[发明专利]一种点阵扫描制备黑硅的方法和装置

说明书

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=Pf·π·R2,---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：