紫外激光刻蚀TCO材料应用介绍

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紫外激光刻蚀TCO材料应用介绍

发布时间：2020-04-27 来源：元禄光电

随着对小型电子产品和微电子元器件需求的日益增长，紫外激光是加工微电子元器件中被普遍使用的塑料和金属等材料的理想工具。固态激光器最新技术推动了新一代结构紧凑、全固态紫外激光器的发展，从而使之成为这个领域中更经济有效的加工手段。

1.紫外激光的产生

355nm紫外激光由 1064nm Nd∶ YAG激光的三次谐波获得 ,具体技术途径是用二次谐波晶体腔内倍频1064nm基波产生 532nm二次谐波, 基波和谐波再经三次谐波晶体腔内混频产生 355nm三次谐波。

1、1简单理论

三次谐波的产生分为两个部分，在第一个晶体中，部分 1064nm基波辐射转换为二次谐波(532nm)；接着，在第二个晶体中，未转换的基波辐射与二次谐波和频产生三次谐波。在非线性晶体中混频的方程式为：

此处的 Ej项为以频率 ωj在 z 方向上传播的波的综合电矢，ω3=ω1+ω2，波 j 的电场是 Ejexp(iωjt-ikjz)的实数部分，相位失配∆k =k3-(k1+k2)正比于相位匹配方向上光路的偏离量∆θ，γ1 项为吸收系数。对于三倍频，有 ω2=2ω1，ω3=3ω1，K2≈2K1，K3≈3K1。为了提高倍频效率及和频光的功率输出，我们要尽量满足位相匹配条件：∆k =0。令参量 S 为三倍频晶体中二次谐波功率与总功率之比：

如果以 ω 和 2ω 输入的光子匹配为 1:1，则有 Pω+P2ω 及 S=0.67，理论上在小信号近似情况下，输入光束都能转换为三次谐波。

1、2实验装置

实验装置如图 1 所示。Nd:YVO4 晶体采用 a 轴切割，掺钕浓度为1%，尺寸为3mm×3mm×2mm，一面镀1064nm/532nm双波长高反膜作为输入镜，另一面镀 808nm增透膜。输出镜 M 曲率半径为 100mm，凹面镀 1064nm/532nm高反膜及 355nm增透膜，平面镀355nm高透膜。

二倍频晶体选用 KTP，θ=90°，φ=23.5°，按Ⅱ类临界相位匹配切割，尺寸为 2mm×2mm×10mm，两端面镀 1064nm/532nm 双色增透膜。三倍频晶体选用Ⅰ类临界相位匹配 LBO，θ=42.6°，φ=90°，尺寸为3mm×3mm×12mm，两端面镀 1064nm/532nm/355nm 三色增透膜。二倍频和三倍频晶体的放置要符合光波的偏振匹配条件，如图2所示Nd:YVO4、 KTP和LBO用致冷器温控。用coherent公司生产的LabMaster Ultima P540 功率计，LM-UV2 紫外探测器测量紫外激光的功率。

2.紫外激光加工的特点

紫外激光除了具有激光的一般特点之外，还有一些与紫外波长相应的特点，使得紫外激光在很多材料的加工中有重要应用。

2、1紫外激光加工的原理

与红外或可见光通常靠产生集中局部的加热使物质熔化或汽化的方式来进行加工不同，紫外加工从本质上说不是热处理。紫外激光的波长在0.4um以下，而且大多数材料吸收紫外光比吸收红外光更容易，高能量的紫外光子直接破坏材料表面分子中原子间的连接键，这种“冷”光蚀处理加工出来的部件具有光滑的边缘和最低限度的炭化。

图 3 激光与材料作用的示意图

2、2紫外激光加工的优点：

（1）紫外激光器的波长较短能加工很小的部件。紫外激光的波长在0.4um一下，由于会聚光斑的最小直径直接正比于光波长(由于衍射) ，激光的波长越短，聚焦的能量就越集中，因此，更短波长意味着更高的空间分辨率。例如，在钻微通道时，用CO2激光打出的最小孔极限是75um，而用355nm的紫外固体激光器可以加工成直径小于25um的通道。

（2）许多材料（如陶瓷、金属、聚合物等）对紫外波段的吸收比较大，可以加工许多红外和可见光激光器加工不了的材料。像Cu这种金属对红外波段的光是高反的，用CO2激光切割它，若不进行预处理是无效的。

（3）紫外光子直接切断材料分子中原子间的连接键。红外或可见光通常靠产生集中局部的加热使物质熔化或汽化的方式来进行加工，但这种加热会导致周围区域严重破坏 ,因而限制了边缘强度和产生小精细特征的能力。与热加工相比,紫外激光加工使材料发生分解而被去除，因而加工处周边热损伤和热影响区小.

而且紫外激光器尤其是固体紫外激光器的结构越来越紧凑、平均功率高、易维护、操作简便、成本低、生产率高。

3、紫外激光用于薄膜划线

3、1激光系统

实验中使用两种不同的激光光源进行划线。第一种光源是355nm波长的端面泵浦固体激光器，脉冲持续时间15ns，第二种是脉宽为8ns 的355nm波长的端面泵浦固体激光器。两种光源的典型脉冲能量分布是高斯分布。两种光源的功率通过一个外部衰减器调节。为了得到高的加工速度，激光束通过扫描镜头传输。

3、2样品处理

加工了两种类型的样品，为了研究烧蚀阈值，在玻璃上沉积了单层膜。在激光划线研究中，未加工完成的太阳能电池用不同步骤在高级玻璃衬底上进行沉积。非晶硅层用等离子体增强化学气象沉积法在MV系统中完成沉积，沉积薄膜层地厚度为500-600nm。对于TCO单层刻蚀，使用的是商用Asahi-U和自备的ITO(SnO2:In2O3)和AZO(ZnO:Al)样品。

3、3测量和特性描述技术

刻蚀剖面测量和形态特性用共焦激光扫描显微镜Leica ICM 1000来获得。附加的扫描电子显微镜和能量弥散X射线探测器的剖面分析图像能够使我们更好地理解划线过程中选择性刻蚀的形态特征。

3、4烧蚀阈值计算

在激光选择性烧蚀过程中，确定合适的能量密度值是很重要的，这能在带来最小副作用的情况下有效的把材料去除。烧蚀阈值对于确立可能的参数窗口是很有帮助的。烧蚀阈值是通过测量增长值烧蚀孔径的增长值获得的。表 1 给出了单脉冲烧蚀的烧蚀能量密度的总结。

表 1 薄膜材料的烧蚀阈值

3、5激光划片工艺

实验是在未抛光的太阳能电池上进行的，在这里每一个激光步骤都是用恰当的沉积层来评估的。对第一步，在玻璃上沉积一层特殊的透明导电氧化物。在第二步，在第二层的透明导电氧化物层再沉积一层非晶硅。最后，第三步，基底结构上带有一层ZnO：Al的特殊样品作为静合接点。

3、5、1第一步，TCO划片

在第一步中评估了三种TCO：Asahi-U, ITO和AZO。表 2 给出了依据实现加工的必须的能量密度和脉冲数。图 4 给出了与表 2 中激光刻蚀参数相应的划线的扫描电子显微镜图像。

表 2 依据能量密度和每个位置的脉冲数确定的用于TCO的优化激光刻蚀参数

图 4 玻璃表面三种不同的透明导电氧化物在ns和ps激光辐射划线下的SEM图像和共焦剖面

3、5、2第二步a-Si:H选择性烧蚀

两种激光光源在没有损坏底层TCO的情况下，完成了对非晶硅层的完全消融。这个过程用能量弥散x射线探测器进行了微量分析。表 3 给出了两种不同辐射，在两个不同速度下获得最佳结果激光的参数。实验发现，对ps辐射，在低重叠的情况下需要更多的能量，而当能量密度与ns脉冲相近时，则需要更多的脉冲数。此外，在这种情况下对刻槽的形态面貌以及材料去除和底层损坏的评估是非常重要的。图 5 给出了ns和ps辐射情况下的最佳划线。