专利摘要

本发明公开了一种快速制备IV族半导体微球的装置和方法，该装置包括：10.6微米二氧化碳激光器、632.8纳米氦氖激光器、硒化锌透镜、镀金反射镜、BK7玻璃透镜、二向色镜、双光束对称加热光路系统、三维机械移动平台系统、显微成像系统和玻璃包层半导体芯光纤；首先采用玻璃包层‑熔芯拉丝法拉制玻璃包层半导体芯光纤，然后利用二氧化碳激光扫描玻璃包层半导体芯光纤形成半导体微球，成球之后去除玻璃包层，再经洗涤、干燥后得到半导体微球。本发明利用10.6微米二氧化碳激光器对光纤进行精确成球，在特定的玻璃包层半导体芯光纤结构尺寸条件下，能够精确控制成球尺寸和球度，并能够大批量生产半导体微球，具有很大的实际应用前景。

权利要求

1.一种快速制备IV族半导体晶体微球的装置，其特征在于，包括：

10.6微米二氧化碳激光器（1），作为加热激光光源；

632.8纳米氦氖激光器（2），发出红光，用于辅助整个激光光束准直；

硒化锌透镜（3），用于扩束并准直二氧化碳激光器输出光束；

镀金反射镜（4），用于高反二氧化碳激光；

BK7玻璃透镜（5），用于扩束并准直氦氖激光器输出的红光信号；

二向色镜（6），用于透射红光并反射二氧化碳激光；

双光束对称加热光路系统（7），用于二氧化碳激光局域加热；

三维机械移动平台系统（8），用于高精度移动待测光纤样品；

显微成像系统（9），用于实时监测二氧化碳激光加热玻璃包层半导体芯光纤的过程；

玻璃包层半导体芯光纤（10），固定在高精度三维位移平台上，玻璃包层材料为氧化物玻璃，纤芯材料为单晶硅、单晶锗或硅锗合金；所述玻璃包层半导体芯光纤（10）的包层直径为100微米-2毫米，纤芯直径为5微米-1毫米。

2.根据权利要求1所述的一种快速制备IV族半导体晶体微球的装置，其特征在于，所述氧化物玻璃包括石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、硅酸盐玻璃中的一种或几种。

3.一种基于权利要求1所述的装置快速制备IV族半导体晶体微球的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在光纤拉丝塔中采用玻璃包层-熔芯拉丝法拉制玻璃包层半导体芯光纤（10）；

S2、将玻璃包层半导体芯光纤（10）固定在高精度三维位移平台系统（9）上，利用二氧化碳激光扫描玻璃包层半导体芯光纤（10）形成半导体微球；

S3、半导体芯成球之后，通过氢氟酸将玻璃包层去除，经洗涤、干燥后得到半导体微球。

4.根据权利要求3所述的快速制备IV族半导体晶体微球的方法，其特征在于，步骤S1中，拉丝温度范围为950-1000℃。

5.根据权利要求3所述的快速制备IV族半导体晶体微球的方法，其特征在于，步骤S2中，二氧化碳激光器功率为4W，扫描速度为0.5mm/s，往返扫描5次。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种快速制备IV族半导体微球的装置和方法。

背景技术

IV族半导体硅、锗是当前最重要的光电材料；IV族硅、锗半导体微球有着重要的光电应用价值。首先，球体是最对称的几何形状，因此高折射率半导体微球是最大固体角度为4π的收集光信号和光能量的理想选择；硅微球已经开发用于太阳能电池应用。高折射率微球列阵还被广泛用于超高分辨率显微镜。此外，IV族半导体高折射率硅锗光学微球还具有量子电动力学(QED)特性，可以具有高Q品质因子的回音壁模式(WGM)光学谐振腔。以上这些应用都需要用到大量的微米尺寸(直径1-1000微米)的微球。

通常快速制备无机材料(玻璃、陶瓷、金属、半导体等)微球的方法有溶胶凝胶法、水热合成法、粉末火焰喷射法等。采用这些方法制备的微球产物都不可避免地会接触到空气中的氧，但是由于微米级尺寸的单质硅、锗微球比表面积大，表面活性高，极易与空气中的氧气反应形成氧化物，所以这些方法都不是快速获得大量IV族半导体硅、锗微球合适的制备手段。

玻璃包层-熔芯拉丝法是制备大批量玻璃包层-半导体芯纤维的最有效的方法。其预制棒有玻璃管和半导体晶体(硅或锗等)棒组合而成。在玻璃包层的保护下，半导体芯和空气中的氧隔绝，可以有效地避免微球表面的氧化反应。根据Plateau-Rayleigh不稳定性原理，两种具有完全不同粘度的圆柱层状流动液体在流动时受到表面张力的影响，圆柱会发生直径变化并断裂成微球。因此，在熔芯拉丝法拉制半导体芯纤维的过程中，由于玻璃包层具有较高粘度、半导体晶体纤芯具有较低粘度，预制棒在经过加热带时，如果光纤拉制速度过慢，柱状半导体纤芯容易断裂成半导体微球。所以玻璃包层-熔芯拉丝法是快速制备半导体硅锗微球、并避免微球表面发生显著氧化反应的有效方法。

由于熔芯拉丝法是在常用玻璃光纤拉丝塔上完成，在拉丝过程中直接成球存在着以下缺点：(1)拉丝塔高温炉内加热带较长，典型均匀加热带长度为1至5厘米，比微球尺寸(1-1000微米)大1-4个数量级，无法精确控制每个微球局部区域的形成条件，从而使各个微球形成尺寸存在较大差异；(2)拉丝温度受到拉丝塔高温炉控制精度的限制，1至5厘米长度的加热带内温度波动在±5℃左右，这样导致玻璃粘度和表面张力发生波动，内部熔融硅锗芯成球尺寸会受到较大影响；(3)熔芯拉丝法的拉丝速度非常快，在5-50厘米/秒范围内，假设加热带长度为1厘米，拉丝速度为10厘米/秒，每厘米光纤在高温带中停留的时间仅0.1秒，远远低于形成微球的所需的1-10秒的最小时间，这样对微球尺寸和几何形状的控制精度极差。

目前，市场上尚未见一款适用于快速制备大量IV族半导体硅、锗微球的设备。尽管国内外一些研究人员采用自制的装置(光纤拉锥机或二氧化碳激光器)对玻璃包层-硅(锗)芯光纤进行局部加热的方法实现了在玻璃包层光纤中制备出半导体硅(锗)微球的报道，但采用这些已报道的装置及其方法进行成球的过程中产量极低，一次只能得到一个或几个微球，且微球尺寸和几何形状的重复性差，难以实现快速制备大量IV族半导体硅、锗微球的目标，严重制约了IV族半导体硅、锗微球在红外光电器件中的应用与发展。

发明内容

针对上述现有的制备IV族半导体硅、锗微球的装置和方法产量低、微球尺寸和几何形状可控精度差的问题，本发明提供一种快速制备IV族半导体微球的装置和方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种快速制备IV族半导体微球的装置，包括：

10.6微米二氧化碳激光器，作为加热激光光源；

632.8纳米氦氖激光器，发出红光，用于辅助整个激光光束准直；

硒化锌透镜，用于扩束并准直二氧化碳激光器输出光束；

镀金反射镜，用于高反二氧化碳激光；

BK7玻璃透镜，用于扩束并准直氦氖激光器输出的红光信号；

二向色镜，用于透射红光并反射二氧化碳激光；

双光束对称加热光路系统，用于二氧化碳激光局域加热；

三维机械移动平台系统，用于高精度移动待测光纤样品；

显微成像系统，用于实时监测二氧化碳激光加热玻璃包层半导体芯光纤的过程；

玻璃包层半导体芯光纤，固定在高精度三维位移平台上，玻璃包层材料为氧化物玻璃，纤芯材料为单晶硅、单晶锗或硅锗合金。

优选的，所述玻璃包层半导体芯光纤的包层直径为100微米-2毫米，纤芯直径为5微米-1毫米。

更优选的，所述氧化物玻璃包括但不仅限于石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、硅酸盐玻璃中的一种或几种。

本发明还提供一种快速制备IV族半导体微球的方法，包括以下步骤：

S1、在光纤拉丝塔中采用玻璃包层-熔芯拉丝法拉制玻璃包层半导体芯光纤；

S2、将玻璃包层半导体芯光纤固定在高精度三维位移平台系统上，利用二氧化碳激光扫描玻璃包层半导体芯光纤形成半导体微球；

S3、半导体芯成球之后，通过氢氟酸将玻璃包层去除，经洗涤、干燥后得到半导体微球。

优选的，步骤S1中，拉丝温度范围为950-1000℃。

优选的，步骤S2中，二氧化碳激光器功率为4W，扫描速度为0.5mm/s，往返扫描5次。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明利用10.6微米二氧化碳激光器，对玻璃包层-IV族半导体硅(或锗、或硅锗合金)芯光纤进行后处理局域加热和往返扫描，进行精确成球。在特定的玻璃包层半导体芯光纤结构尺寸条件下，能够精确控制成球尺寸和球度(即接近完美球的程度)，并能够大批量生产半导体微球，具有很大的实际应用前景。

附图说明

图1为快速制备IV族半导体晶体微球的装置示意图；

图2为双光束对称加热光路系统示意图(横向)；

图3为双光束对称加热光路系统示意图(竖向)；

图4为快速制备IV族半导体晶体微球的工艺流程图；

图5为二氧化碳激光局域加热单次扫描制备获得的在玻璃包层中的半导体微球照片；

图6为二氧化碳激光局域加热多次扫描制备获得的在玻璃包层中的独立分离的半导体微球照片；

图7为去除玻璃包层后半导体微球照片；

图8为本发明制得的半导体微球拉曼光谱图；

图中，1、二氧化碳激光器；2、632.8nm氦氖激光器；3、硒化锌透镜；4、镀金反射镜；5、玻璃扩束准直平行透镜；6、二向色镜；7、双光束对称加热光路系统；7a、锥形棱镜；7b、锥面反射镜；7c抛物面反射聚焦镜一；7d、抛物面反射聚焦镜二；8、三维机械移动平台系统；9、显微成像系统；10、玻璃包层半导体芯光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种快速制备IV族半导体晶体微球的装置，包括：

10.6微米二氧化碳激光器1，作为加热激光光源；

632.8纳米氦氖激光器2，发出红光用于辅助整个激光光束准直；

硒化锌透镜3，用于扩束并准直二氧化碳激光器输出光束；

镀金反射镜4，用于高反二氧化碳激光；

BK7玻璃透镜5，用于扩束并准直氦氖激光器输出的红光信号；

二向色镜6，用于透射红光并反射二氧化碳激光；

双光束对称加热光路系统7，用于二氧化碳激光局域加热；

三维机械移动平台系统8，用于高精度移动待测光纤样品；

显微成像系统9，用于实时监测二氧化碳激光加热玻璃包层半导体芯光纤的过程；

玻璃包层半导体芯光纤10，固定在高精度三维位移平台上。

本发明所述玻璃包层半导体芯光纤10的玻璃包层为高温氧化物玻璃，所述氧化物玻璃包括但不仅限于石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、硅酸盐玻璃中的一种或几种，包层直径为100微米-2毫米；纤芯材料为单晶硅、单晶锗或硅锗合金，纤芯直径为5微米-1毫米。

下面以硼硅酸盐玻璃包层-锗芯半导体光纤制备锗半导体微球为例，对本发明作详细解释。

硼硅酸盐玻璃包层和锗芯的半导体光纤由传统的棒管法制备获得，即把外径3毫米的半导体锗棒塞入一个内径3.1毫米、外径16毫米的硼硅酸盐玻璃管内，把组合的棒管预制棒置于光纤拉丝塔的高温炉内，拉丝温度范围为950-1000℃，拉制成纤芯直径120微米、包层直径600微米的半导体芯光纤。

作为加热激光光源的10.6微米二氧化碳激光器1发出的激光束经过硒化锌红外扩束准直平行透镜3，扩束成为平行准直光束，再经过镀金反射镜4和二向色镜6，照射到双光束对称加热光路系统7内的待测样品玻璃包层半导体芯光纤10上；

用于辅助整个激光光束准直632.8纳米氦氖激光器2发出可见的红光，经过普通光学玻璃硼硅酸盐BK7玻璃透镜5，扩束成为准直的红光信号，再经过二向色镜6，照射到双光束对称加热光路系统7内的待测样品玻璃包层半导体芯光纤10上作为指示光；

待测样品玻璃包层半导体芯光纤10固定于三维机械移动平台系统8上，通过精确微调三维机械移动平台系统8的x轴和y轴，将待测光纤样品置于双光束对称加热光路系统7的对称中心轴上，通过计算机程序控制三维机械移动平台系统8的z轴，高精度地程序控制待测光纤样品10在三维机械移动平台系统8的z轴方向上的移动；

通过显微成像系统9对上述的激光加热前的光纤准直过程和二氧化碳激光加热光纤的过程进行实时监测；

具体的，如图2和图3所示，在双光束对称加热光路系统7内，平行准直的二氧化碳激光照射到锥形棱镜7a上被反射到锥面反射镜7b上，再经过抛物面反射聚焦镜一7c和抛物面反射聚焦镜二7d，最后对称聚焦于玻璃包层半导体芯光纤10外侧。由于硼硅酸盐玻璃在10.6微米二氧化碳激光波长不透明，将全部的激光能量转换成热，通过玻璃的传导加热内部的半导体锗芯到其熔点(938摄氏度)以上。

采用上述激光加热装置，二氧化碳激光器输出功率为2.5W，扫描速度为0.25mm/s，单次扫描，形成的锗芯微球显微镜图片如图5所示，此时形成连续的锗球。当增大二氧化碳激光器功率到4W，扫描速度为0.5mm/s，往返扫描5次后，形成独立的锗球，如图6所示。

最后通过氢氟酸将玻璃包层去除，经去离子水洗涤、干燥后得到锗材料微球，尺寸为200微米，如图7所示。经过拉曼光谱检测(如图8所示)，微球样品具有在301cm-1处锗晶体的金刚石结构锗晶体的一阶特征拉曼峰，该峰线宽为～10cm-1；而在800cm-1处未见锗氧键特征的拉曼峰，表明在硼硅酸盐包层的保护下，成球过程半导体锗未被氧化。

一种快速制备IV族半导体微球的装置和方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。