CN112828449A - 用激光加工金刚石材料制备的元器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，采用如下装置：激光器，用于控制激光器输出的光束快门，用于放置金刚石的工作台；在激光器激光头和工作台间设聚焦透镜；使激光器发射的激光经聚焦透镜照射在金刚石上；通过控制激光光斑与工作台的相对移动，使激光聚焦在金刚石表面或内部；通过调节激光器输出功率、激光输出的脉冲重复频率及激光斑相对工作台的三维移动速度，使激光辐射区域内金刚石材料转化为石墨相以及无定形碳相，及改变激光辐射区域内材料电导率及电磁波透过率。本发明还公开了采用上述的方法制备而成的元器件。本发明可以在金刚石表面和内部加工自由设计的电磁波调制器、电阻、电容等多种器件。

Description

用激光加工金刚石材料制备的元器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电磁波调制器件及其制备方法，特别涉及一种用激光加工金刚石材料制备的元器件及其制备方法。

背景技术

目前，激光技术不断发展，其应用已经深入到材料科学、光电子器件、3D打印、生物医学等领域。与长脉冲激光相比，超短脉冲激光的脉宽极短，当激光作用到目标材料上时，焦点区域附近不会发生显著的损伤，在短时间内热传导等影响可以忽略不计。随着科技的发展，微电子技术显著推动了信息化社会的发展，目前硅材料仍旧占据着半导体材料领域的90％以上，而新一代半导体材料即第三代宽禁带与超宽禁带半导体材料也越来越受到重视。金刚石属于超宽禁带半导体材料，同时也是超硬材料。超硬材料是指维氏硬度大于40GPa的材料，这类材料具有高电子密度和高键能的共价键，金刚石的耐腐蚀性和优异的光电性能，使其可以作为重要的光学材料和电子材料。

电磁波调制器等一些元器件，主要是基于Si基底的光刻技术实现的，如申请号为202010166069.7的中国发明专利，该技术在Si表面刻蚀，结构实现对电磁波的调制，但是，Si基底对电磁波的透过率较低，此外刻蚀结构受限于加工精度等和结构本身的限制，很难做到对目标波段的电磁波实现较高调制深度。又如申请号为201911264503.9，201810223513.7的中国专利申请，公开了一种电致衬底电导率变化或者载流子浓度变化的电磁波调制器，然而，衬底材料电导率或者载流子浓度的变化范围有限，无法做到完全相变，因此制约了调制器的调制深度。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用激光加工金刚石材料制备的元器件及其制备方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，采用如下装置：激光器，用于控制激光器的激光输出的光束快门，用于放置金刚石材料的工作台；在激光器的激光头和工作台之间设置用于聚焦的聚焦透镜；使激光器发射的激光经过聚焦透镜，照射在工作台上的金刚石材料上；通过控制激光光斑与工作台的相对移动，使激光聚焦在金刚石表面或内部；通过调节聚焦透镜的光学特性参数、激光的输出功率、激光输出的脉冲重复频率及激光光斑相对工作台的三维移动速度，使激光辐射区域内的金刚石材料转化为石墨相以及无定形碳相，进一步改变激光辐射区域内材料的电导率及电磁波的透过率。

进一步地，激光器输出的激光，其能量范围为：30nJ～30μJ，其脉冲重复频率≥100kHz，其脉冲宽度小于100ps。

进一步地，在激光器的激光头和聚焦透镜之间还设置第一反射镜及第二反射镜；使激光器输出的激光依次经过第一反射镜及第二反射镜后射到聚焦透镜上。

进一步地，在激光器的激光头和第一反射镜之间还设置半波片及偏振分束器；使激光器发射的激光依次经过半波片、偏振分束器后射到第一反射镜上。

本发明还提供了一种元器件，该元器件采用上述的用激光加工金刚石材料制备元器件的方法制备而成。

进一步地，元器件为电磁波调制器。

进一步地，元器件为电阻。

进一步地，元器件为电容。

进一步地，元器件为晶体管。

进一步地，元器件为集成电路。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明采用激光器、光束快门及三维移动的工作台；使激光聚焦在金刚石表面或内部；通过调节聚焦镜头的光学特性参数、激光器的输出功率、脉冲重复频率及工作台的三维移动速度，改变激光辐射区域内材料的电导率及电磁波的透过率，三维移动的工作台配合激光的联动，可利用超短脉冲激光可以在金刚石材料表面和内部光刻各种立体形状及结构，从而制成电磁波调制器、电阻、电容等电子元器件和光电元器件。

金刚石是一种耐强酸碱腐蚀、具有非常良好导热性、超硬度耐磨损的材料，随着金刚石薄膜技术的发展和碳基电子、光学、光电子器件的研究推进，本发明有着广阔的使用前景和易于集成的特点。

本发明有以下应用前景及优势：(1)本技术可以在金刚石内部写入自由设计的电磁波调制器件，包括二维或三维微结构的器件，(2)电磁波范围可以覆盖可见光、红外、太赫兹和高频微波波段，(3)本技术可以在金刚石表面和内部刻划电学器件、电子线路，加工区域电导率大范围可调，(4)制备的器件可以自由设计、多功能集成，(5)制备器件精度高，无崩碎和划痕，(6)加工条件容易满足，(7)制备的器件可以在极端环境中使用。

附图说明

图1是本发明的一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法的工作流程图。

图2是本发明的一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法的光路图。

图中：1、飞秒激光器；2、半波片；3、偏振分束器；4、第一透镜；5、第二透镜；6、光束快门；7、第一反射镜；8、电荷耦合元件；9、变焦镜头；10、分光镜；11、白光光源；12、双色镜；13、聚焦透镜；14、金刚石材料；15、工作台。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图2，一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，采用如下装置：激光器，用于控制激光器的激光输出的光束快门6，放置金刚石材料14的工作台15；在激光器的激光头和工作台15之间设置用于聚焦的聚焦透镜13；使激光器发射的激光经过聚焦透镜13，照射在工作台15上的金刚石材料14上；通过控制激光光斑与工作台15的相对移动，使激光聚焦在金刚石表面或内部；通过调节聚焦透镜的光学特性参数、激光的输出功率、激光输出的脉冲重复频率及激光光斑相对工作台15的三维移动速度，使辐射区域内的金刚石材料14转化为石墨相以及无定形碳相，进一步改变激光辐射区域内材料的电导率及电磁波的透过率。

可使发射激光的激光器等光学元器件不动，工作台为三维移动工作台。这样可实现激光器输出的激光相对工作台15移动；也可以将发射激光的激光器等光学元器件设置在一个可移动的加工头上，工作台静止，加工头相对工作台三维移动。

调节聚焦透镜的光学特性参数可通过更换镜头调整。

优选地，激光器可为飞秒激光器或皮秒激光器。激光器输出的激光，其能量范围可为：30nJ～30μJ，其脉冲重复频率可≥100kHz，其脉冲宽度可小于100ps。

优选地，在激光器的激光头和聚焦透镜13之间还设置第一反射镜7及第二反射镜，第二反射镜可为双色镜12；使激光器发射的激光依次经过第一反射镜7及双色镜12后射到聚焦透镜13上。

优选地，在激光器的激光头和第一反射镜7之间还可设置半波片2及偏振分束器3；使激光器发射的激光依次经过半波片2、偏振分束器3后射到第一反射镜7上。半波片2和偏振分束器3两种元件结合可用于辅助调节激光功率。

图2是本发明的一个优选实施例，该实施例采用如下装置：飞秒激光器1、半波片2、偏振分束器3、第一透镜4、第二透镜5、光束快门6、第一反射镜7、电荷耦合元件8、变焦镜头9、分光镜10、白光光源11、双色镜12、聚焦透镜13及工作台15；对金刚石材料14进行加工，飞秒激光器1发射的激光束依次经过半波片2、偏振分束器3、第一透镜4、第二透镜5、光束快门6、第一反射镜7、双色镜12、聚焦透镜13到达工作台15，实现对金刚石材料14的加工。白光光源11用于辅助调整和实时监测，不用于对金刚石材料14的加工。

其中,飞秒激光光源：掺镱的大模场面积光子晶体光纤啁啾脉冲飞秒激光放大系(Photonic Crystal Fiber Chirped Pulse Amplification,PCFCPA)，光源输出飞秒激光的波长为1040nm，重复频率为500kHz，脉冲宽度为270fs，最大输出功率为3W，光斑直径约2.8mm。

半波片即2分之一波片(λ/2plate)，用于调整飞秒激光的偏振状态。

偏振分束棱镜3(Polarization Beam Splitter,PBS)，可以根据激光的不同偏振状态来选择光束的传播方向。半波片与偏振分束棱镜的组合使得可以通过旋转半波片的角度来调节输出激光的能量。

第一透镜4用于对激光进行扩束；焦距比为1:2。

第二透镜5用于对激光进行扩束；焦距比为1:2。

光束快门6即电子快门(Shutter)，可以通过电脑远程操控，以此控制激光曝光时间，光束快门6的最短开闭时间为5ms。

第一反射镜7和双色镜均可用于调整激光光路方向。

电荷耦合元件8(Charge coupled device)，简称CCD，用于收集图像信息。

变焦镜头9用于调节成像放大倍率的镜头组。

聚焦透镜13用于聚焦。可采用数值孔径为0.4的消色差显微镜头(NA＝0.4)，将激光聚焦成一个光束直径约4.5μm的光斑。

白光光源11由白光照明的发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)构造。

金刚石材料14固定在电动三维位移工作台上(XYZ)，工作台的移动可以通过计算机上编写的Labview程序控制，完成飞秒激光对被加工样品的扫描。该移动工作台的最小移动为100nm，行程100mm，最小移动速度1μm/s。

本发明还提供了一种元器件，该元器件采用上述的用激光加工金刚石材料制备元器件的方法制备而成。

上述元器件可为电磁波调制器、电阻、电容、晶体管中的一种。上述元器件还可以为集成电路。

下面以一种用激光加工金刚石材料制备0.45微米～3厘米的电磁波调制器的方法，来具体说明本发明的工作流程。

步骤1.用酒精或丙酮对金刚石表面进行超声清洗。

步骤2.设置加工参数，包括设置激光参数和工作台15参数，设置如下激光参数：激光重复频率为500kHz，激光脉冲宽度为270fs。加工表面和内部所用的激光功率分别为40mW和60mW。

聚焦透镜13的透镜可选用NA＝0.4，工作台15扫描速度为1mm/s，光栅间距依次设置为4微米、10微米、20微米和40微米。

步骤3.将待加工的金刚石固定在移动工作台上，启动激光器及移动工作台15，工作台15跟随电脑等处理器设置的加工轨迹运行，实现光刻加工三维结构的元器件。

调整重复扫描次数。可重复沿轨迹加工。

步骤4.加工后处理，对样品表面重新超声清洗。

当加工电子元器件时，可通过在步骤3，调节加工参数，比如：改变激光功率、扫描速度、重复扫描次数等，可将激光功率调节至150mW，扫描速度设置为0.1mm/s，重复扫描次数设为3次，就可以制备电子元器件。

上述激光器可为现有技术产生的飞秒激光器。上述光学器件可为商用光学元件。上述加工工作台可为商用三维高精度平移台。上述金刚石样品可为商用金刚石单晶片。上述清洗设备可为商用超声清洗设备。

本发明的工作原理：

使用飞秒激光进行加工，通过物镜将激光聚焦在金刚石表面或内部。金刚石在飞秒激光峰值能量高的条件下，由金刚石转化为石墨相以及无定形碳相，电磁波的透过率大幅降低，由此可以达到对电磁波的调制作用。电导率的大幅变化使得这种技术可以在金刚石表面以及内部制作电学器件、刻划电子线路。

通过在光束路径上添加高速光束快门6，激光器可以保持开启，并通过光束快门6控制激光是否照射到样品上，激光器保持输出状态，快门控制样品是否被照射，激光器控制系统控制激光发射脉冲的重复频率及脉宽。

通过设置光学器件，比如可依次设置半波片2、第一反射镜7、双色镜12、聚焦透镜13等，使激光器发射的激光依次经过半波片2、第一反射镜7、双色镜12、聚焦透镜13等，来构造适宜的光路，将激光束垂直照射在三维移动工作台15上的金刚石材料14上。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，其特征在于，采用如下装置：激光器，用于控制激光器的激光输出的光束快门，用于放置金刚石材料的工作台；在激光器的激光头和工作台之间设置用于聚焦的聚焦透镜；使激光器发射的激光经过聚焦透镜，照射在工作台上的金刚石材料上；通过控制激光光斑与工作台的相对移动，使激光聚焦在金刚石表面或内部；通过调节聚焦透镜的光学特性参数、激光的输出功率、激光输出的脉冲重复频率及激光光斑相对工作台的三维移动速度，使激光辐射区域内的金刚石材料转化为石墨相以及无定形碳相，进一步改变激光辐射区域内材料的电导率及电磁波的透过率。

2.根据权利要求1所述的用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，其特征在于，激光器输出的激光，其能量范围为：30nJ～30μJ，其脉冲重复频率≥100kHz，其脉冲宽度小于100ps。

3.根据权利要求1所述的用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，其特征在于，在激光器的激光头和聚焦透镜之间还设置第一反射镜及第二反射镜；使激光器发射的激光依次经过第一反射镜及第二反射镜后射到聚焦透镜上。

4.根据权利要求3所述的用激光加工金刚石材料制备元器件的方法，其特征在于，在激光器的激光头和第一反射镜之间还设置半波片及偏振分束器；使激光器发射的激光依次经过半波片、偏振分束器后射到第一反射镜上。

5.一种元器件，其特征在于，采用权利要求1至4任一所述的用激光加工金刚石材料制备元器件的方法制备而成。

6.根据权利要求5所述的元器件，其特征在于，元器件为电磁波调制器。

7.根据权利要求5所述的元器件，其特征在于，元器件为电阻。

8.根据权利要求5所述的元器件，其特征在于，元器件为电容。

9.根据权利要求5所述的元器件，其特征在于，元器件为晶体管。

10.根据权利要求5所述的元器件，其特征在于，元器件为集成电路。

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