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隨(sui)著對小型電(dian)子產品(pin)和微(wei)電(dian)子元(yuan)器(qi)件需求(qiu)的(de)(de)(de)日益(yi)增長(chang)，紫(zi)外激(ji)(ji)(ji)光是加工微(wei)電(dian)子元(yuan)器(qi)件中(zhong)被普遍使(shi)(shi)用(yong)的(de)(de)(de)塑料和金(jin)屬等材(cai)料的(de)(de)(de)理想工具。固(gu)態激(ji)(ji)(ji)光器(qi)最新技術(shu)推動了新一代結構緊湊、全(quan)固(gu)態紫(zi)外激(ji)(ji)(ji)光器(qi)的(de)(de)(de)發展(zhan)，從而使(shi)(shi)之成為這(zhe)個領域中(zhong)更(geng)經濟有效(xiao)的(de)(de)(de)加工手(shou)段。

1.紫外激光的產(chan)生(sheng)

355nm紫外激(ji)光由 1064nm Nd∶ YAG激(ji)光的三次諧波(bo)(bo)(bo)獲得 ,具(ju)體(ti)技術途徑是用二次諧波(bo)(bo)(bo)晶(jing)體(ti)腔內(nei)倍(bei)頻1064nm基(ji)波(bo)(bo)(bo)產生(sheng) 532nm二次諧波(bo)(bo)(bo), 基(ji)波(bo)(bo)(bo)和諧波(bo)(bo)(bo)再(zai)經三次諧波(bo)(bo)(bo)晶(jing)體(ti)腔內(nei)混頻產生(sheng) 355nm三次諧波(bo)(bo)(bo)。

1、1簡(jian)單(dan)理(li)論

三次(ci)諧(xie)波(bo)的產(chan)生分為兩(liang)個部(bu)分，在第一個晶體(ti)中，部(bu)分 1064nm基波(bo)輻射轉換為二(er)次(ci)諧(xie)波(bo)(532nm)；接(jie)著，在第二(er)個晶體(ti)中，未轉換的基波(bo)輻射與二(er)次(ci)諧(xie)波(bo)和頻產(chan)生三次(ci)諧(xie)波(bo)。在非線(xian)性晶體(ti)中混(hun)頻的方程式為：

此處的(de)(de)(de) Ej項為(wei)以頻率 ωj在 z 方向上傳播的(de)(de)(de)波(bo)的(de)(de)(de)綜合電矢，ω3=ω1+ω2，波(bo) j 的(de)(de)(de)電場是 Ejexp(iωjt-ikjz)的(de)(de)(de)實數部分，相位失(shi)配?k =k3-(k1+k2)正比于相位匹配(pei)方向(xiang)上光路的偏(pian)離(li)量?θ，γ1 項為(wei)吸收系數。對于三倍(bei)頻，有 ω2=2ω1，ω3=3ω1，K2≈2K1，K3≈3K1。為(wei)了提高倍(bei)頻效率及和頻光的功率輸出，我(wo)們要盡(jin)量滿足(zu)位(wei)相匹配條件：?k =0。令(ling)參量 S 為三倍頻(pin)晶體中二次諧波功(gong)率(lv)與總功(gong)率(lv)之(zhi)比：

如果(guo)以 ω 和 2ω 輸(shu)入(ru)的光子(zi)匹配為(wei) 1:1，則有 Pω+P2ω 及 S=0.67，理論上在小信號近似(si)情況(kuang)下，輸(shu)入(ru)光束都能轉換為(wei)三次諧波。

1、2實驗裝置

實驗(yan)裝置(zhi)如圖 1 所示。Nd:YVO4 晶體(ti)采用 a 軸(zhou)切割，摻釹濃(nong)度為1%，尺寸為3mm×3mm×2mm，一面(mian)鍍(du)1064nm/532nm雙波長高反膜(mo)作為輸入鏡，另一面(mian)鍍(du) 808nm增透膜(mo)。輸出鏡 M 曲率半徑為 100mm，凹面(mian)鍍(du) 1064nm/532nm高反膜(mo)及 355nm增透膜(mo)，平面(mian)鍍(du)355nm高透膜(mo)。

二(er)倍(bei)頻(pin)晶體選用(yong)(yong) KTP，θ=90°，φ=23.5°，按Ⅱ類臨界相位匹配(pei)切(qie)割(ge)，尺寸為 2mm×2mm×10mm，兩(liang)端(duan)(duan)面鍍 1064nm/532nm 雙(shuang)色增透(tou)(tou)膜。三(san)(san)倍(bei)頻(pin)晶體選用(yong)(yong)Ⅰ類臨界相位匹配(pei) LBO，θ=42.6°，φ=90°，尺寸為3mm×3mm×12mm，兩(liang)端(duan)(duan)面鍍 1064nm/532nm/355nm 三(san)(san)色增透(tou)(tou)膜。二(er)倍(bei)頻(pin)和(he)三(san)(san)倍(bei)頻(pin)晶體的(de)(de)放(fang)置要(yao)符合光波的(de)(de)偏振(zhen)匹配(pei)條(tiao)件， 如圖2所示Nd:YVO4、 KTP和(he)LBO用(yong)(yong)致冷器溫(wen)控。 用(yong)(yong)coherent公司(si)生產的(de)(de)LabMaster Ultima P540 功率計，LM-UV2 紫外探測(ce)器測(ce)量(liang)紫外激光的(de)(de)功率。

2.紫外激光加工的特點

紫(zi)(zi)(zi)外激光(guang)除了具有(you)(you)激光(guang)的一般(ban)特點之外，還(huan)有(you)(you)一些與紫(zi)(zi)(zi)外波長相(xiang)應(ying)的特點，使得(de)紫(zi)(zi)(zi)外激光(guang)在很多(duo)材料的加工中有(you)(you)重要應(ying)用。

2、1紫外激光加工的原理

與紅(hong)外或(huo)可見光(guang)通(tong)常(chang)靠產生集中(zhong)局部的(de)加熱使(shi)物質(zhi)熔(rong)化或(huo)汽(qi)化的(de)方式(shi)來進行(xing)加工(gong)(gong)不同(tong)，紫(zi)外加工(gong)(gong)從本質(zhi)上說不是熱處理。紫(zi)外激光(guang)的(de)波長在0.4um以下(xia)，而且大多數材料吸收紫(zi)外光(guang)比吸收紅(hong)外光(guang)更容(rong)易，高能(neng)量的(de)紫(zi)外光(guang)子直接破壞材料表(biao)面分子中(zhong)原(yuan)子間的(de)連(lian)接鍵，這種(zhong)“冷”光(guang)蝕處理加工(gong)(gong)出來的(de)部件(jian)具有光(guang)滑的(de)邊緣和(he)最(zui)低限度的(de)炭化。

圖 3 激光與材料(liao)作用(yong)的示意圖

2、2紫外激光加工的優(you)點(dian)：

（1）紫外(wai)激光(guang)器(qi)(qi)的波(bo)(bo)長較(jiao)短(duan)能加工(gong)很小的部件。紫外(wai)激光(guang)的波(bo)(bo)長在0.4um一下，由(you)于(yu)(yu)會聚(ju)光(guang)斑的最(zui)小直(zhi)(zhi)徑直(zhi)(zhi)接正比于(yu)(yu)光(guang)波(bo)(bo)長(由(you)于(yu)(yu)衍(yan)射) ，激光(guang)的波(bo)(bo)長越(yue)短(duan)，聚(ju)焦的能量就越(yue)集中，因(yin)此，更短(duan)波(bo)(bo)長意味(wei)著更高的空間分辨率(lv)。例如，在鉆(zhan)微通道(dao)時，用CO2激光(guang)打出的最(zui)小孔極限(xian)是(shi)75um，而(er)用355nm的紫外(wai)固(gu)體激光(guang)器(qi)(qi)可(ke)以加工(gong)成直(zhi)(zhi)徑小于(yu)(yu)25um的通道(dao)。

（2）許多(duo)材(cai)料（如陶瓷、 金(jin)屬(shu)、 聚合物等）對紫外(wai)波段(duan)的吸收比(bi)較大(da)，可(ke)(ke)以(yi)加(jia)工許多(duo)紅外(wai)和可(ke)(ke)見(jian)光激光器加(jia)工不了的材(cai)料。像Cu這種金(jin)屬(shu)對紅外(wai)波段(duan)的光是(shi)高反的，用(yong)CO2激光切割(ge)它，若不進行預處(chu)理(li)是(shi)無(wu)效的。

（3）紫外光子(zi)(zi)直接切斷材料分(fen)子(zi)(zi)中原子(zi)(zi)間(jian)的連(lian)接鍵。紅外或(huo)可見光通常(chang)靠產(chan)生(sheng)集中局部的加(jia)(jia)(jia)熱(re)使(shi)物質熔化(hua)或(huo)汽化(hua)的方式來進行加(jia)(jia)(jia)工(gong)，但這種加(jia)(jia)(jia)熱(re)會導致(zhi)周圍區(qu)域(yu)嚴(yan)重破壞 ,因而限(xian)制(zhi)了邊(bian)緣強度和(he)產(chan)生(sheng)小精細(xi)特征(zheng)的能力。與熱(re)加(jia)(jia)(jia)工(gong)相比,紫外激光加(jia)(jia)(jia)工(gong)使(shi)材料發生(sheng)分(fen)解而被去(qu)除，因而加(jia)(jia)(jia)工(gong)處周邊(bian)熱(re)損傷和(he)熱(re)影響區(qu)小.

而且紫(zi)外激光(guang)器尤其是固體(ti)紫(zi)外激光(guang)器的(de)結構(gou)越來越緊湊、 平均功率高、易維護、 操作簡便、 成本低、 生產(chan)率高。

3、紫(zi)外激光用于(yu)薄(bo)膜劃線

3、1激光系統

實驗(yan)中使用兩(liang)種(zhong)不同(tong)的(de)激(ji)光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)進行劃線。第一(yi)種(zhong)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)是355nm波長(chang)的(de)端(duan)面(mian)泵浦固(gu)體(ti)(ti)激(ji)光(guang)(guang)(guang)器，脈沖持(chi)續時間15ns，第二種(zhong)是脈寬為8ns 的(de)355nm波長(chang)的(de)端(duan)面(mian)泵浦固(gu)體(ti)(ti)激(ji)光(guang)(guang)(guang)器。兩(liang)種(zhong)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)典型脈沖能量分布是高斯分布。兩(liang)種(zhong)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)功率通過一(yi)個外部衰減器調節。為了(le)得到高的(de)加工(gong)速度(du)，激(ji)光(guang)(guang)(guang)束(shu)通過掃描鏡頭傳輸(shu)。

3、2樣(yang)品(pin)處理

加工了兩種類型的(de)樣品，為了研(yan)究燒蝕閾值，在玻(bo)璃(li)上沉(chen)積(ji)了單層(ceng)膜。在激光劃線研(yan)究中，未加工完(wan)成的(de)太陽能電池用不同步驟在高(gao)級玻(bo)璃(li)襯底上進行沉(chen)積(ji)。非(fei)晶硅(gui)層(ceng)用等離子體增強化學氣象沉(chen)積(ji)法(fa)在MV系統中完(wan)成沉(chen)積(ji)，沉(chen)積(ji)薄膜層(ceng)地(di)厚度為500-600nm。對于TCO單層(ceng)刻蝕，使用的(de)是商用Asahi-U和自備的(de)ITO(SnO2:In2O3)和AZO(ZnO:Al)樣品。

3、3測量和特(te)性描述技術(shu)

刻(ke)蝕剖面測(ce)量(liang)和(he)形態特(te)性(xing)用(yong)共(gong)焦激光掃(sao)描顯微鏡Leica ICM 1000來(lai)獲得。附(fu)加的(de)掃(sao)描電子顯微鏡和(he)能量(liang)彌散X射(she)線(xian)(xian)探(tan)測(ce)器(qi)的(de)剖面分析(xi)圖(tu)像能夠使我們更好地理(li)解劃線(xian)(xian)過程中選擇性(xing)刻(ke)蝕的(de)形態特(te)征。

3、4燒蝕閾(yu)值計算

在激光選擇性(xing)燒(shao)蝕(shi)過(guo)程中，確定合適的(de)能量(liang)密度值(zhi)(zhi)(zhi)是(shi)很(hen)重要的(de)，這(zhe)能在帶來(lai)最(zui)小副作用的(de)情況下有效的(de)把材料去除。燒(shao)蝕(shi)閾值(zhi)(zhi)(zhi)對于確立可能的(de)參數窗口是(shi)很(hen)有幫(bang)助(zhu)的(de)。燒(shao)蝕(shi)閾值(zhi)(zhi)(zhi)是(shi)通(tong)過(guo)測量(liang)增(zeng)長值(zhi)(zhi)(zhi)燒(shao)蝕(shi)孔徑的(de)增(zeng)長值(zhi)(zhi)(zhi)獲得的(de)。表 1 給出了單脈沖(chong)燒(shao)蝕(shi)的(de)燒(shao)蝕(shi)能量(liang)密度的(de)總結(jie)。

表 1 薄膜材料(liao)的燒蝕閾(yu)值

3、5激光劃片(pian)工藝

實(shi)驗(yan)是(shi)在(zai)未拋光(guang)的(de)太陽能(neng)電池上(shang)進(jin)行的(de)，在(zai)這里每(mei)一(yi)個激光(guang)步(bu)(bu)驟(zou)都是(shi)用恰(qia)當的(de)沉積(ji)層(ceng)(ceng)來評估的(de)。對第(di)一(yi)步(bu)(bu)，在(zai)玻璃上(shang)沉積(ji)一(yi)層(ceng)(ceng)特殊的(de)透明導(dao)電氧(yang)化(hua)物。在(zai)第(di)二步(bu)(bu)，在(zai)第(di)二層(ceng)(ceng)的(de)透明導(dao)電氧(yang)化(hua)物層(ceng)(ceng)再沉積(ji)一(yi)層(ceng)(ceng)非(fei)晶硅。最(zui)后，第(di)三步(bu)(bu)，基底結構上(shang)帶有(you)一(yi)層(ceng)(ceng)ZnO：Al的(de)特殊樣品作(zuo)為靜合(he)接點。

3、5、1第(di)一步，TCO劃(hua)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)據能量密度(du)和(he)每個位(wei)置的(de)脈沖數(shu)確定(ding)的(de)用于TCO的(de)優化激光刻蝕參(can)數(shu)

圖 4 玻璃表面三(san)種(zhong)不(bu)同的透(tou)明導電(dian)氧化物(wu)在ns和ps激光(guang)輻射劃線下的SEM圖像(xiang)和共焦剖面

3、5、2第二步a-Si:H選擇(ze)性(xing)燒蝕

兩(liang)種激(ji)光(guang)光(guang)源在(zai)沒有(you)損(sun)壞(huai)底(di)層TCO的情況(kuang)下，完成了(le)對非晶硅(gui)層的完全消融。這(zhe)個(ge)過(guo)程用能量(liang)(liang)彌(mi)散(san)x射線探測(ce)器(qi)進行(xing)了(le)微量(liang)(liang)分(fen)析。表 3 給出了(le)兩(liang)種不(bu)同輻射，在(zai)兩(liang)個(ge)不(bu)同速度下獲得(de)最佳(jia)結(jie)果激(ji)光(guang)的參數(shu)。實驗發現(xian)，對ps輻射，在(zai)低重疊的情況(kuang)下需要(yao)(yao)更多的能量(liang)(liang)，而(er)當能量(liang)(liang)密度與(yu)ns脈沖(chong)相近時，則(ze)需要(yao)(yao)更多的脈沖(chong)數(shu)。此(ci)外，在(zai)這(zhe)種情況(kuang)下對刻槽的形態面貌以(yi)及(ji)材料去除(chu)和(he)底(di)層損(sun)壞(huai)的評估是非常重要(yao)(yao)的。圖 5 給出了(le)ns和(he)ps輻射情況(kuang)下的最佳(jia)劃線。

表(biao) 3 依(yi)據能量密度和每個位置的脈(mo)沖數確定(ding)的獲得非晶硅層最佳(jia)劃線(xian)效果的激光(guang)參數

圖(tu) 5 ns和ps輻射下a-Si:H(pin)/Asahi-U/玻(bo)璃的激(ji)光劃線SEM圖(tu)像和EDX剖面

為了使凹槽邊緣的(de)(de)(de)硅沉積物與它的(de)(de)(de)實際(ji)高(gao)度相(xiang)對應，圖 6 給出(chu)了最佳劃線的(de)(de)(de)共焦和(he)EDX剖面。圖 7 中(zhong)的(de)(de)(de)EDX剖面，顯示了在(zai)第二步(bu)加工中(zhong)TCO層的(de)(de)(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 7 闡明(ming)ns和ps輻射(she)下a-Si:H(pin)/Asahi-U/玻(bo)璃的激光劃(hua)線TCO層損壞的EDX剖面和SEM圖像

3、5、3第三步靜合接點的選擇性燒蝕

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 4 獲得(de)AZO層最佳(jia)劃線效果的激(ji)光參數

圖  ns和(he)ps輻射下激光最(zui)佳劃(hua)線的EDX剖面(mian)(mian)，SEM圖像和(he)共焦剖面(mian)(mian)以及地(di)形圖

太(tai)陽能電池板激(ji)光劃線需(xu)要高重復率和(he)短(duan)波長輸出(chu)激(ji)光器。經激(ji)光加工(gong)的(de)電極可承受(shou)極高的(de)熱循(xun)環而(er)不致損傷(shang)

推薦設備：導電玻璃激光刻蝕機