專利名稱：一種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光精密加工技術(shù)領(lǐng)域，具體是ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工方法及裝置。
背景技術(shù)：
太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在全世界范圍內(nèi)以前所未有的速度快速擴(kuò)張。由于太陽能具有清潔，取之不盡、用之不竭的優(yōu)勢，這使得它在未來世界的能源結(jié)構(gòu)中必然會占有重要的一席之地。提高太陽能電池的發(fā)電效率，并達(dá)到經(jīng)濟(jì)上可行的量產(chǎn)化生產(chǎn)是目前太陽 能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的核心課題。激光技術(shù)因其快速、精確、無接觸以及可控的熱效應(yīng)等優(yōu)勢，在太陽能電池生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。采用激光技術(shù)來提高太陽能電池的發(fā)電效率是也是近年來的研究熱點之一。硅晶太陽能電池是目前市場上應(yīng)用最廣的ー種。硅晶太陽能電池是以硅晶圓作為基底，表面上形成精密的薄膜結(jié)構(gòu)，例如淺摻雜層、鈍化層、保護(hù)層等。這些膜層的厚度通常都在納米量級，一般不超過I微米。激光精密加工的作用范圍主要限定在這些膜層結(jié)構(gòu)內(nèi)。對于激光加工的效果，要求加工深度精準(zhǔn)，同時對加工區(qū)域周圍的材料的熱破壞盡量小，這樣才能保證所加工的電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最優(yōu)。由于這些原因，通常選擇短波長的超快激光器作為光源，比如說脈沖寬度在納秒級(10_9秒)甚或是皮秒級(10_12秒)的綠光或紫外激光器。在紫外波段，激光能量的吸收主要發(fā)生在樣品表面，從而有可能僅對表面或在相當(dāng)淺的深度內(nèi)進(jìn)行精密加工。采用超短脈沖，激光峰值功率很高，材料的揮發(fā)主要是由材料分子直接在激光的強電磁場的作用下而發(fā)生，同時因為激光作用時間短，所以熱擴(kuò)散效應(yīng)基本可以忽略。這樣一來，激光作用的范圍基本上僅在激光的光斑以內(nèi)。這樣加工的邊緣比較平滑，較少發(fā)生明顯的燒結(jié)等宏觀熱破壞現(xiàn)象。由于激光加工過程是利用激光的能量將材料改性或者去除，同時還要滿足エ業(yè)生產(chǎn)條件的加工速度，因此一般需要較高的激光功率。此外，在利用高功率超快短波長激光對材料進(jìn)行加工時，會同時激發(fā)等離子體，這對激光能量有屏蔽效果；而且，半導(dǎo)體硅晶圓等材料對短波長的反射率較大，這就意味著在加工過程中有相當(dāng)一部分激光的能量浪費掉了。再有，高功率超快短波長激光器，對光學(xué)元件及材料的損傷很大，因此，適合高功率激光的光學(xué)元件需要特殊處理，因而價格昂貴。不僅如此，高功率激光器對使用環(huán)境還有較高的要求，并且需要經(jīng)常維護(hù)。由于這些原因，高功率短波長激光器的價格通常相當(dāng)昂貴，造成了精密激光加工設(shè)備成本居高不下。怎樣充分合理的利用激光能量、在保證加工精度和速度的條件下降低激光加工設(shè)備成本就顯得尤為重要
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工方法及裝置，解決現(xiàn)有的激光技術(shù)對太陽能電池、特別是硅晶圓太陽能電池加工時需要使用的高功率超短脈沖短波長激光器價格昂貴的問題。本發(fā)明的技術(shù)方案為
ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工方法，首先用低于太陽能晶圓材料加工閾值的照射激光束照射太陽能晶圓上的待加工區(qū)域，該區(qū)域吸收了光子能量，材料溫度顯著提高，同時產(chǎn)生大量載流子，然后用加工激光束照射太陽能晶圓上的相同區(qū)域，加工激光束的能量高于太陽能晶圓材料加工閾值，用于進(jìn)行對晶圓材料的加工。所述的照射激光束為脈沖激光束或連續(xù)激光束；所述的加工激光束為脈沖激光束。所述的照射激光束和加工激光束分別由兩臺激光器發(fā)射產(chǎn)生或由一臺激光器經(jīng) 分光后產(chǎn)生。ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置，它包括有照射激光器、加工激光器、相對于加工激光器輸出端后的光束擴(kuò)散裝置、相對光束擴(kuò)散裝置輸出端后和照射激光器輸出端后的光學(xué)合束鏡、設(shè)置于光學(xué)合束鏡后的激光掃描器和相對激光掃描器照射端的載物臺。所述的照射激光器、加工激光器選用同一激光器，相對同一激光器輸出端后設(shè)置有可調(diào)分光裝置，可調(diào)分光裝置的ー輸出端后設(shè)置有光學(xué)延遲裝置，所述的光束擴(kuò)散裝置相對設(shè)置于光學(xué)延遲裝置的ー輸出端后，所述的光學(xué)合束鏡相對設(shè)置于光束擴(kuò)散裝置輸出端和可調(diào)分光裝置的另ー輸出端后。所述的光束擴(kuò)散裝置和光學(xué)合束鏡之間、光學(xué)合束鏡和激光掃描器之間均設(shè)置有激光反射鏡。所述的激光掃描器和載物臺之間設(shè)置有透鏡；所述的載物臺上設(shè)置有真空吸附裝置。所述的可調(diào)分光裝置是由順次設(shè)置的光學(xué)偏振旋轉(zhuǎn)器件和光學(xué)分束器組成。所述的分光裝置透射輸出端和光學(xué)合束鏡之間、光學(xué)合束鏡和激光掃描器之間均設(shè)置有激光反射鏡。所述的真空吸附裝置選用真空管，所述的載物臺的上端面上設(shè)置有與真空管連通的定位孔。本發(fā)明的設(shè)計原理為
被加工材料與激光相互作用，從而使材料溫度或是分子動能達(dá)到或超過了一定閾值，通過熔化、分解、揮發(fā)等過程實現(xiàn)對材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)改變或者是材料的移除。這個閾值與材料的溫度和材料對激光的吸收率有夫。一方面材料本身的溫度越高，材料的分子動能也就更接近于加工閾值；另ー方面材料對激光的吸收率越高，加工過程中對激光的利用率就越高，這樣ー來，實現(xiàn)材料性質(zhì)變化和移除材料所需要激光能量就越低。這就相當(dāng)于變相降低了材料的閾值。因此，利用經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上可行的方法來提高待加工材料的溫度和吸收率，就可以采用相對較低功率激光器來獲得同樣加工效果，或者使用同樣激光器而較大幅度提聞有關(guān)加工效率，從而大大降低有關(guān)加工成本。本發(fā)明的優(yōu)點(I)、利用一束低于材料加工閾值的激光束照射太陽能晶圓，使得晶圓的溫度升高和載流子濃度増大，從而使得材料對光子吸收率増大，這樣，波長較長的激光，例如紅外光，在材料中的吸收深度將大大減小，甚至吸收只在樣品的表面，這樣使用較長波長的激光，也可以實現(xiàn)精準(zhǔn)薄膜層級的加工；而紅外激光器的價格遠(yuǎn)低于短波長的紫外和綠光激光器，這也大大降低了加工成本。(2)、當(dāng)照射激光束和加工激光束來自于同一激光器，由于兩束激光疊加的非線性效應(yīng)，它們的總能量低于達(dá)到同等效果的單束激光的能量，這樣等于提高了激光能量的使用效率；
(3)、當(dāng)照射光束和加工光束分別來自不同的激光器，照射激光器可以選用價格更加低廉的長波長的寬脈沖或是連續(xù)激光器。由于照射光束的作用，使得加工激光的能量使用效率大大提高，從而大大降低有關(guān)加工成本。



圖I是本發(fā)明實施例I中一個激光光源的雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置的應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實施例2中兩個激光光源的雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置的應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式實施例I
見圖1，一個激光光源的雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置，包括有脈沖激光器I、相對于脈沖激光器I輸出端的由光學(xué)偏振旋轉(zhuǎn)器件2和光學(xué)分束器3組成的可調(diào)分光裝置、設(shè)置于光學(xué)分束器3反射輸出端后的光學(xué)延遲裝置4、設(shè)置于光學(xué)分束器3透射輸出端后的第一激光反射鏡5、設(shè)置于第一激光反射鏡5后的光學(xué)合束鏡7、設(shè)置于光學(xué)延遲裝置4和光學(xué)合束鏡7之間的光束擴(kuò)散裝置6、順次設(shè)置于光學(xué)合束鏡后的第二激光反射鏡8和激光掃描器9、相對激光掃描器9照射端的載物臺10和設(shè)置于激光掃描器和載物臺之間的透鏡11 ;載物臺10的上端面上設(shè)有若干定位孔，載物臺10上設(shè)有真空管12，真空管12與載物臺10上的定位孔相連通；真空管13未與定位孔相連的另一端與負(fù)壓設(shè)備相連，負(fù)壓設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)壓能夠?qū)悠?3固定于載物臺10上。見圖1，一個激光光源的雙激光光束的太陽能晶圓精密加工方法，包括以下步驟 脈沖激光器I的輸出端產(chǎn)生脈沖寬度較短的激光光束，激光光束通過由光學(xué)偏振旋轉(zhuǎn)
器件2和光學(xué)分束器件3組成的可調(diào)分光系統(tǒng)后分為照射激光光束和加工激光光束,加工激光光束依次通過可調(diào)光學(xué)延遲裝置4、光束擴(kuò)散裝置6后與通過第一激光反射鏡5的照射激光光束通過光學(xué)合束裝置7會合形成在空間上共線的兩束光，然后兩束光均依次通過第二激光反射鏡8和激光掃描器9 ;激光掃描器9根據(jù)設(shè)定的圖形對載物臺10上的樣品13進(jìn)行掃描，從而在樣品13上得到設(shè)定的形狀。激光掃描器9的下方設(shè)有載物臺10，載物臺10與激光掃描器9間設(shè)有透鏡11,透鏡11用于保持激光的焦點一直位于樣品13的表面，同時矯正激光掃描器9的角度和光斑在樣品13表面移動位置之間的線性關(guān)系。照射激光光束照射樣品13上待加工區(qū)域，該區(qū)域由于吸收了光子能量，產(chǎn)生大量光生載流子，同時材料溫度也會顯著提高，照射激光光束照射不必達(dá)到樣品13的加工閾值。由于照射激光光束的照射作用，加工激光光束實現(xiàn)加工所需的功率將顯著下降。這一方面是源于樣品材料在高載流子濃度、高溫下對光子吸收效率得到提高，另ー方面是樣品材料在高溫下其分子動能本來就更接近于有關(guān)閾值。這就相當(dāng)于利用第一束激光光束來對樣品的材料性質(zhì)進(jìn)行改性，再利用第二束激光光束對材料性質(zhì)改性后的樣品進(jìn)行加工。在達(dá)到同樣加工效果的情況下，采用兩束激光光束，這兩束激光光束的總能量要小于采用一束激光光束直接加工所需的能量。這樣ー來，就可以采用相對較低功率激光器來獲得同樣加エ速度，或者使用同樣激光器而較大幅度提高有關(guān)加工速度，從而大大降低有關(guān)加工成本。而且，由于溫度升高和載流子濃度増大，材料對光子吸收率増大，這樣，波長較長的激光，例如紅外光，在材料中的吸收深度將大大減小，甚至吸收只在樣品的表面，這樣使用較長波長的激光，也可以實現(xiàn)精準(zhǔn)薄膜層級的加工。而紅外激光器的價格遠(yuǎn)低于短波長的紫外和綠光激光器，這也大大降低了加工成本。實施例2
見圖2，兩個激光光源的雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置，包括有加工激光器
I、照射激光器2、相對于加工激光器I輸出端的光束擴(kuò)散裝置3、相對于照射激光器2輸出端的光學(xué)合束鏡5、設(shè)置于光束擴(kuò)散裝置3和光學(xué)合束鏡5之間的第一激光反射鏡4、依次設(shè)置于光學(xué)合束鏡3后的第二激光反射鏡6和激光掃描器7、相對激光掃描器7照射端的載物臺8和設(shè)置于激光掃描器7和載物臺8之間設(shè)置有透鏡9 ;載物臺8的上端面上設(shè)有若干定位孔，載物臺8上設(shè)有真空管10，真空管10與載物臺8上的定位孔相連通；真空管10未與定位孔相連的另一端與負(fù)壓設(shè)備相連，負(fù)壓設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)壓能夠?qū)悠?1固定于載物臺8上。加工激光器I為脈沖寬度較短的脈沖激光器，以有利于對樣品11的精密加工；照射激光器2為連續(xù)激光器或是脈沖寬度較寬的脈沖激光器。見圖2，兩個激光光源的雙激光光束的太陽能晶圓精密加工方法，包括以下步驟 加工激光器I產(chǎn)生的加工激光光束依次通過光束擴(kuò)散裝置3和第一激光反射鏡4輸入
到合光裝置5，照射激光器2產(chǎn)生的照射激光光束通過合光裝置5與加工激光光束會合形成在空間上共線的兩束光，然后再依次通過第二激光反射鏡6和激光掃描器7。激光掃描器7根據(jù)設(shè)定的圖形對載物臺8上的樣品11進(jìn)行掃描，從而在樣品11上得到設(shè)定的形狀。激光掃描器7的下方設(shè)有載物臺8，載物臺8與激光掃描器7間設(shè)有透鏡9，透鏡9用于保持激光的焦點一直位于樣品11的表面，同時矯正激光掃描器7的角度和光斑在樣品11表面移動位置之間的線性關(guān)系。照射激光光束照射樣品11上待加工區(qū)域，該區(qū)域由于吸收了光子能量，產(chǎn)生大量光生載流子，同時材料溫度也會顯著提高，照射激光光束照射不必達(dá)到樣品11的加工閾值。由于照射激光光束的照射作用，加工激光光束實現(xiàn)加工所需的能量的要求將顯著下降。這ー方面是源于樣品材料在高載流子濃度、高溫下對光子吸收效率得到提高，另ー方面是樣品材料在高溫下其分子動能本來就更接近于有關(guān)閾值。這就相當(dāng)于利用第一束激光光束來對樣品的材料性質(zhì)進(jìn)行改性，再利用第二束激光光束對材料性質(zhì)改性后的樣品進(jìn)行加エ。這樣一來，就可以采用相對較低功率激光器來獲得同樣加工速度，或者使用同樣激光器而較大幅度提高有關(guān)加工速度，從而大大降低有關(guān)加工成本。而且，由于溫度升高和載流子濃度増大，材料對光子吸收率増大，這樣，波長較長的激光，例如紅外光，在材料中的吸收深度將大大減小，甚至吸收只在樣品的表面，這樣使用較長波長的激光，也可以實現(xiàn)精準(zhǔn)薄膜 層級的加工。而紅外激光器的價格遠(yuǎn)低于短波長的紫外和綠光激光器，這也大大降低了加エ成本。
權(quán)利要求
1.ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工方法，其特征在于首先用低于太陽能晶圓材料加工閾值的照射激光束照射太陽能晶圓上的待加工區(qū)域，該區(qū)域吸收了光子能量，材料溫度顯著提高，同時產(chǎn)生大量載流子，然后用加工激光束照射太陽能晶圓上的相同區(qū)域，加工激光束的能量高于太陽能晶圓材料加工閾值，用于進(jìn)行對晶圓材料的加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工方法，其特征在于所述的照射激光束為脈沖激光束或連續(xù)激光束；所述的加工激光束為脈沖激光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工方法，其特征在干所述的照射激光束和加工激光束分別由兩臺激光器發(fā)射產(chǎn)生或由一臺激光器經(jīng)分光后產(chǎn)生。
4.ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置，其特征在于它包括有照射激光器、加工激光器、相對于加工激光器輸出端后的光束擴(kuò)散裝置、相對光束擴(kuò)散裝置輸出端后和照射激光器輸出端后的光學(xué)合束鏡、設(shè)置于光學(xué)合束鏡后的激光掃描器和相對激光掃描器照射端的載物臺。
5.根據(jù)權(quán)利4所述的ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置，其特征在于所述的照射激光器、加工激光器選用同一激光器，相對同一激光器輸出端后設(shè)置有可調(diào)分光裝置，可調(diào)分光裝置的ー輸出端后設(shè)置有光學(xué)延遲裝置，所述的光束擴(kuò)散裝置相對設(shè)置于光學(xué)延遲裝置的ー輸出端后，所述的光學(xué)合束鏡相對設(shè)置于光束擴(kuò)散裝置輸出端和可調(diào)分光裝置的另ー輸出端后。
6.根據(jù)權(quán)利4所述的ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置，其特征在于所述的光束擴(kuò)散裝置和光學(xué)合束鏡之間、光學(xué)合束鏡和激光掃描器之間均設(shè)置有激光反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利4所述的ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置，其特征在于所述的激光掃描器和載物臺之間設(shè)置有透鏡；所述的載物臺上設(shè)置有真空吸附裝置。
8.根據(jù)權(quán)利5所述的ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置，其特征在于所述的可調(diào)分光裝置是由順次設(shè)置的光學(xué)偏振旋轉(zhuǎn)器件和光學(xué)分束器組成。
9.根據(jù)權(quán)利5所述的ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置，其特征在于所述的分光裝置透射輸出端和光學(xué)合束鏡之間、光學(xué)合束鏡和激光掃描器之間均設(shè)置有激光反射鏡。
10.根據(jù)權(quán)利7所述的ー種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工裝置，其特征在于所述的真空吸附裝置選用真空管，所述的載物臺的上端面上設(shè)置有與真空管連通的定位孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用雙激光光束的太陽能晶圓精密加工方法及裝置，首先用低于太陽能晶圓材料加工閾值的照射激光束照射太陽能晶圓上的待加工區(qū)域，該區(qū)域吸收了光子能量，材料溫度顯著提高，同時產(chǎn)生大量載流子，然后用加工激光束照射太陽能晶圓上的相同區(qū)域，加工激光束的能量高于太陽能晶圓材料加工閾值，用于進(jìn)行對晶圓材料的加工。本發(fā)明兩束激光來自于同一激光器或兩臺激光器，由于兩束激光疊加的非線性效應(yīng)，它們的總能量低于達(dá)到同等效果的單束激光的能量，提高了激光能量的使用效率，且采用相對較低功率激光器來獲得同樣加工速度，或者使用同樣激光器而較大幅度提高有關(guān)加工速度，從而大大降低有關(guān)加工成本。
文檔編號B23K26/06GK102689092SQ20121019813
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者吳周令, 陳堅 申請人:合肥知常光電科技有限公司