silicon［J］.Journal-nanjing University Natural Sciences Edition，2001，37（1）：79-83.

［5]Singh A P，Kapoor A，Tripathi K N，et al.Laser dam⁃age studies of silicon surfaces using ultra-short laser pulses［J］.Optics&Laser Technology，2002，34（1）：37-43.

［6]付耀龙，孙振皓，徐立君，等.长脉冲激光辐照硅材料热应力的数值模拟［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2013（z2）：107-109.

［7]韩振春，薛伟，冯爱新，等.不同波长的纳秒脉冲激光对多晶硅损伤特性研究［J］.应用激光，2013（3）：313-317.

［8]汤化一，陈桂波，韩玉涛，等.空心激光辐照硅材料产生应力场的数值模拟与分析［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2016，39（3）：83-87.

［9]刘强，林理彬，祖小涛，等.强激光辐照损伤判别方法［J］.激光杂志，2002，23（4）：3-5.

Damage Characteristics of Polysilicon
under High Frequency Picosecond Pulse Laser

LI Xingchen1，XU Lijun1，ZHANG Pengbo1，WU Qiang1，CAI Pengchen1，TANG Lei2
（1.School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.China Academy of Machinery Equipment R&D，Beijing 100089）

In order to obtain Polysilicon damage characteristics irradiated by high repetition frequency picosecond laser，polysili⁃con was irradiated by different repetition frequencies pulsed laser.The surface ablation morphology of Polysilicon was observed by SEM.The physical mechanism of damage was explored.The impact of irradiation time and repetition frequency on damage thresh⁃old was analyzed.The experimental results showed that the damage threshold was increased with the increasing laser repetition rate.When the repetition frequency is more than 5kHz，the damage threshold is almost constant with the increasing laser repeti⁃tion rate.The study results might be useful for laser processing with low pulse energy and high repetition rate to increase the pro⁃cessing efficiency.

polysilicon；high frequency；picosecond pulse；damage characteristics

TN248

A

1672-9870（2017）02-0010-04

2016-12-28

李星辰（1991-），男，硕士研究生，E-mail：13174420355@163.com

徐立君（1973-），男，副教授，E-mail：xucust@sina.com