CN104900487A - 一种点阵扫描制备黑硅的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种点阵扫描制备黑硅的方法和装置，属于半导体光电材料制备领域。该方法包括1：将硅片置于含掺杂物质的样品室中；2：将脉冲激光器的单束激光依次通过光阑、反射镜、半波片、偏振片、快门、扩束镜、聚焦透镜和达曼光栅等元件得到点阵激光；3：将点阵激光辐照硅片表面，通过计算机控制快门的开闭和三维平移台的运动实现点阵扫描，得到表面为微尖锥结构的黑硅材料。本发明通过引入达曼光栅，将单束激光变成二维的等光强阵列光束。达曼光栅对激光进行分束时，避免了普通半透半反镜分光过程中色散的影响，同时保证了分束后的光束质量。本发明将制备黑硅的方式由逐点扫描改为点阵扫描，大幅提高了黑硅的制备效率。

Description

一种点阵扫描制备黑硅的方法和装置

技术领域

本发明涉及到半导体光电材料制备领域，尤其涉及到一种点阵扫描制备黑硅的方法和装置。

背景技术

黑硅是指采用物理或化学方法对单晶硅进行刻蚀，得到的一种表面具有周期性微结构的材料。黑硅对可见光及近红外光都具有较高的吸收率，在0.25μm～2.5μm范围内吸收率可达90％。2005年，Eric Mazur教授研究小组人员采用飞秒激光辐照n(111)硅衬底制备的黑硅光电二极管探测器，在室温反向0.5V偏压下，在1000nm处的光电响应度为120A/W，高于商用硅探测器两个数量级(Opt.Lett.,2005,30(14),1773)。黑硅材料因其优异的性能在制备太阳能电池、红外探测器等方面具有巨大的潜力。

目前制备黑硅的方法很多，主要有脉冲激光辐照、湿法腐蚀、离子注入结合脉冲激光退火等。其中，采用脉冲激光辐照制备黑硅，因其加工过程中激光峰值功率高、烧蚀阈值准确而广泛的被用于黑硅材料的制备。采用脉冲激光制备黑硅，通常是将单束激光经聚焦透镜聚焦后，穿过具有石英窗口的样品室到达硅衬底表面，通过振镜控制光束的运动或三维平移台来控制样品架的移动，实现激光光束和样品间的相对运动。这种单束激光在硅表面逐点扫描的方式加工速度慢，在制备大面积黑硅时，耗费时间长，不适宜批量生产。故而，探索高效制备黑硅的方法一直是相关研究人员的关注热点。

在先技术201110260886.X《一种快速制备大面积均匀黑硅材料的方法和设备》中，将激光束依次通过光束整形器、空间滤波器、扩束器、聚焦光学元件，将单束圆形激光束整形并汇聚为带状光斑。这种方法的本质是对单束激光的光斑形状进行整形和放大，从而实现黑硅的快速大面积制备。

在先技术201210523560.6《一种微结构周期可控的大面积黑硅的制造方法》中，采用分束镜将激光进行分束，利用特定多光束干涉组合，形成周期的光场分布。通过对干涉光场的控制，实现黑硅的大面积制备。

通常用的分束装置有半透半反镜或角锥反射镜，这两种分束器只能实现一束光分成两束光，要实现多束分光，就得使用多组分束镜。此外，普通的半透半反镜将引入材料色散，为避免材料色散的缺点，半透半反镜必须制备得很薄，这样不仅增加了加工的难度，而且容易损坏。如采用角锥反射镜，即通过反射镜面相交的棱放置在光束的中心，虽然在空间上将光束进行了分离，但是原本的光束中心变成了分束后光束的边缘，难以保证分束后的激光光束质量。

本发明通过引入达曼光栅，提供一种点阵扫描制备黑硅的方法和装置。达曼光栅作为夫琅和费型光学器件，入射波经过它所产生的夫琅和费衍射图样是一定点阵数目的等光强光斑，完全避免了一般振幅光栅因sinc函数强度包络所引起的谱点光强的不均匀分布。此外，达曼光栅光束均匀性不受入射光强影响，便于利用常规大规模集成电路技术进行加工，而且具有高的衍射效率，如二值达曼光栅衍射效率极限可达80％，而连续型位相的达曼光栅衍射效率极限高达97～98％。上述优点使得达曼光栅成为一种理想的分束器件。

采用脉冲激光对硅进行刻蚀，其能量密度需大于硅的熔化阈值1.5kJ/m²。单束激光辐照硅表面，其能量密度计算公式如下：

$I=\frac{P}{f\·\mathrm{\π}\·R^2},---1.1$

单束激光经达曼光栅分束后变成N×N点阵激光，点阵激光辐照硅表面的能量密度为：

$I=\frac{P_{\mathrm{\η}}}{N^{2}f\·\mathrm{\π}\·R^2},---1.2$

脉冲激光器单脉冲能量和平均功率的关系为：

$E=\frac{P}{f},---1.3$

上述公式1.1、1.2及1.3中，I为激光通量(激光能量密度)，P为激光平均功率，E为激光的单脉冲能量，η为达曼光栅的衍射效率，N为达曼光栅分束比参数，f为激光重复频率，π为圆周率常数，R为入射到硅片表面的激光光斑半径。

实际制备黑硅时，受到硅熔化阈值的限制，达曼光栅分束比参数N的数值与脉冲激光器功率成正比。以飞秒激光器为例，如波长800nm，重复频率1kHz，激光光斑直径200μm，达曼光栅的衍射效率η以70％计算，当激光通量大于1.5kJ/m²时，由公式1.2可知激光器的平均功率须满足P/N²大于0.047W，即激光器的单脉冲能量E须满足E/N²大于0.047mJ。目前重复频率1kHz、单脉冲能量12mJ的飞秒激光器已经实现量产，若E取12mJ，则N²小于255即可，故而可采用达曼光栅将单束激光分为15×15的点阵激光来制备黑硅。随着脉冲激光器的单脉冲能量逐步提高，这种采用达曼光栅点阵扫描制备黑硅的方法将会越来越具有吸引力。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统逐点扫描方式制备黑硅加工速度慢，在制备大面积黑硅时，耗费时间长的问题，提供了一种点阵扫描制备黑硅的方法和装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种点阵扫描制备黑硅的装置，该装置包括脉冲激光器、光阑、反射镜、半波片、偏振片、快门、扩束镜、聚焦透镜、达曼光栅、样品架、样品室、三维平移台；激光从激光器发出，依次通过上述元件；还包括计算机，计算机通过快门控制器和三维平移台控制器分别控制快门的开闭和三维平移台的运动。

本发明的一种点阵扫描制备黑硅的方法，具体步骤为：

步骤1：将硅片置于含掺杂物质的样品室中；

步骤2：将脉冲激光器的单束激光依次通过光阑、反射镜、半波片、偏振片、快门、扩束镜、聚焦透镜和达曼光栅等元件得到点阵激光；

步骤3：通过计算机控制快门的开闭和三维平移台的运动实现点阵扫描，得到表面为微尖锥结构的黑硅材料。

上述步骤1中硅片为p型硅或n型硅，其晶向为(001)或(111)。

所述的掺杂物质为气态、粉末态的硫系物质或气态含氮元素的物质。气态硫系物质为H₂S或SF₆，粉末态硫系物质为S、Se、Te粉末；含氮元素的物质为N₂或NF₃。

上述步骤2中脉冲激光器为纳秒、皮秒或飞秒激光器，脉冲激光器的频率为1～10kHz。所述达曼光栅为单个或组合的达曼光栅，单束激光经过达曼光栅后变为均匀的点阵激光。点阵激光的光点个数由设计的达曼光栅分束比决定；点阵激光的光点间距受达曼光栅的光栅晶格常数影响，同时也受达曼光栅与样品架的距离影响；点阵激光中单个光点的直径可以通过改变达曼光栅与样品架的距离来调节，单个光点直径范围为10～600μm。

上述步骤3中点阵激光辐照到硅表面时单个光点的能量密度大于硅的熔化阈值1.5kJ/m²。在制备大尺寸黑硅时，先通过三维平移台控制样品架沿水平方向扫描。待水平方向扫描完毕后，关闭快门，然后通过三维平移台控制样品架沿纵向移动一段距离，打开快门，重复水平方向的扫描。其中纵向移动距离a与点阵激光的点阵常数b以及达曼光栅分束比参数N满足关系a＝N·b/(N-1)。

有益效果

本发明通过引入达曼光栅，将单束激光变成二维的等光强阵列光束。达曼光栅对激光进行分束时，避免了普通半透半反镜分光过程中色散的影响，同时保证了分束后的光束质量。通过控制激光器的单脉冲能量，调节达曼光栅和样品架的垂直距离，使点阵激光中单光点能量密度大于硅的刻蚀阈值，从而实现硅的刻蚀。与传统单束激光直接辐照硅材料制备黑硅的方法相比，此方法将制备黑硅的方式由逐点扫描改为点阵扫描，大幅提高了黑硅的制备效率。

附图说明

图1是单个达曼光栅将单束激光分成4×4点阵激光示意图；

图2是点阵扫描制备黑硅的装置图；

图中，1-脉冲激光器、2-光阑、3-反射镜、4-半波片、5-偏振片、6-快门、7-扩束镜、8-聚焦透镜、9-达曼光栅、10-样品架、11-样品室、12-三维平移台、13-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

如图2所示，一种点阵扫描制备黑硅的装置，包括激光器1、光阑2、反射镜3、半波片4、偏振片5、快门6、扩束镜7、聚焦透镜8、达曼光栅9、样品架10、样品室11、三维平移台12、计算机13。其中计算机13通过快门控制器和三维平移台控制器分别控制快门6的开闭和三维平移台12的运动。

一种点阵扫描制备黑硅的方法，包括以下步骤：

步骤1：将硅片置于样品架10上，对样品室11抽真空，到达预定真空度后将样品室11中充入一定压强的SF₆气体；

步骤2：将脉冲激光器1发出的单束激光依次通过光阑2、反射镜3、半波片4、偏振片5、快门6、扩束镜7、聚焦透镜8和达曼光栅9得到4×4点阵激光；

步骤3：将点阵激光辐照硅片表面，通过计算机13控制快门6的开闭和三维平移台12的运动实现点阵扫描，得到表面为微尖锥结构的黑硅材料；

上述步骤2中脉冲激光器1为飞秒激光器，脉宽为100fs，重复频率1kHz，单脉冲能量3mJ，平均功率为3W。半波片3和偏振片5用来控制激光器1输出功率的大小。扩束镜7和聚焦透镜8用来调节入射到达曼光栅9的光点直径大小。单束激光经过达曼光栅9后变为均匀的4×4点阵激光，如图1所示。点阵激光中点阵常数b为1.5mm，单光点直径为200μm。达曼光栅的衍射效率为70％，在制备黑硅的过程中，通过调节半波片和偏振片使激光功率大于1.1W，由公式1.2可知，入射到硅表面的单光点的能量密度大于1.5kJ/m²，保证点阵激光可以有效的对硅进行刻蚀。

上述步骤3中在制备大尺寸黑硅时，先通过亚微米级精度的三维平移台控制样品架沿水平方向(图2中x方向)扫描。待水平方向扫描完毕后，关闭快门，然后通过三维平移台控制样品架沿纵向(图2中y方向)移动距离a，打开快门，重复水平方向的扫描。本实施例中a等于2mm，满足a＝N·b/(N-1)，这样在扫描的过程中，保持了硅片扫描的均匀性。

在上述实施例中，达曼光栅对激光进行分束时，避免了普通半透半反镜分光过程中色散的影响，保证了分束后激光的质量。达曼光栅将单束激光分成均匀的4×4点阵激光，其加工速度是传统单束激光的16倍，大幅提高了黑硅的制备效率。

虽然参照上述具体实施方式详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施方式和实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。

Claims (10)

1.一种点阵扫描制备黑硅的方法和装置，其特征在于该方法包括：

步骤1：将硅片置于含掺杂物质的样品室中；

步骤2：将脉冲激光器(1)的单束激光依次通过光阑(2)、反射镜(3)、半波片(4)、偏振片(5)、快门(6)、扩束镜(7)、聚焦透镜(8)和达曼光栅(9)等元件得到点阵激光；

步骤3：将点阵激光辐照硅片表面，通过计算机(13)控制快门(6)的开闭和三维平移台(12)的运动实现点阵扫描，得到表面为微尖锥结构的黑硅材料。

2.根据权利要求1所述的一种点阵扫描制备黑硅的方法，其特征在于：所述掺杂物质包括气态、粉末态的硫系物质或气态含氮元素的物质；气态硫系物质为H₂S或SF₆，粉末态硫系物质为S、Se、Te粉末；含氮元素的物质为N₂或NF₃。

3.根据权利要求1所述的一种点阵扫描制备黑硅的方法，其特征在于：所述脉冲激光器(1)为纳秒、皮秒或飞秒激光器，频率为1～10kHz。

4.根据权利要求1所述的一种点阵扫描制备黑硅的方法，其特征在于：所述达曼光栅(9)为单个达曼光栅或组合达曼光栅，单束激光经过达曼光栅(9)后变为均匀的点阵激光。

5.根据权利要求4所述的一种点阵扫描制备黑硅的方法，其特征在于：点阵激光的光点个数由设计的达曼光栅分束比决定。

6.根据权利要求4所述的一种点阵扫描制备黑硅的方法，其特征在于：点阵激光中单个光点的直径通过改变达曼光栅(9)与样品架(10)的距离来调节，单个光点直径范围为10～600μm。

7.根据权利要求1所述的一种点阵扫描制备黑硅的方法，其特征在于：点阵激光辐照到硅表面时，单个光点的能量密度大于硅的熔化阈值1.5kJ/m²。

8.根据权利要求1所述的一种点阵扫描制备黑硅的方法，其特征在于：在制备大尺寸黑硅时，先通过三维平移台控制样品架沿水平方向扫描；待水平方向扫描完毕后，关闭快门，然后通过三维平移台控制样品架沿纵向移动一段距离，打开快门，重复水平方向的扫描。

9.根据权利要求8所述的一种点阵扫描制备黑硅的方法，其特征在于：三维平移台(12)控制样品架(10)沿纵向移动距离a与点阵激光的点阵常数b以及达曼光栅分束比参数N满足关系a＝N·b/(N-1)。

10.一种点阵扫描制备黑硅的装置，其特征在于：该装置包括脉冲激光器(1)、光阑(2)、反射镜(3)、半波片(4)、偏振片(5)、快门(6)、扩束镜(7)、聚焦透镜(8)、达曼光栅(9)、样品架(10)、样品室(11)、三维平移台(12)；激光从激光器发出，依次通过上述元件；还包括计算机(13)，计算机(13)通过快门控制器和三维平移台控制器分别控制快门(6)的开闭和三维平移台(12)的运动。