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532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤特性研究

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中国光学 2022年第2期15卷 242-250页

作者：王佳敏季艳慧梁志勇陈飞郑长彬中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 北京跟踪与通信技术研究所北京100094

随着光电对抗和超短脉冲激光技术的发展,研究超短脉冲激光与单晶硅相互作用具有非常重要的理论和实际意义。为了进一步明确532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤机理,本文开展了532 nm皮秒脉冲激光辐照单晶硅的损伤效应实验研究,测定了损... 详细信息

随着光电对抗和超短脉冲激光技术的发展,研究超短脉冲激光与单晶硅相互作用具有非常重要的理论和实际意义。为了进一步明确532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤机理,本文开展了532 nm皮秒脉冲激光辐照单晶硅的损伤效应实验研究,测定了损伤阈值,明确了损伤机理,探讨了低通量下的脉冲累积效应。首先,利用波长为532 nm、脉冲宽度为30 ps的激光器和金相显微镜,基于1-on-1的激光损伤测试方法,测定了单晶硅的零损伤概率阈值为0.52 J/cm^(2);其次,研究了皮秒激光辐照单晶硅在不同激光能量密度下的损伤形貌,发现532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤表现为热影响损伤和等离子体冲击损伤,随着激光能量密度的增大,按主要的损伤机制可将损伤程度分为:热影响(0.52~3 J/cm^(2))、热烧蚀(3~50 J/cm^(2))和等离子烧蚀(>50 J/cm^(2)),且不同情况下,损伤面积随激光能量密度分别对应不同的增长规律;最后,研究了低通量下多脉冲的累积效应,发现在0.52 J/cm^(2)的激光能量密度下,连续辐照16个脉冲时表面形成热影响区,验证了多脉冲的累积效应可以降低单晶硅的激光损伤阈值。

关键词：皮秒脉冲激光单晶硅损伤阈值累积效应损伤特性

紫外纳秒脉冲激光烧蚀单晶硅表面特征创成机制

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航空学报 2022年第4期43卷 508-520页

作者：张全利储成龙翟健超王昱凯张振徐九华南京航空航天大学机电学院南京210016

脉冲激光表面微织构技术可以有效改善单晶硅表面磨擦特性、光学反射率以及亲疏水性等,拓宽了单晶硅的使用范围。为加工出均匀的表面织构,基于激光与物质的相互作用,开展了紫外纳秒激光加工单晶硅表面阵列织构的试验研究。采用面积法计... 详细信息

脉冲激光表面微织构技术可以有效改善单晶硅表面磨擦特性、光学反射率以及亲疏水性等,拓宽了单晶硅的使用范围。为加工出均匀的表面织构,基于激光与物质的相互作用,开展了紫外纳秒激光加工单晶硅表面阵列织构的试验研究。采用面积法计算了单晶硅紫外纳秒激光烧蚀阈值,并通过单因素法研究了激光输出功率、脉冲重复频率、光斑扫描速度以及扫描次数对加工沟槽宽度和深度的影响规律,分析了烧蚀沟槽典型形貌特征及形成机制,获得了工艺参数对微结构特征的影响规律。最后,基于优化的工艺参数,在单晶硅表面加工了点阵、方形阵列、正六边形阵列、正弦波阵列以及螺旋线等表面结构。

关键词：纳秒脉冲激光单晶硅材料去除机理表面特征表面织构

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金刚石压砧内单晶硅高压折射率的椭偏测量

光子学报 2023年第11期52卷 171-181页

作者：鲍晓艳邓硕吕海飞黎敏武汉理工大学理学院武汉430070

针对高压对顶砧入射角度受限、样品微小的特殊测量条件,设计原位椭偏测量系统,实现450~700 nm光谱范围的小角度椭偏测量。建立光学模型,获得2~9 GPa下单晶硅的折射率,发现单晶硅的折射率随压力增加而增大。与高压拉曼光谱的对比说明椭... 详细信息

针对高压对顶砧入射角度受限、样品微小的特殊测量条件,设计原位椭偏测量系统,实现450~700 nm光谱范围的小角度椭偏测量。建立光学模型,获得2~9 GPa下单晶硅的折射率,发现单晶硅的折射率随压力增加而增大。与高压拉曼光谱的对比说明椭偏法原位监测材料光学性质变化的可能性。本文研究可为高压下材料的光学常数及其原位测量提供有益补充。

关键词：高压椭偏光学模型折射率单晶硅

金刚石刀轮滚压脆断单晶硅和蓝宝石的实验研究

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光学精密工程 2022年第6期30卷 702-710页

作者：陈绒周聪谢晋陈钊杰广东科技学院广东东莞523083 华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510641

集成电路芯片快速分割是半导体器件制造的关键工艺。通常采用固定的单点金刚石刀刃划线切断,但其过程会产生不规则裂纹,损害芯片电路。因此,针对单晶硅与蓝宝石两种芯片材料,采用直径为2.5 mm的金刚石刀轮进行滚压脆断加工实验,分析不... 详细信息

集成电路芯片快速分割是半导体器件制造的关键工艺。通常采用固定的单点金刚石刀刃划线切断,但其过程会产生不规则裂纹,损害芯片电路。因此,针对单晶硅与蓝宝石两种芯片材料,采用直径为2.5 mm的金刚石刀轮进行滚压脆断加工实验,分析不同加工工艺下的应力分布,探究刀轮几何形状和工艺参数对不同材料的裂纹扩展和滚压脆断质量的影响。结果表明:刀轮刃端处集中的张应力引起微裂纹的产生与扩展,在滚压方向上逐渐形成微切痕,导致最后的脆断,但也会产生横向裂纹,使脆断边缘破碎。在合适的张应力下,边沿破碎低至约1μm,脆断面质量较高。此外,若芯片材料硬度和断裂韧度大,可选择较小的刀轮角度和较大的滚压压力。当单晶硅滚压压力为0.015 MPa,刃端接触处的张应力在100 MPa左右,蓝宝石的滚压压力为0.095 MPa,张应力在350 MPa左右时,滚压脆断后的断面裂纹扩展相对均匀,断面质量最优。最后实验显示,具有微锯齿结构的金刚石刀轮切割集成电路芯片的边沿质量较好。

关键词：单晶硅蓝宝石金刚石刀轮裂纹扩展精密滚压脆断

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超快激光诱导单晶硅瞬态光学性质演化机理

红外与激光工程 2022年第2期51卷 109-117页

作者：廖小杰林素颖韩冰南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏南京210094

研究了从亚皮秒到皮秒范围内的不同脉宽和不同能量密度的激光作用下单晶硅材料表面瞬态光学性质的演化规律。这项工作基于考虑了相变潜热的双温方程、载流子数密度模型,通过计算激光辐照过程中的载流子温度、晶格温度和激发态载流子数... 详细信息

研究了从亚皮秒到皮秒范围内的不同脉宽和不同能量密度的激光作用下单晶硅材料表面瞬态光学性质的演化规律。这项工作基于考虑了相变潜热的双温方程、载流子数密度模型,通过计算激光辐照过程中的载流子温度、晶格温度和激发态载流子数密度和介电常数,模拟了光子到电子以及电子到声子的能量传递过程,最终得到了单晶硅表面折射率和消光系数的变化结果。有助于揭示亚皮秒到皮秒脉冲宽度范围的超短脉冲激光辐照下,单晶硅材料瞬态光学性质的演化机理。理论结果表明,若单个激光脉冲无法使单晶硅熔化,则不同的激光能量密度和不同的激光脉宽对最小折射率的影响非常有限,在0.3~0.4 J/cm^(2)的激光能量密度范围内,每0.01 J/cm^(2)的能量密度改变引起的最小折射率变化率小于0.5%。若单个激光脉冲能使单晶硅熔化,则不同能量密度和不同脉宽的激光对硅表面的折射率和消光系数有不同程度的影响。该研究结果可为基于超短脉冲激光的单晶硅材料加工和表面改性提供一定的理论指导。

关键词：光学性质相变单晶硅载流子数密度

单晶硅材料强激光损伤吸收波前模型的理论研究

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强激光与粒子束 2023年第7期35卷 33-39页

作者：王毕艺赵万利向霞袁晓东祖小涛郑万国邓洪祥电磁空间安全全国重点实验室天冿300308 电子科技大学物理学院成都610054 中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900

改进了描述光学材料强激光损伤的吸收波前模型,在原有模型的基础上引入了杂质缺陷吸收项,并将一维形式推广到了三维。利用改进后的吸收波前模型,数值模拟了红外单晶硅光学材料在波长1064 nm皮秒激光辐照时杂质源(以金属铁为例)附近材料... 详细信息

改进了描述光学材料强激光损伤的吸收波前模型,在原有模型的基础上引入了杂质缺陷吸收项,并将一维形式推广到了三维。利用改进后的吸收波前模型,数值模拟了红外单晶硅光学材料在波长1064 nm皮秒激光辐照时杂质源(以金属铁为例)附近材料的温度、损伤半径及损伤阈值等变化情况,并分析了光学材料初始温度对损伤阈值的影响规律。数值结果显示:(1)与传统的热传递模型不同,在损伤阈值附近,激光场能量密度从低于损伤到达到(或超出)损伤的微小变化导致温度场的巨大变化;(2)达到损伤能量密度后,杂质附近的最高温度及利用吸收波前表征的材料损伤半径随着辐照能量密度的增加近似线性增长;(3)激光损伤阈值随着材料初始温度的增加而降低。研究结果表明改进后的吸收波前模型可以较好地描述光学材料的杂质缺陷诱导强激光损伤:相比于传统的热超导模型,吸收波前模型可以更合理的表示损伤阈值附近温度场的突变,并可定量分析杂质诱导光学材料的强激光损伤尺寸。另外对单晶硅吸收波前模型的研究还显示提升材料的初始温度可以有效降低材料的强激光损伤阈值,这为提升光电对抗中光电探测器的激光损伤效率提供了一种思路。

关键词：杂质缺陷光学材料单晶硅吸收波前模型强激光损伤

基于芳香环磺酸盐的制绒添加剂设计及其单晶硅表面织构化

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硅酸盐学报 2023年第7期51卷 1827-1834页

作者：田海莹蔡媛贾蕊琪王婕冯萍萍张鹏伟樊国栋殷政教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室陕西省轻化工助剂化学与技术协同创新中心陕西科技大学化学与化工学院西安710021 西安蓝桥新能源科技有限公司西安712000

高效、绿色、稳定、经济的新类别制绒分子及相应助剂配方是获得超低反射率陷光结构,提升单晶硅太阳能电池光电转换效率的关键内容之一。本工作提出多苯环骨架强化单晶硅表界面结合,磺酸基、羟基、烷氧基等官能团调控出绒点形成的思路,... 详细信息

高效、绿色、稳定、经济的新类别制绒分子及相应助剂配方是获得超低反射率陷光结构,提升单晶硅太阳能电池光电转换效率的关键内容之一。本工作提出多苯环骨架强化单晶硅表界面结合,磺酸基、羟基、烷氧基等官能团调控出绒点形成的思路,合理筛选并对比研究了2,6-萘二磺酸钠、2-羟基-7-萘磺酸钠,十二烷基二苯醚磺酸钠以及木质素磺酸钠的绒面催化效应,发现大分子尺寸、更为分散的苯环骨架排布、柔性分子结构、丰富的羟基、烷氧基等结构特征有利于芳香环磺酸盐在单晶硅表面形成连续、均匀、密集金字塔结构。基于制绒剂结构、浓度、时间、温度等反应参数的系统对比实验,筛选出木质素磺酸钠作为优良出绒试剂,可在0.0006%~0.06%的低浓度条件下,获得15.84~26.94%的平均反射率。引入表面活性剂和绒面调节剂,通过系统正交实验,获得了“0.015%木质素磺酸钠+1.1%十二烷基苯磺酸钠+2.0%的2-羟基-β-环糊精”新型绿色、低浓度、高稳定制绒助剂配方,在NaOH浓度0.65%、反应温度75~85℃、制绒时间420 s的类产线条件下,获得基底尺寸1.7~1.9μm、均匀、规则、密集的金字塔结构以及低至9.89%的绒面平均反射率。本项研究为基于芳香环磺酸盐开发绿色高效新型实用化单晶硅表面织构化添加剂提供了良好例证。

关键词：单晶硅太阳能电池制绒反射率

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单晶硅的放电加工条件与试验研究

机械科学与技术 2022年第3期41卷 421-432页

作者：辛彬刘巍宋玉贵西安工业大学光电工程学院西安710021

针对某类牌号的单晶硅材料在放电加工系统中无法实现放电的问题,本文提出一种单晶硅放电加工临界电导率σ的界定方法,系统性地揭示了单晶硅的电导率σ是影响放电通道击穿并形成火花放电的根本原因。结合半导体物理理论,系统性地分析了... 详细信息

针对某类牌号的单晶硅材料在放电加工系统中无法实现放电的问题,本文提出一种单晶硅放电加工临界电导率σ的界定方法,系统性地揭示了单晶硅的电导率σ是影响放电通道击穿并形成火花放电的根本原因。结合半导体物理理论,系统性地分析了单晶硅放电加工系统中从极间电场的建立到极间等离子体放电通道的形成过程;引入阴极场致电子发射理论,建立了单晶硅放电加工系统极间电流密度J与单晶硅电导率σ的物理模型,仿真分析了临界电流密度J与单晶硅电导率σ之间的关系;结合实际加工过程对模型进行了验证,验证结果表明该模型可确定单晶硅放电加工的临界电导率,以此界定单晶硅的可加工性。

关键词：放电加工单晶硅场致发射等离子体通道电导率

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单晶硅超精密切削工艺参数优化与实验研究

宇航材料工艺 2022年第6期52卷 60-64页

作者：姚同杨晓京肖建国张万清康杰昆明理工大学机电工程学院昆明650500 云南北方光学科技有限公司昆明650200

为提高单点金刚石车削单晶硅的表面质量,以表面粗糙度为优化目标设计正交切削实验,通过方差分析、响应曲面分析和极差分析研究主轴转速、进给速度和切削深度对表面粗糙度的影响。结果表明,主轴转速对表面粗糙度影响最显著,主轴转速越大... 详细信息

为提高单点金刚石车削单晶硅的表面质量,以表面粗糙度为优化目标设计正交切削实验,通过方差分析、响应曲面分析和极差分析研究主轴转速、进给速度和切削深度对表面粗糙度的影响。结果表明,主轴转速对表面粗糙度影响最显著,主轴转速越大,表面粗糙度值越小;建立了表面粗糙度回归模型,通过响应曲面分析得到主轴转速和进给速度的交互作用对表面粗糙度的影响最大;在最优切削参数组合为主轴转速3 300 r/min、进给速度2 mm/min、切削深度5μm的条件下,获得了表面粗糙度Ra 2.7 nm的高质量单晶硅元件,其表面相对光滑,切屑呈带状,材料在延性域内去除。

关键词：单晶硅单点金刚石车削切削参数表面粗糙度