關(guān)鍵詞：飛秒激光；泵浦?探測；時空成像；激光誘導(dǎo)表面周期性結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TN 249 文獻標(biāo)志碼：A

引言

飛秒激光憑借其極短的脈沖寬度和極高的峰值功率等特點在材料微納加工方面有著獨特的優(yōu)勢，可以對金屬、半導(dǎo)體以及介質(zhì)等幾乎任何材料的表面或內(nèi)部實現(xiàn)微/納米級的精細加工。近年來，飛秒激光誘導(dǎo)表面納米結(jié)構(gòu)技術(shù)迅速發(fā)展成為一種強大、靈活的功能化表面制造技術(shù)，其中激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)（laser induced periodic surface structures，LIPSS）技術(shù)[1]因其在金屬[2-3]、半導(dǎo)體[4-5]、陶瓷[6]、聚合物[7]等不同材料表面均可形成周期性結(jié)構(gòu)而得到廣泛關(guān)注。同時，LIPSS結(jié)構(gòu)在材料性能改性方面具有許多重要的應(yīng)用，如材料結(jié)構(gòu)色[8]、潤濕性[9]、生物特性[10-11]、表面增強拉曼散射（SERS）[12-13]等。在LIPSS產(chǎn)生過程中，激光偏振態(tài)、激光功率、脈沖數(shù)量等諸多參數(shù)對誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的形貌特征和周期都會造成影響。因此，LIPSS形成過程的瞬態(tài)成像對于明確其形成機制、分析不同參數(shù)對表面結(jié)構(gòu)的影響至關(guān)重要。它有助于更好地理解激光與材料相互作用的機制，從而實現(xiàn)對LIPSS結(jié)構(gòu)的調(diào)控。

近年來，國內(nèi)外針對LIPSS結(jié)構(gòu)形成過程中的瞬態(tài)特性研究開展了大量工作[14-18]。例如：2016年，Garcia-Lechuga等開發(fā)了超快移動點顯微鏡技術(shù)，并用其研究了硅表面線掃描所產(chǎn)生的LIPSS結(jié)構(gòu)形成的超快動態(tài)過程[14]；2017年，賈天卿教授課題組利用泵浦?探測技術(shù)成功研究了金膜表面LIPSS形成及抹除的動態(tài)過程[15]；2022年，袁小聰教授團隊將飛秒泵浦?探測技術(shù)與結(jié)構(gòu)光照明顯微成像相結(jié)合，研究了硅表面LIPSS結(jié)構(gòu)的形成過程并獲得了其表面動態(tài)三維形貌[16]；2024年，賈天卿教授課題組又進一步利用泵浦?探測顯微鏡研究了硅表面高空間頻率LIPSS的形成機制[17]；2024年，韓冰教授課題組在理論上模擬了金表面的周期性結(jié)構(gòu)瞬態(tài)特性，理論上支持了LIPSS結(jié)構(gòu)形成的SPP干涉模型[18]。這些工作在理論或?qū)嶒炆?，解釋了超快（fs～ns）時間尺度下LIPSS結(jié)構(gòu)的形成機理。

第三代新型半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC），具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等特點，是半導(dǎo)體材料以及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的重要材料之一。對SiC、硼硅玻璃等寬禁帶半導(dǎo)體材料表面LIPSS進行研究[19-21]能夠拓寬其在器件制造等領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，絕大部分LIPSS超快成像研究都基于金屬、Si等材料，對于SiC表面LIPSS形成的超快動態(tài)研究目前還比較少。為了優(yōu)化SiC的加工工藝以及加工質(zhì)量和效率，研究飛秒激光與SiC的作用過程十分重要。因此，本文在飛秒誘導(dǎo)SiC表面結(jié)構(gòu)的實驗系統(tǒng)上，進一步集成了泵浦?探測時空成像系統(tǒng)，利用不同能量的飛秒線偏脈沖誘導(dǎo)SiC表面產(chǎn)生的LIPSS結(jié)構(gòu)，研究了其分布特性并利用泵浦?探測技術(shù)獲得了LIPSS結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)產(chǎn)生過程的三維時空成像。其中，波長為800nm的泵浦光用于誘導(dǎo)LIPSS結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，以二次諧波（400nm）作為探測光并通過精密位移平臺調(diào)節(jié)兩束光之間的光程差實現(xiàn)時空成像。本文探究了脈沖數(shù)量、脈沖能量對LIPSS結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)在第二個脈沖后LIPSS結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)，且脈沖能量與LIPSS形貌緊密相關(guān)；進一步，利用泵浦?探測系統(tǒng)實現(xiàn)了飛秒脈沖沖擊表面、LIPSS結(jié)構(gòu)開始形成、加深、冷卻的超快動態(tài)形貌成像。該工作有助于理解超快激光與SiC相互作用的本質(zhì)，實現(xiàn)對SiC表面LIPSS加工的調(diào)控。

1實驗系統(tǒng)

本文所構(gòu)建的飛秒加工?成像實驗系統(tǒng)光路如圖1所示，通過程序控制XYZ三軸位移臺運動實現(xiàn)泵浦光（紅色）在樣品表面的加工；經(jīng)過樣品反射的探測光（紫色）與經(jīng)過另一干涉臂的參考光一起進入CCD中，由CCD捕獲表面干涉圖像，從干涉條紋的變化中提取樣品表面相位信息。其中：LIPSS加工模塊用于誘導(dǎo)SiC表面LIPSS結(jié)構(gòu)的形成，泵浦?探測超快成像模塊用于LIPSS結(jié)構(gòu)形成動力學(xué)過程探測。實驗中所使用的飛秒初始脈沖寬度為120fs，中心波長為800nm，單脈沖能量為6mJ。初始脈沖通過β?硼酸鋇（BBO）晶體后部分轉(zhuǎn)化為中心波長為400nm的二次諧波，經(jīng)二向色鏡（DM1）后分為兩束，其中：中心波長為800nm的初始脈沖作為泵浦光（圖1中紅色所示），用于誘導(dǎo)SiC表面LIPSS結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生；中心波長為400nm的倍頻光作為探測光（圖1中紫色所示），一方面便于隔絕800nm散射光對探測的影響，另一方面在可見光范圍內(nèi)能夠獲得更高的空間分辨率。根據(jù)泵浦?探測原理，光學(xué)延遲線設(shè)置在探測光路上，根據(jù)延遲線的最大量程（500mm）以及最小精度（1μm），可以計算出實驗上可實現(xiàn)的最大時間量程為10ns，最小時間步長為20fs。

在泵浦光路中，針對脈沖數(shù)量對加工LIPSS結(jié)構(gòu)的影響分析，實驗中通過控制快速機電快門（shutter）的開閉時間實現(xiàn)單個脈沖的篩選，以保證精確控制入射至樣品表面的脈沖數(shù)。此外，為了分析不同入射功率對LIPSS結(jié)構(gòu)的影響，光路中放置了多個可調(diào)節(jié)步進衰減片以及半波片（HWP）?偏振片（P1）組，以實現(xiàn)對單個泵浦脈沖能量、脈沖偏振態(tài)的精確控制。

在探測光路中，利用二向色鏡（DM2）將泵浦光與探測光一起耦合至顯微物鏡（MO1）中，通過物鏡聚焦至SiC樣品表面，并利用CCD收集表面的探測脈沖反射光。為了隔離泵浦光散射光的影響，在CCD前設(shè)置了一個短波通濾波片，僅讓400nm的探測光透過。在實驗中，調(diào)節(jié)延遲線控制兩束光之間的光程差，從而改變泵浦光與探測光到達樣品表面的時間差。通過重復(fù)測量，即可在CCD中獲得泵浦光沖擊樣品后不同時刻下的表面圖像。

樣品表面LIPSS結(jié)構(gòu)的超快形貌獲取是通過構(gòu)建邁克爾遜干涉儀來實現(xiàn)的。其中，當(dāng)探測光入射至泵浦光燒蝕所產(chǎn)生的LIPSS結(jié)構(gòu)時，反射光的相位被調(diào)制，通過對反射探測光的相位分析即可實現(xiàn)對LIPSS結(jié)構(gòu)的成像。為了獲取反射光的相位，探測光經(jīng)過分束鏡（BS）被分為能量相等的兩束，其中一束參考光被一個裝在位移臺上的反射鏡反射，通過位移臺可精密調(diào)節(jié)參考光與探測光之間的光程。兩束光通過透鏡（L3）準(zhǔn)直后在CCD平面上發(fā)生干涉，該干涉圖像攜帶了樣品表面的相位信息，反射光的相位與其表面高度線性相關(guān)，可以通過三角測量法實現(xiàn)相位檢測[22]。通過標(biāo)定相位?高度對應(yīng)關(guān)系，即可將相位圖像映射到高度上。三維圖像重建所使用的算法為傅里葉變化輪廓術(shù)（FTP）[16，23-24]，對CCD相機所采集到的干涉圖像進行傅里葉變換，使用濾波窗口取出+1或?1級便能夠計算出樣品的高度信息[25]。隨后，通過傅里葉變換分析捕捉到的干涉圖案，就能獲得時間分辨的LIPSS結(jié)構(gòu)三維形貌圖像，從而解釋激光燒蝕的超快動態(tài)過程。

2結(jié)果與討論

2.1飛秒標(biāo)量光束誘導(dǎo)LIPSS結(jié)構(gòu)

本文研究所使用的SiC樣品為具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的4H-SiC晶片，樣品表面進行雙面拋光處理，聚焦物鏡MO1的數(shù)值孔徑NA=0.13，放大倍數(shù)為4×。實驗中，使用飛秒線偏脈沖對材料表面進行微納結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)加工并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)成像，在加工過程中通過控制相應(yīng)參數(shù)來改變加工LIPSS結(jié)構(gòu)的形貌。最后將加工得到的樣品放置在掃描電子顯微鏡（SEM）下，觀察加工結(jié)構(gòu)的最終形貌。

圖2所示為不同脈沖能量及脈沖數(shù)量條件下在SiC樣品表面產(chǎn)生的LIPSS結(jié)構(gòu)，其中入射激光偏振態(tài)為y方向線偏振。圖2（a）表示單脈沖能量較低時的實驗結(jié)果，N為入射激光脈沖數(shù)量。結(jié)果表明：當(dāng)N=1時，SiC樣品表面形成不規(guī)則的微結(jié)構(gòu)；當(dāng)N=2時，SiC樣品表面開始有條紋結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)；當(dāng)脈沖數(shù)量持續(xù)增加至N=10時，SiC樣品表面形成了比較明顯的周期性條紋結(jié)構(gòu)。圖2（b）所示為單脈沖能量較高時的實驗結(jié)果。類似地：當(dāng)N=1時SiC樣品表面同樣只是形成不規(guī)則的微結(jié)構(gòu)；當(dāng)N=2時在燒蝕區(qū)域周圍開始出現(xiàn)條紋結(jié)構(gòu)。隨著脈沖數(shù)量的增加，LIPSS結(jié)構(gòu)逐漸明顯，當(dāng)N=10時出現(xiàn)了周期性較為明顯的條紋結(jié)構(gòu)，且條紋的取向與激光偏振方向垂直。

由于這里加工得到的LIPSS不是嚴(yán)格意義上的標(biāo)準(zhǔn)光柵結(jié)構(gòu)，對圖2（b）中N=10的最終得到的條紋結(jié)構(gòu)SEM圖做傅里葉變換處理計算其周期，取沿Y方向的傅里葉變換強度曲線圖0級與+1級之間距離的倒數(shù)，如圖3所示。得到加工出的LIPSS結(jié)構(gòu)的周期∧=1/（38.09?36.71）≈725nm，略小于飛秒激光的中心波長。用同樣的方式可以得到能量較低情況下的LIPSS條紋周期也為725nm，說明在該條件下脈沖能量對LIPSS條紋的周期幾乎不造成影響。

2.2飛秒激光標(biāo)量光束誘導(dǎo)LIPSS時空成像結(jié)果

對于純空間成像而言，僅能夠看到脈沖作用后的最終結(jié)構(gòu)形態(tài)，而無法對脈沖作用過程中的瞬態(tài)結(jié)果進行觀測。對飛秒加工的瞬態(tài)過程進行成像，有助于理解脈沖與材料作用中的機制及原理，能夠更好地指導(dǎo)和調(diào)控加工結(jié)果。近年來，利用超快成像技術(shù)對LIPSS形成過程分析已經(jīng)開展了大量研究[14-18]，然而所使用的材料通常為Si、金屬材料等，對于SiC的超快動態(tài)研究目前還比較少。對于飛秒激光與SiC作用的超快動態(tài)的研究，在2020年，Satoh等利用超快泵浦?探測顯微鏡研究了SiC的飛秒激光瞬態(tài)燒蝕、相變動力學(xué)，并分析了其不同時間尺度下的動態(tài)過程[26]，但他們的研究僅針對單脈沖沖擊SiC表面，而沒有成像LIPSS結(jié)構(gòu)的形成。因此，在分析了不同能量、不同脈沖數(shù)對SiC表面LIPSS結(jié)構(gòu)影響的基礎(chǔ)上，進一步利用所搭建的飛秒泵浦?探測干涉系統(tǒng)研究了SiC表面LIPSS形成的三維瞬態(tài)動力學(xué)過程[16]。

在泵浦?探測實驗中，顯微物鏡的數(shù)值孔徑為NA=0.9，放大倍率為100×，泵浦光單脈沖的能量為0.45μJ。為了滿足能量密度的要求，在光闌后使用兩個透鏡來改變泵浦光的發(fā)散角。此時，泵浦光在樣品上的影響區(qū)域為衍射艾里斑，以保證誘導(dǎo)出LIPSS結(jié)構(gòu)。在實驗中所測量的艾里斑直徑約為7.54μm，因此泵浦光所對應(yīng)的能量密度為1.01J/cm²，高于SiC的燒蝕閾值（0.69J/cm²）[26]。探測光的功率為0.01J/cm²，遠低于燒蝕閾值，因此探測光不會對樣品造成損傷。為保持一致性，泵浦脈沖偏振態(tài)為y偏振，在實驗中利用連續(xù)的5個脈沖沖擊SiC表面，實驗中所重建出的圖像與AFM之間的對比結(jié)果如圖4所示。圖4（a）為AFM測量結(jié)果，圖4（b）為實驗中的重建結(jié)果，圖4（c）為圖4（a）、（b）虛線處的對比曲線，從AFM掃描結(jié)果以及重建結(jié)果的對比曲線可以看出，在坑中心形成了周期與入射光波長接近的低空間頻率LIPSS（LSFL），周期為755nm，與重建結(jié)果能夠準(zhǔn)確對應(yīng)。

在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)延遲線即可獲得不同時刻的LIPSS結(jié)構(gòu)三維分布圖像，如圖5所示。從三維重建結(jié)果可以看出，在第1個脈沖結(jié)束后，SiC表面形成了一個淺坑，深度大約為69nm；第2個脈沖后形成的坑深度為97nm，前兩個脈沖只是導(dǎo)致燒蝕坑的加深，并沒有形成LIPSS結(jié)構(gòu)，這可能是脈沖功率的高低所導(dǎo)致的。LIPSS結(jié)構(gòu)從第3個脈沖開始出現(xiàn)，并隨著脈沖數(shù)的增加LIPSS結(jié)構(gòu)和坑的深度都逐漸加深，條紋結(jié)構(gòu)更加明顯。

從瞬態(tài)三維成像結(jié)果可以看出，SiC的燒蝕坑并不是隨著時間的推移逐漸加深，而是在百飛秒到幾個皮秒的時間范圍內(nèi)首先形成一個淺坑；在百皮秒量級到1ns的時間范圍內(nèi)，坑逐漸變深；在1ns到4ns的時間范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)逐漸冷卻，高度坑也逐漸變淺。5～400ps之間，坑內(nèi)的吸收率變得非常高而無法重建高度圖像，主要是由于表面燒蝕所導(dǎo)致膨脹層還尚未與周圍介質(zhì)進行熱交換，表現(xiàn)出類似于高溫黑體的特性[26]，導(dǎo)致反射率降低到幾乎為零。

在LIPSS的形成方面，前兩個脈沖只導(dǎo)致了燒蝕坑的加深，但并沒有形成LIPSS結(jié)構(gòu)。在第3個脈沖沖擊表面5ps的時刻下，LIPSS結(jié)構(gòu)在坑底開始產(chǎn)生，這個特征在第3個脈沖的最終形貌中也保留了下來；從第3到第5個脈沖，LIPSS結(jié)構(gòu)與坑結(jié)構(gòu)都逐漸加深，最終形成的結(jié)構(gòu)周期為755nm?？赡苁羌庸す馐陌l(fā)散程度不同，入射角也不同，導(dǎo)致所形成的SPP波與后續(xù)的激光脈沖的干涉周期不同，因此形成了不同周期的LIPSS。

SiC在燒蝕的過程中逐漸形成一個深坑，在1ns左右時刻達到最深，平均深度約為400nm，而LIPSS則在坑底逐漸形成，在1ns后隨著時間的推移逐漸冷卻，并在最終結(jié)構(gòu)中也保留了下來，形成約250nm的燒蝕坑，LIPSS也在坑的底部排布。這主要是由于燒蝕過程中的熱效應(yīng)使SiC液化，液體流動的平滑效應(yīng)導(dǎo)致液態(tài)SiC最終固化后，深度明顯變小。燒蝕坑的主要成因是LIPSS的形成需要將脈沖通量控制在略高于損傷閾值的低通量范圍內(nèi)[27]，此時能量在材料中的傳遞等于激光穿透深度，表面材料的消融主要是由于光學(xué)穿透效應(yīng)而產(chǎn)生的，燒蝕深度與激光穿透深度相等[28]。因此SiC與其他材料（如Si[16]）中燒蝕坑以及LIPSS結(jié)構(gòu)的深度差異，產(chǎn)生的原因之一是材料中激光的穿透深度不同、誘導(dǎo)LIPSS的最適激光通量的不同。

利用超快時空成像技術(shù)對SiC表面LIPSS結(jié)構(gòu)形成的過程進行研究，能夠明確碳化硅加工過程，為相關(guān)物理機制以及更復(fù)雜功能性結(jié)構(gòu)的加工提供依據(jù)。

3結(jié)論

本文基于實驗中所集成的飛秒加工與泵浦?探測系統(tǒng)，研究了SiC表面LIPSS形成的影響因素，并利用泵浦探測技術(shù)分析了飛秒激光誘導(dǎo)SiC表面LIPSS的形成過程，探究了泵浦脈沖數(shù)量、脈沖功率、激光偏振態(tài)對SiC表面LIPSS最終形貌的影響。結(jié)果表明：多個飛秒脈沖沖擊會在SiC表面誘導(dǎo)LIPSS結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)隨著脈沖數(shù)量增加而逐漸加深，表面結(jié)構(gòu)取向與激光偏振方向相互垂直。在此基礎(chǔ)上，基于飛秒泵浦?探測技術(shù)研究了SiC表面LIPSS形成的時空動態(tài)過程。從LIPSS三維成像結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飛秒脈沖的沖擊在SiC表面形成深度為百納米量級的燒蝕坑，LIPSS結(jié)構(gòu)在坑底部規(guī)則排布。本文對SiC表面加工的相關(guān)研究，有助于深入了解LIPSS形成過程中的物理機制，優(yōu)化和豐富SiC表面LIPSS的形成和分布特性，進一步推動SiC的應(yīng)用研究。