專利名稱：利用可控脈沖激光加工納米結構的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用激光加工半導體材料的裝置，尤其是一種利用可控脈沖激光加工納米結構的裝置。
背景技術：
當今的信息光子化發展進入芯片上的光電子集成與芯片級的全光化，這是實現光量子信息處理和光量子信息計算的關鍵，而作出硅芯片上的用于光互聯的光源與傳播節點是一項瓶頸性的工作。另外，讓半導體發光與照明走進千家萬戶勢在必行，是低碳與環保的需求。目前，急需高亮度發光材料與元器件的制備和加工技術。當前，常見的發光材料與元器件的制備和加工傳統技術是分子束外延(MBE)技術 和化學氣相沉積(CVD)技術，但是，其成本較高且較難控制，故不易將其從實驗室推廣至產業化。
發明內容本實用新型的目的是提供一種利用可控脈沖激光加工納米結構的裝置，它可以加工高亮度的發光材料和硅基納米發光材料，并且成本低廉,易于產業化，以克服現有技術的不足。本實用新型是這樣實現的利用可控脈沖激光加工納米結構的裝置，包括真空腔體，在真空腔體的側面設有激光窗口，在激光窗口上設有腔入射鏡，在激光窗口外設有PLE激光透鏡；在真空腔體內設有樣品臺，樣品臺與PLE激光透鏡的光路對應，在樣品臺的后端連接有取樣柄；在激光窗口外設有光纖探頭，在真空腔體外設有光譜儀，光纖探頭與光譜儀連接。在激光窗口外設有PLD激光透鏡，在真空腔體內設有靶臺，靶臺與PLD激光透鏡的光路對應。通過切換光路，可以實現PLE加工、PLD加工或PLE與PLD的復合加工。光纖探頭為雙向光纖探頭，在光纖探頭上連接有LD激發光源。雙向光纖探頭可以發出激發光對真空腔體內的樣品進行照射，進行樣品的光致熒光(PL)光譜檢測。最近發展起來的脈沖激光等離子體沉積(PLD)技術是一項較好的制膜技術，我們將其利用研發出具有脈沖激光等離子體沉積(PLD)和脈沖激光等離子體刻蝕(PLE)復合加工功能的新型光子加工技術，可以制備與加工各種低維納米結構材料，包括半導體的量子點、量子線和量子面及其量子超晶格結構材料，特別是制備與加工高亮度的發光材料和硅基納米發光材料。本實用新型的工作原理是脈沖激光與半導體樣品相互作用可以形成的表面等離子體波，該等離子體波的頻率與脈沖激光的脈寬、脈沖激光的功率及其等離子體中電子的密度等相關，在激光打出的Purcell腔體中可形成駐波，由此刻蝕微納結構，特別是用納秒脈沖激光可制備硅量子點和量子超晶格結構；控制在不同的氛圍下用脈沖激光加工，可以激活微納結構的表面或界面發光中心，其原理是在半導體微納結構展寬的能帶帶隙中形成局域態來構建發光中心，特別是激活硅量子點的發光中心，例如用氧氣、氮氣或空氣等在硅量子點表面形成Si=0、Si-O-Si、Si-N或Si-NO鍵合構筑硅量子點的發光中心，可以獲取不同發光波長的發光材料；光子加工的氣氛可以根據發光工作物質的要求進行可控的激活操作，可用光纖探頭探測其等離子體輝光在不同氣氛中的變化實現精確調控；調用光纖探頭的雙向功能，用LD激發光照射樣品，可實現樣品的在線光致熒光PL光譜檢測。由于采用上述的技術方案，與現有技術相比，本實用新型利用脈沖激光等離子體 刻蝕技術，用光纖探頭探測其等離子體輝光在不同氣氛中的變化，通過改變加工氣氛來獲得對發光工作物質進行可控的激活操作，以實現精確調控；可通過切換透鏡及相應的光路來實現脈沖激光等離子體沉積(PLD)和脈沖激光等離子體刻蝕(PLE)的不同加工功能與復合加工功能；可以對加工完成的產品進行在線光致熒光(PL)光譜檢測；本實用新型可根據對具體加工工藝的調節，加工高亮度的LED發光物質、硅納米結構發光物質和用于發光選模激射的硅基光晶結構等材料。本實用新型裝置結構簡單，在現有設備的基礎上進行改裝集成即可獲得，應用效果好。

圖I為本實用新型的結構示意圖；圖2為本實用新型制備出的硅量子點結構圖；圖3為本實用新型制備出的含硅量子點的光子晶體圖；圖4為制備硅量子點的發光峰圖；圖I中箭頭表示脈沖激光的光路。
具體實施方式
本實用新型的實施例I :利用可控脈沖激光加工納米結構的裝置的結構如圖I所示，包括真空腔體1，在真空腔體I的側面設有激光窗口 2，在激光窗口 2上設有腔入射鏡7，在激光窗口 2外設有PLE激光透鏡3，在真空腔體I內設有樣品臺5，樣品臺5與PLE激光透鏡的光路對應，，在樣品臺5的后端連接有取樣柄6 ;在激光窗口 2外設有光纖探頭8，在真空腔體I外設有光譜儀9，光纖探頭8與光譜儀9連接；在激光窗口 2外設有PLD激光透鏡4，在真空腔體I內設有靶臺7，靶臺7與PLD激光透鏡4的光路對應；光纖探頭8為雙向光纖探頭，在光纖探頭8上連接有LD激發光源10。利用可控脈沖激光加工納米結構的方法，將P型單晶硅片安置在樣品臺5上，在真空腔體I內抽真空，抽至10_5帕，再控制真空腔體I的多氣路進行調控，使樣品處于氬氣氛環境下；選擇波長355nm的納秒脈沖激光頭加工樣品，將對應波長的PLE激光透鏡3安裝好后，使納秒脈沖激光頭發出脈沖激光，通過PLE激光透鏡3從激光窗口 2進入真空腔體I內，然后會聚在P型單晶硅片表面，對P型單晶硅片進行刻蝕加工；在加工過程中，用光纖探頭8探測脈沖激光作用在P型單晶硅片上產生的等離子體輝光中電子光譜的變化，以控制等離子體波性狀，從而控制脈沖激光等離子體波在硅片上制備硅量子點結構；在加工完成后，用光纖探頭8的雙向功能，將LD激發光源10發出的紫外波長的激發光通過光纖探頭8從激光窗口射入真空腔體I內，對加工好的P型單晶硅片進行照射，實現對加工好的樣品在線光致熒光(PL)光譜檢測，完成在線的發光物質結構表征與加工質量測定。利用可控脈沖激光加工納米結構的方法，將P型單晶硅片安置在樣品臺5上，并將硅靶材安裝在靶臺7上，在真空腔體I內抽真空，抽至10_5帕，再控制真空腔體I的多氣路進行調控，使樣品處于氮氣氛環境下，選擇波長為532nm的納秒脈沖激光頭，將對應波長的PLE激光透鏡3及PLD激光透鏡4安裝好后，使納秒脈沖激光頭發出脈沖激光，通過PLE激光透鏡3從激光窗口 2進入真空腔體I內，然后會聚在P型單晶硅片表面，對P型單晶硅片進行刻蝕加工，在加工過程中，用光纖探頭8探測脈沖激光作用在P型單晶硅片上產生的等離子體輝光中電子光譜的變化，以控制等離子體波性狀，從而控制脈沖激光等離子體波在硅片上制備硅量子點結構；在加工完成后，將納秒脈沖激光頭的位置切換到PLD激光透鏡4，納秒脈沖激光頭發出的脈沖激光通過PLD激光透鏡4從激光窗口 2進入真空腔體I內，脈 沖激光會聚在娃祀材上，并控制多氣路調控樣品處于氧氣氛環境下，在含娃量子點的平面光子晶體陣列層上沉積氧化硅層；再進行PLD加工，在氧化硅層上再沉積硅薄膜層；將PLD激光透鏡4的光路切換至PLE激光透鏡3的光路,控制多氣路調控樣品處于IS氣氛和氮氣氛環境下，再回到PLE加工，在硅薄膜層上制備含硅量子點的平面光子晶體陣列多層結構；最終可制備含硅量子點的光子晶體超晶格結構。加工完后，再用光纖探頭的雙向功能，將LD激發光源10發出的紫外波長的激發光通過光纖探頭8從激光窗口射入真空腔體I內，用紫外波長的激發光照射樣品，實現樣品的在線光致熒光(PL)光譜檢測，進行在線的發光物質結構表征與加工質量測定。利用可控脈沖激光加工納米結構的方法，將半導體襯底樣品安置在樣品臺5上，并將硅靶材安裝在靶臺7上，在真空腔體I內抽真空，抽至10_5帕，再控制真空腔體I的多氣路進行調控，使樣品處于氧氣氛環境下，選擇波長為1064nm的納秒脈沖激光頭，將對應波長的PLE激光透鏡3及PLD激光透鏡4安裝好后，使納秒脈沖激光頭發出脈沖激光，該脈沖激光通過PLE激光透鏡3從激光窗口 2進入真空腔體I內，然后會聚在樣品表面，進行刻蝕加工；在加工過程中，用光纖探頭8探測脈沖激光作用樣品上產生的等離子體輝光中電子光譜的變化，以控制等離子體波性狀，從而控制脈沖激光等離子體波在樣品上制備氧化量子點結構；在加工完成后，將納秒脈沖激光頭的位置切換到PLD激光透鏡4，納秒脈沖激光頭發出的脈沖激光通過PLD激光透鏡4從激光窗口 2進入真空腔體I內，脈沖激光會聚在娃祀材上，并控制多氣路調控樣品處于氧氣氛環境下，在含娃量子點的平面光子晶體陣列層上沉積氧化硅層；再進行PLD加工，在氧化硅層上再沉積硅薄膜層；將PLD激光透鏡4的光路切換至PLE激光透鏡3的光路，控制多氣路調控樣品處于氬氣氛和氧氣氛環境下，再回到PLE加工；進一步換置鉺靶材安裝在靶臺7上，再進行PLD加工；最終可加工鑲嵌鉺的氧化硅超晶格結構，該發光材料在光纖通信的第三窗口有很好的發光特性。加工完后，再用光纖探頭的雙向功能，將LD激發光源10發出的紫外波長的激發光通過光纖探頭8從激光窗口射入真空腔體I內，用紫外波長的激發光照射樣品，實現樣品的在線光致熒光(PL)光譜檢測，進行在線的發光物質結構的表征與加工質量的測定。
權利要求1.一種利用可控脈沖激光加工納米結構的裝置，包括真空腔體(1)，其特征在于在真空腔體(I)的側面設有激光窗口( 2 )，在激光窗口( 2 )上設有腔入射鏡(7 )，在激光窗口( 2 )外設有PLE激光透鏡(3 )，在真空腔體(I)內設有樣品臺(5 )，樣品臺(5 )與PLE激光透鏡的光路對應，在樣品臺(5)的后端連接有取樣柄(6);在激光窗口(2)外設有光纖探頭(8)，在真空腔體(I)外設有光譜儀(9 )，光纖探頭(8 )與光譜儀(9 )連接。
2.根據權利要求I所述的利用可控脈沖激光加工納米結構的裝置，其特征在于在激光窗口( 2 )外設有PLD激光透鏡(4 )，在真空腔體(I)內設有靶臺(7 )，靶臺(7 )與PLD激光透鏡(4)的光路對應。
3.根據權利要求I所述的利用可控脈沖激光加工納米結構的裝置，其特征在于光纖探頭(8 )為雙向光纖探頭，在光纖探頭(8 )上連接有LD激發光源(10 )。
專利摘要本實用新型公開了一種利用可控脈沖激光加工納米結構的裝置，包括真空腔體，在真空腔體的側面設有激光窗口，在激光窗口上設有腔入射鏡，在激光窗口外設有PLE激光透鏡，在真空腔體內設有樣品臺，樣品臺與PLE激光透鏡的光路對應，在樣品臺的后端連接有取樣柄；在激光窗口外設有光纖探頭，在真空腔體外設有光譜儀，光纖探頭與光譜儀連接。本實用新型利用脈沖激光等離子體刻蝕技術，用光纖探頭探測其等離子體輝光在不同氣氛中變化，通過改變加工氣氛來獲得對發光工作物質進行可控的激活操作；本實用新型可通過切換光路來實現PLE和PLD的復合加工，制備各種半導體發光納米結構，特別是含量子點的超晶格發光結構。
文檔編號B82Y40/00GK202657951SQ201220093380
公開日2013年1月9日 申請日期2012年3月14日 優先權日2012年3月14日
發明者黃偉其 申請人:貴州大學