CN1093630A - 激光加工预测方法、激光加工品制造方法及激光加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明目的在于对待加工品进行合适的激光加
工。本发明中，是通过检知待加工品内微分元的熔解
或蒸发消失，并且反馈这种微分元的熔解或蒸发消失
的检知结果，来获得借助于仿真手段的激光加工预测
结果。
Description
本发明涉及向待加工品照射激光进行加工时所采用的激光加工预测方法，激光加工品制造方法以及激光加工装置。
有这样一种激光加工，对于半导体薄膜照射激光（激光束）实施划线。施行这种激光加工的半导体薄膜不限于单一层，也可以象叠层型化合物半导体太阳能电池那样将不同材料重叠且涂覆层叠为多层（太阳能电池就是四层）。
在半导体薄膜上实施划线的激光加工，存在着以下方面在块状材料加工中没有的特殊情况：（1）材料的薄膜性，（2）有选择性的除去加工，对于上述太阳能电池还有（3）不同材料的多层叠层构造。
在半导体薄膜上实施划线时，重要的是仅在对准位置进行高精度的除去加工，并且避免使周围区域和下层受到物理的或热的损害。因此需要合适地设定激光照射条件。
但是无法做到比较简单地知道这种合适的激光照射条件。进行边割边试（カトァンドトラィ）的实验，也许能获得合适的激光照射条件，但需要很多时间，而且所得的结果相对于工艺变化的有效性也低，靠边割边试来琢磨激光照射条件是不现实的。
也就是说，以往没有把合适的激光照射条件搞得很清楚，所以难以对薄膜实施合适的激光加工。
本发明鉴于以上情况，其目的在于提供一种可以简单地获得对于激光加工对象的待加工品来说是合适的激光照射条件的方法，同时另一目的在于提供一种可以对待加工品施行合适的激光加工的方法以及装置。
为解决上述简便地获知合适的激光照射条件这一课题，本发明的激光加工预测方法，是通过仿真手段对激光照射待加工品，经过熔解或不经熔解而使照射部分蒸发除去这样的加工进行预测的，它包括以下步骤：求出待加工品内激光照射的能量密度分布和根据需要求出待加工品内辐射能量分布;根据上述能量密度分布的运算结果或上述两项运算结果求出待加工品微分元的发热量;利用该发热量运算结果来检知微分元是否熔解或蒸发除去;并将该微分元熔解或蒸发除去的检知结果加入上述能量密度分布的运算过程，和根据需要加入辐射能量分布的运算过程，以进行激光加工的仿真。本项激光加工预测方法就其具体形态来说，可以举出这种具体形态，待加工品是具有薄膜的待加工品，而激光照射则是对待加工品薄膜进行的。但不限于此，待加工品也可以是非薄膜状的块体材料。本发明中的仿真自然是利用计算机运算的。
仅仅按能量密度分布运算结果进行仿真也是可行的，但除能量密度分布运算结果还利用辐射能量分布运算结果，就可以期望更高精度的仿真。
而且，为解决上述提供可以对待加工品施行合适的激光加工的方法以及装置这后一项课题，本发明的激光加工品制造方法，是一种获得施行过激光加工的制品的方法，其特征在于上述激光加工是根据仿真手段所得到的激光加工预测结果来进行条件设定。而本发明的激光加工装置包括：用于对待加工品施行激光加工的激光照射装置;设定上述激光加工条件的加工条件设定装置，其特征在于上述加工条件设定装置构成为，根据仿真得到的激光加工的预测结果设定激光加工的条件。
图1是示意本发明激光照射状况的说明图。
图2是表示待加工品表面相对光强分布I（x，y，t）以及能量密度的曲线图。
图3是表示光能量密度分布与平均功率密度的特性曲线图。
图4是表示激光照射后待加工品概略温度变化的特性曲线图。
图5是表示本发明用到的修正熔点与修正沸点的特性曲线图。
图6是表示本发明用到的相格移动模型的说明图。
图7是表示一显示仿真结果的监视画面的说明图。
图8是表示本发明激光加工机主要构成的说明图。
图9是表示本发明激光加工方法的加工流程的流程图。
图10是表示实施例中薄膜温度状态的特性曲线图。
图11是表示实施例中仿真结果的监视画面说明图。
图12是实施例中激光加工后薄膜的截面图。
以下更为详细地说明本发明。
首先，先叙述本发明的必要组成，基于仿真手段的激光加工预测。
本发明是在加工前通过计算机运算的仿真手段对所要进行的加工进行预测，这种加工如图1所示，向具有薄膜1的待加工品2的薄膜部分照射激光（波长λ，输出功率P）3，经过熔解或不经熔解，使照射部分蒸发除去。另外，图1中7是聚光透镜组（数值孔径NA），8为光阑。
在激光加工仿真过程中，需要分别求出薄膜内激光照射的能量密度分布EE（x，y，z，t）以及薄膜内单位时间、单位面积的辐射能量分布Ef（x，y，z，t）。
能量密度分布EE（x，y，z，t）可以按以下方法求出。
在图1（a）所示的激光照射组的场合，薄膜1表面上的相对光强度分布I（x，y，t）由下面式（1）、式（2）给出，若用图来表示，则如图2（a）所示的分布。
I (x,y,t) = ［ (2 J1(Ur))/(Ur) ］2式 （1）
Ur＝〔2π（x2+y2）1/2NA〕/λ 式（2）
其中，J1（Ur）是Ur的线性第一种贝塞耳函数，λ是激光波长，NA是光学系统的数值孔径，x、y则是距照射面中心的x、y方向距离。
若忽略光学系统以及空间的能量损失，薄膜表面的光能量密度分布E（x，y，t）由相对光强度分布I（x，y，t）确定的话，则成立如下关系：
∫SE（x，y，t）ds＝C∫SI（x，y，t）ds＝P 式（3）
其中，S是薄膜上激光光斑面积，C是以每单位面积所具有的能量为单位的常数，P则是输出功率。
若将IB定义为IB＝∫SI（x，y，t）ds/S的话，输出功率P则由P＝C·IB·S表示。这里，若定义C·IB＝E0，则由前面的式子，E0＝P/S，此E0也可定义为平均功率密度。
而且，将实际的光能量密度分布E（x，y，t）与平均功率密度E0重叠图示的话，则如图3所示。右上斜的阴影部分表示光能量密度分布，而左上斜的阴影部分则表示平均功率密度。右上斜的阴影部分的大小（面积）为∫SI（x，y，t）ds;左上斜阴影部分的大小（面积）为E0·S＝P。
另一方面，在图1（b）所示的没有光阑的激光照射系统的场合，若假定为单光束模式，薄膜1表面上的光能量密度分布E（x，y，t）由下面的式（A）给出，若图示的话则如图2（b）所示。
E（x，y，t）＝I0·exp（-2r2/r20） 式（A）
而I0＝2P/（πr20），r＝（x2+y2）1/2
其中，I0为最大能量密度，P为输出功率，r0则是E＝I0/e2时会聚光束的半径。
另一方面，薄膜1的激光加工过程中，照射在薄膜1上的激光，先由薄膜1的表面反射其一部分，余下的入射到薄膜1内，在通过薄膜1期间被吸收逐渐衰减，并透过一部分。
设激光在薄膜1表面的反射率为R，薄膜1的透过率为T，则参与加工的激光能量EE（x，y，t）由下面式（4）给出。
EE（x，y，t）＝E（x，y，t）·（1-R-T） 式（4）
入射到薄膜1内的激光通过其内部时，设衰减为薄膜表面强度的1/e的深度为吸收长度a，则在距薄膜表面深度为y的位置的相对光强度分布I（x，y，z，t）由下面的式5给出。
I（x，y，z，t）＝I（x，y，t）e-z/a式（5）
因而，能量密度分布EE（x，y，z，t）可由下面的式（6）求出。
EE（x，y，z，t）＝EE（x，y，t）e-z/a式（6）
另外，这里尚未考虑以下可忽略的因素，例如，加工进行时薄膜表面所起的凹凸变化引起的激光漫反射，薄膜的温升、相变引起的激光吸收率变化，等离子体的发生引起的激光散射、吸收，薄膜吸热引起的物质变化，激光发散角的影响等。
而且，薄膜内单位时间、单位面积的辐射能量分布Ef（x，y，z，t）可以按以下方法求出。
薄膜1与外界的能量转换，主要集中于激光能量的注入与薄膜1辐射能量的释放，未考虑可忽略的外界空气对流。对于辐射仍然就用过的座标方向（正交系）来说明。薄膜1内适当位置上从某一方向某一面在单位时间、单位面积发出的辐射能量，即辐射能量分布，可以由下面的式（7）求出。
Ef（x，y，z，t）＝σ·ε·f（Tp4-To4） 式（7）
其中，σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数（5.67032×10-8W/（m2·K4）），ε为辐射率，f为形态系数，Tp为辐射源处温度，To为辐射末端处温度。
这样，若能分别求出薄膜内激光照射的能量密度分布EE（x，y，z，t）与薄膜内辐射能量分布Ef（x，y，z，t）的话，便可求出薄膜1内适当位置上的发热量（能量吸收量）。薄膜1内适当位置上单位时间、单位体积（微分元）的发热量，即薄膜1内发热量分布S（x，y，z，t），可由下面式（8）求出。也就是说，根据下式进行计算。
S（x，y，z，t）＝EE（x，y，z，t）-（Efx+Efy+Efz） 式（8）
其中，Efx＝Efx（x，y，z，t），Efy＝Efy（x，y，z，t），Efz＝Efz（x，y，z，t），分别是x，y，z方向单位时间的辐射能量。
随着激光照射，薄膜1内产生了按发热量分布S（x，y，z，t）求出的热量，因而如图4所示导致材料升温，熔融，蒸发等。另一方面，薄膜1内的适当位置（微分元）的温度是可以由傅里叶三维非平稳热传导方程式求出的，因而设法求出薄膜1内适当位置的温度，然后由此求出的温度来检知该位置上材料的熔化或蒸发。
ρC (δT)/(δt) = Kx (δ2T)/(δx2) + Ky (δ2T)/(δy2) + Kz (δ2T)/(δz2) + S (x,y,z,t) 式（9）
这里，将考虑了熔解潜热的熔点作为修正熔点θmc，考虑了气化潜热的沸点作为修正沸点θvc，将这些设定的物理量（设定温度Tc）代入，便可以较为容易地求出。也就是说，如图5所示，就热传导计算而言用T，就相变中所用的设定温度而言则采用Tc。另外，对于未经熔解就升华的物质，因为熔点即沸点，因此修正熔点θmc就是修正沸点θvc。
即θmc＝θm+hm/C1，θvc＝θv+hv/C2。其中，θm为熔点，hm为熔解潜热，C1为固相比热，θv为沸点，hv为气化潜热，C2为液相比热。
傅里叶三维非平稳热传导方程式，若采用例如，控制容积法，按完全隐解法（隐含法）的形式离散，作成计算图表再利用连线法（line-by-line方法）的话，求解可以容易地进行。
随着激光加工的进行，薄膜1发生物相边界的移动，而这种物相边界移动，若由二元的例子来表示则如图6所示，是可以设法使薄膜1分割为长方形（包括正方形）的相格（微分元），并且对每一相格考虑是熔解还是蒸发，利用这种相格移动模型加以简化获得的。相格移动模型中，求出相格单元中能量的得失，即发热量，经熔融并且有蒸发现象的物质当中达到修正熔点θmc的相格作为已蒸发的物质、作为液相来处理，达到修正沸点θvc的相格则当作为已蒸发的物质，进行除去操作。另外，就熔融与蒸发同时发生的升华性物质而言，达到修正熔点θmc的相格因为修正熔点θmc即为修正沸点θvc，因而当作已蒸发的物质，进行除去操作。
完全隐解法时，是按每一相格定出式（9）方程式（也就是说有相格个数那么多的方程式），由矩阵运算来求解的方式。按此完全隐解法，即使△t较大也可以获得精度高的结果，运算只需很矩时间便完成。
另外，薄膜1的除去仅考虑到材料因吸热而蒸发，而未考虑热应力影响、从薄膜飞出的粒子运动的影响、薄膜产生气体的影响等其它可能因素，但诸如采用吹气等构成的液相除去装置的场合，有时也将别的除去因子加进运算过程。
而且，相格的液相化和相格的除去要反馈给上述能量密度分布EE（x，y，z，t）与辐射能量分布Ef（x，y，z，t）的运算结果。因为可做到跟随激光照射部分各个时刻的变化正确地运算，从而使仿真更为符合实际的加工结果。相格从固相至气相的变化则反馈为，例如式（6）EE（x，y，z，t）＝EE（x，y，z，t）e-z/a中a的变更，或是式（7）Ef（x，y，z，t）＝σ·ε·f（Tp4-To4）中ε的变更。
相格从固相至气相的变化，因薄膜表面位置的变更则反馈为，例如式（6）EE（x，y，z，t）＝EE（x，y，t）e-z/a、式（7）Ef（x，y，z，t）＝σ·ε·f（Tp4-To4）中深度z变更。
另外，式（9）中固相至液相的变化，则加进了式（9）的密度、比热、热传导率的变更。
当然不用相格移动模型，而是预先确定从薄膜表面指向内部的许多线段，沿各线段确定特定的点，对于这些点求出温度，判定熔融或蒸发除去，连结物相边界点，并将边界以上除去也是可以的。这时，不完全预先确定从薄膜1表面指向内部的许多线段，而是连结物相边界点，确定即时线段使线段方向指向与边界垂直的方向这类方法也可以。
表1示出铝的相变与物性值的变化。
| 温度K | 热传导率W/mK | 定压比热KJ(Kg·K) | 相 | 密度kg/m3 |
| 150 | 248 | 0.686 | 固相 | 2702 |
| 200 | 237 | 0.801 | 固相 | 2698 |
| 250 | 235 | 0.860 | 固相 | 2693 |
| 300 | 237 | 0.905 | 固相 | 2688 |
| 600 | 232 | 1.04 | 固相 | 2641 |
| 800 | 220 | 1.14 | 固相 | 2595 |
| 934 | 92 | 1.1 | 液相 | 2370 |
| 1000 | 109 | 1.1 | 液相 | 2353 |
| 1100 | 123 | 1.1 | 液相 | 2328 |
就铝而言，密度在固相时约为2.6，而液相时约为2.3，熔点为933.5K，沸点为2723K。
这样算出的薄膜1各个时刻的温度变化、相变、蒸发如图7所示，可利用通常的计算机图形技术在监视器（TV）上显示。例如监视器画面做成可目睹随着激光加工的进行而呈现的图7（a）→（b）→（c）变化，从而可以由仿真预先清楚地了解经激光加工薄膜1被削出的模样。若在彩色监视器上对不同的温度和不同的物相加不同的彩色的话，仿真就更加容易理解。
接下来，说明本发明激光加工机（激光加工装置）的一个例子。
图8的激光加工机20包括：对待加工品薄膜部分施行激光加工用的激光照射装置21;设定激光加工条件的加工条件设定装置22。
激光照射装置21中，经激励灯31的激励，在YAG棒32中产生的激光3，是经悬挂式反射镜33沿90度方向反射，再经聚光透镜组7聚光后照射到薄膜1表面的。而且，薄膜1的表面还可以由电视摄像机36在监视器37画面上放大显示。另外，发光部由冷却装置38冷却，使之避免处于过热状态。
设定激光加工条件的加工条件设定装置22可以由操作键等设定加工条件，通过这种设定对激励灯31用电源39等进行适当的控制。
图9示出本发明从仿真到激光加工完成的流程的一个例子。
确定仿真的前提条件，研究仿真结果，再确定所用的激光加工装置以及加工条件。并且依据此决定，用选好的激光加工装置按已确定的加工条件对薄膜加工。
另外，仿真的前提条件的确定，还有仿真结果的研究，或是所使用的激光加工装置以及加工条件的确定，有时是人进行的，有时候由搭载AI（人工智能）的计算机来进行。在后一种情况，是由包含计算机的控制子系统或别的计算机，根据仿真结果来控制加工中所用到的激光加工装置加工条件设定装置22的。
激光加工装置是根据仿真结果，考虑激光种类、即波长（YAG激光，CO2激光），最大输出功率，脉冲宽度，峰值，扫描速度等进行的。确定激光加工条件时则对照射功率，频率，会聚直径等加工条件进行设定。当然，激光加工装置本身也可以设定激光种类，最大输出功率，脉冲宽度，峰值，扫描速度之一或多个。当然也可将这些当作加工条件。
本发明不限于上述说明，待加工品不仅是薄膜也可以是块状材料。待加工品除半导体以外，也可以是例如金属材料。
在上述场合，也可设法在运算过程中除去可忽略因子什么的，也可以根据条件适当地在运算过程中作为校正系数加进去，以期更正确。
本发明激光加工预测方法，由于各个时刻的微分元其熔解或蒸发除去的检知结果均反馈到运算中，因而仿真可以更符合实际。
本发明激光加工品制造方法以及激光加工机，根据借助于模拟手段的激光加工预测结果来设定激光加工条件，因而可得到进行过合适的激光加工的制品。
接下来说明实施例。
实施例的仿真是对于玻璃基板上设置的厚度约40μm的CdS烧结膜进行激光加工的。CdS是直接从固体变为气体的，也就是说，是不溶解即升华的物质。
在CdS场合，密度为4820kg/m2，热传导率为15.9W·m-1·K-1，真的升华点为1253.2K，升华潜热为1487.9kJ·kg-1，固相比热为0.337kJ·kg-1·K-1，修正熔点为1487.9÷0.337+1253.2＝5668.3K。
仿真中假定的激光加工机性能如下所述。
激光种类：YAG激光（波长1.06μm），振荡模式TEM∞，聚光透镜的焦距25mm。
Q切换
重复频率 平均输出功率 脉冲宽度 峰值输出
（kHZ） （W) （ns） （kW）
1 3.5 120 29.1
3 7.5 160 15.6
5 9.0 190 9.4
图10示出激光照射后CdS烧结膜的瞬间温度分布。图10（a）表示距照射中心规定距离的位置其深度与温度的关系，图10（b）表示在某一深度时距照射中心的距离与温度的关系。
图7示出了用计算机图形表示加工经过的监视器画面，图7（a）示出照射开始以后1ms时的状态，图7（b）示出照射开始以后3ms时的状态，图7（c）示出照射开始以后5ms时的状态。
在CdS烧结膜场合，可以发现光斑中央部分的膜表面与反面具有600K温度差，在深度方向上呈指数函数变化。与之相反，距光斑中央半径为30μm的位置处，上述温度差则为数十K，而且在深度方向上呈几乎均匀的温度。而且，从光斑中央至径向的温度分布，同样与光强分布类似，其中具有拐点。
另外，可以发现CdS烧结膜的加工形状以及热损区是一直呈现以光斑中央为中心大致与光强分布强度相关的形状。
在Q切换重复频率为5Hz，直径约20μm，激光功率0.5W，激光扫描速度50mm/s时实际进行了激光加工。
图11示出仿真的加工结果，图12示出实际的加工结果。两者非常一致，很显然按照本发明的仿真手段可以对正确加工结果进行预测。
本发明的激光加工预测方法，由于将各个时刻的微分元其熔解或蒸发除去的检知结果都反馈到运算中，因而可以进行更符合实际的仿真，根据这种结果就可以得到经过非常合适的激光加工的制品，因而本发明可以很有用。
本发明的激光加工品制造方法以及激光加工装置，是根据仿真手段所得到的激光加工预测结果来设定激光加工条件的，因而可以得到经过合适激光加工的制品，所以是非常有用的。
Claims (6)
1、一种激光加工预测方法，通过仿真手段，对于用激光照射待加工品，经过熔解照射部分或不经熔解使照射部分蒸发除去这种加工进行预测，其特征在于包括：求出待加工品内激光照射的能量密度分布和根据需要求出待加工品内辐射能量分布；根据所述能量密度分布的运算结果或所述两项运算结果求出待加工品微分元的发热量；利用该发热量运算结果检知微元的熔解或蒸发除去；并将该微分元的熔解或蒸发除去的检知结果加进所述能量密度分布的运算过程，根据需要加进辐射能量分布的运算过程，来进行激光加工的仿真。
2、如权利要求1所述的激光加工预测方法，其特征在于待加工品是具有薄膜的待加工品，激光照射是对待加工品薄膜部分进行的。
3、一种激光加工品制造方法，得到施行过激光加工的制品，其特征在于根据仿真手段所得到激光加工预测结果对所述激光加工的条件进行设定。
4、如权利要求3所述的激光加工品制造方法，其特征在于仿真手段所得到的激光加工预测结果是根据权利要求1或2所述的激光加工预测方法获得的。
5、一种激光加工装置包括：用来对待加工品进行激光加工的激光照射装置;对所述激光加工条件进行设定的加工条件设定装置，其特征在于所述加工条件设定装置是根据仿真手段所得到的激光加工预测结果对激光加工的条件进行设定的。
6、如权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于用仿真手段所得到的激光加工预测结果是根据权利要求1或2所述的激光加工预测方法获得的。
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