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摘 要： 摘 要：為了解決飛秒激光加工硬質材料所帶來的表面質量差的問題，提出了離子束刻蝕與飛秒激光復合加工技術.利用飛秒激光加工技術在碳化硅表面制備微納結構圖形，然后通過離子束刻蝕技術對碳化硅微納結構進行刻蝕，以調控結構的線寬和深度，使結構表面粗糙度
摘 要：為了解決飛秒激光加工硬質材料所帶來的表面質量差的問題，提出了離子束刻蝕與飛秒激光復合加工技術.利用飛秒激光加工技術在碳化硅表面制備微納結構圖形，然后通過離子束刻蝕技術對碳化硅微納結構進行刻蝕，以調控結構的線寬和深度，使結構表面粗糙度由約106nm 降低到11.8nm.研究表明，利用該技術制備的碳化硅菲涅爾波帶片展現出良好的聚焦和成像效果.
關鍵詞：超快激光;半導體加工技術;離子束刻蝕;碳化硅;微光學元件
0 引言
碳化硅、氮化鎵、金剛石等硬質材料作為第三代半導體材料，其微納結構[1-3]逐漸在微電子[4]、微光學[5]、光電子[6]等領域發揮重要的作用.由于硬質材料具有硬度大、穩定度高等特點，使得對其進行微納加工較為困難.傳統制備微納結構[7]的方法有平面光刻技術[8]、納米壓印[9]、聚焦離子束刻蝕[10]、電子束刻蝕[11]等.這些微納加工方法可以將加工精度縮小到十幾到幾納米之間，具有較高的加工精度[12]，但難以實現三維微納結構的制備.飛秒激光加工[13]由于采用高能量密度激光進行掃描加工，利用非線性效應可以實現對硬質材料的三維精密加工[14]，但是采用高能量飛秒激光進行燒蝕加工會造成結構表面粗糙度大、表面形貌差的問題，難以滿足光學元件對于表面質量高的要求.
為此，本文提出了離子束刻蝕輔助飛秒激光加工技術來降低結構表面的粗糙度.通過飛秒激光加工進行微納結構造型，然后利用離子束刻蝕去除表面碎屑并不斷對結構表面進行平滑，以此實現高平滑度微光學元件的制備.在此基礎上，制備出高表面質量的碳化硅菲涅爾波帶片，展現了良好的成像和聚焦效果.
1 實驗與設備
1.1 飛秒激光加工參數對碳化硅線條結構的影響
實驗中使用的碳化硅樣品為1cm×1cm 大小的方形薄片，厚度為1mm，依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲清 洗 30 min，去 除 表 面 污 染 物，保 持 表 面 潔 凈.首 先 利 用 Ti∶Sapphire飛秒激光放大器 (SpectraPhysics，USA)對干凈的碳化硅樣品進行微納加工，激光器波長λ為800nm，脈沖寬度為100fs，重復頻率為1000Hz，光斑直徑為5mm，實驗中通過80倍的顯微物鏡(數值孔徑dNA為0.85)進行聚焦，由于衍射極限限制，聚焦后的光斑直徑為d=1.22λ/dNA=1.15μm.分別在激光功率為65μW、75μW、90μW、120μW、150μW、175μW 和單點曝光時間為1000μs、2000μs、3000μs、4000μs、5000μs的條件下，在碳化硅表面掃描加工出長為60μm 的線條結構，并利用掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope，SEM)對其進行表征，觀察其表面形貌，如圖1.圖1(a)～(c)為激光功率分別為65μW、90μW、175μW 條件下的不同單點曝光時間的碳化硅線條結構的SEM 照片，可以看出其表面具有較多的散落顆粒，線條結構周圍有很多毛刺，造成其表面的粗糙度較大.而且隨著激光功率和脈沖數的增加，表面散落顆粒增多，表面質量更差.隨后，對飛秒激光加工制備的碳化硅線條結構進行離子束刻蝕15min，刻蝕參數為離子能量600eV、離子束流70mA.利用SEM 對結構表面的形貌進行表征，如圖1(d)～(f)，從圖中可以看出碳化硅線條結構周圍的毛刺基本消失，線條結構表面的粗糙度得到顯著改善.結構表面粗糙度的改善得益于兩方面：1)利用飛秒激光燒蝕對材料進行微納加工過程中，除了在表面形成微納結構外，同時在材料內部會形成改性層，導致材料的相變以及化學成分的改變，這些變化直接影響材料的刻蝕或腐蝕速率[15，16]，改性層與未改性區域之間具有光滑的界面;2)表面微納結構的尖端部位由于具有較低的表面結合能，更易于被刻蝕，因此在刻蝕過程中會使表面逐漸的平滑[17].
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利用共聚焦顯微鏡對碳化硅線條結構進行觀察，得到線條結構的寬度和深度隨激光能量和曝光時間的變化規律，圖2(a)所示為相同單點曝光時間下，不同激光功率的碳化硅線條結構的 SEM 照片，圖2(b)是相同激光功率下，不同單點曝光時間的碳化硅線條結構的 SEM 圖.通過測試獲得如圖2(c)和(d)所示的激光功率、單點曝光時間與線條結構的寬度和深度的關系.由圖2(c)可以看出在相同單點曝光時間下，隨著激光功率的增加，碳化硅線條結構的寬度和深度逐漸變大.由圖2(d)可以看出在相同激光功率下，隨著單點曝光時間的增加，碳化硅線條結構的寬度和深度逐漸變大.激光脈沖能量的增加導致激光在焦點處光斑的橫向以及縱向的能量分布隨之增加，從而形成的結構的寬度和深度隨之增加.而單點曝光時間的增加使得累計在局部區域的能量增加，對材料的影響與直接的脈沖能量增加類似，同樣會使形成的線條結構的寬度和深度增加.表1和表2為在不同激光功率和單點曝光時間的條件下制備的碳化硅線條的深度和寬度.線條的深度和寬度隨著激光功率和單點曝光時間的增加而增加，可知碳化硅線條結構的寬度和深度可以通過激光功率和單點曝光時間進行靈活調控.
1.2 離子束刻蝕對飛秒激光加工后結構粗糙度的影響
用激光功率為40μW、單點曝光時間為1000μs的飛秒激光脈沖在碳化硅表面加工出20μm×20μm的微米級方塊結構，對制備好的碳化硅結構進行離子束刻蝕，離子束刻蝕的參數為離子能量600eV、離子束流70mA，刻蝕時間分別為5min、10min、30min.對刻蝕不同時間的碳化硅方塊結構進行原子力顯微鏡測試，圖3表示不同刻蝕時間下碳化硅方塊結構的表面形貌.由于表面微納結構的尖端部位具有較低的表面結合能，更易于被刻蝕，因此在刻蝕過程中會使表面逐漸平滑.從圖中也可以看出隨著刻蝕時間的增加，碳化硅方塊結構的粗糙度Ra逐漸降低，從刻蝕前的106nm 降低到刻蝕30min后的11.8nm.隨著刻蝕時間的增加，結構表面質量逐步得到改善.
2 碳化硅菲涅爾波帶片的制備
通過實驗摸索，選取合適的加工參數實現碳化硅表面菲涅爾波帶片的制備.飛秒激光加工參數為激光功率40μW、單點曝光時間1000μs.圖4(a)所示為刻蝕前的碳化硅菲涅爾波帶片的SEM 圖，圖4(b)為其局部放大圖，從圖中可以看出飛秒激光加工后的碳化硅菲涅爾波帶片結構表面比較粗糙.對飛秒激光加工后的菲涅爾波帶片采用離子束刻蝕處理，離子束刻蝕的參數為離子能量600eV、離子束流70mA，刻蝕10min后，對碳化硅菲涅爾波帶片進行SEM 測試，如圖4(c)，圖4(d)為其局部放大圖，從圖4(c)和(d)中可以看出刻蝕后的碳化硅菲涅爾波帶片粗糙度顯著降低，消除了激光誘導產生的周期性條紋結構，表面變得比較平滑.
對刻蝕前后的碳化硅菲涅爾波帶片進行共聚焦顯微鏡測試，如圖5(a)和(b)，可以看出由于加工過區域的粗糙度較大，因而刻蝕前的碳化硅菲涅爾波帶片的反射率較差，而刻蝕后的碳化硅菲涅爾波帶片表面粗糙度較小，反射率較高.而且表面粗糙度的降低會降低結構對光的散射，從而增加器件對光的透過率.對碳化硅菲涅爾波帶片進行光學效果測試，圖5(c)和(d)分別為離子束刻蝕前碳化硅菲涅爾波帶片的聚焦和成像的光學照片.圖5(e)和(f)分別是離子束刻蝕后碳化硅菲涅爾波帶片聚焦和成像的光學照片，可以看出，與飛秒激光直寫制備的菲涅爾波帶片相比，使用離子束刻蝕輔助飛秒激光加工制備的碳化硅菲涅爾波帶片能夠呈現更為清晰的聚焦和成像效果.
3 結論
通過離子束刻蝕輔助飛秒激光加工技術可以解決飛秒激光直寫硬質材料所帶來的表面形貌差、粗糙度高的問題，將碳化硅表面結構粗糙度從106nm 降低到11.8nm，大幅度降低飛秒激光直寫后碳化硅的表面粗糙度.通過對飛秒激光直寫碳化硅和離子束刻蝕碳化硅的參數摸索，制備了具有較好表面質量、較低粗糙度的碳化硅菲涅爾波帶片，其具有較好的聚焦和成像效果.研究結果驗證了離子束刻蝕輔助飛秒激光加工技術對于碳化硅結構高精度加工的可行性，為碳化硅微納加工提供的新的方案.
