文档介绍：Classified Index O472+.1 .: 537
Dissertation for the Master Degree in Science
SILICON SURFACE MODIFIED BY FEMTOSECOND LASER ABLATION
Candidate:
Wu Yunlong
Supervisor:
Prof. Zhang Zhiguo
Academic Degree Applied for:
Master of Science
Speciality:
Condensed matter physics
Affiliation:
Department of Physics
Date of Defence:
June, 2006
Degree-Conferring-Institution:
Harbin Institute of Technology
摘 要
飞秒激光加工技术已经为材料的微纳加工提供了有力的手段。Si 是最重要的半导体材料。信息技术的不断发展,要求在 Si 表面加工出具有纳米尺度的微结构。我们探索了一种利用飞秒脉冲激光在 Si 表面诱导纳米微结构的方法。飞秒激光与凝聚物质的相互作用是重要的基础物理问题,本论文从实验上研究了这个物理过程的机制。
本论文利用波长 800nm,脉冲宽度 100fs的Ti:Sapphire脉冲激光,对单晶 Si(100)表面进行了烧蚀的研究。通过改变不同的飞秒脉冲激光的脉冲数, 对自然氧化的单晶Si表面进行了烧蚀。对烧蚀后的样品进行了SEM测试,发现在高重复频率(1kHz),脉冲数 500 以上的飞秒激光辐照下, Si(100)表面形成了高度蓬松的类似分形状态的,尺度小于十纳米的SiOx 纳米泡沫。XPS 测试表明,随时辐照脉冲数的增加,表面的含氧量也相应增加。当脉冲数在 500 以下时,只在硅表面形成微米级的烧蚀突起和凹陷。当脉冲数达到 1000 时,Si表面几乎全部是纳米泡沫结构。我们把SiOx 纳米泡沫产生的机理归结为:表面的Si原子在飞秒激光的作用下以等离子体的形式向外溅射,在表面附近由于与空气分子碰撞而与氧气反应,从而生成SiOx并在重力作用下,落回Si的表面,形成了类似分形结构的表面形态。
经过高温氧化制备了Si/SiO2 体系。该体系经过飞秒激光辐照后,通过 SEM观察发现有微米级尺度的突起。测量了烧蚀后的FT-IR谱,发现随脉冲数的增加 1100 cm-1与 615 cm-1附近的红外吸收也相应地得到加强, 1100 cm-1处的吸收峰还存在展宽和峰移。这说明硅的表面在被飞秒激光的烧蚀过程中有氧化的作用,并且可能有水蒸汽参与了氧化过程。飞秒激光脉冲数,对硅表面烧蚀深度有明显的影响。随脉冲数增加Si(100)的表面形貌和结构也发生了明显的改变。
关键词飞秒脉冲激光;激光烧蚀;Si; SiOx;纳米泡沫
Abstract
Femtosecond laser ablation is an important method in processing materials. Si is the most important semiconductor material. With the development of micro electronic technology, man need modify silicon smaller and smaller. We explore a way to induce nanometer structure on silicon surface by femtosecond laser ablation. Interaction between femtosecond laser and condensed matter is an important problem. In this work, we study the mechanism of this process through experiments.
In this paper we investigate the silicon surface structured by femtosecond laser ablation(Ti:sapphire laser, wavelength 800nm,100fs). The silicon surface with native oxide is modified by different pulses. We report a kind of fractal-like structure on the surface of Si(10