儲(chǔ)成龍，汪奇文，張振，張全利

(南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

0 引言

硅是一種十分重要的半導(dǎo)體材料，在自然界之中有著豐富的含量，并且提取方便，在諸多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。而單晶硅以其獨(dú)特的耐磨損、耐高溫、易摻雜等物理性能，被廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)、納米機(jī)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、國防軍工、電子產(chǎn)品和光學(xué)器件等領(lǐng)域。特別是在硅基太陽能電池和硅基探測器等方面，單晶硅有著極其重要的應(yīng)用價(jià)值[1]。目前單晶硅材料已經(jīng)成為太陽能光伏產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域中最重要的基礎(chǔ)功能材料之一[2]。

然而，單晶硅表面對(duì)電磁波，尤其是光線，有著很高的反射率，這對(duì)利用單晶硅吸收、透射等特性制成的器件(比如太陽能電池板和探測器)而言很不利。研究發(fā)現(xiàn)這一問題可以通過表面織構(gòu)技術(shù)來解決。但是由于在元器件小型化、便攜化的過程中，加工特征尺寸的減小要求加工損傷進(jìn)一步降低，如何有效、低損傷地進(jìn)行單晶硅表面加工便成為了研究的重點(diǎn)。

激光自20世紀(jì)60年代發(fā)明以來，針對(duì)激光微細(xì)加工技術(shù)的研究一直是科學(xué)研究的重點(diǎn)。MOLPECERES C等使用波長為355nm的紫外激光在厚度為50μm的不銹鋼薄板上加工出了通孔，并且把直徑控制在2 400nm之內(nèi)，并利用x、y軸和旋轉(zhuǎn)軸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，加工出了一個(gè)表面織構(gòu)化球體[3]。許晨輝等利用掃描電鏡以及表面能測量儀對(duì)激光加工過的鈮片表面進(jìn)行拍照、測量，并通過對(duì)其進(jìn)行潤濕性及表面能等方面的測量表征，研究總結(jié)了掃描間距、掃描速度以及輸出功率等工藝參數(shù)對(duì)鈮片表面性能的影響規(guī)律[4]。在單晶硅微結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，SERGEY S V等總結(jié)了單晶硅在受紅外光和可見光脈沖輻照的情況下，表面形態(tài)和成分隨激光通量、輻照光斑大小、脈沖數(shù)等工藝參數(shù)改變的變化規(guī)律，并在單晶硅表面加工了周期性超親水微結(jié)構(gòu)[5]。伯明翰大學(xué)的納米物理研究實(shí)驗(yàn)室在SF6氣體存在的條件下，用飛秒脈沖激光照射單晶硅，在硅片上刻蝕制備出了有序排列的錐形尖峰，達(dá)到了類似等離子體刻蝕的效果[6]。大多學(xué)者使用超短脈沖激光或離子刻蝕等方法在單晶硅表面加工微結(jié)構(gòu)，而這些方法存在著諸如設(shè)備昂貴、加工環(huán)境苛刻等問題。納秒激光具有加工效率高、設(shè)備價(jià)格低的優(yōu)勢，但由于激光瞬時(shí)溫度較高，熱損傷較嚴(yán)重。如何克服納秒激光加工單晶硅過程中的熱損傷問題，是精密均勻制備單晶硅表面微結(jié)構(gòu)的重要阻礙。

鑒于此，本文首先基于單因素實(shí)驗(yàn)法研究激光參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響規(guī)律，建立所加工單晶硅微溝槽結(jié)構(gòu)表面形貌與燒蝕輪廓均勻性對(duì)工藝參數(shù)的依賴關(guān)系，并基于優(yōu)化的參數(shù)組合，通過調(diào)控激光光束掃描路徑，在單晶硅表面加工制備出均勻的方形陣列微結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)材料與過程

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)使用的材料為單晶硅片，晶面為(111)面，長寬尺寸為25mm×25mm，厚度為0.5mm。選用的單晶硅片都經(jīng)過了單面拋光處理。在試驗(yàn)加工之前都使用超聲波清洗機(jī)，圖1為紫外納秒激光加工系統(tǒng)，對(duì)單晶硅片進(jìn)行振蕩清洗20min,以去除表面可溶性或不溶性雜質(zhì)。

圖1 紫外納秒激光加工系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)使用的激光加工設(shè)備為新加坡Sintec的光纖激光器，該激光器激光波長為355 nm，激光最大功率為3 W，脈沖寬度為15 ns，脈沖頻率為10～100kHz。

試驗(yàn)中使用掃描電子顯微鏡(EM-30PLUS)對(duì)單晶硅表面形貌進(jìn)行觀測，EM-30 Plus的分辨率為5nm，放大倍數(shù)可達(dá)150 000倍。使用激光共焦顯微鏡(S Neox 3D Optical Profiler, SENSOFAR-TECHSL, Spain)測量表面形貌輪廓，其最大光學(xué)分辨率為128nm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 優(yōu)選激光加工參數(shù)

為了探究納秒脈沖激光加工單晶硅表面微結(jié)構(gòu)的優(yōu)選參數(shù)，本文采用單因素試驗(yàn)制定了16組參數(shù)，分別改變激光功率、脈沖重復(fù)頻率、掃描速度和掃描次數(shù)這4種對(duì)單晶硅表面形貌和燒蝕輪廓影響較大的參數(shù)對(duì)單晶硅表面進(jìn)行激光加工。其中1-4組改變激光輸出功率，5-8組改變激光脈沖重復(fù)頻率，9-12組改變光斑掃描速度，13-16組改變激光掃描次數(shù)。具體的參數(shù)見表1。

表1 納秒激光加工單晶硅工藝參數(shù)研究試驗(yàn)加工參數(shù)

圖2展示了不同激光功率加工單晶硅的掃描電鏡圖像。比較圖2(a)與圖2(c)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光輸出功率升高，凹坑周圍的熔融物質(zhì)噴濺情況明顯增強(qiáng)。這是由于激光輸出功率提高，單個(gè)脈沖的能量也隨之提高，熔融層吸收的能量也更多更快，同層外區(qū)域形成了更高的氣化壓力，熔融噴濺的情況也就更加明顯，并且加工過程中發(fā)出的微型爆炸聲音也更大[7]。

圖2 不同激光功率加工單晶硅的掃描電鏡圖像

不同脈沖重復(fù)頻率加工出的表面形貌如圖3所示。當(dāng)其他工藝參數(shù)固定不變時(shí)，脈沖重復(fù)頻率的改變會(huì)同時(shí)影響光斑重疊率以及單個(gè)脈沖能量，進(jìn)而會(huì)影響刻蝕直線的表面形貌和燒蝕輪廓。從圖中可以看出，相比較單個(gè)脈沖產(chǎn)生的凹坑，光斑重疊率>0時(shí)加工出直線兩旁的重凝層以及飛濺物明顯增多。這是由于增大了光斑重疊率，就等同于提升了加工區(qū)域內(nèi)的激光能量密度，而且加工上一個(gè)凹坑時(shí)產(chǎn)生的熔融物質(zhì)并沒有完全凝固，更容易吸收新的激光脈沖帶來的能量，形成更大的壓力差。因此使得重凝層和飛濺物顯著增多[8-9]。

圖3 不同激光脈沖重復(fù)頻率加工單晶硅的掃描電鏡圖像

圖4給出了不同掃描速度下的表面形貌圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，增大掃描速度雖然可以使熱影響區(qū)域減少，提升表面形貌的質(zhì)量，但是光斑之間會(huì)存在較大的間距，將導(dǎo)致刻蝕出的直線在深度方向和寬度方向都分布不均勻，極大地影響溝槽的直線度。

圖4 改變掃描速度加工單晶硅的掃描電鏡圖像

綜上所述，在掃描速度相對(duì)較慢時(shí)，加工的直線效果較好，既能保證表面的表面粗糙度，也能保證直線的直線度。掃描速度過慢或者過快都會(huì)影響單晶硅的燒蝕輪廓和表面形貌。因此在進(jìn)行單晶硅表面微結(jié)構(gòu)加工時(shí)激光光斑掃描速度這個(gè)重要參數(shù)需要進(jìn)行多次的試驗(yàn)才能確定下來。

由圖5可以看出，隨著掃描次數(shù)的增加，重凝層越來越明顯，飛濺物也越來越多，表面形貌均勻性明顯降低。

圖5 改變掃描次數(shù)加工單晶硅的掃描電鏡圖像

對(duì)比圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)可以發(fā)現(xiàn)，刻蝕直線的直線度隨著掃面次數(shù)的增加而得到了改善。在實(shí)際加工過程中，使用高能量的激光進(jìn)行刻蝕，產(chǎn)生的重凝層要比使用低能量激光刻蝕時(shí)明顯許多。因此，通常會(huì)使用低能量密度多次重復(fù)加工以獲得表面形貌更好、精度更高的微結(jié)構(gòu)[10]。

2.2 單晶硅表面微結(jié)構(gòu)

將上節(jié)中刻蝕出的直線進(jìn)行對(duì)比，挑選出直線溝槽質(zhì)量較好、深度寬度適中、重凝層較少的一條，再根據(jù)總結(jié)的規(guī)律對(duì)選出來的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過對(duì)比，認(rèn)為f=30kHz、p=2.66W、v=100mm/s、n=1這組參數(shù)刻蝕出的直線最為符合要求。

但該組參數(shù)中，激光脈沖重復(fù)頻率f較高，不利于熔融物質(zhì)的排出，會(huì)在加工側(cè)面上形成粗糙的重凝層，影響加工質(zhì)量。根據(jù)加工參數(shù)對(duì)表面形貌影響的規(guī)律可知，為了獲得均勻的表面微結(jié)構(gòu)，需要提高光斑掃描速度，降低光斑重疊率，減小加工時(shí)的熱影響區(qū)，減少重凝層，提升加工質(zhì)量。為了驗(yàn)證低能量重復(fù)加工會(huì)得到比高能量單次加工更好的表面形貌，本研究設(shè)置了另一組參數(shù)，降低激光輸出功率，增加掃描次數(shù)。為了避免增加掃描次數(shù)時(shí)增加重凝層和飛濺物，第二組參數(shù)進(jìn)一步提高掃描速度至300 mm/s，具體參數(shù)見表2。試驗(yàn)加工出的方形陣列表面形貌及掃描電鏡圖分別見圖6和圖7。優(yōu)化后的參數(shù)加工出的直線凹坑重疊率有所降低，但重凝層與飛濺物顯著減少，并保留著較好的直線度。

表2 方形陣列工藝參數(shù)

圖6 sesofar 800倍拍攝的方形陣列表面形貌

圖7 方形陣列掃描電鏡圖

由圖6(a)、圖6(b)可以看出交點(diǎn)處有一明顯的凹陷，這是由于方形陣列是兩條直線交叉加工時(shí)，交點(diǎn)處被加工了兩次。

第一組方形陣列在加工時(shí)先加工了豎向溝槽，后加工了橫向溝槽。當(dāng)加工豎向溝槽時(shí)未加工區(qū)域同樣吸收了傳遞過來的激光能量，但未達(dá)到燒蝕閾值，因此未被去除。但加工橫向溝槽時(shí)，靠近橫線的區(qū)域再次吸收激光能量，由于能量累積效應(yīng)，能量密度達(dá)到一定程度，引起較大的熱應(yīng)力，發(fā)生了材料燒蝕崩裂的現(xiàn)象，如圖7(b)所示。雖然交點(diǎn)處的材料由于有加工豎向溝槽時(shí)留下的熔融物質(zhì)和重凝層吸收了大部分激光能量，沒有發(fā)生剝離現(xiàn)象，但嚴(yán)重影響了微結(jié)構(gòu)的表面形貌。而通過圖7(c)、圖7(d)可以發(fā)現(xiàn)使用低能量重復(fù)加工的第二組方形陣列并沒有出現(xiàn)未加工區(qū)域材料被剝離的現(xiàn)象，這進(jìn)一步表明了低能量重復(fù)激光加工會(huì)得到比高能量單次加工更好的表面形貌。但由于提高了速度、降低了激光輸出功率、減小了光斑重疊率，導(dǎo)致激光燒蝕溝槽的直線度有所下降[11]。

3 結(jié)語

1)獲得了脈沖激光燒蝕參數(shù)對(duì)單晶硅加工表面特征的影響規(guī)律。采用單因素試驗(yàn)法，研究了脈沖激光功率、激光掃描速度、脈沖頻率及掃描次數(shù)對(duì)加工表面形貌、溝槽輪廓的影響規(guī)律。

2)基于燒蝕輪廓對(duì)加工參數(shù)的依賴關(guān)系，優(yōu)化的加工工藝參數(shù)為f=30kHz、p=2.66W、v=100mm/s、n=1，并在單晶硅表面制備出了方形陣列的微結(jié)構(gòu)。