针对体硅的加工应用, 开展皮秒紫外激光三维刻蚀单晶硅工艺研究。通过工艺实验, 得出在激光脉冲能量6 μJ, 固定XY点间距4 μm, 在单晶硅上刻蚀600 μm×600 μm方槽, 单次去除的深度在1 μm, 单次加工用时0.5 s, 加工的侧壁在14°, 可以获得较好的200 μm深度的三维结构。 皮秒紫外激光体硅加工在工艺流程上更为简洁, 加工效率高, 对环境污染小, 设备成本小。

利用分子动力学模型模拟出单个脉冲作用后的热传导过程, 并得到了在下个脉冲辐照前硅材料表面的温度变化情况, 深入探究了非辐射复合及表面浮雕结构对硅表面温度的影响, 并根据分子动力学方程数值模拟了多脉冲飞秒激光烧蚀硅材料的超快热响应, 分析了电子与晶格的瞬态热平衡和硅表面最大温度随俄歇复合的变化。针对硅材料加工领域中高频多脉冲持续扫描硅表面的情况, 建立了宏观加热机制, 以减轻加工过程中的热累积效应。当采用较高重频脉冲时, 宏观热模型计算结果表明多脉冲扫描硅表面时, 温度的热积累不仅与光源本身入射通量和重频有关, 也与扫描速度有关。实验中运用通量为1～2 J/cm2、重频为10 Hz～1 kHz的飞秒激光光源烧蚀硅靶, 发现低频脉冲下表面熔融、氧化等现象不利于产生光滑孔状形貌。

提出了将各向异性湿法腐蚀与各向同性湿法腐蚀相结合的复合工艺，通过控制刻蚀工艺参数进行体硅加工，成功刻蚀了硅基材料三维曲面回转体结构。在各向同性腐蚀过程中，由各向异性刻蚀得到的多面体结构的表面垂直腐蚀速率与刻蚀液浓度呈指数关系，而搅拌使得多面体结构表面峰值与谷底的刻蚀液存在流速差，基于此原理可得到光滑的三维曲面。刻蚀过程中，通过各向异性湿法腐蚀控制结构深度，通过各向同性湿法腐蚀"抛光"结构曲面。最后，采用实验优化湿法腐蚀过程的工艺参数，基于直径为600~1 000 μm的圆形掩模板，在硅材料表面制备得到了高度为100~200 μm的三维曲面回转结构。提出的工艺简单、有效且便于操作，有望用于制作不同曲面形状的三维硅结构及聚合物光学器件模具。