[發明專利]一種表面功能復合結構化單晶碳化硅的制備方法

有效

• 申請號: 202011380135.7
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112548359B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 戴厚富;岳海霞;蒙小松
• 申請（專利權）人: 貴州大學
• 主分類號: B23K26/364
• 分類號: B23K26/364;B23K26/00;B23K26/60
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 張成

本發明公開了一種表面功能復合結構化單晶碳化硅的制備方法，所述方法包含有如下步驟：一、待加工單晶碳化硅晶片的處理；二、將處理完成的單晶碳化硅晶片進行初步結構化；三、將已完成初步結構化的單晶碳化硅晶片進行第二次結構化，在晶片表面形成刀刃形溝槽，完成第二次結構化，形成最終的復合結構化表面，該表面包括有三角形肋條溝槽和刀刃形溝槽。利用飛秒激光對單晶碳化硅表面進行材料去除型燒蝕加工，初步結構化成三角形肋條溝槽，然后在初步結構化的基礎上進行第二次結構化，使表面加工出刀刃形溝槽，最終形成復合結構化的表面，得到良好的表面以及邊緣形貌。

技術領域

本發明涉及一種半導體材料制備方法，尤其涉及一種表面功能復合結構化單晶碳化硅的制備方法，屬于激光微納加工技術領域。

背景技術

現今的半導體行業中，對于高頻率、大功率、耐高溫、化學穩定性好的要求越來越高，同時還要求電子器件可以在強輻射環境中保持正常的工作狀態。表面功能結構制造是在物體表面加工制造出具有各種不同形貌、不同維數、不同尺度和不同功能的結構。單晶碳化硅表面功能結構化是指通過一些方法在單晶碳化硅表面形成宏觀或微觀的溝槽或幾何形狀，以達到單晶碳化硅表面降黏減阻、改善摩擦性能的目的。根據溝槽或幾何形狀大小的不同，單晶碳化硅晶片的結構化可以分為宏觀結構化和微觀結構化，微觀結構化簡稱為微結構化，由于本專利使用的單晶碳化硅晶片是納米級的，所以本專利中的結構化屬于單晶碳化硅的微結構化。

20世紀70年代NASA蘭利研究中心發現，順流向的微小溝槽(肋條)表面能有效地降低壁面摩阻，且具有一定尺度的三角形肋條溝槽為最佳減阻溝槽幾何形狀。肋條減阻技術目前已經在管道運輸、航空、船舶以及風力機葉片等領域得到相關的應用。然而，三角形肋條表面局部摩擦阻力在展向位置分布不均勻，肋底附近局部摩擦阻力小，為局部減阻區;肋尖附近局部摩擦阻力急劇增大，為局部增阻區。所以，僅僅將碳化硅晶片結構化成三角形肋條不能滿足日益增長的產品需求。叢茜等人利用有限體積法對三角形、扇貝形和刀刃形三種仿生非光滑溝槽表面流場進行了數值計算，最后發現刀刃形溝槽的抗粘減阻效果最好。

碳化硅具有光學透過率高、高硬度、耐高溫、低熱膨脹系數以及優良的化學穩定性，是制備半導體和微納光學器件的理想材料，然而現有三維微納結構制備方法如微納3D打印技術和飛秒激光雙光子聚合直寫技術都采用增材加工的方式，對材料的選擇性較高，無法實現對硬脆材料的加工。目前對硬脆材料的微納加工方法主要集中在光刻工藝，然而即使目前的多次套刻技術仍然無法實現真三維結構和曲面結構的加工。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：提供一種表面功能復合結構化單晶碳化硅的制備方法，通過利用飛秒激光對單晶碳化硅表面進行材料去除型燒蝕加工，初步結構化成三角形肋條溝槽，然后在初步結構化的基礎上進行第二次結構化，使表面加工出刀刃形溝槽，最終形成復合結構化的表面。由于飛秒激光的短脈沖和低平均功率的特性，加工過程中熱效應較低，可以得到良好的表面以及邊緣形貌。利用高數值孔徑物鏡產生緊聚焦光場對材料表面進行直寫燒蝕，從而有效提高加工精度，減小加工線寬。本發明不僅解決了碎屑附著在材料表面帶來的光斑散射問題，而且實現了三維體結構的燒蝕加工。

本發明的技術方案為：一種表面功能復合結構化單晶碳化硅的制備方法，所述方法包含有如下步驟：一、待加工單晶碳化硅晶片的處理；二、將處理完成的單晶碳化硅晶片進行初步結構化；三、將已完成初步結構化的單晶碳化硅晶片進行第二次結構化，在晶片表面形成刀刃形溝槽，完成第二次結構化，形成最終的復合結構化表面，該表面包括有三角形肋條溝槽和刀刃形溝槽。

所述步驟一中，首先把單晶碳化硅晶片進行研磨拋光處理，將需要結構化的單晶碳化硅晶片以設定的排列方法固定在加工平臺上。

所述步驟二中，在繪圖軟件中設計激光燒蝕路徑，調整三維數控工作臺和工件的相對位置，選擇好合適的加工區域，再設計加工路徑以加工出三角形肋條溝槽。

所述步驟二中，采用飛秒激光微加工系統進行微加工。