CN103108722A - 激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过使用廉价脉冲激光光源能够进行高产量加工的激光处理方法。在该激光加工方法中优选使用的脉冲激光光源（1）具有MOPA结构，以及例如包括种子光源、YbDF（20）、带通滤波器（30）、YbDF（40）和YbDF（50）。该激光加工方法是一种使用脉冲光照来对形成在透明沉底上的金属薄膜进行加工的方法，其中种子光源（10）中包含的半导体激光直接受电信号调制，以重复输出脉冲光，脉冲光经光学放大器放大，光学放大器包括YbDF（20,40,50）作为光学放大介质，将经光学放大器放大后输出的脉冲光的总宽度的半值控制到0.5ns或更小，并且通过使以所述方式控制了其总宽度的半值的脉冲光穿过透明衬底照射到金属薄膜上来去除金属薄膜。

Description

激光加工方法
技术领域
本发明涉及激光加工方法。
背景技术
将脉冲光束辐射到工件上来加工工件。非专利文献1中描述的激光加工技术将脉冲宽度接近皮秒的脉冲光辐射到形成于透明玻璃板上的铜铟硒化合物CIS（Copper-Indium-Diselenide，CuInSe2）薄膜上，以加工（烧蚀）该薄膜。在非专利文献1的激光加工技术中，将High Q Laser公司生产的“picoREGEN IC-1064-1500”用作脉冲激光光源。该脉冲激光光源采用振荡模式锁定结构，具有再生放大器，并输出脉冲宽度接近皮秒的脉冲光。
非专利文献1：Heinz P.Huber等人的“High speed structuringof CIS thin-film solar cells with picosecond laser ablation”，国际光学工程学会SPIE年报7203卷（2009）。
发明内容
本发明要解决的问题：
本发明人已经研究了上述现有技术，因此发现了以下问题。即，包括再生放大器且输出脉冲宽度接近皮秒的脉冲光的振荡模式锁定脉冲激光光源一般很昂贵。在这样的脉冲激光光源中，激光谐振腔的结构限制了脉冲光输出的重复频率的设定自由度。在High Q Laser公司生产的脉冲激光光源中，脉冲光输出的重复频率仅增加到30kHz。脉冲光输出的重复频率越低，加工的产量也就越小。
本发明被开发来消除上述问题。本发明的目的是提供一种能够通过使用廉价的、非振荡模式锁定（非共振结构）的脉冲激光光源来进行高产量加工的方法。
用于解决所述问题的方案
根据本发明的激光加工方法是通过脉冲光辐射来对形成在透明衬底上的金属薄膜进行加工的激光加工方法。该激光加工方法的步骤为：准备半导体激光器，准备至少包含光学放大器和MOPA结构的光纤激光器（在下文中称为“MOPA光纤激光器”），将被放大的脉冲光的半峰全宽（以下为“FWHM”）控制在期望范围内，以及然后将来自MOPA光纤激光器的脉冲光穿过透明衬底辐射到金属薄膜上。通过依照电信号直接调制要准备的半导体激光器来使该半导体激光器重复地输出脉冲光。要准备的MOPA光纤激光器至少具有光学放大器。光学放大器包括掺杂有稀土元素的玻璃作为光学放大介质并放大从半导体激光器输出的脉冲光。在MOPA光纤激光器中，控制从光学放大器输出的脉冲光以使得脉冲光的FWHM变为0.2ns或更大而小于1ns。将来自MOPA光纤激光器且控制了FWHM的脉冲光从金属薄膜相对于透明衬底的对侧辐射到金属薄膜上，从而将金属薄膜去除。
根据本发明的激光处理方法，使用了具有简单且廉价的MOPA结构的脉冲激光光源。从光学放大器输出的已被放大的脉冲光的FWHM被控制在0.2ns或更大。在这种情况下，可能对透明衬底造成损害。另一方面，从光学放大器输出的已被放大的脉冲光的FWHM被控制为小于1ns或优选地为0.5ns或更小。通过将脉冲光从透明衬底侧辐射到金属薄膜上来以较高的产量去除金属薄膜。
在本发明的激光加工方法中，脉冲光输出的重复频率优选地超过100kHz。这样，可以增强产量。
在根据本发明的激光加工方法中，当基于预设的扫描速度和预设的脉冲光辐射重复频率来执行将脉冲光辐射位置在金属薄膜上进行扫描的脉冲扫描时，优选的是受脉冲光辐射的点的重叠率为60%或更低，并且激光输出具有用于去除金属薄膜的预定平均功率和峰值功率。这样可以提高加工质量。值得注意的是，当使用包含具有矩形横截面纤芯的光纤时，重叠率可被设置为50%或更低。
在根据本发明的激光处理方法中，从光学放大器输出的放大脉冲光的光谱在半导体激光器输出的脉冲光的光谱的峰值波长处具有一个峰值，且还在不同于所述峰值波长的波长处有一个峰值。优选的是在由光学放大器输出的放大脉冲光的光束轮廓被均匀化后将脉冲光辐射到金属薄膜上。这里，例如，优选使用包含具有矩形截面的纤芯的光纤作为光束轮廓均匀化装置。此外，在透明衬底的受辐射表面上，脉冲光的注量优选为4J/cm2或更大。
本发明的效果
如上所述，本发明的激光加工方法能够利用廉价的脉冲激光光源来进行高产量的加工。
附图说明
图1是脉冲激光光源1的结构图；
图2是用于说明使用了脉冲激光光源1的激光加工方法的示图。
图3是示出了脉冲激光光源1输出的脉冲光的波形的一个示例的示图。
图4是当去除透明玻璃板上的TCO薄膜时拍摄的SEM图像。
图5是示出了脉冲激光光源1输出的脉冲光的波形的另一示例的示图。
图6示出了当去除透明玻璃板上的钼薄膜时获得的显微图（a）、SEM图像（b）以及EDX分析结果（c）。
图7是示出了当去除透明玻璃板上的钼薄膜时拍摄的SEM图像的示图。
图8是示出了脉冲激光光源1输出的脉冲光的光谱的示图。
图9是示出了来自脉冲激光光源1的另一光源的脉冲波形的示图。
图10示出了当利用图9所示的FWHM为0.96nm的脉冲来去除透明玻璃板上的钼薄膜时拍摄的SEM图像（a）及其三维图像（b）。
图11中的每个示图示出了具有图8所示的虚线光谱的脉冲光通过矩形芯光纤传播之后的光束轮廓。
图12中的每个示图示出了具有图8所示的实线光谱的脉冲光通过矩形芯光纤传播之后的光束轮廓。
标号列表
1…脉冲激光光源；
2…透明衬底；
3…金属薄膜；
10…种子光源
20…YbDF；
21…光耦合器；
22…泵浦光源；
23,24…光隔离器；
30…带通滤波器；
40…YbDF；
41…光耦合器；
42…泵浦光源；
43,44…光隔离器；
50…YbDF；
51…合成器；
52至55…泵浦光源；
60…端盖。
具体实施方式
下面将参照图1至图12详细地描述本发明的实施例。在附图的描述中，用相同的标号指定相同的或对应的元件，并省去重复描述。
首先，将描述在根据本发明实施例的激光处理方法中优选使用的脉冲激光光源的结构的示例。图1是脉冲激光光源1的结构示例。在该图中示出的脉冲激光光源1具有种子光源10、YbDF（镱掺杂光纤）20、带通滤波器30、YbDF40、YbDF50等，并具有主振荡功率放大器（MOPA：Master Oscillator Power Amplifier）结构。脉冲激光光源1是非振荡模式锁定状态（非共振结构），并且输出波长大约为1060nm并适用于激光加工的脉冲光。
种子光源10包括依照电信号被直接调制以重复输出脉冲光的半导体激光器。从提供大功率和避免诸如诱导布里渊散射（SBS）之类的非线性效应方面考虑，半导体激光器优选Fabry-Perot型。此外，半导体激光器输出波长大约为1060nm的脉冲光，这给YbDF20、40、50这些放大光纤提供了帮助。YbDF20、40、50是光学放大介质，其通过将镱元素（稀土元素）用作激活物质添加到主要由石英玻璃构成的光纤的纤芯来获得。YbDF20、40、50中的每个均具有相互接近的激励光波长和放大光波长，并且在提供能量转换效率以及在波长1060nm附近获得益处方面具有优势。YbDF20、40、50形成三级光纤放大器（构成MOPA光纤的至少一部分）。
由激励光源22输出并穿过光耦合器21的激励光以向前的方向被提供给第一级YbDF20。然后YbDF20输入由种子光源10输出并穿过了光隔离器23和光耦合器21的脉冲光，放大该脉冲光，并通过光隔离器24输出脉冲光。
带通滤波器30输入由种子光源10输出并经第一级YbDF20放大的脉冲光，使该脉冲光的峰值波长的短波长侧的光谱或者脉冲光的峰值波长的长波长侧的光谱比输入脉冲光的波长带中的其它部分的光谱衰减更多，并随后输出得到的光。可以使用高通滤波器或低通滤波器来替代带通滤波器，但是高通滤波器仅对种子光源光谱的长波长侧作用，而低通滤波器仅对种子光源光谱的短波长侧作用。然而，带通滤波器同时具有高通滤波器和低通滤波器的作用。
将泵浦光源42输出的并穿过了光学耦合器41的泵浦光以向前的方向提供给第二级YbDF40。然后，YbDF40输入由带通滤波器30输出的并穿过了光隔离器43和光耦合器41的脉冲光，放大该脉冲光，并通过光隔离器44输出脉冲光。由泵浦光源52至55的每一个输出的并穿过了合成器51的泵浦光以向前的方向提供给第三级YbDF50。然后，YbDF50输入并进一步放大已被第二级YbDF40放大的脉冲光，然后通过端盖60将脉冲光输出到外部。
下面描述优选结构示例。通过纤芯泵浦的方法（a core pumpingmethod）把泵浦波长为975nm且恒定功率为200mW的泵浦光以向前的方向射入第一级YbDF20。将要使用的YbDF20的长度为5m，且波长为975nm时的不饱和吸收系数为240dB/m。YbDF20的纤芯直径为6μm，其NA约为0.12。通过纤芯泵浦的方法把泵浦波长为975nm、恒定功率为200mW的泵浦光以向前的方向射入第二级YbDf40。将要使用的YbDF40的长度为7m，且波长为975nm时的不饱和吸收系数为240dB/m。YbDF40的纤芯直径为6μm，其NA约为0.12。通过包层泵浦方法（a cladding pumping method）把泵浦波长为975nm且功率为20W（四个5W等级的泵浦LD）的泵浦光以向前的方向射入第三级YbDf50。将要使用的YbDF50的长度为5m，且纤芯部分的不饱和吸收系数为1200dB/m。YbDF50的纤芯直径为10μm，其NA约为0.06。YbDF50内的包层的直径为125μm，NA约为0.46。
这种带有MOPA结构的脉冲激光光源1由于其结构简单所以价格低廉，并且可以任意地设置脉冲光输出的重复频率。特别的是，脉冲激光光源1使用带通滤波器30来使脉冲光的峰值波长的短波长侧的光谱或脉冲光的峰值波长的长波长侧的光谱比其他波长上的光谱衰减地更多，然后输出得到的光，其中所述脉冲光是由种子光源10输出的并被第一级YbDF20放大后的脉冲光。因此，可以输出脉冲宽度被压缩到1ns或更短的脉冲光。
此外，根据本发明的实施例的激光加工方法使用了具有MOPA结构的脉冲激光光源1，并将脉冲光辐射到透明衬底2上的金属薄膜3上以对该金属薄膜3进行加工，如图2所示。这样做时，可以将脉冲激光光源1输出的每个脉冲光束的FWHM控制在0.5ns或更短。将这样的脉冲光束从透明衬底2的一侧辐射到金属薄膜3上，由此去除金属薄膜3。从脉冲激光光源1输出的每个脉冲光束的FWHM最好为0.2ns或更长。脉冲光输出的重复频率最好超过100kHz。另外，当基于预设的扫描速度和预设的脉冲光辐射重复频率来执行将脉冲光辐射位置在金属薄膜3上进行扫描的脉冲扫描时，受脉冲光照射的点的重叠率为60%或更少，且激光输出具有用于去除金属薄膜的预定平均功率和峰值功率。
图3是示出了从脉冲激光光源1输出的脉冲光的波形示例的示图。该图示出了脉冲光输出的重复频率为500kHz和2MHz的脉冲光波形。在其中任一情况下，脉冲光的FWHM可被减小到200ps或更低。
然而，当通过将具有图3所示的脉冲波形的脉冲光辐射到透明玻璃板上的透明导电氧化物（TCO：Transparent Conductive Oxide）薄膜上来去除该薄膜时，在透明玻璃板上会产生图4所示的微小裂缝。图4是当去除透明玻璃板上的TCO薄膜时得到的SEM图像。这里的加工条件如下：脉冲光的FWHM为200ps；脉冲光输出的重复频率是150kHz；脉冲光辐射的平均功率为6.8W；以及扫描速度为2000mm/s。脉冲光的注量为3.1J/cm2。
如图5所示，使用了具有增大的脉冲宽度、更小的脉冲峰值的脉冲光。该脉冲光的FWHM是0.5ns，并且脉冲光输出的重复频率为250kHz。通过将具有如图5所示脉冲波形的脉冲光辐射到透明玻璃板上的钼薄膜（熔点为2620℃）上来去除该钼薄膜。脉冲光辐射的平均功率为5.7W，扫描速度为5000mm/s。脉冲光从透明玻璃板一侧辐射到钼薄膜上。钼薄膜通过溅射或CVD方法形成在透明玻璃板上，并用在CIS型太阳能电池中。
如图6所示，通过将脉冲光辐射到钼薄膜上成功地完成了如上所述的钼薄膜的去除，而没有导致任何诸如微小裂缝、剥离以及各光点之间的卷起（rolling up）的缺陷。图6示出了当去除透明玻璃板上的钼薄膜时的微观图（a）、SEM图像（b）、以及EDX分析结果（c）。加工质量与如非专利文献1所述的通过辐射脉冲宽度为10ps的脉冲光进行的加工所得到的加工质量相同。非专利文献1中的扫描速度为240mm/s，而本实施例的扫描速度达到了5000mm/s，至少比非专利文献1的扫描速度高出20倍。脉冲光的注量为4.5J/cm2。当注量低于4.5J/cm2时会观察到钼的残留。考虑上述加工之所以能够在大于非专利文献1所述的10ps脉冲宽度的条件下实现的原因是由于注量的设置。注量、脉冲宽度以及工件之间的关系视情况而定，但是本实施例例举出了即使使用不可思议的脉冲宽度也可进行加工的事实。
要注意，各点之间的卷起是指钼薄膜在两个相邻的脉冲光辐射点之间卷起的缺陷，如图7的SEM图像中的虚线圈所示。该图的加工条件如下：脉冲光的FWHM设置在10ns至20nm之间；脉冲光输出的重复频率为250kHz；脉冲光辐射的平均功率为8W；以及扫描速度为5000mm/s。
此外，具有如上所述配置的脉冲激光光源1具有MOPA结构，该结构具有作为种子光源10的半导体激光器，该半导体激光器的驱动电流为几百毫安（超过200毫安），该驱动电流可以被直接调制。为了进行加工，从脉冲激光光源1输出亚纳秒脉冲宽度的脉冲光。由此得到以下优势。换而言之，脉冲激光光源1使用带通滤波器30来使脉冲光的峰值波长的短波长侧的光谱或脉冲光的峰值波长的长波长侧的光谱比其他波长的光谱衰减的更多，然后输出所得的光，所述脉冲光由种子光源10输出并被第一级YbDF20放大。因此，可以输出脉冲宽度被压缩到次纳秒的脉冲光。
因此，如图8中的实线所示，通过BPF由脉冲激光光源1得到了的种子光源10的啁啾成分，由此脉冲宽度被压缩到次纳秒的脉冲光的光谱不仅在用作种子光源10的半导体激光器输出的脉冲光的光谱的峰值波长处，而且在与该峰值波长不同的波长处具有次峰，并且具有峰值和次峰的整个光谱的FWHM达到10nm或更大。次峰值约为峰值的一半。值得注意的是，在该图中虚线所示的光谱是按图7的SEM图像所示的方法加工的脉冲光的光谱，并且设置BPF使得将要发射的种子光源输出的量达到最大，而没有得到实线所示的啁啾成分。
图9示出了来自不同于图3和图5中使用的脉冲激光光源的脉冲激光光源（与图1所示脉冲激光光源的结构相同）的光谱波形（光输出和时间）。脉冲宽度的FWHM为0.96ns。当使用该脉冲光进行与图6所示的示例相同的加工时，得到了图10所示的结果。图10示出了当去除透明玻璃板上的钼薄膜时拍摄的SEM图像（a）以及其三维图像（b）。这里的加工质量与非专利文献1所述的通过辐射脉冲宽度为10ps的脉冲光来进行加工所得到的加工质量相同。该加工达到了4000mm/s的扫描速度。此时脉冲光的重复频率为150kHz，脉冲的平均功率为8W，以及注量为8.9J/cm2。
实现图8中实线示出的宽带光谱有助于通过将脉冲光传播到包含矩形横截面纤芯的光纤从而进行光束均匀化（光束轮廓均一化）。这是因为光束均匀化机构取决于多往复模式的实现。脉冲光的光谱宽度越宽，越有可能阻止由于多个往复模式之间的干扰而导致的斑点的出现，以及避免生成暗点。
图11是示出了具有图8中虚线光谱的脉冲光传播通过矩形纤芯光纤后得到的光束轮廓图。图12是示出了具有图8中实线光谱的脉冲光传播通过矩形纤芯光纤后得到的光束轮廓图。在其中任一情况下，矩形纤芯光纤的纤芯尺寸为50μm×50μm，NA为0.18，并且长度为10m。
在图11所示的光束轮廓中，最小值（谷底）和最大值（峰顶）之间的V/P比仅为45%。另一方面，在图12所示的光束轮廓中的V/P比为63%。因此，使用具有MOPA结构（其中，被直接调制的半导体激光器用作种子光源）的脉冲激光光源1进行光束均匀化处理时，通过BPF方式获得种子光源10的啁啾成分以及压缩脉冲宽度会增加光谱宽度，并且因此有利于进行光束均匀化的激光加工方法。
图7的SEM图像中的虚线圈所示的钼薄膜在点之间的卷起导致钼薄膜的剥落或卷起。一种抑制该情况的有效方法就是进行光束均匀化，从而使脉冲光的横截面形成矩形形状并在钼薄膜上排列矩形点。
图11和图12所示的光束轮廓的实例采用了直接将MOPA光源的输出光纤（纤芯直径为10μm的单模光纤）的端面与上述矩形纤芯光纤的端面相互熔合的简单方式。然而，当将输出光纤与矩形纤芯光纤相互光连接时可以在其间提供空间光学系统，以及通过使用高NA透镜并将该透镜接合到矩形纤芯光纤的端面来聚焦从输出光纤的端面发射的脉冲光，从而进一步促进多往复模式的实现以及期望进一步提高V/P比。当使用矩形纤芯光纤时，重叠率可设置为50%或更低。
要注意的是，当脉冲光输出的重复频率为160kHz、脉冲光辐射的平均功率为10W以及扫描速度为2500mm/s时，利用脉冲宽度相对较宽、FWHM约为5ns的脉冲成功地去除了图4所示的透明玻璃板上的透明导电氧化物（TCO：Transparent Conductive Oxide）。这时的TCO薄膜由氧化锡构成。换而言之，使用电信号直接调制半导体激光器、重复输出得到的脉冲光以及使用包括添加了稀土元素的玻璃的光学放大器作为光学放大介质来放大光的光纤激光器是优选的，因为它能输出上述的一排脉冲光并能去除玻璃上的TCO薄膜或玻璃上的诸如钼的金属薄膜。
值得注意的是，本实施例的激光加工方法不仅在处理透明玻璃板上的钼薄膜方面很有效，而且在加工由其他透明材料制成的衬底上所形成的相对较差的粘结金属膜方面很有效。

Claims (7)

1.一种通过脉冲光辐射来对形成在透明衬底上的金属薄膜进行加工的激光加工方法，包括步骤：
准备半导体激光器，依照电信号对该半导体激光器进行直接调制来使该半导体激光器重复输出脉冲光；
准备MOPA光纤激光器，其至少包括光学放大器，该光学放大器包含掺杂有稀土元素的玻璃并放大从所述半导体激光器输出的脉冲光；
将所述光学放大器输出的脉冲光的半峰全宽控制在0.2ns或更大而小于1ns；以及
通过将所述MOPA光纤激光器射出的脉冲光从所述金属薄膜相对于所述透明衬底的对侧辐射到所述金属薄膜上，从而去除所述金属薄膜。
2.如权利要求1所述的激光加工方法，其中，经所述光学放大器放大的脉冲光的半峰全宽为0.5ns或更小。
3.如权利要求1所述的激光加工方法，其中，所述脉冲光的输出重复频率超过100kHz。
4.如权利要求1所述的激光加工方法，其中，当基于针对脉冲光辐射预设的扫描速度和预设的重复频率来执行在所述金属薄膜上对脉冲光辐射位置进行扫描的脉冲光扫描时，受脉冲光辐射的点的重叠率为60%或更低，并且激光输出具有用于去除所述金属薄膜的预定平均功率和峰值功率。
5.如权利要求1所述的激光加工方法，其中，经所述光学放大器放大的脉冲光的光谱在从所述半导体激光器输出的脉冲光的光谱的峰值波长处具有峰值，且还在不同于所述峰值波长的波长处具有峰值，以及
其中，通过光束轮廓均匀化装置将经所述光学放大器放大的脉冲光的光束轮廓均匀化后，将该脉冲光辐射到所述金属薄膜上。
6.如权利要求5所述的激光加工方法，其中，所述光束轮廓均匀化装置包括具有矩形横截面纤芯的光纤。
7.如权利要求1所述的激光加工方法，其中，在所述透明衬底的受辐射表面上，所述脉冲光的注量为4J/cm2或更大。
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