隨(sui)著對小型電(dian)子產品和微(wei)電(dian)子元器件需求(qiu)的(de)(de)(de)日益增長(chang)，紫外(wai)激(ji)光是(shi)加工(gong)微(wei)電(dian)子元器件中被(bei)普遍使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)塑料(liao)和金屬等材料(liao)的(de)(de)(de)理想工(gong)具(ju)。固(gu)(gu)態(tai)激(ji)光器最新技術推(tui)動(dong)了(le)新一代結構緊湊、全固(gu)(gu)態(tai)紫外(wai)激(ji)光器的(de)(de)(de)發展，從而使(shi)之成為這個領(ling)域(yu)中更(geng)經濟(ji)有效的(de)(de)(de)加工(gong)手段。
1.紫(zi)外激(ji)光(guang)的產生(sheng)
355nm紫外激光由 1064nm Nd∶ YAG激光的三次諧波(bo)(bo)(bo)(bo)獲(huo)得 ,具體(ti)(ti)技術(shu)途徑(jing)是用(yong)二次諧波(bo)(bo)(bo)(bo)晶體(ti)(ti)腔(qiang)(qiang)內倍(bei)頻1064nm基波(bo)(bo)(bo)(bo)產生(sheng) 532nm二次諧波(bo)(bo)(bo)(bo), 基波(bo)(bo)(bo)(bo)和(he)諧波(bo)(bo)(bo)(bo)再(zai)經三次諧波(bo)(bo)(bo)(bo)晶體(ti)(ti)腔(qiang)(qiang)內混(hun)頻產生(sheng) 355nm三次諧波(bo)(bo)(bo)(bo)。
1、1簡單理論(lun)
三次諧(xie)波(bo)的產生(sheng)分(fen)為兩個(ge)部分(fen)，在(zai)(zai)第(di)一個(ge)晶體中，部分(fen) 1064nm基波(bo)輻射(she)轉換(huan)為二次諧(xie)波(bo)(532nm)；接著，在(zai)(zai)第(di)二個(ge)晶體中，未(wei)轉換(huan)的基波(bo)輻射(she)與二次諧(xie)波(bo)和頻產生(sheng)三次諧(xie)波(bo)。在(zai)(zai)非線性晶體中混頻的方程(cheng)式(shi)為：
此(ci)處的(de) Ej項為以頻率 ωj在 z 方向上傳播的(de)波的(de)綜合電矢，ω3=ω1+ω2，波 j 的(de)電場(chang)是 Ejexp(iωjt-ikjz)的(de)實數部分，相(xiang)位失配?k =k3-(k1+k2)正比于相(xiang)位匹配方(fang)向上光路的(de)偏離量?θ，γ1 項(xiang)為(wei)吸收系(xi)數。對(dui)于(yu)三(san)倍(bei)頻，有 ω2=2ω1，ω3=3ω1，K2≈2K1，K3≈3K1。為(wei)了提高倍(bei)頻效率及(ji)和(he)頻光的(de)功率輸(shu)出，我們要盡量滿足位相(xiang)匹配條件：?k =0。令參量 S 為三倍頻晶體(ti)中(zhong)二次諧波功(gong)率與總功(gong)率之比(bi)：
如果以 ω 和 2ω 輸入的光子(zi)匹配(pei)為 1:1，則有 Pω+P2ω 及 S=0.67，理論(lun)上在(zai)小(xiao)信(xin)號近(jin)似情況下，輸入光束都(dou)能轉換為三次諧波。
1、2實驗(yan)裝(zhuang)置
實(shi)驗裝置如圖 1 所示。Nd:YVO4 晶體(ti)(ti)采(cai)用 a 軸切(qie)割(ge)，摻釹(nv)濃度(du)為(wei)1%，尺(chi)寸為(wei)3mm×3mm×2mm，一(yi)面鍍1064nm/532nm雙(shuang)波長(chang)高反膜(mo)(mo)作(zuo)為(wei)輸(shu)入鏡，另一(yi)面鍍 808nm增透膜(mo)(mo)。輸(shu)出鏡 M 曲率(lv)半徑為(wei) 100mm，凹(ao)面鍍 1064nm/532nm高反膜(mo)(mo)及 355nm增透膜(mo)(mo)，平(ping)面鍍355nm高透膜(mo)(mo)。
二(er)倍(bei)頻(pin)晶(jing)(jing)體選用 KTP，θ=90°，φ=23.5°，按Ⅱ類(lei)臨界相位匹配(pei)切割，尺(chi)寸為 2mm×2mm×10mm，兩端面(mian)鍍(du) 1064nm/532nm 雙色增透膜。三(san)倍(bei)頻(pin)晶(jing)(jing)體選用Ⅰ類(lei)臨界相位匹配(pei) LBO，θ=42.6°，φ=90°，尺(chi)寸為3mm×3mm×12mm，兩端面(mian)鍍(du) 1064nm/532nm/355nm 三(san)色增透膜。二(er)倍(bei)頻(pin)和(he)三(san)倍(bei)頻(pin)晶(jing)(jing)體的(de)放置要(yao)符合光波的(de)偏(pian)振匹配(pei)條(tiao)件， 如圖2所示Nd:YVO4、 KTP和(he)LBO用致冷器(qi)(qi)溫控(kong)。 用coherent公(gong)司(si)生產的(de)LabMaster Ultima P540 功率(lv)計，LM-UV2 紫外(wai)探測(ce)器(qi)(qi)測(ce)量(liang)紫外(wai)激光的(de)功率(lv)。
2.紫外(wai)激(ji)光加工的特(te)點
紫(zi)外(wai)(wai)激光除了具有激光的一般特點之外(wai)(wai)，還有一些與(yu)紫(zi)外(wai)(wai)波長相應(ying)的特點，使得(de)紫(zi)外(wai)(wai)激光在很多材料的加工中有重要應(ying)用(yong)。
2、1紫外激光加工(gong)的原理
與紅(hong)外(wai)或可見光(guang)通常靠產(chan)生集(ji)中局部(bu)的(de)(de)(de)(de)加熱使物(wu)質熔化或汽化的(de)(de)(de)(de)方式來進(jin)行加工(gong)不(bu)同，紫外(wai)加工(gong)從(cong)本質上說(shuo)不(bu)是熱處(chu)理。紫外(wai)激光(guang)的(de)(de)(de)(de)波長在0.4um以下，而(er)且大多數材料(liao)吸(xi)(xi)收(shou)(shou)紫外(wai)光(guang)比吸(xi)(xi)收(shou)(shou)紅(hong)外(wai)光(guang)更容易(yi)，高(gao)能量(liang)的(de)(de)(de)(de)紫外(wai)光(guang)子直接破壞(huai)材料(liao)表(biao)面(mian)分子中原子間(jian)的(de)(de)(de)(de)連接鍵，這種“冷”光(guang)蝕處(chu)理加工(gong)出來的(de)(de)(de)(de)部(bu)件具有光(guang)滑的(de)(de)(de)(de)邊(bian)緣和(he)最低(di)限度(du)的(de)(de)(de)(de)炭化。
圖 3 激光與材料作(zuo)用的示(shi)意圖
2、2紫(zi)外(wai)激光加工的優點：
（1）紫外(wai)激(ji)光(guang)器(qi)的(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)長(chang)較短能加(jia)工很小(xiao)的(de)(de)(de)(de)部件。紫外(wai)激(ji)光(guang)的(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)長(chang)在0.4um一下，由(you)于(yu)會聚(ju)光(guang)斑的(de)(de)(de)(de)最小(xiao)直徑直接正比(bi)于(yu)光(guang)波(bo)(bo)長(chang)(由(you)于(yu)衍(yan)射) ，激(ji)光(guang)的(de)(de)(de)(de)波(bo)(bo)長(chang)越短，聚(ju)焦的(de)(de)(de)(de)能量就(jiu)越集(ji)中，因此，更短波(bo)(bo)長(chang)意味(wei)著更高的(de)(de)(de)(de)空間分(fen)辨率。例如，在鉆微通道時，用CO2激(ji)光(guang)打(da)出(chu)的(de)(de)(de)(de)最小(xiao)孔極限是75um，而用355nm的(de)(de)(de)(de)紫外(wai)固體激(ji)光(guang)器(qi)可以(yi)加(jia)工成直徑小(xiao)于(yu)25um的(de)(de)(de)(de)通道。
（2）許多材(cai)料（如(ru)陶瓷、 金屬、 聚合物等）對紫外(wai)(wai)波段(duan)(duan)的(de)(de)(de)吸收比較大(da)，可以(yi)加工許多紅(hong)外(wai)(wai)和可見光(guang)激光(guang)器加工不了的(de)(de)(de)材(cai)料。像(xiang)Cu這種金屬對紅(hong)外(wai)(wai)波段(duan)(duan)的(de)(de)(de)光(guang)是(shi)(shi)高反(fan)的(de)(de)(de)，用CO2激光(guang)切割它，若不進行預處理是(shi)(shi)無效(xiao)的(de)(de)(de)。
（3）紫外光(guang)子直接(jie)切斷材料(liao)分(fen)子中原子間的(de)連接(jie)鍵。紅外或可見光(guang)通常(chang)靠產生(sheng)(sheng)集(ji)中局部的(de)加(jia)(jia)熱(re)(re)使(shi)物質(zhi)熔化或汽化的(de)方(fang)式(shi)來進行加(jia)(jia)工(gong)(gong)，但這種加(jia)(jia)熱(re)(re)會導致周圍區域嚴(yan)重(zhong)破(po)壞 ,因而(er)限制了邊緣(yuan)強度和產生(sheng)(sheng)小(xiao)精(jing)細特(te)征的(de)能力。與熱(re)(re)加(jia)(jia)工(gong)(gong)相比,紫外激光(guang)加(jia)(jia)工(gong)(gong)使(shi)材料(liao)發生(sheng)(sheng)分(fen)解而(er)被去除，因而(er)加(jia)(jia)工(gong)(gong)處(chu)周邊熱(re)(re)損傷和熱(re)(re)影響區小(xiao).
而(er)且紫外激光(guang)器(qi)尤其是固體(ti)紫外激光(guang)器(qi)的結(jie)構越(yue)來越(yue)緊湊、 平均功率高、易(yi)維護、 操作(zuo)簡便、 成本低、 生產率高。
3、紫外激光用于薄(bo)膜(mo)劃線
3、1激光系統
實驗(yan)中使用兩(liang)種(zhong)(zhong)(zhong)不同的(de)激(ji)(ji)光(guang)光(guang)源(yuan)(yuan)進行劃線。第一(yi)種(zhong)(zhong)(zhong)光(guang)源(yuan)(yuan)是(shi)355nm波長(chang)的(de)端(duan)面泵(beng)浦固體激(ji)(ji)光(guang)器(qi)，脈(mo)沖持續時間15ns，第二種(zhong)(zhong)(zhong)是(shi)脈(mo)寬為(wei)(wei)8ns 的(de)355nm波長(chang)的(de)端(duan)面泵(beng)浦固體激(ji)(ji)光(guang)器(qi)。兩(liang)種(zhong)(zhong)(zhong)光(guang)源(yuan)(yuan)的(de)典型脈(mo)沖能量分布是(shi)高斯(si)分布。兩(liang)種(zhong)(zhong)(zhong)光(guang)源(yuan)(yuan)的(de)功率(lv)通(tong)過(guo)一(yi)個外部衰減器(qi)調節。為(wei)(wei)了得到(dao)高的(de)加工速(su)度，激(ji)(ji)光(guang)束(shu)通(tong)過(guo)掃描(miao)鏡頭傳輸。
3、2樣品處理
加(jia)工了(le)兩種類型(xing)的樣品，為了(le)研究(jiu)燒蝕閾(yu)值，在(zai)(zai)玻璃(li)上沉(chen)(chen)積(ji)了(le)單層(ceng)膜(mo)。在(zai)(zai)激光劃線研究(jiu)中(zhong)，未加(jia)工完(wan)成的太陽能電池用不同步驟(zou)在(zai)(zai)高(gao)級玻璃(li)襯底上進行沉(chen)(chen)積(ji)。非晶硅層(ceng)用等離子體增強化學氣象(xiang)沉(chen)(chen)積(ji)法在(zai)(zai)MV系(xi)統中(zhong)完(wan)成沉(chen)(chen)積(ji)，沉(chen)(chen)積(ji)薄(bo)膜(mo)層(ceng)地厚度為500-600nm。對于TCO單層(ceng)刻(ke)蝕，使用的是商用Asahi-U和自備(bei)的ITO(SnO2:In2O3)和AZO(ZnO:Al)樣品。
3、3測量和特性描述技術
刻蝕剖面測量(liang)和形態(tai)(tai)特性用(yong)共焦激光掃描顯微鏡Leica ICM 1000來獲得。附加(jia)的掃描電子顯微鏡和能(neng)量(liang)彌散X射線探測器的剖面分析圖像能(neng)夠(gou)使我(wo)們更好地理解劃線過程中選擇性刻蝕的形態(tai)(tai)特征。
3、4燒蝕閾值計(ji)算(suan)
在激光選擇性燒蝕(shi)過程中，確定合適的(de)(de)能量密度(du)值是很重要的(de)(de)，這能在帶來最小(xiao)副作用的(de)(de)情況下有效的(de)(de)把材料去除。燒蝕(shi)閾值對于確立可能的(de)(de)參(can)數(shu)窗(chuang)口是很有幫助(zhu)的(de)(de)。燒蝕(shi)閾值是通過測(ce)量增長值燒蝕(shi)孔徑的(de)(de)增長值獲得的(de)(de)。表 1 給出(chu)了單脈(mo)沖燒蝕(shi)的(de)(de)燒蝕(shi)能量密度(du)的(de)(de)總結。
表 1 薄膜材(cai)料的(de)燒蝕閾值
3、5激光劃片(pian)工藝
實驗是在(zai)未(wei)拋光的(de)(de)太陽能(neng)電池上(shang)進行的(de)(de)，在(zai)這(zhe)里(li)每一(yi)個激(ji)光步(bu)(bu)驟都是用恰(qia)當的(de)(de)沉積(ji)層(ceng)(ceng)來(lai)評估(gu)的(de)(de)。對第(di)一(yi)步(bu)(bu)，在(zai)玻(bo)璃上(shang)沉積(ji)一(yi)層(ceng)(ceng)特殊的(de)(de)透明(ming)(ming)導電氧化物。在(zai)第(di)二步(bu)(bu)，在(zai)第(di)二層(ceng)(ceng)的(de)(de)透明(ming)(ming)導電氧化物層(ceng)(ceng)再沉積(ji)一(yi)層(ceng)(ceng)非(fei)晶(jing)硅。最(zui)后(hou)，第(di)三步(bu)(bu)，基(ji)底結(jie)構上(shang)帶(dai)有一(yi)層(ceng)(ceng)ZnO：Al的(de)(de)特殊樣品(pin)作為(wei)靜合(he)接點。
3、5、1第一(yi)步，TCO劃片
在第一步中評估了三種TCO：Asahi-U, ITO和AZO。表 2 給出了依據實現加工的必須的能量密度和脈沖數。圖 4 給出了與表 2 中激光刻蝕參數相應的劃線的掃描電子顯微鏡圖像。
表(biao) 2 依(yi)據能(neng)量(liang)密度和每個位置的脈(mo)沖數(shu)確定的用于TCO的優化激光(guang)刻蝕(shi)參數(shu)
圖 4 玻璃表面三(san)種不同的透明導電氧化物在ns和ps激光輻射劃線下的SEM圖像和共焦剖(pou)面
3、5、2第二步a-Si:H選擇(ze)性燒蝕(shi)
兩種激光光源在(zai)沒有損壞(huai)底層(ceng)TCO的(de)(de)(de)情況下，完(wan)成了對(dui)非晶硅層(ceng)的(de)(de)(de)完(wan)全消融(rong)。這(zhe)個過程用能(neng)量(liang)(liang)彌散x射(she)線探測器進行(xing)了微量(liang)(liang)分析。表 3 給出了兩種不同輻射(she)，在(zai)兩個不同速(su)度下獲得最佳(jia)結(jie)果激光的(de)(de)(de)參數。實驗發(fa)現，對(dui)ps輻射(she)，在(zai)低(di)重(zhong)疊(die)的(de)(de)(de)情況下需要更多的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)，而當能(neng)量(liang)(liang)密度與ns脈沖相近時，則需要更多的(de)(de)(de)脈沖數。此外，在(zai)這(zhe)種情況下對(dui)刻槽的(de)(de)(de)形態面貌以及材料去除和底層(ceng)損壞(huai)的(de)(de)(de)評估是非常重(zhong)要的(de)(de)(de)。圖 5 給出了ns和ps輻射(she)情況下的(de)(de)(de)最佳(jia)劃線。
表 3 依據能量密(mi)度和每個(ge)位置(zhi)的脈(mo)沖數確定(ding)的獲得(de)非晶硅層最佳劃線效(xiao)果的激(ji)光參數
圖 5 ns和ps輻射下a-Si:H(pin)/Asahi-U/玻璃的激光劃線SEM圖像和EDX剖面(mian)
為了使凹(ao)槽邊(bian)緣的(de)(de)(de)硅(gui)沉積物與它的(de)(de)(de)實際(ji)高度(du)相對(dui)應，圖 6 給出(chu)了最(zui)佳劃線(xian)的(de)(de)(de)共焦和EDX剖面。圖 7 中的(de)(de)(de)EDX剖面，顯(xian)示了在第二步加工中TCO層的(de)(de)(de)損(sun)壞。
圖 6 ns和ps輻射下a-Si:H(pin)/Asahi-U/玻璃激光劃線的最佳共焦和EDX剖面
圖(tu) 7 闡明ns和ps輻(fu)射下a-Si:H(pin)/Asahi-U/玻璃的(de)激光劃線(xian)TCO層(ceng)損壞(huai)的(de)EDX剖面和SEM圖(tu)像
3、5、3第三步靜合接(jie)點的選擇性燒蝕
最后一步，從薄膜邊緣獲得激光整體互聯是激光劃線使靜合接點的隔離。硅結構上AZO層的完全去除用兩種脈寬實現了，并且加工參數由表4 給出。圖 給出了ns和ps輻射的最佳劃線效果。這些圖片說明了電池上TCO疊層的選擇性燒蝕成果。
表(biao) 4 獲得AZO層最佳(jia)劃線效果的激光參數
圖(tu) ns和(he)ps輻射下激光最(zui)佳劃線的EDX剖面，SEM圖(tu)像和(he)共焦剖面以及地形(xing)圖(tu)
太陽能(neng)電池板激光(guang)劃線需(xu)要高(gao)重復率和短波長輸出激光(guang)器。經激光(guang)加工的(de)電極可承受極高(gao)的(de)熱循(xun)環(huan)而不致損(sun)傷
推薦設備：導電玻璃激光刻蝕機
