隨著(zhu)對(dui)小型電子(zi)產品(pin)和微電子(zi)元(yuan)器件(jian)需(xu)求(qiu)的日益(yi)增(zeng)長，紫外(wai)激光(guang)是加工微電子(zi)元(yuan)器件(jian)中(zhong)被(bei)普遍(bian)使(shi)用的塑料和金屬等材料的理(li)想工具。固(gu)態激光(guang)器最新技(ji)術推動了新一代結構緊(jin)湊、全(quan)固(gu)態紫外(wai)激光(guang)器的發展，從而使(shi)之成為這個領域中(zhong)更(geng)經濟有效的加工手段。
1.紫外激光的(de)產生
355nm紫外激光由 1064nm Nd∶ YAG激光的三(san)(san)次諧(xie)(xie)(xie)波(bo)獲得 ,具體技術(shu)途徑是(shi)用二次諧(xie)(xie)(xie)波(bo)晶體腔內倍頻(pin)1064nm基(ji)波(bo)產生(sheng) 532nm二次諧(xie)(xie)(xie)波(bo), 基(ji)波(bo)和諧(xie)(xie)(xie)波(bo)再經三(san)(san)次諧(xie)(xie)(xie)波(bo)晶體腔內混頻(pin)產生(sheng) 355nm三(san)(san)次諧(xie)(xie)(xie)波(bo)。
1、1簡單理論
三次(ci)諧波的產(chan)生(sheng)分為兩個(ge)(ge)部(bu)分，在(zai)第(di)一個(ge)(ge)晶體(ti)中，部(bu)分 1064nm基波輻射轉(zhuan)換(huan)為二次(ci)諧波(532nm)；接著，在(zai)第(di)二個(ge)(ge)晶體(ti)中，未轉(zhuan)換(huan)的基波輻射與二次(ci)諧波和頻產(chan)生(sheng)三次(ci)諧波。在(zai)非線性晶體(ti)中混頻的方程式為：
此處的(de)(de)(de) Ej項為(wei)以頻率 ωj在 z 方向上傳播(bo)的(de)(de)(de)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)綜合(he)電矢，ω3=ω1+ω2，波(bo)(bo) j 的(de)(de)(de)電場是 Ejexp(iωjt-ikjz)的(de)(de)(de)實(shi)數部(bu)分，相位失(shi)配?k =k3-(k1+k2)正比(bi)于相位(wei)匹(pi)配(pei)方(fang)向上光路的偏(pian)離(li)量?θ，γ1 項(xiang)為(wei)吸收系數(shu)。對于三倍(bei)頻(pin)，有 ω2=2ω1，ω3=3ω1，K2≈2K1，K3≈3K1。為(wei)了提高倍(bei)頻(pin)效率及和(he)頻(pin)光的功率輸(shu)出，我們要盡(jin)量滿足位(wei)相匹配條件：?k =0。令(ling)參量 S 為(wei)三倍頻晶體中二次諧波功率(lv)與總(zong)功率(lv)之比：
如果以 ω 和 2ω 輸(shu)(shu)入的光(guang)子匹(pi)配(pei)為 1:1，則有 Pω+P2ω 及 S=0.67，理論(lun)上(shang)在小信號近似情況下，輸(shu)(shu)入光(guang)束(shu)都能(neng)轉換為三次諧波。
1、2實驗裝置
實驗裝置如圖 1 所示。Nd:YVO4 晶(jing)體(ti)采(cai)用 a 軸切割，摻釹(nv)濃度為(wei)1%，尺寸(cun)為(wei)3mm×3mm×2mm，一面(mian)鍍(du)1064nm/532nm雙波長(chang)高(gao)反膜作(zuo)為(wei)輸入鏡(jing)，另一面(mian)鍍(du) 808nm增(zeng)透膜。輸出鏡(jing) M 曲(qu)率半徑為(wei) 100mm，凹面(mian)鍍(du) 1064nm/532nm高(gao)反膜及 355nm增(zeng)透膜，平面(mian)鍍(du)355nm高(gao)透膜。
二倍頻晶體選用 KTP，θ=90°，φ=23.5°，按Ⅱ類臨界(jie)相(xiang)位(wei)匹(pi)配切割，尺(chi)寸為 2mm×2mm×10mm，兩(liang)(liang)端(duan)面鍍(du) 1064nm/532nm 雙(shuang)色增透(tou)膜。三倍頻晶體選用Ⅰ類臨界(jie)相(xiang)位(wei)匹(pi)配 LBO，θ=42.6°，φ=90°，尺(chi)寸為3mm×3mm×12mm，兩(liang)(liang)端(duan)面鍍(du) 1064nm/532nm/355nm 三色增透(tou)膜。二倍頻和三倍頻晶體的(de)放置要符合光波的(de)偏振匹(pi)配條(tiao)件， 如圖2所示Nd:YVO4、 KTP和LBO用致冷器溫控。 用coherent公司(si)生產的(de)LabMaster Ultima P540 功(gong)率計，LM-UV2 紫(zi)外(wai)(wai)探(tan)測器測量紫(zi)外(wai)(wai)激光的(de)功(gong)率。
2.紫外(wai)激(ji)光(guang)加工的特點
紫外激(ji)光除了(le)具有(you)激(ji)光的(de)一般特(te)點(dian)之外，還(huan)有(you)一些與紫外波長(chang)相應的(de)特(te)點(dian)，使得紫外激(ji)光在很(hen)多(duo)材料(liao)的(de)加工中有(you)重要應用。
2、1紫外激光加工的原理
與紅外或可見光通常靠產生集中(zhong)局(ju)部(bu)的(de)(de)加(jia)熱使物質熔(rong)化或汽化的(de)(de)方式來進行加(jia)工不同，紫(zi)外加(jia)工從本質上(shang)說不是熱處(chu)(chu)理。紫(zi)外激光的(de)(de)波(bo)長在0.4um以下，而且大多數材(cai)料吸收紫(zi)外光比吸收紅外光更容易，高能(neng)量(liang)的(de)(de)紫(zi)外光子(zi)直接破壞材(cai)料表面分子(zi)中(zhong)原子(zi)間的(de)(de)連(lian)接鍵(jian)，這種“冷”光蝕處(chu)(chu)理加(jia)工出來的(de)(de)部(bu)件具(ju)有光滑的(de)(de)邊(bian)緣和最低限度的(de)(de)炭(tan)化。
圖(tu) 3 激光與材料作用的(de)示意圖(tu)
2、2紫外激(ji)光(guang)加工的(de)優點：
（1）紫外(wai)激(ji)(ji)光器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)波長較短能加(jia)(jia)工很小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)部件。紫外(wai)激(ji)(ji)光的(de)(de)(de)(de)(de)波長在0.4um一下，由于會聚光斑(ban)的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)小(xiao)直(zhi)(zhi)徑直(zhi)(zhi)接正比(bi)于光波長(由于衍射) ，激(ji)(ji)光的(de)(de)(de)(de)(de)波長越短，聚焦的(de)(de)(de)(de)(de)能量(liang)就越集中，因此，更短波長意味著(zhu)更高的(de)(de)(de)(de)(de)空間分辨率。例如，在鉆微(wei)通道時，用CO2激(ji)(ji)光打(da)出的(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)小(xiao)孔極限(xian)是75um，而用355nm的(de)(de)(de)(de)(de)紫外(wai)固(gu)體激(ji)(ji)光器(qi)可以加(jia)(jia)工成(cheng)直(zhi)(zhi)徑小(xiao)于25um的(de)(de)(de)(de)(de)通道。
（2）許多材料（如陶瓷、 金屬、 聚合物等）對紫外(wai)波段的(de)吸(xi)收比較(jiao)大，可以(yi)加(jia)工(gong)許多紅(hong)外(wai)和可見光激(ji)(ji)光器加(jia)工(gong)不了(le)的(de)材料。像Cu這種金屬對紅(hong)外(wai)波段的(de)光是(shi)(shi)高(gao)反的(de)，用(yong)CO2激(ji)(ji)光切(qie)割它，若不進行預處理是(shi)(shi)無效的(de)。
（3）紫外(wai)光(guang)(guang)子直(zhi)接切斷材(cai)料(liao)(liao)分子中(zhong)原(yuan)子間的(de)(de)(de)連接鍵。紅外(wai)或(huo)可(ke)見(jian)光(guang)(guang)通常靠產生(sheng)集中(zhong)局部(bu)的(de)(de)(de)加熱(re)使物質熔化(hua)或(huo)汽(qi)化(hua)的(de)(de)(de)方式來進行加工(gong)，但這種加熱(re)會導(dao)致周圍區域嚴(yan)重破壞 ,因而(er)(er)限制(zhi)了(le)邊(bian)緣強(qiang)度(du)和產生(sheng)小精細特征的(de)(de)(de)能力。與熱(re)加工(gong)相比,紫外(wai)激光(guang)(guang)加工(gong)使材(cai)料(liao)(liao)發生(sheng)分解(jie)而(er)(er)被去(qu)除，因而(er)(er)加工(gong)處周邊(bian)熱(re)損傷(shang)和熱(re)影響區小.
而(er)且(qie)紫(zi)外(wai)激光器尤其是(shi)固體(ti)紫(zi)外(wai)激光器的結(jie)構越來越緊(jin)湊(cou)、 平均(jun)功率(lv)高(gao)、易維護、 操作簡便、 成本(ben)低、 生產率(lv)高(gao)。
3、紫(zi)外激光用于薄膜劃線
3、1激光系統
實驗中使用(yong)兩種不同(tong)的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)光(guang)源(yuan)(yuan)進(jin)行劃線(xian)。第(di)一(yi)種光(guang)源(yuan)(yuan)是(shi)(shi)355nm波長(chang)的(de)(de)端(duan)面(mian)泵浦固體(ti)激(ji)(ji)光(guang)器，脈沖(chong)(chong)持續時(shi)間15ns，第(di)二種是(shi)(shi)脈寬為8ns 的(de)(de)355nm波長(chang)的(de)(de)端(duan)面(mian)泵浦固體(ti)激(ji)(ji)光(guang)器。兩種光(guang)源(yuan)(yuan)的(de)(de)典型(xing)脈沖(chong)(chong)能量(liang)分布是(shi)(shi)高(gao)斯(si)分布。兩種光(guang)源(yuan)(yuan)的(de)(de)功率通過(guo)一(yi)個外部衰減(jian)器調(diao)節。為了得到高(gao)的(de)(de)加工速度，激(ji)(ji)光(guang)束通過(guo)掃(sao)描鏡頭傳(chuan)輸。
3、2樣(yang)品處理
加工了兩種類型(xing)的樣品，為了研(yan)究(jiu)(jiu)燒蝕閾值，在玻(bo)璃(li)上(shang)沉(chen)積(ji)了單(dan)層(ceng)膜(mo)。在激光(guang)劃(hua)線(xian)研(yan)究(jiu)(jiu)中，未加工完成(cheng)的太(tai)陽能(neng)電池用(yong)不同步驟在高級玻(bo)璃(li)襯底上(shang)進行沉(chen)積(ji)。非晶硅層(ceng)用(yong)等(deng)離(li)子體增強化學氣(qi)象沉(chen)積(ji)法在MV系統中完成(cheng)沉(chen)積(ji)，沉(chen)積(ji)薄膜(mo)層(ceng)地(di)厚度(du)為500-600nm。對于TCO單(dan)層(ceng)刻蝕，使用(yong)的是商用(yong)Asahi-U和自備的ITO(SnO2:In2O3)和AZO(ZnO:Al)樣品。
3、3測量和特(te)性描述(shu)技術
刻蝕剖(pou)面(mian)測量(liang)(liang)和形態特性用共焦激光(guang)掃描顯(xian)微鏡Leica ICM 1000來獲得(de)。附加的掃描電子顯(xian)微鏡和能(neng)量(liang)(liang)彌散X射線探測器的剖(pou)面(mian)分析圖像能(neng)夠(gou)使(shi)我們(men)更好地理解劃線過程中選擇(ze)性刻蝕的形態特征(zheng)。
3、4燒蝕閾值計算
在激光選擇性燒蝕過程中，確(que)定合適的(de)(de)能(neng)量密度值是(shi)很重要的(de)(de)，這能(neng)在帶來最小副作用的(de)(de)情況(kuang)下有效的(de)(de)把材料去除。燒蝕閾(yu)值對于確(que)立可(ke)能(neng)的(de)(de)參數窗(chuang)口是(shi)很有幫助的(de)(de)。燒蝕閾(yu)值是(shi)通過測量增長(chang)(chang)值燒蝕孔徑的(de)(de)增長(chang)(chang)值獲得的(de)(de)。表 1 給(gei)出了單脈沖燒蝕的(de)(de)燒蝕能(neng)量密度的(de)(de)總結。
表(biao) 1 薄膜材料的燒蝕閾值
3、5激光劃(hua)片工藝
實驗是(shi)在未拋光的(de)太陽能電池上進行的(de)，在這里(li)每一(yi)(yi)個激(ji)光步(bu)驟都(dou)是(shi)用(yong)恰當的(de)沉積層(ceng)來評估的(de)。對第一(yi)(yi)步(bu)，在玻璃上沉積一(yi)(yi)層(ceng)特殊的(de)透明(ming)導電氧化(hua)物。在第二步(bu)，在第二層(ceng)的(de)透明(ming)導電氧化(hua)物層(ceng)再(zai)沉積一(yi)(yi)層(ceng)非晶硅。最后，第三步(bu)，基(ji)底(di)結構上帶(dai)有(you)一(yi)(yi)層(ceng)ZnO：Al的(de)特殊樣品作為靜合接點。
3、5、1第一步，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 2 依據能量密度和每個位置的脈沖(chong)數確定的用(yong)于TCO的優化激光刻蝕參數
圖(tu) 4 玻璃表(biao)面三(san)種不同的透(tou)明導電氧化(hua)物在ns和(he)ps激光輻(fu)射劃線下的SEM圖(tu)像和(he)共焦剖(pou)面
3、5、2第二(er)步a-Si:H選(xuan)擇性(xing)燒蝕
兩(liang)種(zhong)(zhong)激(ji)光光源在(zai)(zai)沒有損壞(huai)底層(ceng)TCO的(de)(de)情(qing)況下，完成(cheng)了(le)對(dui)(dui)(dui)非晶硅層(ceng)的(de)(de)完全(quan)消融(rong)。這(zhe)個過程用能(neng)量彌散x射線探(tan)測器進行了(le)微量分(fen)析。表 3 給出了(le)兩(liang)種(zhong)(zhong)不同(tong)輻射，在(zai)(zai)兩(liang)個不同(tong)速度(du)下獲得最(zui)(zui)佳結果激(ji)光的(de)(de)參數。實驗發(fa)現，對(dui)(dui)(dui)ps輻射，在(zai)(zai)低重(zhong)疊的(de)(de)情(qing)況下需要(yao)更(geng)多(duo)的(de)(de)能(neng)量，而當能(neng)量密度(du)與ns脈(mo)沖相近時，則(ze)需要(yao)更(geng)多(duo)的(de)(de)脈(mo)沖數。此外，在(zai)(zai)這(zhe)種(zhong)(zhong)情(qing)況下對(dui)(dui)(dui)刻槽的(de)(de)形態面貌以(yi)及材料去除和底層(ceng)損壞(huai)的(de)(de)評估是非常重(zhong)要(yao)的(de)(de)。圖(tu) 5 給出了(le)ns和ps輻射情(qing)況下的(de)(de)最(zui)(zui)佳劃線。
表 3 依據(ju)能量密度和(he)每個位置(zhi)的脈沖數(shu)確定的獲得非晶(jing)硅(gui)層最佳劃(hua)線效果的激光參數(shu)
圖(tu) 5 ns和ps輻射下a-Si:H(pin)/Asahi-U/玻璃的(de)激光劃(hua)線(xian)SEM圖(tu)像和EDX剖面
為了使凹(ao)槽邊緣的(de)硅沉積物與它(ta)的(de)實際高度相(xiang)對應，圖 6 給出了最佳劃線的(de)共焦和EDX剖面。圖 7 中的(de)EDX剖面，顯示了在(zai)第(di)二(er)步加(jia)工中TCO層(ceng)的(de)損壞。
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(ming)ns和ps輻射下a-Si:H(pin)/Asahi-U/玻璃的激光劃線(xian)TCO層損(sun)壞的EDX剖面和SEM圖(tu)像(xiang)
3、5、3第(di)三步靜合(he)接(jie)點的(de)選擇(ze)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層最佳劃線效果(guo)的激(ji)光參數
圖(tu) ns和ps輻射下激(ji)光最佳劃(hua)線的EDX剖面(mian)，SEM圖(tu)像和共焦剖面(mian)以及地形圖(tu)
太陽(yang)能電(dian)池板激(ji)光(guang)劃線需要高重復(fu)率和短波(bo)長輸(shu)出激(ji)光(guang)器。經激(ji)光(guang)加(jia)工的(de)(de)電(dian)極可承(cheng)受(shou)極高的(de)(de)熱循環而不致損(sun)傷
推薦設備：導電玻璃激光刻蝕機
