專利名稱：使用具有有益的脈沖波形的激光脈沖群在薄膜材料中劃線的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及材料的激光加工。更具體地，本發(fā)明涉及在激光加工應(yīng)用中使用特別成形的一系列激光脈沖以提供更好的加工品質(zhì)和更高的生產(chǎn)量的方法及裝置。本發(fā)明還涉及基底上的薄膜材料的劃線。但是，本發(fā)明具有更廣泛的適用性并且可以應(yīng)用于其他應(yīng)用和材料。
背景技術(shù)：
脈沖激光源如 Nd:YAG(Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet,摻釹釔鋁石榴石)激光器用來針對如標(biāo)記、雕刻、微加工、切割以及劃線等應(yīng)用進(jìn)行基于激光的材料加工。通常使用激光的這樣一種加工是在較厚基底上的材料薄膜中劃線。薄膜通常定義為僅幾個分子厚的材料層。實際上，薄膜的厚度通常在25nm到2微米之間。薄膜沉積在作為基底的材料上，并且，基底通常顯著地厚于薄膜。有許多在如電子器件、電光器件、光學(xué)器件以及腐蝕保護(hù)等領(lǐng)域中使用薄膜的例子。例如，光電池或太陽能電池可以具有非晶硅、碲化鎘、二硒化銅銦、銅銦鎵二硒或鉬的薄膜、以及使用透明導(dǎo)電氧化物(TCO)材料薄膜制成的電極，TCO材料如銦錫氧化物、氧化鋅(ZnO)以及如鋁或鉬等其他金屬的氧化物。這些材料以及其他材料的薄膜還用在平板顯示器和數(shù)字顯示器中。在較厚基底上的薄膜材料中劃線表示去除掉往下一直到基底的所有薄膜材料并且沿著線進(jìn)行去除。對于比較厚的線，可以使用刀，但是其常常產(chǎn)生粗糙的邊緣并且導(dǎo)致薄膜材料的不完全去除。電子器件中需要的線的寬度可能非常細(xì)。將激光器用于在薄膜材料中劃線的應(yīng)用，這是因為可以用其切割出非常細(xì)的線并且可以干凈地?zé)g掉薄膜材料。在對TCO劃線時，一個被監(jiān)控的參數(shù)是在劃線兩端實現(xiàn)的電阻率。電阻率受到劃線加工中去除掉的TCO材料的量的影響，因此，目標(biāo)是去除掉切割的溝槽中的所有TCO材料。一個問題可能是切割過程中產(chǎn)生的殘渣和碎片的量。在TCO被劃線時，被燒蝕的TCO材料可能落到溝槽兩端，從而減小了電阻率。即使這沒有立即發(fā)生，但是如果碎片被掃進(jìn)溝槽，那么過了一段時間之后，碎片的存在可能導(dǎo)致電阻率的減小。制造工藝的目標(biāo)是使殘渣和碎片的量最小化。為此，激光劃線常常隨著光束穿過玻璃基底而發(fā)生，所以將其稱為“第二表面”加工；盡管這有助于減少粘至殘渣和碎片的量，但是依然會殘留有一些殘渣和碎片。盡管電阻率的理想值取決于應(yīng)用，但是其通常可接受的值是200兆歐姆。另一個影響激光劃線加工的品質(zhì)的問題是在玻璃基底中或在劃線溝槽中的TCO材料壁中的產(chǎn)生微裂紋。隨著時間的推移，微裂紋可能蔓延和變大，由此導(dǎo)致在劃線溝槽處或兩端出現(xiàn)機(jī)械裂縫。因為機(jī)械裂縫可能在標(biāo)準(zhǔn)的“早期故障”測試階段后的一段時間里導(dǎo)致器件失靈并且因此難以消除，所以要避免此類事件。必須使任何由激光脈沖引起的薄膜或基底的物質(zhì)耗損最小化。如果出現(xiàn)微裂紋以及殘渣和碎片，則可以使用高功率光學(xué)顯微鏡來觀察。取決于應(yīng)用和待加工的材料，如果能夠選擇激光脈沖的適于具體應(yīng)用的各種特征則是有利的，這些特征包括脈沖能量、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率、峰值功率或能量、以及脈沖波形。存在許多對脈沖的能量與功率的小心控制以使各種材料加工應(yīng)用最優(yōu)化的例子。許多現(xiàn)有的高功率激光器的特征在于脈沖能量大于0. 5mJ每脈沖，這些高功率激光器依靠如Q開關(guān)或鎖模等技術(shù)來產(chǎn)生光脈沖。但是，這樣的激光器產(chǎn)生的光脈沖具有由腔的幾何形狀、鏡反射率等來預(yù)先確定的特征。使用這樣的激光器，一般很難實現(xiàn)用于緊急應(yīng)用的最佳脈沖波形，因此，在許多情況下，激光加工具有某些不足。因此，需要用于對材料薄膜劃線、可以提高薄膜劃線加工的品質(zhì)和產(chǎn)量的系統(tǒng)與方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及在一種使用脈沖群在基底上的材料薄膜層中劃線或切割線的方法，該脈沖群在圖Ia中示意性示出并且包括具有有益地成形的時域脈沖波形，使用此脈沖波形而不是使用由激光器發(fā)出的傳統(tǒng)的時域脈沖波形具有提高薄膜劃線加工的品質(zhì)和產(chǎn)量的各種優(yōu)點。在一種實施例中，一般可以將有益地成形的脈沖描述為椅形功率時域分布如在圖Ib中示意性地示出的在初始功率尖峰后跟隨著明顯較長但功率較低的平臺。在橫跨具有某些光斑交疊的薄膜材料掃描聚焦激光光斑的多脈沖的劃線加工中，如果使用此一般形式的有益地成形的脈沖，而不是使用先前使用的傳統(tǒng)適于脈沖波形，則實現(xiàn)了劃線加工品質(zhì)的顯著改善。更具體地，脈沖群中的每個脈沖的脈沖長度(FWHM，半峰全寬)在Ins到200ns之間，并且尖峰的脈沖長度FWHM大于0. 3ns而小于全脈沖的脈沖長度的30%。尖峰的峰值功率在總脈沖的平均功率的1. 5倍到10倍之間。在另一種實施例中，劃線加工使用在圖加中示意性地示出的激光脈沖群，其中每個脈沖具有有益地成形的脈沖波形，可以將該脈沖波形描述為如圖2b所示的具有迅速上升的前沿的簡單的矩形頂脈沖波形。在橫跨具有某些光斑交疊的薄膜材料掃描聚焦激光光斑的多脈沖的劃線加工中，如果使用此矩形頂形式的有益地成形的脈沖，而不使用以前使用的傳統(tǒng)時域脈沖波形，則實現(xiàn)了劃線加工的品質(zhì)的提高。更具體地，矩形脈沖的脈沖長度(FWHM，半峰全寬)在Ins到200ns之間。在薄膜劃線加工中使用有益的脈沖波形具有許多優(yōu)點。例如，對于通常在太陽能電池板中使用的玻璃基底上的氧化鋅薄膜的激光劃線，與使用傳統(tǒng)激光時域脈沖波形時在基底中的確產(chǎn)生明顯微裂紋相比，使用方形時域脈沖波形在玻璃基底中沒有產(chǎn)生微裂紋。在相同材料上，與使用傳統(tǒng)激光時域脈沖波形時在玻璃基底中和ZnO材料的劃線邊緣上產(chǎn)生明顯的微裂紋相比，使用尖峰/平臺-椅狀脈沖波形在玻璃基底中或在ZnO材料的劃線邊緣上都沒有微裂紋產(chǎn)生。此外，使用尖峰/平臺-椅狀脈沖波形還導(dǎo)致在劃線處的ZnO殘渣和碎片的產(chǎn)生明顯減少。因此，使用有益脈沖波形明顯提高了由此產(chǎn)生的器件的品質(zhì)，并且由于增加了可接受的從而前進(jìn)到下一生產(chǎn)階段的器件數(shù)量，所以還明顯提升了器件產(chǎn)量。大多數(shù)激光器被設(shè)計成提供最大平均功率或脈沖能量或重復(fù)頻率，但是很少考慮到輸出脈沖的波形。如在圖3示意性地示出的，自由激光振蕩、Q開關(guān)或鎖模激光器的傳統(tǒng)時域脈沖波形具有上升前沿、圓頂以及逐漸下降的下降沿。此脈沖波形主要由激光增益介質(zhì)、激光泵浦器件以及腔的設(shè)計決定。但是，可以控制某些激光系統(tǒng)的輸出脈沖波形?？梢酝ㄟ^提供脈沖電子驅(qū)動信號以簡單的方式用脈沖啟動脈沖激光源如二極管激光器。由此產(chǎn)生的光學(xué)激光脈沖的脈沖波形可以通過選擇至二極管激光器的電子驅(qū)動信號的波形來預(yù)先確定。然后，來自這樣的脈沖激光源的成形信號可以在激光學(xué)放大器如光纖激光學(xué)放大器中被放大。在本發(fā)明另一種實施例中，提供了這樣設(shè)計的振蕩放大器激光系統(tǒng)，以產(chǎn)生具有適用于對薄膜材料劃線的有益地成形的時域脈沖波形的一系列激光脈沖。在另一實施例中，提供了更復(fù)雜的激光系統(tǒng)，以產(chǎn)生具有有益地成形的時域脈沖波形的一系列激光脈沖。包括2008年9月12日提交的題為“Method and system for aPulsed Laser Source Emitting Shaped Optical Waveforms (用于發(fā)出成形的光波形的脈沖激光源的方法與系統(tǒng))”的美國專利申請No. 12/210,028的附錄A描述了可調(diào)脈沖激光源的示例。脈沖激光源包括適于產(chǎn)生種子信號的種源以及具有第二端口、第三端口和耦接至種源的第一端口的光環(huán)行器。脈沖激光源還包括適于產(chǎn)生成形的電波形的調(diào)制器驅(qū)動器；以及耦接至調(diào)制器驅(qū)動器并且適于接收成形的電波形的調(diào)幅器。調(diào)幅器的特征在于第二側(cè)和耦接至光環(huán)行器的第二端口的第一側(cè)。脈沖激光源還包括特征在于輸入端和反射端的第一光學(xué)放大器。輸入端耦接至調(diào)幅器的第二側(cè)。此外，脈沖激光源包括耦接至光環(huán)行器的第三端口的第二光學(xué)放大器。包括2008年9月27日授權(quán)的題為“Method and Systemfor Pulsed Laser Source with Shaped Optical Waveforms(用于具有成形的光波形的脈沖激光源的方法與系統(tǒng))”的美國專利No. 7，428，253的附錄B也描述了可調(diào)脈沖激光源的示例。在再一種實施例中，提供了另一種激光器設(shè)計以產(chǎn)生具有有益地成形的時域脈沖波形的一系列激光脈沖。包括美國臨時申請No. 61/186，317的附錄C描述了穩(wěn)定的脈沖激光源的示例。該脈沖激光源包括適于產(chǎn)生穩(wěn)定化的光輻射的穩(wěn)定化源以及具有第二端口、第三端口和耦接至穩(wěn)定化源的第一端口的光環(huán)行器。脈沖激光源還包括適于產(chǎn)生期望波形的信號脈沖的信號源，其中，信號源耦接至光環(huán)行器的第二端口。脈沖激光源還包括耦接至光環(huán)行器的第三端口的光學(xué)放大器。根據(jù)需要，有許多設(shè)計可以用于提供有益地成形的時域脈沖信號。在本發(fā)明的又一種實施例中，公開了一種材料加工系統(tǒng)，以在基底上的薄膜材料的單層或更多層中劃線或切割線。該系統(tǒng)包括提供一種或更多種用于最優(yōu)地加工薄膜材料的有益地成形的時域脈沖波形，以實現(xiàn)以下益處中的一個或更多個益處(1)減小或排除基底中微裂紋的形成；⑵減小或排除沿著薄膜切割面積的邊緣的微裂紋的形成；⑶減小碎片的形成；以及⑷減小表面面積的殘渣。除了激光器外，材料加工系統(tǒng)還包括聚焦、成像以及沿著橫跨薄膜材料的線來掃描激光束以進(jìn)行劃線加工的器件；調(diào)節(jié)掃描的激光光斑的交疊的器件；以及控制加工的計算機(jī)。在相關(guān)的實施例中，材料加工系統(tǒng)可以包括使用諧波的產(chǎn)生過程來改變激光波長的器件。
與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，使用本發(fā)明可以實現(xiàn)許多益處。例如，在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，提供了適用于薄膜材料的激光劃線的高功率脈沖激光器，與具有相當(dāng)性能特性的激光器相比，其利用了廉價的緊湊架構(gòu)。此外，在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，提供了適用于薄膜材料的激光劃線的脈沖激光器，使得可以成形光脈沖來最優(yōu)化用于薄膜材料的劃線的激光脈沖分布。取決于實施例，存在包括如加工物品的品質(zhì)與產(chǎn)量的提高等許多益處。在本說明以及下文中更加具體地描述這些以及其他益處。參考下面的詳細(xì)描述與附圖，可以更加全面地理解本發(fā)明的各個另外的目標(biāo)、特征以及優(yōu)點。


圖Ia是示出了適用于在基底上的薄膜材料中劃線的脈沖群的示意圖，所示脈沖群具有有益地成形的椅狀脈沖形式的脈沖波形。在本圖中，時間在橫軸上，功率沿縱軸；圖Ib示出了尖峰/平臺-椅狀脈沖波形的實施例；圖Ic示出了具有下垂的尖峰/平臺-椅狀脈沖的實施例；圖Id示出了椅狀脈沖波形的另一種實施例；圖Ie示出了椅狀脈沖波形的又一種實施例；圖加是示出了適用于在基底上的薄膜材料中劃線的脈沖群的示意圖，所示脈沖群具有有益地成形的矩形脈沖形式的脈沖波形；圖2b示出了平頂矩形脈沖，其中，時間在橫軸上，功率沿縱軸；圖2c示出了具有下垂的矩形脈沖，其中，時間在橫軸上，功率沿縱軸；圖3是示出了用于在基底上的薄膜材料中劃線的傳統(tǒng)激光脈沖的時域脈沖波形的示意圖。在本圖中，時間在橫軸上，功率沿縱軸；圖4是示出了穿過薄膜材料中的激光劃線加工的基底的俯視圖的示意圖，劃線加工使用多激光脈沖，使得每個加工面積與由前一個脈沖加工的面積和下一個脈沖加工的面積交疊。在此具體的示圖中，光斑交疊大約是30 %，但是選擇用于加工的光斑交疊值可以在10%到95%的范圍內(nèi)；圖fe是示出了沉積在基底36上并且具有在薄膜中劃線出的溝槽35的單薄膜材料37的橫截面?zhèn)纫晥D的示意圖。此外，還示出了基底的微裂紋40、劃線薄膜的邊緣的微裂紋39以及來自可粘附至表面的被燒蝕的薄膜材料的殘渣與碎片38。這樣的微裂紋和殘渣與碎片常常是由于在激光劃線薄膜材料時使用傳統(tǒng)的激光脈沖波形而產(chǎn)生的；圖恥是示出了使用本發(fā)明另一種實施例獲得的圖5A所示結(jié)構(gòu)的橫截面?zhèn)纫晥D的示意圖，但是在基底中沒有微裂紋并且劃線后的薄膜的邊緣的微裂紋減少了 ；圖5c是示出了使用本發(fā)明另一種實施例獲得的圖5A所示結(jié)構(gòu)的橫截面?zhèn)纫晥D的示意圖，但是在基底中和劃線后的薄膜的邊緣都沒有微裂紋，并且殘渣與碎片的數(shù)量也減少了 ；圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有可調(diào)脈沖特征的脈沖激光器的簡化示意圖，該脈沖激光器提供具有有益的脈沖波形的激光脈沖輸出群；圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有可調(diào)脈沖特征的脈沖激光器的簡化示意圖，該脈沖激光器提供具有有益的脈沖波形的激光脈沖輸出群；圖8是根據(jù)本發(fā)明另一種實施例的具有可調(diào)脈沖特征的脈沖激光器的簡化示意圖，該脈沖激光器提供具有有益的脈沖波形的激光脈沖輸出群；圖9是根據(jù)本發(fā)明實施例的適合于在基底上的薄膜中劃線的激光加工系統(tǒng)的簡化示意圖；以及圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的一種用于使用具有有益的脈沖波形的脈沖群在薄膜材料中劃線的方法的流程圖。附錄A、B以及C提供了關(guān)于激光器的其他信息，并且其全部公開內(nèi)容通過引用合并到本說明中。
具體實施例在太陽能電池、平板顯示器以及數(shù)字顯示器的制造過程中，沉積在玻璃基底上的透明導(dǎo)電氧化物(TCO)材料薄膜必須通過在TCO材料中劃線來分割，由此進(jìn)行分割從而提供了在線的一側(cè)的TCO部分與在線的另一側(cè)的TCO部分之間的電絕緣。使用脈沖激光的劃線是使用多激光脈沖群的多脈沖加工，因此，每個脈沖都在薄膜上聚焦成光斑，并且沿著期望的待劃線掃描光斑，使得每個光斑與前一個光斑之間及與后一個光斑之間具有一些交疊。劃線寬度主要由聚焦的激光光斑的大小來決定。用于在玻璃基底上的ZnO薄膜中劃線的寬度在從10微米到100微米的范圍內(nèi)，當(dāng)然，可以實現(xiàn)甚至更細(xì)的線。一定數(shù)量的光斑交疊用于充分地去除掉TCO材料，以在基底上留下干凈的劃線。因此，劃線過程本質(zhì)上是多脈沖過程，而非單脈沖過程。脈沖之間的交疊量可以用于控制劃線過程。例如，薄膜越厚，可以使用越多的交疊。在一個示例中，脈沖交疊是30%，但是該值隨著要加工的材料的屬性而可以從低至10%到高達(dá)95%之間變化。圖4示出了薄膜的激光劃線的示意性表示。盡管劃線加工通常是激光束先穿過基底再到達(dá)薄膜的第二表面加工，但是待使用的激光也可以不穿過基底而直接對薄膜劃線。對薄膜進(jìn)行的激光劃線是需要包括有至少10個脈沖的激光脈沖群的多脈沖加工。每個脈沖都在薄膜材料處聚焦或成像為光斑。脈沖群中的第一脈沖31被定向為使得第一光斑處在待劃線的起始位置處。脈沖群中每個跟隨的脈沖被定向至與前一個脈沖相鄰、但是具有在10%到95%之間的某些交疊值OL %的光斑。圖4所示的光斑交疊值大約是30%。這樣，脈沖群中的每個脈沖被定向至沿著待劃線的位置，并且最后的脈沖32被定向成使得來自最后的脈沖的光斑處于待劃線的末端。如果N是脈沖群中的脈沖數(shù)量，d是薄膜處的聚焦光斑的直徑，0L%是百分比形式的交疊值，則劃線的長度L由如下公式給出L = dN-d(N-I) (0L% )/100劃線的寬度是聚焦光斑的尺寸、光斑交疊率以及與薄膜的相互作用的函數(shù)；理想地，劃線的寬度與聚焦光斑的直徑大致相同。對光斑交疊率的選擇是改變以使加工最優(yōu)化的加工參數(shù)。對于很薄的材料，經(jīng)常可能使用很低的光斑交疊率如10%，其提供了如最高達(dá)Irn/秒的快速劃線速度。對于較厚的材料，通常選擇較大的交疊率以干凈地去除掉薄膜材料。圖fe是示出了沉積在基底36上并且具有在薄膜中劃出的溝槽35的單個薄膜材料37的側(cè)視圖的示意圖。此外，還示出了基底的微裂紋40、切割薄膜的邊緣的微裂紋39以及來自燒蝕的薄膜材料并且可以粘接至表面的殘渣與碎片38。這樣的微裂紋和殘渣與碎片常常是由于在激光劃線薄膜材料時使用如在圖3中示意性地示出的傳統(tǒng)激光脈沖波形而產(chǎn)生的。本發(fā)明的目的是提供一種通過減少或消除微裂紋和殘渣與碎片的形成來提高薄膜品質(zhì)的方法與裝置。圖Ia和圖2b分別示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有各種有益的脈沖波形的脈沖群11和脈沖群21，使用圖3所示的具有傳統(tǒng)脈沖波形的脈沖群進(jìn)行相同的加工而獲得的較低品質(zhì)相比，使用脈沖群11和脈沖群21提高了在玻璃基底上的薄膜中劃線的品質(zhì)。每個脈沖群包括至少10個脈沖。具體地，圖加示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施例的脈沖群。圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的有益脈沖波形，其具有值為Tl的脈沖長度FWHM、值為RTl的前沿上升時間(10%到90% )以及值為FTl的后沿下降時間(90%到10% )。平頂?shù)姆逯倒β蕿镠I。與使用具有傳統(tǒng)脈沖波形的脈沖群的劃線相比，如圖fe所示，呈現(xiàn)了玻璃基底與ZnO劃線邊緣的明顯的微裂紋，使用圖2b的矩形脈沖波形的脈沖群的劃線，如圖恥所示，在玻璃基底中沒有呈現(xiàn)出微裂紋，并且在ZnO劃線面積的邊緣中呈現(xiàn)微裂紋的減少。在本發(fā)明的一種實施例中，使用來自具有圖2b的脈沖波形的激光的脈沖群在玻璃基底上的ZnO薄膜中劃線，其中，激光波長是1064nm ；玻璃基底的厚度是6mm ；ZnO的厚度是450nm ；劃線寬度是討微米；脈沖能量是135微焦耳；光斑尺寸是50微米；脈沖長度是50ns ；RTl與FTl的值都為Ins ；重復(fù)頻率為每秒36，000脈沖；以及光斑交疊率具有不同的值(包括10 %、25 %以及50%的交疊率)，在這種情況下的劃線沒有顯示出基底的微裂紋。此外，劃線加工的效率隨著去除的材料的寬度的增加而增加，在相同的脈沖能量下，隨著去除的材料的寬度從使用傳統(tǒng)脈沖波形的44微米增加到針對矩形脈沖波形的M微米，劃線加工的效率也增加。將脈沖波形變?yōu)榫匦蚊}沖波形的確提供了劃線寬度的明顯增加，并且有效地防止了玻璃基底中微裂紋的形成。但是根據(jù)本發(fā)明實施例的具體參數(shù)不限于這些值，在一種實施例中，矩形脈沖的脈沖長度Tl可以是Ins到200ns。矩形脈沖的上升時間RTl可以大于0. 3ns而小于脈沖長度Tl的10%。下降時間FTl可以小于脈沖長度Tl的30%。即使矩形脈沖波形具有如圖2所示的某種下垂，但只要下垂使得H1-H2小于Hl的50%，則也可以實現(xiàn)類似的改善?？梢酝ㄟ^使用不同值的光斑尺寸和劃線速度來實現(xiàn)類似的改善。例如，當(dāng)使用具有42微焦耳的脈沖能量、以每秒72，000個脈沖運行、聚焦成尺寸為25微米的光斑并且具有不同的光斑交疊值(包括10%、25%以及50%的交疊率)的激光進(jìn)行線寬度為25微米的劃線時，觀察到品質(zhì)的類似改善。同樣地，使用具有7微焦耳的脈沖能量、以每秒26，000個脈沖運行、聚焦成10微米的光斑并且具有不同的光斑交疊值(包括10 %、25 %以及50 %的交疊率)的激光時，也觀察到ZnO劃線品質(zhì)的類似改善。在所有的情況下，使用如本文所描述的矩形平頂脈沖產(chǎn)生了劃線品質(zhì)的上述改善。對于非常薄的膜，可以使用很小的交疊率來去除每個聚焦光斑處的材料，但是隨著材料厚度的增加，最好可以增加光斑的交疊率而不是增加脈沖能量。相比在光斑交疊率很高的情況下的劃線的邊緣，低光斑交疊率可以在劃線的邊緣中導(dǎo)致更多的調(diào)整(modulation)。但是，每個光斑交疊的邊緣處的這種尖銳點與在薄膜邊緣處見到的微裂紋是不同的。從而，在一種實施例中，對于脈沖波形中任一脈沖波形，在不影響微裂紋的情況下，都通過增加光斑交疊率來減小光斑交疊處的尖銳邊緣。在本發(fā)明的另一種實施例中，使用如在圖Ia中示意性地示出的激光脈沖群來蝕刻薄膜材料。每個脈沖群包括至少10個脈沖。在實施例中，脈沖群中的每個脈沖具有如圖Ib中示意性地示出的有益脈沖波形，該有益脈沖波形被描述為尖峰/平臺-椅狀脈沖波形。在圖Ib中，脈沖波形包括兩個面積具有峰值功率H3、上升時間RT3以及FWHM寬度T3的初始尖峰以及具有峰值功率H4與下降時間FT4的平臺。處于10%的峰值功率處的總脈沖長度是T4。與使用具有圖3的傳統(tǒng)脈沖波形的脈沖群在ZnO薄膜中所劃的如圖fe所示的線(其呈現(xiàn)ZnO劃線的邊緣與玻璃基底的明顯的微裂紋)相比，使用具有圖Ib的椅狀脈沖波形的脈沖群所劃的如圖5c所示的線，沒有呈現(xiàn)玻璃基底中的微裂紋和ZnO劃線面積的邊緣中的微裂紋。此外，隨著劃線以一種與早先描述的矩形脈沖波形的方式類似的方式變寬，劃線加工的效率增加。與使用圖3的傳統(tǒng)脈沖波形時所觀察到的情況相比，對于圖Ib的椅狀脈沖波形而言，在劃線加工中產(chǎn)生的ZnO殘渣和碎片也明顯減少。使用根據(jù)本發(fā)明實施例的具有圖Ib的脈沖波形的脈沖群在厚度為6mm的玻璃基底上的厚度為450nm的薄膜ZnO層中劃寬度為討微米的線時的具體參數(shù)為激光波長是1064nm ；脈沖能量是135微焦耳；重復(fù)頻率是每秒36，000個脈沖；光斑尺寸是50微米；脈沖長度T4是50ns ；上升時間RT3是Ins;下降時間FT3是Ins;尖峰脈沖長度T3是IOns;功率比H3/H4是3 1;以及不同的光斑交疊值(包括10%、25%以及50%的交疊率)?？梢詫崿F(xiàn)高于Im/秒的劃線速度。但是，根據(jù)本發(fā)明實施例的具體參數(shù)不限于這些值。在一種實施例中，脈沖長度T4可以在Ins與200ns之間，并且尖峰的脈沖長度T3可以大于0. 3ns而小于"Γ4的30%。上升時間RT3可以大于0. Ins并且小于T3的30%，比率H3/H4可以大于1. 5而小于10。光斑交疊率可以在10%到95%之間。使用不同值的光斑尺寸與劃線速度可以實現(xiàn)類似的改善。例如，使用具有34微焦耳的脈沖能量、以每秒72，000個脈沖重復(fù)、聚焦成尺寸是25微米的光斑并且具有不同的光斑交疊值(包括10%、25%和50%的交疊率)的激光，觀察到ZnO劃線的品質(zhì)的類似提高。同樣地，使用具有4微焦耳的脈沖能量、以每秒沈0，000個脈沖運行、聚焦成10微米的光斑并且具有不同的光斑交疊值(包括10%、25%以及50%的交疊率)的激光，也觀察到SiO劃線的品質(zhì)的類似改善。在所有情況下，使用如本文中所描述的椅狀脈沖產(chǎn)生了劃線品質(zhì)的上述改善。如圖1所示，存在可以提供薄膜劃線加工的品質(zhì)的一些益處的椅狀脈沖波形的其他變體。例如，只要H6-H7小于H6的50%，則預(yù)期如圖Ic所示的具有下垂的尖峰/平臺狀脈沖可以提供顯著的益處。還可以使用如圖Id所示的在平臺中間具有尖峰的脈沖波形，或如圖Ie所示的具有從平臺被移置時間T12的尖峰的脈沖波形。在一種實施例中，當(dāng)在玻璃基底上的ZnO薄膜中劃線時，使用小于5ns的值T12。在本申請中所描述的實施例不一定包括形成激光脈沖群中的有益脈沖波形以使ZnO薄膜中的劃線最優(yōu)化從而與使用傳統(tǒng)脈沖波形的激光所實現(xiàn)的加工品質(zhì)與產(chǎn)量相比提高加工的品質(zhì)和產(chǎn)量的所有可能性。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到許多變化、修改以及替代。本發(fā)明實施例的應(yīng)用不限于SiO薄膜或TCO薄膜。使用根據(jù)本發(fā)明中公開的實施例的有益脈沖波形有益于對多種材料的薄膜進(jìn)行劃線。并且，除了 1064nm之外，對本申請中的有益脈沖波形的使用還將受益于對待劃線的薄膜材料的適當(dāng)?shù)钠渌ㄩL的使用。激光波長的選擇部分地由待燒蝕材料的吸收性決定。除了 1064nm，激光在包括1032nm、l. 3微米、1. 5微米、2微米以及其他長度的許多其他波長處也都是可用的。此外，由于需要使用非線性過程如諧波產(chǎn)生，所以可能實現(xiàn)其他波長；在這種情況下，在1064nm下運行的激光器可以將波長改變到532nm(綠光)、3Mnm(接近紫外光)、266nm(紫外光)等。在如綠光或紫外光之類的較短波長處吸收性高的一些情況下，如本文中所描述的非常薄的薄膜的劃線過程可以受益于對諧波波長的使用。薄膜材料的基底不限于玻璃。另一種普通的基底材料是聚合物或塑料。在激光束必須穿過基底的對基底的第二表面上的膜劃線的情況下，激光波長的選擇限于基本上透過基底的波長。但是，根據(jù)本發(fā)明中公開的實施例的有益脈沖波形的使用不限于薄膜的第二表面劃線。當(dāng)不穿過基底而對薄膜直接劃線時，有益脈沖波形的應(yīng)用可以是同樣有益的。參考圖6，示出了能夠產(chǎn)生本申請中公開的那種有益脈沖波形的激光系統(tǒng)。此激光系統(tǒng)包括由電子驅(qū)動器53供以動力的振蕩器51，并且包括放大器52?？梢砸院唵蔚姆绞酵ㄟ^提供脈沖電子驅(qū)動信號來脈沖啟動激光源如二極管激光器?？梢酝ㄟ^選擇由電子驅(qū)動器53發(fā)送至振蕩器51的電子驅(qū)動信號55的波形，來預(yù)先確定產(chǎn)生的脈沖群56中的每個光學(xué)激光脈沖的脈沖波形。然后，來自這樣的脈沖激光振蕩器中的成形信號在激光學(xué)放大器如二極管泵浦激光器或光纖激光學(xué)放大器中被放大，以這樣的方式使得輸出脈沖的脈沖群57中的每個脈沖的脈沖波形與由振蕩器提供的脈沖波形相比基本維持不變。振蕩器激光器可以包括半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、二極管激光器或分布式反饋二極管激光器。在具體的實施例中，脈沖信號源是工作在1064nm波長下的半導(dǎo)體二極管激光器，其具有1瓦特的峰值脈沖功率、最高可變化至500KHz (千赫茲)的重復(fù)頻率、以及具有次納秒脈沖上升時間的100納秒的脈沖寬度。在可替代的實施例中，脈沖信號源的峰值光學(xué)功率可以低于或高于1瓦特。例如，其可以是500mW、l瓦特、2瓦特、3瓦特、4瓦特、5瓦特或更高。此外，脈沖寬度可以小于或大于100納秒。例如，其可以是Ins(納秒)、2ns、10ns、20ns、50ns、200ns、500ns或更大。在可替代的實施例中，光脈沖可以更為復(fù)雜并且可以包括有益地成形的脈沖如圖4的矩形脈沖或圖5的椅狀脈沖。振蕩器激光器由電子驅(qū)動器來驅(qū)動，使得振蕩器激光器的輸出脈沖波形模仿電子驅(qū)動器提供的當(dāng)前脈沖波形。振蕩器51的輸出在激光學(xué)放大器模塊52中被放大，激光學(xué)放大器模塊52包括如光纖激光學(xué)放大器或二極管泵浦固態(tài)圓棒激光器。在本發(fā)明的一種實施例中，放大器是光學(xué)放大器，其包括經(jīng)由光耦合器耦接至稀土摻雜的光纖環(huán)的泵。盡管光學(xué)放大器的泵浦可以通過如對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會很明顯的其他方式來實現(xiàn)，但是一般地，將半導(dǎo)體泵浦激光器用作泵。在具體的實施例中，光學(xué)放大器包括5米長的稀土纏摻雜的光纖，該稀土纏摻雜的光纖具有大約為4. 8微米的芯徑，并且摻雜有鐿，其摻雜濃度至大約6 X IO24個離子/m3。放大器還包括為運行在976nm波長下具有500mW的輸出功率的FBG (光纖布拉格光柵)穩(wěn)定半導(dǎo)體激光二極管的泵。在另一種具體的實施例中，光學(xué)放大器160包括長度為2米的稀土纏摻雜的光纖，該稀土纏摻雜的光纖具有大約10微米的芯徑，并且摻雜有鐿，其摻雜濃度至大約IX IOai個離子/m3。放大器還可以包括為具有5W輸出功率的半導(dǎo)體激光二極管的泵。盡管給出了針對摻鐿光纖放大器和1064nm激光波長的示例，但是運行在1064nm或其他波長下的二極管激光器、固態(tài)激光器以及摻雜光纖的其他示例可以用在本發(fā)明的其他實施例中。這些包括如在1550nm波長面積的摻鉺光纖以及在2微米到3微米的波長面積中的摻銩光纖。在可替代的實施例中，在光學(xué)環(huán)行器120的下游，利用多個適合于具體應(yīng)用的光學(xué)放大器。
參考圖7，在本發(fā)明的實施例中，提供了產(chǎn)生有益脈沖波形的脈沖群的脈沖激光源。脈沖激光源包括適于產(chǎn)生種子信號的種源Iio ；以及具有第二端口 122、第三端口 116以及耦接至種源的第一端口 114的光環(huán)形器120。脈沖激光源還可以包括調(diào)幅器130，調(diào)幅器130的特征在于第二側(cè)134和耦接至光環(huán)形器120的第二端口 122的第一側(cè)132。脈沖激光源還可以包括第一光學(xué)放大器150，第一光學(xué)放大器150的特征在于輸入端136和反射端146。輸入端136耦接至調(diào)幅器130的第二側(cè)134。此外，脈沖激光源包括耦接至光環(huán)行器120的第三端口 116的第二光學(xué)放大器160。盡管圖7示出了使用耦接至光環(huán)行器120的第三端口的一個光學(xué)放大器160，但是本發(fā)明的某些實施例不要求使用此光學(xué)放大器160。在可替代的實施例中，在光學(xué)環(huán)行器120的下游，利用多個適合于具體應(yīng)用的光學(xué)放大器。對于本發(fā)明實施例的另外描述可以在于2008年9月12日提交的題為“Method andsystem for a Pulsed Laser Source Emitting shaped Optical ffaveforms (用于發(fā)出成形的光波形的脈沖激光源的方法與系統(tǒng))”的共同受讓的美國專利申請No. 12/210,028中找到，該申請是于2008年9月27日授權(quán)的題為“Method and System for Pulsed LaserSource with Shaped Optical Waveforms (用于具有成形的光波形的脈沖激光源的方法與系統(tǒng))，，的美國專利No. 7，428，253的部分繼續(xù)申請，美國專利申請No. 12/210，028和美國專利No. 7，428，253分別被包括在附錄A和B中，出于所有目的，其全部公開內(nèi)容通過引用合并到本申請中。參考圖8，在本發(fā)明的另一種實施例中，提供了產(chǎn)生有益的脈沖波形的脈沖群的脈沖激光源。脈沖激光源包括適于產(chǎn)生穩(wěn)定化的光輻射216的穩(wěn)定化源210以及具有第二端口 216、第三端口 218和耦接至穩(wěn)定化源的第一端口 214的光環(huán)行器220。脈沖激光源還包括適于產(chǎn)生期望波形的信號脈沖的信號源230，其中，信號源230耦接至光環(huán)行器220的第二端口 216。脈沖激光源還包括耦接至光環(huán)行器220的第三端口 218的光學(xué)放大器沈0。對本發(fā)明的實施例的另外描述可以在包括在附錄C中的共同受讓的美國臨時申請No. 61/186，317中找到，出于所有目的，其全部的公開內(nèi)容通過引用合并到本申請中。根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施例，圖9示出了能夠使用產(chǎn)生具有有益脈沖波形的脈沖群而在薄膜材料工件304中劃線的示例性激光加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)304包括激光源300、波長轉(zhuǎn)換器301、光學(xué)系統(tǒng)302、控制器305以及布置在工件夾具303頂部上的工件304。激光脈沖源300提供具有一定特征如波長、脈沖長度、脈沖波形以及脈沖重復(fù)頻率的激光脈沖?？梢杂煽刂破鱽磉x擇波長。還可以通過波長轉(zhuǎn)換器來調(diào)節(jié)波長。可以根據(jù)本發(fā)明的實施例來調(diào)節(jié)脈沖長度和脈沖波形，以使用具有有益脈沖波形的脈沖群而在薄膜材料工件304中劃線。通過波長轉(zhuǎn)換器301可以將激光源300產(chǎn)生的波長轉(zhuǎn)換成基波波長的諧波，如二次、三次或四次諧波波長。盡管某些系統(tǒng)使用不同的激光器，但是可能使用眾所周知的在非線性晶體中的諧波產(chǎn)生過程來從一種激光器中獲取不同的波長。例如，具有大約353nm的波長的紫外光可以通過使用非線性晶體中的諧波的三倍來從具有1. 06 μ m的波長的紅外激光獲得。波長轉(zhuǎn)換器301可以包括光束定向器件如安裝有檢流計的鏡子。鏡子可以快速地改變來自激光源300的激光束的路徑，以繞過可以用于調(diào)節(jié)光束的光斑尺寸的波長轉(zhuǎn)換器302。光學(xué)系統(tǒng)可以包括用于將激光束聚焦在工件上的透鏡和鏡子以及用于將光束定向至工件上的多個位置的部件。在具體的實施例中，用于封光束定向的部件可以是安裝在檢流計上的鏡子。控制器可以用于控制光學(xué)系統(tǒng)和用于對光束定向的部件的運動。例如，當(dāng)在薄膜工件304上劃線時，光學(xué)系統(tǒng)302可以由控制器來控制以在沿著工件的表面的線中掃描光束，使得每個聚焦的激光光斑被定向至與前一個聚焦激光光斑相鄰的位置但具有交疊。在另一種實施例中，光學(xué)系統(tǒng)可以將激光束聚焦在工件表面處，并且工件夾具可以由控制器來控制以沿著線來移動工件，使得每個聚焦激光脈沖照射在與激光脈沖群中的前一個聚焦激光脈沖相鄰但是具有一些光斑交疊的位置上。圖10是示出了一種根據(jù)本發(fā)明實施例的、用于使用具有有益的脈沖波形的脈沖群在薄膜材料中劃出圖案的方法。在一種實施例中，圖案可以是線，而在另一種實施例中，圖案可以是曲線。在操作1005中，選擇有益的激光脈沖時域脈沖波形。在操作1010中，提供一系列激光脈沖，其中每個激光脈沖具有有益的激光脈沖時域脈沖波形。在操作1015中，將第一激光器脈沖的光斑放置在薄膜材料上。在操作1020中，將每個后續(xù)脈沖的激光光斑沿著圖案連續(xù)放置，圖案可以是薄膜上的線或曲線，使得每個光斑與前一個脈沖的光斑相鄰但光斑面積具有一定的交疊。雖然已經(jīng)關(guān)于具體實施例和其具體示例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解其他實施例可以落入本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。因此，應(yīng)當(dāng)參考所附權(quán)利要求以及等同描述的全部范圍來確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種在沉積在基底上的材料薄膜中劃出圖案的基于激光的加工方法，包括選擇適合于在所述基底上的薄膜材料中劃出圖案的有益的激光脈沖時域功率波形，以使得在所述基底中在所述薄膜中劃出的所述圖案處沒有形成能夠觀察到的裂紋；以及提供特征在于第一脈沖和至少9個跟隨脈沖的一系列激光脈沖，其中，所述一系列激光脈沖中的每個激光脈沖的特征在于所述有益的激光脈沖時域功率波形，并且所述一系列激光脈沖中的每個激光脈沖的特征還在于具有激光光斑面積的激光光斑；以及將所述第一脈沖的所述激光光斑放置在所述薄膜材料上的光斑位置處；以及將所述一系列脈沖中的所述跟隨脈沖中的每個脈沖的所述激光光斑放置在沿著所述薄膜上的圖案的光斑位置處，以使得每個光斑位置與前一個脈沖的所述激光光斑的所述光斑位置相鄰，并且存在光斑位置的交疊，以使得每個光斑的面積與每個前一個光斑的面積交疊一定量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述圖案是線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述圖案是曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述有益的激光脈沖時域功率波形是矩形脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述有益的激光脈沖時域功率波形是“尖峰-平臺”椅狀波形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述有益的激光脈沖時域功率波形是具有下垂的矩形脈沖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，兩個相鄰光斑的面積交疊大于10%而小于95%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述激光光斑面積大于0.0000001平方厘米而小于0. 0001平方厘米。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述薄膜材料是氧化鋅。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述薄膜材料是透明導(dǎo)電氧化物。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述薄膜材料是從非晶硅、碲化鎘、二硒化銅銦、銅銦 鎵二硒以及鉬中選擇的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述有益的激光脈沖時域功率波形包括的脈沖的半峰全寬即FWHM脈沖長度大于Ins而小于200ns。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述有益的激光脈沖時域功率波形具有上升沿上升時間和下降沿下降時間，使得所述上升沿上升時間小于所述脈沖長度的10%。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述有益的激光脈沖時域功率波形具有下降沿下降時間，使得所述下降沿下降時間小于所述脈沖長度的30 %。
15.一種在沉積在基底上的材料薄膜中劃出圖案的基于激光的加工方法，包括選擇適合于在所述基底上的薄膜材料中劃出圖案的有益的激光脈沖時域功率波形，以使得在所述基底中、或者在所述薄膜材料的邊緣中，在所述薄膜中劃出的所述圖案處沒有形成能夠觀察到的裂紋；以及提供特征在于第一脈沖和至少9個跟隨脈沖的一系列激光脈沖，其中，所述一系列激光脈沖中的每個激光脈沖的特征在于所述有益的激光脈沖時域功率波形，并且所述一系列激光脈沖中的每個激光脈沖的特征還在于具有激光光斑面積的激光光斑；以及將所述第一脈沖的所述激光光斑放置在所述薄膜材料上的光斑位置處；以及將所述一系列脈沖中的所述跟隨脈沖中的每個脈沖的所述激光光斑放置在沿著所述薄膜上的圖案的光斑位置處，以使得每個光斑位置與前一個脈沖的所述激光光斑的所述光斑位置相鄰，并且存在光斑位置的交疊，以使得每個光斑的面積與每個前一個光斑的面積交疊一定量。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述圖案是線。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述圖案是曲線。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，跟隨脈沖的所述激光光斑面積與前一個脈沖的所述激光光斑面積的光斑交疊的量大于10%而小于95%。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述激光光斑面積大于0.0000001平方厘米而小于0. 0001平方厘米。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述薄膜材料是氧化鋅。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述薄膜材料是透明導(dǎo)電氧化物。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述薄膜材料是從非晶硅、碲化鎘、二硒化銅銦、銅銦鎵二硒以及鉬中選擇的。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述有益的激光脈沖時域功率波形包括的脈沖的半峰全寬即FWHM脈沖長度大于Ins而小于200ns。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述有益的激光脈沖時域功率波形具有上升沿、下降沿和平均功率，并且所述有益的激光脈沖時域功率波形的特征還在于具有顯著小于所述脈沖長度的尖峰持續(xù)時間的功率尖峰、以及大于所述激光脈沖的所述平均功率的峰值功率。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，所述有益的激光脈沖時域功率波形的功率尖峰具有大于0. 3ns而小于所述脈沖長度的30%的半峰全寬即FWHM長度。
26.根據(jù)權(quán)利要求M所述的方法，其中，所述有益的激光脈沖時域功率波形的功率尖峰具有大于0. Ins而小于所述功率尖峰的半峰全寬即FWHM長度的30%的上升時間。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述功率尖峰的峰值功率與所述激光脈沖的所述平均功率的比率大于1.5。
全文摘要
脈沖序列中的一系列脈沖在基底上的材料薄膜中劃線，每個脈沖具有有益的時域功率波形而不是傳統(tǒng)的激光時域功率波形。有益的時域脈沖波形具有尖峰/平臺-椅狀波形或矩形脈沖波形。在薄膜中劃線是通過以下方式來完成的將一系列激光脈沖光斑放置在待劃線上，使得在沿著線的相鄰激光脈沖光斑之間具有交疊面積。與使用傳統(tǒng)脈沖波形實現(xiàn)的劃線加工相比，使用一系列具有有益脈沖波形的激光脈沖而在薄膜中劃線產(chǎn)生了較好的品質(zhì)和較干凈的劃線加工。
文檔編號B23K26/00GK102596482SQ201080048485
公開日2012年7月18日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月24日
發(fā)明者圖利奧·帕納雷洛, 理查德·繆里森, 馬修·雷科 申請人:Esi-熱光電子激光有限公司