短脉冲激光加工硅膜的传热过程及烧蚀图形的二维计算

为研究短脉冲激光辐照硅膜表面后的能量传输过程,基于双温方程的计算方法以及自由电子气理论,建立了求解能量传输方程的二维有限元模型.针对红外以及可见光波段的激光,通过限制硅膜的大小,有效地控制了计算的精度,并得到电子温度与热流的时间以及空间分布.计算结果表明,激光诱导产生的等离子体密度极大地影响了硅膜表面的反射率及光吸收系数;通过分析电子热流密度随时间的变化曲线,得到硅膜内部能量的传输过程;在激光作用过程中,硅膜内部晶格温度始终保持在熔点以下,证明了等离子体密度是激光烧蚀硅膜的主导因素;预测了激光烧蚀的图形,并分析了不同波长的激光烧蚀图形与高斯曲线的关系.     

激光化学沉积

激光化学沉积可分为两大类:激光光致热分解沉积与激光光分解沉积.激光光致热分解沉积是用激光束加热固体局部表面,使其达到高温,金属有机化合物分子碰撞在被加热的固体表面上时,就会在高温中分解成金属原子沉积下来.1972年,纳尔逊(Nelson)和理查森(Richardson)[1]做了一个开创性的实验.他们将二氧化碳激光束聚焦在一根碳棒上,碳棒被放在充有碳氢化合物的气室中,碳氢化合物被光致热分解,碳沉积在激光照射的区域.激光光分解沉积则是用紫外激光束照射固体表面,表面附近的金属有机化合物分子被光离解,离解后的金属原子沉积在固体表面.1979年,埃…     

一种简单高效的制备硅纳米孔阵结构的方法

本文介绍了一种简单高效的制备硅纳米孔阵结构的方法. 利用激光干涉光刻技术, 结合干法和湿法刻蚀工艺, 直接将光刻胶点阵刻蚀为硅纳米孔阵结构, 省去了图形反转工艺中的金属蒸镀和光刻胶剥离等必要步骤, 在2英寸的硅 (001) 衬底上制备了高度有序的二维纳米孔阵结构. 利用干法刻蚀产生的氟碳有机聚合物作为湿法刻蚀的掩膜, 以及在干法刻蚀时对样品进行轻微的过刻蚀, 使SiO₂点阵图形下形成一层很薄的硅台面, 是本方法的两个关键工艺步骤. 扫描电子显微镜图片结果表明制备的孔阵图形大小均匀, 尺寸可控, 孔阵周期为450 nm, 方孔大小为200–280 nm. 关键词： 激光干涉光刻 纳米阵列 刻蚀 氟碳有机聚合物     

新型的半导体器件激光加工技术

由于激光的高亮度以及良好的单色性和方向性等特点,利用简单的光学聚焦系统就能把激光束很容易地会聚成1μm的光斑,在这一光斑尺寸范围内聚集了大量的能量,可以引起化学物质的热解过程或使被照射半导体表面产生融熔的过程.基于以上两种激光产生的化学和物理过程,一种崭新的半导体器件制造工艺的激光加工技术已经形成并得到迅速的发展. 利用化学物质的热解过程可以在半导体表面按照各种设计要求沉积金属图案,并可用微机控制.该过程的基本原理是采用金属的有机化合物,例如含镍原子和一氧化碳根的有机化合物──镍的羰基化合物,当激光作用的强…     

聚合物自写入光波导的时域有限差分模拟

利用时域有限差分方法,对非线性光学聚合物SU-8环氧树脂在激光作用下,其折射率会升高的过程进行了数值模拟与分析,得到SU-8薄膜与激光作用一定时间之后,其内部折射率的分布。分别对表面是平面及表面带有微透镜的SU-8薄膜进行了模拟。结果表明,利用折射率升高引起的自聚焦效应,可以在SU-8薄膜内自写入波导;写入的波导以自聚焦焦点为分界点,分为锥形波导和柱形波导。写入的波导长度随着与激光作用时间的增加而增长;在与激光相同的作用时间里,表面带有微透镜的SU-8薄膜,与表面是平面的SU-8薄膜相比,锥形波导的旁瓣更收敛,写入的波导长度更长;在微透镜底面半径保持不变以及曝光时间一定时,微透镜冠高与底面半径比例为0.08时比比例为0.24时写入的波导长度要长12.2%,其中锥形波导部分要长19.2%。     

入射角对飞秒激光诱导金属表面周期性结构的影响

用脉宽为60 fs,频率为1 kHz,中心波长为800 nm的飞秒脉冲激光照射在高纯度的Cu、Ag、Au金属靶材表面,在损伤阈值附近产生周期性结构,并随着脉冲作用数的增加,产生的规则周期性结构被破坏.研究了人射角度对周期性结构大小的影响,发现在较小角度时,三种金属周期性结构大小几乎没有区别,在较大角度时,三者之问的差别也微乎其微;不同金属的损伤阈值各不相同,因此,认为入射激光的能量密度在较小角度时只影响表面周期性结构的锐利程度,并不影响其大小.并从激光诱导金属表面产生周期性结构的理论出发进行了理论验证,也表现出同样的规律     

Au/Ag纳米颗粒的成像技术与应用

基于10 nm尺度图形加工技术,通过改变金属纳米结构的大小和形貌,利用金属纳米结构的表面等离子体共振性能开发出SEM纳米彩色图片制作技术,使得图形的像素在60 nm尺度可控(约100万dpi)。利用图像处理技术可以快速生成加工版图,而通过电子束曝光和沉积技术则能够得到结构不同的Au/Ag纳米颗粒。结果表明:由于结构不同的Au/Ag纳米颗粒的表面等离子体共振性能不同,使其发光性能覆盖了可见光波段。本文通过改变Au/Ag纳米颗粒的大小,利用图像处理算法对不同大小的Au/Ag纳米颗粒进行排列组合,从而得到SEM纳米彩色图片。     

不同气氛下飞秒激光诱导硅表面微结构

利用钛宝石飞秒激光脉冲对单晶硅在SF6、空气和真空环境中进行了累积脉冲辐照,研究了硅表面微结构的演化。在SF6气氛中,在激光辐照的初始阶段,硅表面形成了1维的波纹结构,随着辐照脉冲数的增加,波纹结构演化成了2维凹凸结构。累积600个脉冲后,硅表面产生了准规则排列且具有大纵横比的锥形尖峰结构。该结构呈现高度相对较低、锥形尖端小球不明显的特征,分析认为主要与环境气压的大小有关。对比空气、SF6和真空中的微结构发现,尖峰的数密度依次减小;SF6中形成的尖峰高度最大,其次为真空,再次为空气。研究结果表明,真空、SF6和空气3种环境下微结构的形成及表面形貌主要由激光烧蚀、化学刻蚀和氧化决定。     

基于厚金属狭缝阵列的表面等离子激元光刻

提出一种利用厚金属狭缝阵列耦合激发表面等离子激元制作非周期图形的纳米光刻模型.采用时域有限差分电磁场模拟仿真软件研究了厚金属狭缝阵列中表面等离子激元的激发、模式选择以及光刻胶中的光场分布.结果表明,通过优化厚金属狭缝阵列结构参量和匹配介质参量可有效抑制表面等离子激元在光栅狭缝出口处的发散,增加表面等离子激元的穿透深度,可获得高分辨率的较大曝光深度的周期和非周期纳米图形,可为纳米激光直写技术提供有益的借鉴.     

ICF分解实验中的平面调制靶

 介绍采用多次电镀Ni图形转移工艺将激光干涉法获得的耦合在光刻胶表面的起伏图形进行复制以获得Ni基图形转移模板, 并进一步将表面起伏图形复制到聚苯乙烯薄膜的表面, 以获得具有表面起伏图形的平面调制靶。为提高图形转移的精度、研究电镀图形转移工艺和聚苯乙烯薄膜图形复制工艺对表面起伏图形转移精度的影响, 以扫描电子显微镜对整个图形转移流程进行监控, 比较光刻胶表面图形, 一次、二次电镀转移图形和转移到聚苯乙烯上图形的形貌。     

飞秒激光烧蚀硅表面产生微纳结构过程中激光脉冲数目的影响

为了研究飞秒激光脉冲数目与硅表面形貌之间的关系,在相同的SF6气体氛围下,改变照射硅表面的飞秒激光脉冲数,发现在飞秒激光照射下由硅表面形成的微型锥状尖峰的高度与飞秒激光脉冲数呈现一种非线性关系.通过对该关系的研究有利于找出在制造具有较高吸收效率的高微型锥状尖峰的"黑硅"的实验条件,有利于基于"黑硅"材料的光电器件转化效...     

新型多有源区隧道再生光耦合大功率半导体激光器

针对大功率半导体激光器面临的主要困难,提出并实现了一种隧道再生多有源区耦合大光腔 高效大功率半导体激光器机理.该机理能有效地解决光功率密度过高引起的端面灾变性毁坏 、热烧毁和光束质量差等大功率激光器存在的主要问题.采用低压金属有机化合物气相淀积 方法生长了以碳和硅作为掺杂剂的GaAs隧道结、GaAs/InGaAs 应变量子阱有源区和新型多有 源区半导体激光器外延结构,并制备了高性能大功率980nm激光器件.三有源区激光器外微分 量子效率达2.2,2A驱动电流下单面未镀膜激光输出功率高达2.5W. 关键词： 半导体激光器 大功率 金属有机化合物气相沉积     

扫描方向对金属和硅复合薄膜表面激光诱导自组织加工质量的影响(特邀)EI北大核心CSCD

激光诱导周期性表面结构的质量可通过调整激光参数、改善材料表面和优化扫描策略等手段来提高。研究了扫描方向对线偏振激光诱导金属/硅复合薄膜表面氧化LIPSS的影响。结果表明,当扫描方向垂直于激光偏振方向时,纳米结构会出现分叉、不连续等问题;当扫描方向平行于激光偏振方向时,纳米结构呈现短程有序,但在光斑拼接处存在扭曲;而当扫描方向与激光偏振方向存在一定夹角时,容易获得长程均匀有序的周期性纳米结构。数值仿真结果表明造成这些现象的原因是近场效应对自组织过程具有不可忽略的影响。     

用于飞秒激光纳米加工的TiO_2粒子阵列诱导多种基底表面近场增强

利用纳米粒子辅助对飞秒激光能量进行空间局域化,使其在基底表面诱导产生纳米尺度的近场增强,这对超衍射极限微结构加工具有重要意义.目前对于粒子阵列诱导飞秒激光纳米孔加工的研究仅限于金属Au粒子及低折射率聚苯乙烯介电粒子等,本文提出并开展了应用高折射率TiO_2介电粒子阵列作为辅助诱导激光近场增强从而进行飞秒激光超衍射纳米孔加工的研究.对TiO_2介电粒子阵列在Si,Pt及SiO_2表面的近场强度分布进行了数值模拟,研究其基底表面近场增强的规律及物理过程.研究结果发现,使用硅基底时,阵列与单一TiO_2球形粒子相比其近场增强仅下降约30%;相对于入射激光强度而言,在直径约为100nm的空间范围内获得140倍的近场增强,这一现象可用于百纳米孔的激光加工.同时在其他典型基底的理论计算结果中也表明,几乎在所有金属及介电材料表面均可以实现良好的百纳米空间范围内的近场增强,并且具有近场随着基底折射率变大而增强的规律.这些现象的产生归因于TiO_2粒子中磁四极振荡产生的激光前向场增强及粒子与基底的耦合作用.进一步引入镜像电荷模型对基底光学参数对其表面近场增强的影响规律进行了分析和解释.本文的模拟结果对飞秒激光近场超衍射极限纳米加工的应用有着重要的意义.     

激光感生等离子体特性的三维数值模拟

在激光焊接过程中,作用于金属工件表面的高强度激光会引起材料的强烈蒸发,金属蒸汽与入射激光相互怍用,又会引起金属蒸汽部分电离,形成激光感生等离子体。本文采用三维模拟方法,考虑保护气和侧吹气的影响,对激光感生等离子体中的温度与速度分布进行了研究。     

激光等离子体效应对硅表面损伤特征的影响

硅材料作为光电探测器的基础材料,研究其在强激光辐照下的损伤问题在激光探测、国防领域很有意义。对高强度纳秒激光作用下硅表面的损伤形貌特征进行了研究,结果表明:激光等离子体的热效应及冲击波效应,使激光作用区域内的物质迅速向外飞溅,形成点坑,并在点坑周围形成辐射状冷却物;散射光与入射激光干涉产生形成周期性分布的热应力使得硅材料表面张力发生变化,冷却后会在坑底表面产生周期性结构;从激光等离子体的光谱中可以发现N,O和Si的特征光谱,在重复激光脉冲作用下会在硅表面上覆盖一层导致色变的SiOx和SiNx复合薄膜,是激光等离子体的喷射产物。     

硅表面硅镱键合与量子级联结构的发光

用纳秒强激光脉冲制备了纳米硅和硅表面的硅镱键合结构,检测了纳米硅表面硅镱键合的发光特性,并对这种结构相应的光致发光(PL)和电致发光(EL)的动力学机理进行了研究。观察到纳米硅表面硅镱键合在700nm附近尖锐的强发光峰,结合第一性原理计算认为是硅镱键合在弯曲纳米硅表面的局域态发光;利用纳秒脉冲激光沉积技术(PLD)制备多晶硅薄膜,发现由硅镱界面的失配形成表面的突触,其上的硅镱键合产生带隙中的电子局域态,该局域态发光分布在1250~1650nm波长范围,有增强的EL发光;用PLD方法制备硅镱多层膜量子级联结构,测量到光通信窗口的多个发光峰,并观察到随膜层数增加且发光峰增多。     

用于ICF实验的掺溴聚苯乙烯平面调制箔靶

以掺溴聚苯乙烯平面调制箔靶的制备为主，介绍通过激光干涉法结合图形转移工艺获得具有正弦起伏图形的掺溴聚苯乙烯平面调制箔靶的工艺．对表面调制起伏图形的精确转移进行研究，以ＳＥＭ和台阶仪监控图形转移过程，控制耦合在调制图形上的表面粗糙度．     

纳秒激光单脉冲烧蚀硅表面的超快成像研究

利用ICCD可以在纳秒时间尺度下成像的特点,以飞秒准连续激光产生的超短脉冲光为探测光,对纳秒激光单脉冲烧蚀硅靶表面的演化过程进行动态监测。在能量密度为50J／cm^2时,捕获了纳秒单脉冲激光烧蚀硅靶面过程中等离子体演化的时间分辨图像。图像表明,纳秒激光烧蚀硅靶产生的等离子体开始时密度大,膨胀速度快,当纳秒激光脉冲过后,等离子体不再产生,并且其膨胀速度不再增加,直至完全消失。     

6H-SiC单晶的激光刻蚀及光谱分析（英文）

激光微加工是半导体精密加工的一个有效方法。对于碳化硅(SiC)单晶,使用紫外波段激光可以获得对入射能量最大的吸收效率。使用355nm全固态激光器对6H-SiC单晶进行刻蚀。同时将样品置于不同的介质下以探究最优加工条件。使用拉曼光谱表征激光刻蚀后的SiC表面。刻蚀后表面主要由无定形硅及纳米晶石墨组成,对于空气下刻蚀的SiC晶片,无定形硅主要分布于刻蚀坑的周围,刻蚀坑内较少。而在液体下刻蚀的样品,无定形硅的空间分布相反。通过分析残留在表面的物质,在另一角度研究了激光刻蚀的反应机理。对于液体辅助的激光加工,以往的研究主要关注液层的厚度及粘度,对液体还原性的研究很少。为确定液体还原性的影响,使用共聚焦激光扫描显微镜及能量色散谱检测了不同液体辅助加工样品的表面形貌及氧含量。结果表明,液体还原性在激光刻蚀过程中有着较大的影响,使用有着还原性的液体作为介质可以有效减少表面氧化并获得更规则的表面形貌。