皮秒激光器开创微加工新天地

ofweek激光网 2018-08-07 43

尖端电子设备要求更小的体积、更轻的重量、更低的材料成本,对精密微加工的需求快速增长。例如体积更小、更强大、更明亮的智能手机制造;降低成本和提高太阳能电池的效率和加工生物可吸收的医疗支架。高新技术产业永不休止的创新步伐产生了超快(皮秒)工业激光器,它是精度要求极高的应用中的重要工具。正是由于这种激光器独特特性(兆瓦的峰值功率),使得用于一些新型设备的敏感材料和薄膜的精切加工成型以及宽带隙''麻烦''材料如玻璃的微加工成为可能。还有一些案例中,皮秒激光器用一步到位、直写的激光制程代替多步光刻法。在其他应用中,皮秒激光器取代了传统的切割/钻孔工艺,并且毋需使用化学品。

OLED

有机、柔韧的电子器件具有许多固有特性,包括重量轻,尺寸薄和透明性。尤其是,易弯曲有机电致发光二极管(OLEDs)在显示器方面具有巨大应用潜力,因为这些二极管比其他使用背光源的显示屏消耗功率更少,并可以在卷带式生产线上生产[1,2,4]。生产OLED的一个关键步骤是刻划发光(LEP)层。皮秒激光器可以轻易地实现无碎片结构化和深度选择性控制,因为材料在响应声/热应力前就已经被去除,主要的靶材在热量在从目标区向周围材料传导前已被汽化[3]。优越的激光脉冲对脉冲稳定性(<2%),如Coherent Talisker,特别有利于精确控制脉冲能量,保证划痕一致;表面没有需要清除的熔化物或碎片。200 kHz的高激光重复频率能达到6米/秒的快速划刻速度,500kHz重复频率的最新紫外Talisker 500激光器能增加到15米/秒的划刻速度,如图1所示。

用1μJ,355nm脉冲(能量密度为1.6*Fth)在200 kHz频率下以6 m/s的切割速度切割LEP材料


硅太阳能电池

太阳能电池制造商正在通过两种方式使成本与供电功率平衡:(i)减少电池成本及

(ii)提高电池的光转换效率。目前大多数太阳能电池都是基于硅晶片,增加这些结晶硅(c-Si)太阳能电池效率的方法之一是使用背面钝化层来减少复合损失。为保证电池的电接触,孔必须钻穿钝化层(通常是由二氧化硅/氮化硅组成)。这必须在对底层结晶硅损伤最小的情况下完成,以维持电池性能并为电流收集保证良好的欧姆接触。皮秒激光器提供了一种成本更低、直写的光刻方法来替代这个任务,并且毋需使用大量化学品。具体而言,研究发现355nm的皮秒脉冲在选择性地去除介电层时对底层硅很少或没有损伤,在选择性发射极的基础上形成高效太阳能电池[5]。

例如,图2显示了使用355nm皮秒脉冲选择性地除去100 nm的二氧化硅钝化层后暴露的硅表面。重要的是,硅中没有融化物,与纳秒激光器处理后的情形一样,从而消除了激光加工后化学蚀刻处理的要求。此外,没有表面损伤。烧蚀的介电层中心有一些小颗粒残留,但他们可以被空气压力轻易除去。

使用55nm ps脉冲以最佳能量密度〜0.11 J/cm2去除薄膜二氧化硅