一种点阵扫描制备黑硅的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及到半导体光电材料制备领域，尤其设及到一种点阵扫描制备黑娃的方 法和装置。
【背景技术】
[0002] 黑娃是指采用物理或化学方法对单晶娃进行刻蚀，得到的一种表面具有周期性微 结构的材料。黑娃对可见光及近红外光都具有较高的吸收率，在0. 25ym~2. 5ym范围 内吸收率可达90%。2005年，EricMazur教授研究小组人员采用飞秒激光福照n(lll)娃 衬底制备的黑娃光电二极管探测器，在室温反向0. 5V偏压下，在lOOOnm处的光电响应度为 120A/W，高于商用娃探测器两个数量级的pt.Lett.，2005, 30 (14)，1773)。黑娃材料因其优 异的性能在制备太阳能电池、红外探测器等方面具有巨大的潜力。
[0003] 目前制备黑娃的方法很多，主要有脉冲激光福照、湿法腐蚀、离子注入结合脉冲激 光退火等。其中，采用脉冲激光福照制备黑娃，因其加工过程中激光峰值功率高、烧蚀阔值 准确而广泛的被用于黑娃材料的制备。采用脉冲激光制备黑娃，通常是将单束激光经聚焦 透镜聚焦后，穿过具有石英窗口的样品室到达娃衬底表面，通过振镜控制光束的运动或= 维平移台来控制样品架的移动，实现激光光束和样品间的相对运动。该种单束激光在娃表 面逐点扫描的方式加工速度慢，在制备大面积黑娃时，耗费时间长，不适宜批量生产。故而， 探索高效制备黑娃的方法一直是相关研究人员的关注热点。
[0004] 在先技术201110260886.X《一种快速制备大面积均匀黑娃材料的方法和设备》中， 将激光束依次通过光束整形器、空间滤波器、扩束器、聚焦光学元件，将单束圆形激光束整 形并汇聚为带状光斑。该种方法的本质是对单束激光的光斑形状进行整形和放大，从而实 现黑娃的快速大面积制备。
[0005] 在先技术201210523560. 6《一种微结构周期可控的大面积黑娃的制造方法》中， 采用分束镜将激光进行分束，利用特定多光束干设组合，形成周期的光场分布。通过对干设 光场的控制，实现黑娃的大面积制备。
[0006] 通常用的分束装置有半透半反镜或角锥反射镜，该两种分束器只能实现一束光分 成两束光，要实现多束分光，就得使用多组分束镜。此外，普通的半透半反镜将引入材料色 散，为避免材料色散的缺点，半透半反镜必须制备得很薄，该样不仅增加了加工的难度，而 且容易损坏。如采用角锥反射镜，即通过反射镜面相交的棱放置在光束的中屯、，虽然在空间 上将光束进行了分离，但是原本的光束中屯、变成了分束后光束的边缘，难W保证分束后的 激光光束质量。
[0007] 本发明通过引入达曼光栅，提供一种点阵扫描制备黑娃的方法和装置。达曼光栅 作为夫巧和费型光学器件，入射波经过它所产生的夫巧和费衍射图样是一定点阵数目的等 光强光斑，完全避免了一般振幅光栅因sine函数强度包络所引起的谱点光强的不均匀分 布。此外，达曼光栅光束均匀性不受入射光强影响，便于利用常规大规模集成电路技术进行 加工，而且具有高的衍射效率，如二值达曼光栅衍射效率极限可达80%，而连续型位相的达 曼光栅衍射效率极限高达97~98%。上述优点使得达曼光栅成为一种理想的分束器件。 [000引采用脉冲激光对娃进行刻蚀，其能量密度需大于娃的烙化阔值1.化J/m2。单束激 光福照娃表面，其能量密度计算公式如下：
[0009]
1-1
[0010] 单束激光经达曼光栅分束后变成NXN点阵激光，点阵激光福照娃表面的能量密 度为：
[0011]
L2
[0012] 脉冲激光器单脉冲能量和平均功率的关系为：
[0013]
1.3
[0014]上述公式1. 1、1. 2及1. 3中，I为激光通量（激光能量密度），P为激光平均功率，E为激光的单脉冲能量，n为达曼光栅的衍射效率，N为达曼光栅分束比参数，f为激光重 复频率，n为圆周率常数，R为入射到娃片表面的激光光斑半径。
[0015]实际制备黑娃时，受到娃烙化阔值的限制，达曼光栅分束比参数N的数值与脉 冲激光器功率成正比。W飞秒激光器为例，如波长800皿，重复频率1曲Z，激光光斑直径 200ym，达曼光栅的衍射效率nW70%计算，当激光通量大于1.化J/m2时，由公式1.2可 知激光器的平均功率须满足P/N2大于0. 047W，即激光器的单脉冲能量E须满足E/N2大于 0. 047mJ。目前重复频率1曲Z、单脉冲能量12mJ的飞秒激光器已经实现量产，若E取12mJ， 则妒小于255即可，故而可采用达曼光栅将单束激光分为15X15的点阵激光来制备黑娃。 随着脉冲激光器的单脉冲能量逐步提高，该种采用达曼光栅点阵扫描制备黑娃的方法将会 越来越具有吸引力。
【发明内容】
[0016] 本发明的目的是为了解决传统逐点扫描方式制备黑娃加工速度慢，在制备大面积 黑娃时，耗费时间长的问题，提供了一种点阵扫描制备黑娃的方法和装置。
[0017] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0018] 本发明的一种点阵扫描制备黑娃的装置，该装置包括脉冲激光器、光阔、反射镜、 半波片、偏振片、快口、扩束镜、聚焦透镜、达曼光栅、样品架、样品室、=维平移台；激光从激 光器发出，依次通过上述元件；还包括计算机，计算机通过快口控制器和=维平移台控制器 分别控制快口的开闭和=维平移台的运动。
[0019] 本发明的一种点阵扫描制备黑娃的方法，具体步骤为：
[0020] 步骤1 ;将娃片置于含渗杂物质的样品室中；
[0021] 步骤2 ;将脉冲激光器的单束激光依次通过光阔、反射镜、半波片、偏振片、快口、 扩束镜、聚焦透镜和达曼光栅等元件得到点阵激光；
[0022] 步骤3 ;通过计算机控制快口的开闭和S维平移台的运动实现点阵扫描，得到表 面为微尖锥结构的黑娃材料。
[0023]上述步骤1中娃片为P型娃或n型娃，其晶向为（001)或（111)。
[0024] 所述的渗杂物质为气态、粉末态的硫系物质或气态含氮元素的物质。气态硫系物 质为&S或SFe，粉末态硫系物质为S、Se、Te粉末；含氮元素的物质为馬或NF3。
[0025] 上述步骤2中脉冲激光器为纳秒、皮秒或飞秒激光器，脉冲激光器的频率为1~ 10曲Z。所述达曼光栅为单个或组合的达曼光栅，单束激光经过达曼光栅后变为均匀的点阵 激光。点阵激光的光点个数由设计的达曼光栅分束比决定；点阵激光的光点间距受达曼光 栅的光栅晶格常数影响，同时也受达曼光栅与样品架的距离影响；点阵激光中单个光点的 直径可W通过改变达曼光栅与样品架的距离来调节，单个光点直径范围为10~600ym。
[0026] 上述步骤3中点阵激光福照到娃表面时单个光点的能量密度大于娃的烙化阔值 1.5kJ/m2。在制备大尺寸黑娃时，先通过S维平移台控制样品架沿水平方向扫描。待水平 方向扫描完毕后，关闭快口，然后通过=维平移台控制样品架沿纵向移动一段距离，打开快 n，重复水平方向的扫描。其中纵向移动距离a与点阵激光的点阵常数bW及达曼光栅分 束比参数N满足关系a=N?b/ (N-1)。
[0027] 有益效果
[002引本发明通过引入达曼光栅，将单束激光变成二维的等光强阵列光束。达曼光