飞秒激光烧蚀光刻纳米结构ITO膜以及双层薄膜

飞秒激光烧蚀光刻纳米结构ITO膜以及多层薄膜

激光在触摸屏行业ITO薄膜蚀刻以及银浆激光蚀刻的方法已非常之多,而对于OGS工艺激光蚀刻加工以及多层薄膜激光蚀刻的应用并不常见,本文围绕激光烧蚀光刻纳米结构ITO膜以及双层薄膜的激光应用试验做了全面的应证.

利用飞秒激光烧蚀ITO与ZNO双层薄膜的方法，制备具有大面积表面纳米结构的ITO薄膜。在激光频率１ｋＨｚ、脉冲宽度１３０ｆｓ、波长７７５ｎｍ、能量

２０μＪ时，在ITO薄膜表面，获得了大面积的周期为１７６ｎｍ左右的周期性平行条纹结构。通过改变激光能量，研究了大面积纳米结构与激光能量之间的关系，发

现这种大面积纳米结构是在激光能量小于材料烧蚀阈值的条件下形成的。

 

ITO薄膜具有很多独特的性能，如具有可弯曲性、良好的透光性、接近于金属的导电性等。因此，在平板液晶显示［１］、有机发光二极管（OLED）［２］等方面已经

有十分成熟的应用。最近，Ｔ．Ｙ．Ｙｏｎｇ等通过磁控溅射的方法发现，通过增加ITO薄膜表面的粗糙度，能提高ＬＥＤ的发光效率［３］。具有表面纳米结构的ITO

薄膜，能增加多层聚合物发光二极管的电荷注入量［４－６］，从而提高发光二极管的发光效率。因此，制备具有纳米结构表面的ITO薄膜，是一件十分有意义的工作。

 

长脉冲激光诱导周期性表面结构（LIPSS）最早是由Ｂｉｒｎｂａｕｍ［７］在半导体与激光的作用中发现的，并一直以来都受到了广泛的关注［８，９］。激光与单层薄膜直接作用时，薄膜表面发射出大量光电子，导致薄膜表面静电失稳。此时，薄膜通过库仑爆炸释放出大量阳离子来实现表面弛豫，从而导致薄膜大面积从基体表面

脱离出去。因此直接利用激光，很难在ITO薄膜表面诱导LIPSS。本文利用具有冷加工效应的飞秒激光，通过在ITO薄膜表面增加ZNO薄膜缓冲层的方法，成功的在ITO薄膜表面获得了纳米级别的大面积周期性结构。

 

２　实　验

利用磁控溅射技术在单晶硅基体上制备薄膜样品。在沉积前，将硅片先后在丙酮、乙醇、去离子水中进行１０ｍｉｎ超声清洗，以除去表面的有机残留物。将清洗过的硅片放入溅射室，抽真空到３×１０－４　Ｐａ，先在硅基体溅射ITO薄膜，随后溅射ZNO薄膜。ITO 薄膜的溅射电流为１２０ｍＡ，时间为８ｍｉｎ；ZNO薄膜的溅射电流为１４０ｍＡ，时间为８ｍｉｎ。采用飞秒激光加工系统对薄膜样品进行纳米结构

制备。激光加工系统如图１，所使用的飞秒激光系统为ITO激光系统（深圳艾提欧激光有限公司），波长为７７５ｎｍ，脉宽为１３０ｆｓ，重复频率为１ｋＨｚ。实验中，分别采用脉冲能量为２０、８０、１５０μＪ的飞秒激光对制备好的薄膜样品进行加工。加工速度均为１ｍｍ／ｓ，加工方向垂直于偏振光方向。加工完成

后，采用扫描电子显微镜观察样品的结构形貌。

 

３．１　实验结果

图２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）分别为飞秒激光分别在能量为２０、８０、１５０μＪ，加工速度为１ｍｍ／ｓ时烧蚀镀膜硅片的扫描电子显微镜图片。在能量为２０μＪ时，如图２（ａ），表层的ZNO膜被烧蚀掉，在ITO薄膜上出现了明显的激光诱导平行条纹结构，条纹平均周期约为１７６ｎｍ，如图２（ｄ）所示。在能量为８０μＪ时，如图２（ｂ），在加工区域ZNO薄膜全部被烧蚀掉，而只残留少量的ITO膜，在ITO膜上出现平行条纹结构，周期约为２３７ｎｍ，如图２（ｆ）所示。在硅片上同时出现了平行条纹结构，周期约为４５３ｎｍ，如图２（ｅ）所示。在能量为１５０μＪ时，如图２（ｃ），在加工区域，ZNO薄膜和ITO薄膜均被烧蚀掉，只剩下底层的硅片，并且在硅片上出现了较大周期的平行条纹结构，周期约为６３７ｎｍ。

图２　不同能量的飞秒激光加工后的样品表面ＳＥＭ 图和截面轮廓图

 

３．２　分析讨论

我们知道在激光能量大于烧蚀阀值时会获得经典的低空间频率结构（HSFL，ｌｏｗ－ｓｐａｔｉａｌ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙLIPSS），周期接近激发光波长［１０］。形成这种HSFL的原因通常被认为是入射激光与反射激光在材料表面产生了干涉，从而导致入射脉冲能量的空间分布［１１］而形成。在激光诱导HSFL时，平行条纹的周期与激光参数及材料参数的关系为［１２］：

ｄ ＝ λ

ｎ±ｓｉｎθ

（１）

　　其中，ｄ 为条纹宽度，λ为入射光波长，ｎ 为入射光在空气与材料界面中的有效折射率，θ为激光入射角。当激光能量小于材料的烧蚀阈值时，当激光作用于材料表面，会获得周期远小于入射光波长的高空间频率结构（HSFL，ｈｉｇｈ－ｓｐａｔｉａｌ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　LIPSS）。这种HSFL的产生原因被认为是在产生HSFL的过程中增加了材料表面的粗糙度，形成了二次谐波，从而导致了尺寸更小的周期性平行条纹结构。此时，周期的理论公式［１３］为：ｄ ＝λ２ｎ

（２）

　　其中，ｄ 为条纹宽度，λ为入射光波长，ｎ 为入射光在空气与材料界面中的有效折射率。在实验中，λ 为７７５ｎｍ，入射角为０°，ITO材料的折射率为２．０.利用公式（１）与（２）计算得到的LIPSS的周期理论尺寸分别为３８７．５和１９３．８ｎｍ。对照实验数据，在能量为２０与８０μＪ时，形成LIPSS的实际测量值为１７６和２３７ｎｍ，与HSFL理论值相符。因此实验中所制备的纳米结构为一种HSFL。当能量为８０μＪ时，如图３（ａ）所示，此时的激光光束的中心能量高于ITO薄膜的烧蚀阀值，但由于激光能量呈高斯分布，在偏离中心区域能量迅速减小，在能量小于ITO薄膜的烧蚀阀值区域，形成了HSFL。但在偏离中心较远区域，由于能量较小，只能形成退火作用，而不能形成HSFL。而当能量为２０μＪ的飞秒激光作用于样品时，ZNO膜被烧蚀掉，而在ITO薄膜上形成了均匀分布HSFL。此时当飞秒激光作用于样品时，ZNO膜吸收了一部分能量，使激光光束能量的峰值下降到低于ＩＴＯ薄膜烧蚀阈值的区域，从而在激光光束中心区域形成了ＨＳＦＬ，如图３（ｂ）。而在８０μＪ能量时，虽然ZNO薄膜也能够起到相同的作用，但由于能量较大，中心区域将ITO薄膜完全烧蚀掉，而在硅陈　谦 等：飞秒激光烧蚀制备纳米结构ＩＴＯ薄膜 １５９片上形成了HSFL。通过尺寸对比，发现随着激光能量的提高，产生HSFL的尺寸会加大。这是由于在激光作用于材料表面时，材料对飞秒激光的多光子吸收，会产生量的等离子体。随着入射激光能量的增加，等离子体在脱离烧蚀作用区域时形成的颗粒尺寸会随之增加，导致颗粒之间的间隙增大。由于这些间隙中为折射率较小的空气，因此导致空气与材料界面对入射光的有效折射率减小。从而导致了HSFL的实际值比理论值要大，条纹宽度也会随着能量的增加而增大。由于空气的折射率＞１，因此在入射角度为０的任何条件下，都不会产生周期尺寸超过入射光波长的LIPSS，这也是与目前已知的实验结果相符合的。

４　结　论

研究了在不同能量下飞秒激光作用于镀膜硅片上时，薄膜的烧蚀情况。通过增加ZNO薄膜缓冲层的方法，在２０μＪ能量的飞秒激光作用下，在ITO薄膜表面获得了大面积高分辨率周期性平行条纹结构。通过分析所获得的周期性条纹结构的尺寸和材料特性，探讨了ＩＴＯ薄膜表面HSFL的产生原因，以及LIPSS的尺寸随能量的变化规律。由于这种纳米结构ITO薄膜在光学器件等方面具有巨大的潜在应用价值，因此提供了一种全新有效的方法获得这种纳米级周期性平行条纹结构ITO薄膜。

对于液晶显示屏激光加工以及触控屏激光蚀刻加工单层ITO膜刻蚀多层薄膜均可实现图形激光绘制,扩展激光蚀刻在类似于ITO薄膜,ITO玻璃,石墨硒,ZNO薄膜OLED等等各种材料上激光加工应用!