專利名稱：利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用激光加工半導(dǎo)體材料的方法及裝置，尤其是一種利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法及裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)今的信息光子化發(fā)展進(jìn)入芯片上的光電子集成與芯片級(jí)的全光化，這是實(shí)現(xiàn)光量子信息處理和光量子信息計(jì)算的關(guān)鍵，而作出硅芯片上的用于光互聯(lián)的光源與傳播節(jié)點(diǎn)是一項(xiàng)瓶頸性的工作。另外，讓半導(dǎo)體發(fā)光與照明走進(jìn)千家萬戶勢(shì)在必行，是低碳與環(huán)保的需求。目前，急需高亮度發(fā)光材料與元器件的制備和加工技術(shù)。當(dāng)前，常見的發(fā)光材料與元器件的制備和加工傳統(tǒng)技術(shù)是分子束外延(MBE)技術(shù)和化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)，但是，其成本較高且較難控制，故不易將其從實(shí)驗(yàn)室推廣至產(chǎn)業(yè)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法及裝置，它可以加工高亮度的發(fā)光材料和硅基納米發(fā)光材料，并且成本低廉，易于產(chǎn)業(yè)化，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法，將脈沖激光頭發(fā)出的脈沖激光通過PLE透鏡射入真空腔內(nèi)，使脈沖激光會(huì)聚在真空腔體內(nèi)的樣品表面，對(duì)樣品進(jìn)行加工；同時(shí)用光纖探頭在線探測(cè)產(chǎn)生的等離子體輝光中電子光譜的變化，通過改變加工氣氛控制等離子體波的震蕩頻率，從而實(shí)現(xiàn)可控脈沖激光在樣品上刻蝕各種納米結(jié)構(gòu)。在樣品刻蝕納米結(jié)構(gòu)的加工完成后，將脈沖激光頭發(fā)出的脈沖激光通過PLD激光透鏡射入真空腔內(nèi)，使脈沖激光會(huì)聚在靶材上，利用PLD技術(shù)對(duì)已刻蝕出納米結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行PLD復(fù)合加工，可制備各種量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)；并用光纖探頭同步探測(cè)，實(shí)現(xiàn)可控脈沖激光等離子體波在刻蝕好的樣品上的沉積加工和調(diào)控氣氛沉積加工。可以通過切換激光透鏡實(shí)現(xiàn)PLE工藝與PLD工藝的復(fù)合加工。完成脈沖激光加工后，利用雙向功能光纖探頭傳輸紫外波長的激發(fā)光照射發(fā)光樣品，實(shí)現(xiàn)發(fā)光樣品的在線光致熒光(PL)光譜檢測(cè)。這樣可以實(shí)現(xiàn)在線發(fā)光物質(zhì)的表征與加工質(zhì)量測(cè)定，對(duì)發(fā)光物質(zhì)加工的質(zhì)量監(jiān)控是關(guān)鍵性的。所述的脈沖激光的波長為紫外、可見與紅外三個(gè)波段，脈沖激光的脈寬控制在 10-100nS。所選脈沖激光的參量不同，可以加工出不同尺寸的納米結(jié)構(gòu)。利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的裝置，包括真空腔體，在真空腔體的側(cè)面設(shè)有激光窗口，在激光窗口上設(shè)有腔入射鏡，在激光窗口外設(shè)有PLE激光透鏡；在真空腔體內(nèi)設(shè)有樣品臺(tái)，樣品臺(tái)與PLE激光透鏡的光路對(duì)應(yīng),在樣品臺(tái)的后端連接有取樣柄；在激光窗口外設(shè)有光纖探頭，在真空腔體外設(shè)有光譜儀，光纖探頭與光譜儀連接。
在激光窗口外設(shè)有PLD激光透鏡，在真空腔體內(nèi)設(shè)有靶臺(tái)，靶臺(tái)與PLD激光透鏡的光路對(duì)應(yīng)。通過切換光路，可以實(shí)現(xiàn)PLE加工、PLD加工或PLE與PLD的復(fù)合加工。光纖探頭為雙向光纖探頭，在光纖探頭上連接有LD激發(fā)光源。雙向光纖探頭可以發(fā)出激發(fā)光對(duì)真空腔體內(nèi)的樣品進(jìn)行照射，進(jìn)行樣品的光致熒光(PL)光譜檢測(cè)。最近發(fā)展起來的脈沖激光等離子體沉積(PLD)技術(shù)是一項(xiàng)較好的制膜技術(shù)，我們將其利用研發(fā)出具有脈沖激光等離子體沉積(PLD)和脈沖激光等離子體刻蝕(PLE)復(fù)合加工功能的新型光子加工技術(shù)，可以制備與加工各種低維納米結(jié)構(gòu)材料，包括半導(dǎo)體的量子點(diǎn)、量子線和量子面及其量子超晶格結(jié)構(gòu)材料，特別是制備與加工高亮度的發(fā)光材料和硅基納米發(fā)光材料。本發(fā)明的工作原理是脈沖激光與半導(dǎo)體樣品相互作用可以形成的表面等離子體波，該等離子體波的頻率與脈沖激光的脈寬、脈沖激光的功率及其等離子體中電子的密度等相關(guān)，在激光打出的Purcell腔體中可形成駐波，由此刻蝕微納結(jié)構(gòu)，特別是用納秒脈沖激光可制備硅量子點(diǎn)和量子超晶格結(jié)構(gòu)；控制在不同的氛圍下用脈沖激光加工，可以激活微納結(jié)構(gòu)的表面或界面發(fā)光中心，其原理是在半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)展寬的能帶帶隙中形成局域態(tài)來構(gòu)建發(fā)光中心，特別是激活硅量子點(diǎn)的發(fā)光中心，例如用氧氣、氮?dú)饣蚩諝獾仍诠枇孔狱c(diǎn)表面形成Si=0、Si-O-Si、Si-N或Si-NO鍵合構(gòu)筑硅量子點(diǎn)的發(fā)光中心，可以獲取不同發(fā)光波長的發(fā)光材料；光子加工的氣氛可以根據(jù)發(fā)光工作物質(zhì)的要求進(jìn)行可控的激活操作， 可用光纖探頭探測(cè)其等離子體輝光在不同氣氛中的變化實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控；調(diào)用光纖探頭的雙向功能，用LD激發(fā)光照射樣品，可實(shí)現(xiàn)樣品的在線光致熒光PL光譜檢測(cè)。由于采用上述的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用脈沖激光等離子體刻蝕技術(shù)，用光纖探頭探測(cè)其等離子體輝光在不同氣氛中的變化，通過改變加工氣氛來獲得對(duì)發(fā)光工作物質(zhì)進(jìn)行可控的激活操作，以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控；可通過切換透鏡及相應(yīng)的光路來實(shí)現(xiàn)脈沖激光等離子體沉積(PLD)和脈沖激光等離子體刻蝕(PLE)的不同加工功能與復(fù)合加工功能；可以對(duì)加工完成的產(chǎn)品進(jìn)行在線光致熒光(PL)光譜檢測(cè)；本發(fā)明可根據(jù)對(duì)具體加工工藝的調(diào)節(jié)，加工高亮度的LED發(fā)光物質(zhì)、硅納米結(jié)構(gòu)發(fā)光物質(zhì)和用于發(fā)光選模激射的硅基光晶結(jié)構(gòu)等材料。本發(fā)明方法簡單，易于產(chǎn)業(yè)化，所采用的裝置結(jié)構(gòu)簡單，在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝集成即可獲得，應(yīng)用效果好。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明制備出的硅量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖3為本發(fā)明制備出的含硅量子點(diǎn)的光子晶體圖4為制備娃量子點(diǎn)的發(fā)光峰圖I中箭頭表示脈沖激光的光路。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例I :利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的裝置的結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括真空腔體1，在真空腔體I的側(cè)面設(shè)有激光窗口 2，在激光窗口 2上設(shè)有腔入射鏡7，在激光窗口 2外設(shè)有PLE激光透鏡3，在真空腔體I內(nèi)設(shè)有樣品臺(tái)5，樣品臺(tái)5與PLE激光透鏡的光路對(duì)應(yīng)，，在樣品臺(tái)5的后端連接有取樣柄6 ;在激光窗口 2外設(shè)有光纖探頭8，在真空腔體I外設(shè)有光譜儀9，光纖探頭8與光譜儀9連接；在激光窗口 2外設(shè)有PLD激光透鏡4， 在真空腔體I內(nèi)設(shè)有靶臺(tái)7，靶臺(tái)7與PLD激光透鏡4的光路對(duì)應(yīng)；光纖探頭8為雙向光纖探頭，在光纖探頭8上連接有LD激發(fā)光源10。利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法，將P型單晶硅片安置在樣品臺(tái)5上，在真空腔體I內(nèi)抽真空，抽至10_5帕，再控制真空腔體I的多氣路進(jìn)行調(diào)控，使樣品處于氬氣氛環(huán)境下；選擇波長355nm的納秒脈沖激光頭加工樣品，將對(duì)應(yīng)波長的PLE激光透鏡3安裝好后，使納秒脈沖激光頭發(fā)出脈沖激光，通過PLE激光透鏡3從激光窗口 2進(jìn)入真空腔體I內(nèi)， 然后會(huì)聚在P型單晶硅片表面，對(duì)P型單晶硅片進(jìn)行刻蝕加工；在加工過程中，用光纖探頭 8探測(cè)脈沖激光作用在P型單晶硅片上產(chǎn)生的等離子體輝光中電子光譜的變化，以控制等離子體波性狀，從而控制脈沖激光等離子體波在硅片上制備硅量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；在加工完成后， 用光纖探頭8的雙向功能，將LD激發(fā)光源10發(fā)出的紫外波長的激發(fā)光通過光纖探頭8從激光窗口射入真空腔體I內(nèi)，對(duì)加工好的P型單晶硅片進(jìn)行照射，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工好的樣品在線光致熒光(PU光譜檢測(cè)，完成在線的發(fā)光物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征與加工質(zhì)量測(cè)定。本發(fā)明的實(shí)施例2 :利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法，將P型單晶硅片安置在樣品臺(tái)5上，并將硅靶材安裝在靶臺(tái)7上，在真空腔體I內(nèi)抽真空，抽至10_5帕，再控制真空腔體I的多氣路進(jìn)行調(diào)控，使樣品處于氮?dú)夥窄h(huán)境下，選擇波長為532nm的納秒脈沖激光頭，將對(duì)應(yīng)波長的PLE激光透鏡3及PLD激光透鏡4安裝好后，使納秒脈沖激光頭發(fā)出脈沖激光，通過PLE激光透鏡3從激光窗口 2進(jìn)入真空腔體I內(nèi)，然后會(huì)聚在P型單晶硅片表面，對(duì)P型單晶硅片進(jìn)行刻蝕加工，在加工過程中，用光纖探頭8探測(cè)脈沖激光作用在P型單晶硅片上產(chǎn)生的等離子體輝光中電子光譜的變化，以控制等離子體波性狀，從而控制脈沖激光等離子體波在硅片上制備硅量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；在加工完成后，將納秒脈沖激光頭的位置切換到PLD激光透鏡4，納秒脈沖激光頭發(fā)出的脈沖激光通過PLD激光透鏡4從激光窗口 2 進(jìn)入真空腔體I內(nèi)，脈沖激光會(huì)聚在硅靶材上，并控制多氣路調(diào)控樣品處于氧氣氛環(huán)境下， 在含硅量子點(diǎn)的平面光子晶體陣列層上沉積氧化硅層；再進(jìn)行PLD加工，在氧化硅層上再沉積硅薄膜層；將PLD激光透鏡4的光路切換至PLE激光透鏡3的光路，控制多氣路調(diào)控樣品處于氬氣氛和氮?dú)夥窄h(huán)境下，再回到PLE加工，在硅薄膜層上制備含硅量子點(diǎn)的平面光子晶體陣列多層結(jié)構(gòu)；最終可制備含硅量子點(diǎn)的光子晶體超晶格結(jié)構(gòu)。加工完后，再用光纖探頭的雙向功能，將LD激發(fā)光源10發(fā)出的紫外波長的激發(fā)光通過光纖探頭8從激光窗口射入真空腔體I內(nèi)，用紫外波長的激發(fā)光照射樣品，實(shí)現(xiàn)樣品的在線光致熒光(PL)光譜檢測(cè)，進(jìn)行在線的發(fā)光物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征與加工質(zhì)量測(cè)定。本發(fā)明的實(shí)施例3 :利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法，將半導(dǎo)體襯底樣品安置在樣品臺(tái)5上，并將硅靶材安裝在靶臺(tái)7上，在真空腔體I內(nèi)抽真空，抽至10_5帕，再控制真空腔體I的多氣路進(jìn)行調(diào)控，使樣品處于氧氣氛環(huán)境下，選擇波長為1064nm的納秒脈沖激光頭，將對(duì)應(yīng)波長的PLE激光透鏡3及PLD激光透鏡4安裝好后，使納秒脈沖激光頭發(fā)出脈沖激光，該脈沖激光通過PLE激光透鏡3從激光窗口 2進(jìn)入真空腔體I內(nèi)，然后會(huì)聚在樣品表面，進(jìn)行刻蝕加工；在加工過程中，用光纖探頭8探測(cè)脈沖激光作用樣品上產(chǎn)生的等離子體輝光中電子光譜的變化，以控制等離子體波性狀，從而控制脈沖激光等離子體波在樣品上制備氧化量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；在加工完成后，將納秒脈沖激光頭的位置切換到PLD激光透鏡4，納秒脈沖激光頭發(fā)出的脈沖激光通過PLD激光透鏡4從激光窗口 2進(jìn)入真空腔體I 內(nèi)，脈沖激光會(huì)聚在娃祀材上，并控制多氣路調(diào)控樣品處于氧氣氛環(huán)境下，在含娃量子點(diǎn)的平面光子晶體陣列層上沉積氧化硅層；再進(jìn)行PLD加工，在氧化硅層上再沉積硅薄膜層；將 PLD激光透鏡4的光路切換至PLE激光透鏡3的光路，控制多氣路調(diào)控樣品處于氬氣氛和氧氣氛環(huán)境下，再回到PLE加工；進(jìn)一步換置鉺靶材安裝在靶臺(tái)7上，再進(jìn)行PLD加工；最終可加工鑲嵌鉺的氧化硅超晶格結(jié)構(gòu)，該發(fā)光材料在光纖通信的第三窗口有很好的發(fā)光特性。加工完后，再用光纖探頭的雙向功能，將LD激發(fā)光源10發(fā)出的紫外波長的激發(fā)光通過光纖探頭8從激光窗口射入真空腔體I內(nèi)，用紫外波長的激發(fā)光照射樣品，實(shí)現(xiàn)樣品的在線光致熒光(PL)光譜檢測(cè)，進(jìn)行在線的發(fā)光物質(zhì)結(jié)構(gòu)的表征與加工質(zhì)量的測(cè)定。
權(quán)利要求
1.一種利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于將脈沖激光頭發(fā)出的脈沖激光通過PLE激光透鏡射入真空腔內(nèi)，使脈沖激光會(huì)聚在真空腔內(nèi)的樣品表面，對(duì)樣品進(jìn)行加工；同時(shí)用光纖探頭在線探測(cè)產(chǎn)生的等離子體輝光中電子光譜的變化，通過改變加工氣氛控制等離子體波的震蕩頻率，從而實(shí)現(xiàn)可控脈沖激光在樣品上刻蝕各種納米結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于在樣品刻蝕納米結(jié)構(gòu)的加工完成后，將脈沖激光頭發(fā)出的脈沖激光通過PLD激光透鏡射入真空腔內(nèi)，使脈沖激光會(huì)聚在靶材上，利用PLD技術(shù)對(duì)已刻蝕出納米結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行PLD復(fù)合加工，制備各種量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)；并用光纖探頭同步探測(cè)，實(shí)現(xiàn)可控脈沖激光等離子體波的沉積加工和調(diào)控氣氛沉積加工。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于完成脈沖激光加工后，利用雙向功能光纖探頭傳輸紫外波長的激發(fā)光照射發(fā)光樣品，實(shí)現(xiàn)發(fā)光樣品的在線光致熒光(PL)光譜檢測(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述脈沖激光的波長為紫外、可見與紅外三個(gè)波段，脈沖激光的脈寬控制在10 100ns。
5.一種利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的裝置，包括真空腔體(1)，其特征在于在真空腔體(I)的側(cè)面設(shè)有激光窗口(2)，在激光窗口(2)上設(shè)有腔入射鏡(7)，在激光窗口(2) 外設(shè)有PLE激光透鏡(3 )，在真空腔體(I)內(nèi)設(shè)有樣品臺(tái)(5 )，樣品臺(tái)(5 )與PLE激光透鏡的光路對(duì)應(yīng)，在樣品臺(tái)(5)的后端連接有取樣柄(6);在激光窗口(2)外設(shè)有光纖探頭(8)，在真空腔體(I)外設(shè)有光譜儀(9 )，光纖探頭(8 )與光譜儀(9 )連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于在激光窗口( 2 )外設(shè)有PLD激光透鏡(4 )，在真空腔體(I)內(nèi)設(shè)有靶臺(tái)(7 )，靶臺(tái)(7 )與PLD激光透鏡(4)的光路對(duì)應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于光纖探頭(8)為雙向光纖探頭，在光纖探頭(8)上連接有LD激發(fā)光源(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用可控脈沖激光加工納米結(jié)構(gòu)的方法及裝置，將脈沖激光頭發(fā)出的脈沖激光通過PLE激光透鏡射入真空腔內(nèi)，使脈沖激光會(huì)聚在真空腔體內(nèi)的樣品表面，對(duì)樣品進(jìn)行加工；同時(shí)用光纖探頭在線探測(cè)產(chǎn)生的等離子體輝光中電子光譜的變化，通過改變加工氣氛來以控制等離子體波的振蕩頻率，調(diào)控脈沖激光在樣品上刻蝕出各種發(fā)光的納米結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用脈沖激光等離子體刻蝕技術(shù)，用光纖探頭探測(cè)其等離子體輝光在不同氣氛中變化，通過改變加工氣氛來獲得對(duì)發(fā)光工作物質(zhì)進(jìn)行可控的激活操作；本發(fā)明可通過切換光路來實(shí)現(xiàn)PLE和PLD的復(fù)合加工，制備各種半導(dǎo)體的發(fā)光納米結(jié)構(gòu)，特別是含量子點(diǎn)的超晶格發(fā)光結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B23K26/12GK102583228SQ20121006543
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月14日
發(fā)明者黃偉其 申請(qǐng)人:貴州大學(xué)