Спосіб генерації високорегулярних лазерних періодичних структур на поверхні кремнію ультракороткими лазерними імпульсами

Реферат: Спосіб генерації високорегулярних лазерних періодичних структур на поверхні кремнію ультракороткими лазерними імпульсами з надшвидким перебігом лазерного сканування включає чотири етапи. Спочатку обробляють площу поверхні кремнію з використанням імпульсного лазерного променя, в якому довжина імпульсу випромінювання лазерного променя менше за час, необхідний для електронів в кремнії, щоб передати свою енергію атомній решітці, або за час відомий, як час електрон-фононної термалізації. Далі сканують згадану область на зазначеній поверхні кремнію з використанням зазначеного імпульсного лазерного променя, в якому лазерне випромінювання є лінійно поляризованим, що викликає поверхневі електромагнітні хвилі, що поширюються на зазначеній поверхні вздовж напрямку поляризації. На наступному етапі обробляють зазначену площу зазначеної поверхні кремнію з використанням зазначеного імпульсного лазерного променя, в якому зазначений діаметр пучка на зазначеній поверхні вибирається так, щоб бути меншим характерної довжини загасання зазначеної поверхні електромагнітної поверхневої хвилі, що забезпечує узгодженість зазначеної електромагнітної хвилі над всією освітленою областю, причому зазначена електромагнітна хвиля викликає дуже періодичне поглинання лазерної енергії в межах зазначеної освітленої плями з періодичністю уздовж зазначеної поляризації світла. Далі сканують зазначену площу зазначеної кремнієвої поверхні з використанням зазначеного імпульсного лазерного променя, в якому щільність енергії зазначеного імпульсного лазерного променя вибирається таким чином, що індукується потужна абляція з уникненням утворення надлишкового розплавленого матеріалу, що приводить до абляції зі збереженням зазначеного профілю періодичних поглинань на поверхні кремнію. UA 112567 U (12) UA 112567 U UA 112567 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до нано- та мікротехнологій на основі кремнію та може бути широко використана в багатьох галузях промисловості, таких як фотовольтаїка, фотоніка, мікрота оптоелектроніка. Спосіб лазерного наноструктурування може також використовуватись для виготовлення сонячних фотоелементів і різного типу сенсорів та біосенсорів. На сьогоднішній день кремній є найбільш популярним і дешевим матеріалом у світі, який використовується для виготовлення різноманітних фотонних, електронних та оптоелектронних виробів. Одним із способів модифікації поверхні кремнію для покращення поглинальних та оптичних властивостей є лазерні індуковані періодичні поверхневі структури (скорочено ЛІППС). Ці структури мають періодичний рельєф поверхні, їх орієнтація безпосередньо пов'язана з поляризацією світла лазера і вони можуть бути сформовані на поверхні різних матеріалів (металів, напівпровідників, діелектриків, полімерів). Поверхневі періодичні структури утворюються в результаті інтерференції падаючої і розсіяної поверхневих електромагнітних хвиль (ПЕХ) з подальшим ефектом самоорганізації, які не призводять безпосередньо до регулярних періодичних структур. Задача, яка вирішується за допомогою цього способу, полягає у забезпеченні умов для досягнення високорегулярних періодичних структур та великої швидкості їх генерації. Додаткові технічні проблеми, які належить вирішити, це: мінімізація негативного впливу процесів, що беруть участь у формуванні періодичної структури (термопластичні деформації, нетермічні плавлення) і виявлення механізмів абляції (розщеплення, фазового вибуху, кулонівського вибуху). На даний момент лазерні індуковані періодичні поверхневі структури (ЛІППС) на кремнії страждають від нездатності утворення регулярних наноструктур та малої швидкості їх генерації. Це перешкоджає застосуванню лазерних індукованих періодичних поверхневих структур (ЛІППС) в різних галузях промисловості, таких як мікроелектроніка, оптоелектроніка, фотовольтаїка, фотоніка та ін. Подібна робота по модифікації поверхні за допомогою лазерних індукованих періодичних поверхневих структур (ЛІППС) описана в патенті PCT/US2007/079897 (опублікованому WO2008097374, Guo and Vorobyev (2008), "Ultra-short duration laser methods for the nanostructuring of materials", Guo and Vorobyev, де автори демонструють утворення періодичних структур на поверхні металів для медичних імплантів, зміни оптичних властивостей та утворення гідрофобних поверхонь з ультракороткими імпульсами, використовуючи лазерну довжину хвилі 800 нм. В цій роботі є значні відмінності від заявленого способу, зокрема те, що у ньому лазерне наноструктурування йде на кремнії, в той час як у наведеному патенті об'єктом обробки є об'ємний метал. До недоліків патенту можна віднести низьку регулярність структур та наявність біфуркацій, що може призводити до різних поверхневих властивостей на окремих ділянках поверхні. Також основним недоліком є дуже мала швидкість сканування. Відомий спосіб отримання лазерних індукованих періодичних поверхневих структур (ЛІППС) описано в патенті US20140083984, Timothy Gerke (2014), "Formation of laser induced periodic surface structures (LIPSS) with picosecond pulses". Патент США присвячений генерації періодичних структур, який включає: сфокусований промінь пікосекундних лазерних імпульсів по поверхні матеріалу. Суттєвою відмінністю тут є використання пікосекундних імпульсів, адже в цьому разі фізика утворення структур буде суттєво відрізнятися. На поверхні будуть утворюватись оплавлені зони, що є дуже небажаним явищем. Основним недоліком є низька швидкість процесу, через що неможливо розглядати технологію для використання в промисловості. Подібною роботою є патент US7875414, де розкритий спосіб періодичного формування структури на великій площі з одноосним лазерним променем. Метод використовує більші щільності енергії лазерного випромінювання, але настільки ж низькі, як і поріг абляції. Крім того, перекривання в скануванні встановлюється таким чином, що кількість лазерних імпульсів, що опромінюють в однаковому положенні на поверхні матеріалу, знаходиться в діапазоні від 10 до 300. Недоліками є нерегулярність періодичних структур, також мала швидкість процесу. Найбільш близьким до заявленого є спосіб модифікації кремнію, запропонований у патенті US007442629B2, Eric Mazur, Mengyan Shen (2008), "Femtosecond laser-induced formation of submicrometer spikes on a semiconductor substrate". Даний винахід в цілому формує мікроструктури на напівпровідникових підкладках, згенеровані шляхом опромінення поверхні надкороткими лазерними імпульсами. Пункт 3 містить вибір зазначеного лазерного імпульсу, що визначає тривалість імпульсу в діапазоні від близько 100 до 500 фемтосекунд. 1 UA 112567 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Цей патент США є для модифікації кремнію і створення конусної або пірамідальної поверхні і названий "чорний кремній". Може бути потенційно сильна технологія для генерації сонячних батарей. Недоліками методу є низька продуктивність процесу. В основу корисної моделі поставлена задача генерації високоперіодичних (регулярних, якісних) лазерно-індукованих періодичних поверхневих структур (ЛІППС) на великій швидкості для впровадження в промисловість, зокрема для виготовлення фотоелементів (сонячних батарей) та різноманітних сенсорів і біосенсорів. Поставлена задача вирішується шляхом створення таких високоякісних періодичних структур, що досягається за допомогою правильно підібраних лазерних параметрів, а висока продуктивність процесу сканування забезпечується за допомогою поєднання гальваносканера і 3-координатного рухомого столу з поступальним рухом, що рухається відносно гальваносканера. Для надшвидкої генерації високорегулярних періодичних поверхневих структур три умови повинні бути виконані одночасно: 1) розмір освітленої області повинен бути меншим порівняно з трьома характерними довжинами затримки поверхневих електромагнітних хвиль (ПЕХ). В цьому випадку вільні електрони приводяться в рух саме поверхневі електромагнітні хвилі (ПЕХ), осцелюючи когерентно по всій освітленій області, таким чином, забезпечуючи високоперіодичне поглинання лазерної енергії в освітленій області з періодичністю уздовж поляризації світла; 2) для ефективного руху вільних електронів від імпульсного лазерного променя тривалість лазерного імпульсу повинна бути менша за час, якого потребують електрони для термалізації кремнію; 3) висока щільність енергії лазера, що наноситься на невеликій освітленій області, забезпечує велику амплітуду поглинання, яка закінчується режимом сильної абляції, яка рухається із поліпшенням механічної напруги в радіальному напрямку, вже на одиночних лазерних імпульсах. Це дозволяє уникнути утворення надлишкового обсягу матеріалу на поверхні після видалення розплавленого матеріалу. Сильна абляція з наступним швидким затвердінням залишкового розплаву зберігає регулярний періодичний профіль поглинання на кремнієвій поверхні, утворюючи тим самим високорегулярні періодичні поверхневі структури. Для утворення лазерно-індукованих періодичних поверхневих структур (ЛІППС) з високою регулярністю періодичних структур була виготовлена наступна експериментальна установка (фіг. 1), де 1 - надшвидка лазерна система, 2 - пучок, 3 - атенатор, 4 - дзеркало 1, 5 - дзеркало 2, 6 - лінза 1, 7- лінза 2, 8 - напівхвильова пластина, 9 - гальванометрична скануюча головка (гальваносканер), 10-f-theta лінза, 11 - поляризатор, 12 - поверхня кремнію, 13 - моторизований стіл, 15 - лінза 2, 16 - лінза 1, 17 - напрямок лазерного пучка. Система складається з надшвидкої лазерної системи (1) з тривалістю імпульсу