硅存在单晶硅与非晶硅等形式。单晶硅在半导体、微机械、光电子行业有着广泛的应用。非晶硅在太阳能电池的制造中逐渐被关注,为了提高能量吸收率,需要在其表面制备微结构。硅作为一种硬脆性材料,采用接触式加工手段进行加工时,易产生微裂纹、位错、相变等表面和亚表面损伤,严重影响了硅器件的机械和光学性能。因此,探索一种更加有效的加工方式是非常有必要的。激光作为多尺度结构图案化最灵活的工具之一,具有精度高、可控性强和选择性照射等诸多优点,在超精密制造与微纳制造中逐渐被应用。激光照射技术作为一种非接触式的加工方式,可以做到有效避免表面和亚表面损伤的产生。与飞秒激光、皮秒激光相比,纳秒激光作为一种长脉冲激光,利用它的瞬时热效应,一方面可以修复表面缺陷;另一方面可以诱导微结构的形成。因此,纳秒激光照射技术是单晶硅与非晶硅的理想加工方式。但是,热效应造成的表面熔融层的流动是不可控的、具有多方向性,并且由于热效应的影响,作用区域的材料会产生凸起、裂纹、重熔等现象,这些都严重限制了纳秒激光的加工精度。鉴于以上背景,本文围绕纳秒激光与硅表面的响应特性,主要开展了以下几个方面的研究:1.分析了纳秒激光加工的特点以及各工艺参数对加工效果的影响。然后针对激光照射硅表面,分别建立了二维传热瞬态模型和三维传热瞬态模型,对单脉冲与多脉冲激光照射硅表面的温度变化进行了仿真分析。2.针对单晶硅切片时产生的沟槽、凹口、裂纹等缺陷,提出一种双步激光照射的方法。首先,通过有限元仿真,对不同激光参数下可修复的缺陷深度进行预测。然后,通过双步激光照射,利用Marangoni对流和表面张力效应,修复表面缺陷的同时获得了纳米级的表面粗糙度。而且,通过优化工艺参数,激光照射可有效修复单点金刚石车削产生的周期性刀痕,消除“光栅效应”。材料的表面粗糙度可由Ra 10 nm降低至Ra 1 nm。3.对纳秒激光照射不同初始条件下的硅膜表面产生的形貌变化进行了分析,观测到了完全不同的表面形貌。研究了重复频率、光束重叠率和扫描速度等激光参数对表面形貌的影响。然后,对被照射前后表面的表面粗糙度、元素组成、应力状态和结晶度进行了表征,并对不同激光能量照射时材料的温度场进行了仿真。基于以上分析,讨论了两种表面产生不同表面形貌的物理机制。4.使用单线和多线照射相结合的试验,研究了峰值功率密度和扫描间距对纳秒激光诱导非晶硅表面的微结构的影响。在多种条件下分析了微结构的形态、基部直径、高度和材料组成。获得了微结构高度与激光峰值功率密度和扫描间距的相关性,提出了一种大面积制备不同周期性的微结构的方法。同时,研究发现,在三种典型的峰值功率密度下,硅膜表面演化出形态、尺度各异的三种结构。针对这种现象,对激光照射进行了有限元仿真,并对微结构表面进行了能量色散X射线光谱分析。在此基础上,提出了多种尺度的微结构的形成机理。5.对反应结合碳化硅和以单晶硅、石英为基底的非晶硅表面进行了激光照射试验,讨论了不同基底材料对微结构的影响。激光照射反应结合碳化硅时,由于碳化硅与硅的烧蚀阈值不同,易在表面形成块体结构。在较高的光束重叠率下,以单晶硅为基底的硅膜表面形成了交错分布的编织结构,其形态特性均异于凸起和柱体。以石英为基底时,非晶硅表面形成微柱结构。基于这种现象,对微柱的形成机理进行了分析。研究表明,激光照射技术可修复单晶硅的各种表面缺陷,实现纳米级表面粗糙度。而且,可通过对激光能量的调控和加工方式的改变,在非晶硅表面制造周期性的微结构。这些研究发现,一方面为单晶硅的超精密制造提供了有效的新方法;另一方面增强了研究者对微结构形成的基本理解,为太阳能电池的产业化提供了理论和技术基础。