硅表面微纳结构制备研究

王子涵, 王宝续, 釜野勝, 徐微微. 基于激光干涉烧蚀的硅表面微纳结构制备研究[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(16): 163201

荷花具有“出淤泥而不染,濯清涟而不妖”的特性,这与其叶片上的微纳结构密不可分。这也启示了人们将其应用于科学领域。


1 自然界中的荷花效应

目前,制备微纳结构的方法有很多,如自组装技术、光刻技术、纳米压印技术等。无论什么方法,都需要制备一次性的掩模板,由于精细刻蚀要求较高的真空度,对于不同的材料来说要选择不同的刻蚀材料。而激光干涉烧蚀作为一种无掩模、一次性的快速制备微纳结构的方法,对现有的技术是一个重要的补充,从而受到广泛地关注。

硅作为一种重要的半导体材料,硅基的微纳结构器件制备一直是能源器件的研究热点,不过,由于其高作用阈值和高表面反射,利用纳秒激光干涉烧蚀制备硅基微纳结构的报道还很少。

为此,吉林大学陈岐岱教授课题组利用高功率纳秒激光干涉烧蚀技术,研究了硅表面周期性微纳结构的制备和演变规律,为表面周期性微纳结构的制备、无掩模快速加工设备的研制、以及激光与物质的相互作用等方面的研究提供了理论依据。

该课题组采用355 nm纳秒激光干涉烧蚀硅表面,借助产生的明暗相间的空间光强分布,在硅表面制备出600 nm以上周期性微纳结构,如图2所示。


2 激光干涉中不同曝光时间下结构的原子力图像

实验过程中发现,结构深度会随着曝光时间和功率的增加而增加,受限于硅在355 nm的趋肤深度,饱和深度约为50 nm。而当曝光时间过长,约5 s时,结构会发生劈裂,随着曝光时间的增加而变得明显,甚至可以得到周期300 nm的结构。

针对实验中观察到的烧蚀深度较浅和周期劈裂现象,该课题组通过时域有限差分(FDTD)的理论模拟对其进行解释。

模拟表明,造成烧蚀深度较浅的主要原因是硅在355 nm的高反射和高吸收,激光干涉的能量中心分布在硅表面上方100 nm左右,无法向下进行传播,导致激光向下的烧蚀能力很弱,这与观察到的实验现象相符。同时发现,已形成结构对干涉光场的调制是结构劈裂的最主要原因。干涉光场在自由空间明暗相间的周期分布,如图3(a)所示,而当干涉光场遇到硅的高反射率衬底时,光场在硅表面上会形成稳定的驻波分布,如图3(b)所示。而形成的结构,会将一个光强中心劈裂成两个,形成两个次级的最强点,如图3(c)所示,并随着光波的传播将最强点引到两个形成结构的中心,从而烧蚀出一个次级结构,完成结构周期的劈裂。


3 光场FDTD模拟计算。激光光场分别在不同介质中的传播。(a)自由空间;(b)硅表面;(c)有结构的硅表面

作为一次性、无掩模的快速制备表面周期性微纳结构的技术,研究激光干涉烧蚀过程中,微纳结构的演变过程尤为重要。后续工作中,可以把材料在不同波长干涉烧蚀情况下的结构形貌演变作为接下来的工作。