单晶硅是一种重要的半导体材料。通常,铸锭切片后的单晶硅表面易产生较深的沟槽、凹坑和裂纹等缺陷。针对这一问题,提出了一种双步激光辐射的方法,其在修复表面缺陷的同时,可以降低表面粗糙度。首先,通过有限元法模拟对不同激光参数下可修复的缺陷深度进行预测。然后,在0.50 J/cm ²的较高能量密度下,利用较深的表面层熔化修复各种深度的表面缺陷。然而,由于高能量密度下引发的热毛细管流易造成高频特征残留在表面上,故会导致表面粗糙度增加。接着,使用一个0.20 J/cm ²的低能量密度再次辐射同一表面,可有效消除残留的高频特征。最终,原始表面粗糙度为1.057 μm的表面经过双步激光辐射后可获得一个表面粗糙度为26 nm的无缺陷光滑表面。

为了实现亚纳米级超光滑表面的加工, 建立了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流加工系统, 同时研究了加工过程中纳米颗粒与工件表面间的相互作用机理。首先, 对实验所用锐钛矿TiO2纳米颗粒及单晶硅工件表面进行表征测量。然后, 用第一性原理的平面波赝势计算方法研究了纳米颗粒胶体射流加工中TiO2分子团簇在单晶硅表面化学吸附的表面构型结构及其体系能量。最后, 开展了TiO2纳米颗粒及单晶硅工件表面间的吸附实验。实验结果表明: 胶体中的OH基团在TiO2团簇表面及单晶硅表面分别发生化学吸附, 在TiO2纳米颗粒及单晶硅表面吸附过程中形成了新的Ti-O-Si键及化学吸附的H2O分子。红外光谱实验结果显示:TiO2纳米颗粒与单晶硅界面间存在新生成的Ti-O-Si键。这种界面间的相互作用证实了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光过程可实现材料去除的化学作用机理。

利用800 nm波长的飞秒抽运探测技术测量了单晶硅表面50 ps内的瞬态反射率变化,研究了表面载流子的超快动力学过程。基于自由载流子密度变化过程建立的反射率模型可以很好地描述瞬态反射率变化,说明受激自由载流子超快响应的贡献主导了反射率的变化过程,经拟合获得了样品的表面复合速度(SRV)为1.2×106 cm/s。建立了耦合的载流子输运模型,探讨了单晶硅表面热载流子的密度、温度随时间的演化过程。研究表明,表面复合过程是影响本征单晶硅表面载流子动力学的重要因素。