Picosecond Laser Machining of Deep Holes in Silicon Infiltrated Silicon Carbide Ceramics

Silicon infiltrated silicon carbide （Si-SiC） ceramics, as high hardness materials, are difficult to machine, especially drilling micro-holes. In this study, the interaction of picosecond laser pulses （1 ps at 1 030 nm） with Si-SiC ceramics was investigated. Variations of the diameter and depth of circular holes with the growth of the laser energy density were obtained. The results indicate that the increase of machining depth follows a nonlinear relation with the increasing of laser energy density, while the diameter has little change with that. Moreover, it is found that some debris and particles are deposited around and inside the holes and waviness is in the entrance and at walls of the holes after laser processing.

皮秒激光烧蚀碳化硅的改性机理研究

碳化硅材料因其优良的综合性能而广泛应用于高温、高频、高功率的电子器件领域。然而,碳化硅的高硬度和化学惰性给目前的抛光技术带来诸多挑战。使用不同激光注量、扫描速度的激光对碳化硅晶片进行扫描,SEM结果显示随着能量注量的增加,材料的表面形貌历经了纳米颗粒形成到颗粒变得无序再到颗粒融化的状态。EDS和纳米压痕分析结果表明:氧气参与了激光对碳化硅的光致化学反应,辐照表面的弹性模量从347 GPa降低至103.82 GPa,剪切强度由20.90 GPa降低至17.25 GPa。这项研究对于深入理解皮秒激光对碳化硅的改性过程具有重要的探索意义。

皮秒激光功率变化对激光诱导晶体硅变化的影响

为了深入了解皮秒激光烧蚀对晶体硅所造成的影响,使用不同平均功率下的皮秒脉冲激光辐照晶体硅,然后使用X射线光电子能谱仪和透射电子显微镜,分别对被烧蚀晶体硅的化学成分与微观组织结构进行观察与分析。研究发现:随着激光脉冲平均功率的增加,烧蚀产物中晶体硅的相对含量不断下降,而Si O2的相对含量则逐步上升;与此同时,材料的无定形化程度也随之加剧。最终认为:因激光脉冲平均功率增加而逐渐升高的激光能量密度是诱导上述实验结果出现的主要原因,并最终不断扩大并加剧着材料所受到热与机械损伤的范围与程度。

激光脉冲照射硅时若干物理量的计算

本文计算了由毫微秒和微微秒激光脉冲照射而在硅晶体中产生的晶格温度、载流子浓度和载流子温度的时间演变和空间分布,本文用PDECOL软件包计算一组关于晶格温度、载流子浓度、载流子温度和激光强度的偏微分方程组的数值解。计算表明,热载流子的能量弛豫时间应为1ps或小于1ps,计算的熔化阈值与发表的实验结果是一致的。

532 nm皮秒脉冲激光对单晶硅的损伤特性研究

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。

皮秒激光加工的微织构对碳化硅润湿性的影响

为改善碳化硅的表面润湿性能,本研究利用脉冲激光加工表面处理和化学改性分别改善了碳化硅的表面形貌和表面能。实验选用皮秒激光加工方式构造表面微织构,利用激光共聚焦显微镜分析了微织构的微观形貌,并进一步分析了烧蚀形态与激光自身特性和加工参数之间的联系。研究发现,激光加工效果以烧蚀为主,重熔为辅,而由于碳化硅烧蚀阈值和激光能量在光斑中的高斯分布特性,形成的微织构的烧蚀凹槽呈倒三角形。此外,选用的氟硅烷修饰剂使碳化硅表面从亲水表面转变为疏水表面;通过改变加工参数获得不同微织构并进行氟硅烷修饰后,碳化硅表面接触角最大提高到157°,达到了超疏水效果。为了进一步探讨微织构对疏水性的影响原理,提出了一个基于实际形貌参数的固液接触角模型。该模型阐释了接触角随微织构特征参数变化的机制,固、气、液两两之间的接触面积影响了表面润湿性,这为寻找具有最佳疏水性能的微织构提供了新的理论指导。

皮秒激光熔覆硼掺杂硅纳米浆料的实验研究

采用硼掺杂的硅纳米颗粒和有机载体混合配制的硅浆料作为原料，以标准太阳能电池工艺中的预处理硅片作为基片，在硅片背面丝网印刷硅浆料，烘干后形成硅纳米薄膜，经皮秒激光熔覆形成掺杂的硅熔覆层，同时硼元素扩散进入硅基片。采用激光形貌仪、扫描电子显微镜、二次离子质谱等手段分析了熔覆层的组织结构和硼元素的掺杂情况。结果表明，皮秒激光形成的硅熔覆层组织均匀致密，与基体之间结合紧密，无裂纹、孔洞等缺陷。硅熔覆层中的硼掺杂浓度最高达到3×10^19atom／cm3，在硅基体内扩散深度为0．5～1μm。在中电电气（南京）光伏有限公司太阳能电池生产线上进行了电池制备实验，平均光电转换效率达到20．3％。

皮秒激光扫描硅材料微孔自成形行为及机理研究

采用脉宽为10 ps、频率为200 kHz、波长为1064 nm的皮秒激光在硅表面扫描会自成形微孔结构,通过改变脉冲能量密度、扫描速度和扫描次数,实验研究了微孔的演变规律。结果表明:不同参数对微孔的影响可以归纳为脉冲能量密度和单位面积内有效脉冲数。随着脉冲能量密度的增加,微孔逐渐向沟槽两侧移动,由初始的随机排列演变成一维线性均匀排列;随着单位面积内有效脉冲数的增加,边缘两侧微孔数量由少变多,尺寸由小变大,最终消失。通过模拟温度场分析了不同温度下材料相变和表面张力的变化,发现在表面张力的驱动下液相硅凝固形成凸起,凸起导致激光能量不均匀沉积,最终形成微孔。这表明微孔自成形的物理机理为激光诱导材料相变和马兰戈尼效应的共同作用。

紫外皮秒激光刻蚀体硅工艺研究

针对体硅的加工应用,开展皮秒紫外激光三维刻蚀单晶硅工艺研究。通过工艺实验,得出在激光脉冲能量6μJ,固定XY点间距4μm,在单晶硅上刻蚀600μm×600μm方槽,单次去除的深度在1μm,单次加工用时0.5 s,加工的侧壁在14°,可以获得较好的200μm深度的三维结构。皮秒紫外激光体硅加工在工艺流程上更为简洁,加工效率高,对环境污染小,设备成本小。

皮秒激光-化学复合法制备高效减反射晶硅表面微结构研究

基于皮秒激光的“冷加工”特点,进行了用皮秒激光辐照结合快速化学腐蚀（Na OH溶液：质量分数为4%,不大于3 min,80℃水浴）调控工艺制备高效减反射晶硅表面微结构的研究,在400-1000 nm波长的宽光谱范围内,获得了微-纳双结构微孔阵列和圆顶锥形周期性阵列两种减反射表面,前者的平均反射率低于5%,后者的平均反射率低于10%。制备过程中工艺可控性强,无需掩膜和真空环境。研究了激光工艺参数和化学腐蚀参数的不同调控匹配在微结构单元形成中的作用机制,分析了所制备表面微结构的减反射机理,为太阳能电池和其他半导体器件中硅基减反射表面微结构的低成本激光可控制造提供了重要的指导。

皮秒激光多光束并行切割硅片工艺研究

利用绿光皮秒激光器结合空间光调制器和GS反馈算法,实现对硅片的并行切割工艺研究,分析多光束之间相邻光束的光斑重叠率、光束离焦量、离焦光束单脉冲能量对切缝深度和切缝底部平坦程度的影响。研究结果表明,多光束中相邻光束之间的重叠率应控制在70%~80%之间,可以使次切割深度最大且切割槽底部平坦。对阵列光束进行正离焦,有利于提升切割槽底部平坦程度。离焦量由聚焦光束瑞利长度和光束像差共同决定,试验条件下离焦量控制在1~2倍的瑞利长度可获得最佳效果。多光束离焦后切割深度降低,在一定范围内,可以通过提高多光束中离焦光束的单脉冲能量有效提升切割深度,且不影响切割槽底部的平坦程度。