晶面对单晶硅高功率绿光飞秒激光加工的影响

作者：张欣; 黄婷^*; 肖荣诗

来源：表面技术, 2021, 50(11): 362-371.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.11.039

• 单晶硅
• 晶面取向
• 飞秒激光
• 刻蚀
• 非晶化
• 电子背散射衍射

目的研究不同晶面取向对飞秒激光刻蚀加工硅的影响。方法采用515 nm绿光高功率飞秒激光器,通过改变激光平均功率和扫描次数,对硅(111)和(100)面进行刻蚀加工,对比研究两个晶面的凹槽刻蚀深度和凹槽底部粗糙度差异。利用电子背散射衍射(Electron Backscatter Diffraction,EBSD)技术,研究不同晶面在飞秒激光刻蚀加工中的微观行为特性,对比硅不同晶面的非晶化阈值和烧蚀阈值,同时对比不同晶面的非晶化能力和再结晶能力。结果随着激光平均功率和扫描次数的增大,激光刻蚀形成的凹槽越来越深,相同条件下,硅(111)面的凹槽深度比(100)面的凹槽深度更大,且硅(111)面凹槽底部的粗糙度比(100)面凹槽底部的粗糙度更大。当凹槽刻蚀深度达到300μm时,(111)面的凹槽深度比(100)面约深20μm,粗糙度约高4μm。通过EBSD技术获得硅两个晶面的非晶化阈值,两个晶面的非晶化阈值近似,约为0.16 J/cm2。在相同的非晶化阈值下,(111)面的非晶程度比(100)面大。在较少的激光扫描次数下,观察到硅(111)面的激光吸收率比(100)面高。结论晶面取向不仅影响到飞秒激光多脉冲作用下硅的微观结构,而且还影响到硅的宏观飞秒激光加工效果。加工参数相同时,(111)面单晶硅的刻蚀深度明显大于(100)面单晶硅,原因是硅(111)面的非晶化能力比(100)面强,导致(111)面吸收更多的激光能量,材料去除效率更高。

• 单位
  北京工业大学