Einfluss der Filmdicke in laserinduzierten periodischen Strukturen auf amorphe Si-Filme

Seit die Wissenschaftler der Bell Labs im Dezember 1947 den ersten Transistor der Welt erfunden haben, hat eine Revolution in der Mikroelektronik-Technologie den Lebensstil weltweit tiefgreifend beeinflusst. Da die Elektronik immer kleiner wird, ist es eine Herausforderung, eine einfache, schnelle und kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung von Mikro-Nano-Komponenten zu finden. Herkömmliche Direktschreibverfahren wie mechanisches Ritzen, fokussiertes Ionenstrahlätzen, Elektronenstrahllithographie, Multiphotonenpolymerisation und thermisches Rastersondenätzen sind ineffizient.

Obwohl Methoden wie Nanoimprinting, Photolithographie, Plasmaätzen und Scanning-Laser-Interferenzätzen die Verarbeitungsgeschwindigkeit effektiv erhöhen können, erfordern sie im Allgemeinen mehrere Prozessschritte wie die Herstellung von Masken oder erfordern sehr raue Arbeitsumgebungen und erfordern spezielle Materialien.

Die Verwendung eines Femtosekundenlasers zur Induktion einer selbstorganisierten periodischen Oberflächenstruktur zur Herstellung einer Nanogitterstruktur hat Aufmerksamkeit erregt. Laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS) nutzen die Interferenz zwischen einfallendem Licht und elektromagnetischen Oberflächenwellen, um das Material zu ätzen, wodurch eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erzielt wird. Darüber hinaus vereinfacht die selbstorganisierte Verarbeitungsmethode im Vergleich zur herkömmlichen Laserinterferenzverarbeitungsmethode den Versuchsaufbau und das Scannen mit einem großen Lichtfleck erhöht die Herstellungsgeschwindigkeit.

Forscher unter der Leitung von Prof. Min Qiu von der Westlake University, China, verfügen über umfangreiche Forschungserfahrung im Bereich LIPSS. Sie haben kürzlich herausgefunden, dass, wenn ein periodisches Gitter auf der Oberfläche eines dünnen a-Si-Films induziert wird, die Periode des Gitters durch die Interferenz von einfallendem Licht mit unterschiedlichen Ursprüngen elektromagnetischer Wellen beeinflusst wird. Ihr Artikel „Impact of film thick in laser-induzierten periodischen Strukturen auf amorphen Si-Filmen“ wurde in veröffentlicht Grenzen der Optoelektronik.

Wenn die Dicke des amorphen Siliziumfilms gering ist (50 nm) und das Substrat aus einem Nicht-Silizium-Material besteht, wird LIPSS mit einer kleinen Periode unter der Dominanz des Plattenwellenleitermodus induziert. In diesem Fall ändert sich bei einer Änderung des Substratmaterials (Änderung des Brechungsindex) auch die Periode des LIPSS. Wenn die Dicke des amorphen Siliziumfilms groß ist (200 nm), interferiert das einfallende Licht mit der quasizylindrischen Welle und induziert das Wachstum von LIPSS unter der gemeinsamen Wirkung von Nahfeld und Fernfeld. Die LIPSS-Periode in diesem Modus ist etwas kleiner als die Laserwellenlänge und unabhängig vom Substratmaterial. Auf Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethoden basierende numerische Simulationen unterstützen die experimentellen Entdeckungen.