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紫外激光刻蝕TCO材料應用介紹

發布時間：2020-04-27 來源：元祿光電

隨著對小型電子產品和微電子元器件需求的日益增長，紫外激光是加工微電子元器件中被普遍使用的塑料和金屬等材料的理想工具。固態激光器最新技術推動了新一代結構緊湊、全固態紫外激光器的發展，從而使之成為這個領域中更經濟有效的加工手段。

1.紫外激光的產生

355nm紫外激光由 1064nm Nd∶ YAG激光的三次諧波獲得 ,具體技術途徑是用二次諧波晶體腔內倍頻1064nm基波產生 532nm二次諧波, 基波和諧波再經三次諧波晶體腔內混頻產生 355nm三次諧波。

1、1簡單理論

三次諧波的產生分為兩個部分，在第一個晶體中，部分 1064nm基波輻射轉換為二次諧波(532nm)；接著，在第二個晶體中，未轉換的基波輻射與二次諧波和頻產生三次諧波。在非線性晶體中混頻的方程式為：

此處的 Ej項為以頻率 ωj在 z 方向上傳播的波的綜合電矢，ω3=ω1+ω2，波 j 的電場是 Ejexp(iωjt-ikjz)的實數部分，相位失配?k =k3-(k1+k2)正比于相位匹配方向上光路的偏離量?θ，γ1 項為吸收系數。對于三倍頻，有 ω2=2ω1，ω3=3ω1，K2≈2K1，K3≈3K1。為了提高倍頻效率及和頻光的功率輸出，我們要盡量滿足位相匹配條件：?k =0。令參量 S 為三倍頻晶體中二次諧波功率與總功率之比：

如果以 ω 和 2ω 輸入的光子匹配為 1:1，則有 Pω+P2ω 及 S=0.67，理論上在小信號近似情況下，輸入光束都能轉換為三次諧波。

1、2實驗裝置

實驗裝置如圖 1 所示。Nd:YVO4 晶體采用 a 軸切割，摻釹濃度為1%，尺寸為3mm×3mm×2mm，一面鍍1064nm/532nm雙波長高反膜作為輸入鏡，另一面鍍 808nm增透膜。輸出鏡 M 曲率半徑為 100mm，凹面鍍 1064nm/532nm高反膜及 355nm增透膜，平面鍍355nm高透膜。

二倍頻晶體選用 KTP，θ=90°，φ=23.5°，按Ⅱ類臨界相位匹配切割，尺寸為 2mm×2mm×10mm，兩端面鍍 1064nm/532nm 雙色增透膜。三倍頻晶體選用Ⅰ類臨界相位匹配 LBO，θ=42.6°，φ=90°，尺寸為3mm×3mm×12mm，兩端面鍍 1064nm/532nm/355nm 三色增透膜。二倍頻和三倍頻晶體的放置要符合光波的偏振匹配條件，如圖2所示Nd:YVO4、 KTP和LBO用致冷器溫控。用coherent公司生產的LabMaster Ultima P540 功率計，LM-UV2 紫外探測器測量紫外激光的功率。

2.紫外激光加工的特點

紫外激光除了具有激光的一般特點之外，還有一些與紫外波長相應的特點，使得紫外激光在很多材料的加工中有重要應用。

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局部的加熱使物質熔化或汽化的方式來進行加工不同，紫外加工從本質上說不是熱處理。紫外激光的波長在0.4um以下，而且大多數材料吸收紫外光比吸收紅外光更容易，高能量的紫外光子直接破壞材料表面分子中原子間的連接鍵，這種“冷”光蝕處理加工出來的部件具有光滑的邊緣和最低限度的炭化。

圖 3 激光與材料作用的示意圖

2、2紫外激光加工的優點：

（1）紫外激光器的波長較短能加工很小的部件。紫外激光的波長在0.4um一下，由于會聚光斑的最小直徑直接正比于光波長(由于衍射) ，激光的波長越短，聚焦的能量就越集中，因此，更短波長意味著更高的空間分辨率。例如，在鉆微通道時，用CO2激光打出的最小孔極限是75um，而用355nm的紫外固體激光器可以加工成直徑小于25um的通道。

（2）許多材料（如陶瓷、金屬、聚合物等）對紫外波段的吸收比較大，可以加工許多紅外和可見光激光器加工不了的材料。像Cu這種金屬對紅外波段的光是高反的，用CO2激光切割它，若不進行預處理是無效的。

（3）紫外光子直接切斷材料分子中原子間的連接鍵。紅外或可見光通常靠產生集中局部的加熱使物質熔化或汽化的方式來進行加工，但這種加熱會導致周圍區域嚴重破壞 ,因而限制了邊緣強度和產生小精細特征的能力。與熱加工相比,紫外激光加工使材料發生分解而被去除，因而加工處周邊熱損傷和熱影響區小.

而且紫外激光器尤其是固體紫外激光器的結構越來越緊湊、平均功率高、易維護、操作簡便、成本低、生產率高。

3、紫外激光用于薄膜劃線

3、1激光系統

實驗中使用兩種不同的激光光源進行劃線。第一種光源是355nm波長的端面泵浦固體激光器，脈沖持續時間15ns，第二種是脈寬為8ns 的355nm波長的端面泵浦固體激光器。兩種光源的典型脈沖能量分布是高斯分布。兩種光源的功率通過一個外部衰減器調節。為了得到高的加工速度，激光束通過掃描鏡頭傳輸。

3、2樣品處理

加工了兩種類型的樣品，為了研究燒蝕閾值，在玻璃上沉積了單層膜。在激光劃線研究中，未加工完成的太陽能電池用不同步驟在高級玻璃襯底上進行沉積。非晶硅層用等離子體增強化學氣象沉積法在MV系統中完成沉積，沉積薄膜層地厚度為500-600nm。對于TCO單層刻蝕，使用的是商用Asahi-U和自備的ITO(SnO2:In2O3)和AZO(ZnO:Al)樣品。

3、3測量和特性描述技術

刻蝕剖面測量和形態特性用共焦激光掃描顯微鏡Leica ICM 1000來獲得。附加的掃描電子顯微鏡和能量彌散X射線探測器的剖面分析圖像能夠使我們更好地理解劃線過程中選擇性刻蝕的形態特征。

3、4燒蝕閾值計算

在激光選擇性燒蝕過程中，確定合適的能量密度值是很重要的，這能在帶來最小副作用的情況下有效的把材料去除。燒蝕閾值對于確立可能的參數窗口是很有幫助的。燒蝕閾值是通過測量增長值燒蝕孔徑的增長值獲得的。表 1 給出了單脈沖燒蝕的燒蝕能量密度的總結。

表 1 薄膜材料的燒蝕閾值

3、5激光劃片工藝

實驗是在未拋光的太陽能電池上進行的，在這里每一個激光步驟都是用恰當的沉積層來評估的。對第一步，在玻璃上沉積一層特殊的透明導電氧化物。在第二步，在第二層的透明導電氧化物層再沉積一層非晶硅。最后，第三步，基底結構上帶有一層ZnO：Al的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數確定的用于TCO的優化激光刻蝕參數

圖 4 玻璃表面三種不同的透明導電氧化物在ns和ps激光輻射劃線下的SEM圖像和共焦剖面

3、5、2第二步a-Si:H選擇性燒蝕

兩種激光光源在沒有損壞底層TCO的情況下，完成了對非晶硅層的完全消融。這個過程用能量彌散x射線探測器進行了微量分析。表 3 給出了兩種不同輻射，在兩個不同速度下獲得最佳結果激光的參數。實驗發現，對ps輻射，在低重疊的情況下需要更多的能量，而當能量密度與ns脈沖相近時，則需要更多的脈沖數。此外，在這種情況下對刻槽的形態面貌以及材料去除和底層損壞的評估是非常重要的。圖 5 給出了ns和ps輻射情況下的最佳劃線。