CN109514092A - 一种脉冲激光切割晶体硅片的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲激光切割晶体硅片的装置及方法，创造性的将脉冲激光束横截面由圆形调整为椭圆形，且使其长轴方向与切割方向一致或基本一致，就可以有效的减小切割缝边沿热影响区域的尺寸，因为在长轴方向更大的热扩散范围反而对切割做出了贡献，而对切割后的产品没有影响。
Description
技术领域
本发明涉及晶体硅片的切割领域，具体涉及一种脉冲激光切割晶体硅片的装置及方法。
背景技术
在太阳能光伏领域中，光伏电池片的生产会涉及大批量的硅片晶片的切割，切割是应用最广泛的一种加工技术，其原理是脉冲激光经过聚焦后照射到材料上，使材料温度急剧升高至熔化或气化，随着脉冲激光与被切割材料的相对运动，在切割材料上形成切缝从而达到切割的目的。脉冲激光切割在脉冲激光加工应用中占有很大比重(目前脉冲激光切割在脉冲激光加工中所占的比例超过了70％)，在光伏行业的应用也越来越广泛。与传统的切割方法相比，脉冲激光切割具有无可比拟的优越性，主要表现在：①、切割精度高、切缝窄、质量好、热影响区较小，且切割端面平整光滑；②、切割速度快，加工效率高；③、是一种非接触式切割，没有机械加工力，不会产生形变，也不存在加工屑、油污、噪声等污染问题，是一种绿色环保加工；④、切割能力强，几乎可以切割任何材料。但是，尽管目前热影响区宽度可以做到100-140um，但要达到110um以下非常困难，例如多晶硅片一般在130um左右，热影响区的存在，会造成光电转换效率的损失，因此亟需进一步减小热影响区的尺寸。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、可靠的降低热影响区域宽度的脉冲激光切割晶体硅片，特别是切割光伏电池片的装置及方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种脉冲激光切割晶体硅片的方法，包括以下步骤，
生成脉冲激光束的步骤，所述脉冲激光束形成的脉冲激光光斑在任何两个相互垂直的方向上几何尺寸不同；包括但不限于椭圆及其他类似椭圆的几何图形。
及利用该脉冲激光束切割晶体硅片的步骤。
在现有技术中，在脉冲激光切割的技术领域，一般着力于缩小脉冲激光的脉冲宽度和汇聚尺寸(聚焦点的大小)，及脉冲激光的功率密度(单位时间单位面积的能量)，然而现在使用的脉冲激光束的横截面是圆形的，在大多数的材质的切割上，满足上述两个条件就足够了，因此没有人再从其他角度来思考改进的方向(因为本领域技术员已经认为没有必要或者没有可能)。为了提高切割质量，人们一味追求短脉冲激光，甚至超短脉冲的脉冲激光，即把现有的纳秒脉冲激光改用皮秒脉冲激光。然而带来的问题是皮秒脉冲激光器本身不但价格昂贵且可靠性差，造成生产成本几何式增长。本申请发明人发现圆形光斑的脉冲激光的热扩散是均匀且径向扩散的，因此其热影响区域的宽度在360°上基本是相同的；发明人同时创造性的发现如果将圆形脉冲激光束调整为椭圆形(或具有不等长的两垂直轴线的其它对称形状)时，其热扩散区域不再是径向发展的(即其热影响区域在光斑的360°圆周区域内是不均匀的)，而是沿着其长轴方向有更多的能量分布，其短轴方向能量扩散要小很多。因此，发明人将脉冲激光束横截面调整为椭圆形，且使其长轴方向与切割方向一致或基本一致，就可以有效的减小切割缝边沿热影响区域的尺寸，因为在长轴方向更大的热扩散范围反而对切割做出了贡献，而对切割后的产品没有影响。
进一步的，所述脉冲激光光斑的长轴与切割路径重合或夹角不大于15°。
进一步的，所述脉冲激光光斑的长轴与短轴之比为4：3到4：1之间含端值的任一数值。
进一步的，所述脉冲激光光斑为正椭圆形。
进一步的，所述脉冲激光束形成的切缝宽度为20-50um。进一步的，所述脉冲激光束切割晶体硅片后在晶体硅片上形成的热影响区域的宽度为50-100um。在达到与现有技术一致的切缝宽度的条件下，将现有技术中100um-140um的热影响区域宽度尺寸降到50-100um，其中易于实现80-100um的热影响区域宽度尺寸，相比于现有技术，一般可以缩小20％，具有显著的优势。
为了实现上述技术方案，本发明还提供一种脉冲激光切割装置，包括脉冲激光发生装置和聚焦组件，还包括脉冲激光束横截面形状调整组件，用于将脉冲激光束的横截面由圆形调整为具有两个相互垂直且长度不同的轴线的椭圆形或近似椭圆形。
进一步的，所述脉冲激光束横截面形状调整组件包括柱面镜、非球面对称光学透镜、条纹椭圆透镜、设有衍射光栅的波导中的一种或多种任意组合。利用柱面镜、非球面对称光学透镜、条纹椭圆透镜、设有衍射光栅的波导中的一种或多种任意组合的光学特性，经过目的明确的设计，很容易实现将圆形光束调整为椭圆形光束的(或者其他光斑在任意两个相互垂直的方向的几何尺寸不相等；包括但不限于椭圆及其他类似椭圆的几何图形。)。
进一步的，所述脉冲激光切割装置出射的脉冲激光束形成的切缝宽度为20-50um。
进一步的，所述脉冲激光束切割晶体硅片后在晶体硅片上形成的热影响区域的宽度会大幅缩小，例如切割光伏电池片后在其上的热影响区域为50-100um。
附图说明
图1是本发明的示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种脉冲激光切割晶体硅片的方法，包括以下步骤，
生成脉冲激光束的步骤，所述脉冲激光束形成的脉冲激光光斑具有两个相互垂直且长度不同的轴线；
及利用该脉冲激光束切割晶体硅片的步骤。
在现有技术中，在脉冲激光切割的技术领域，一般着力于缩小脉冲激光的汇聚尺寸(出束尺寸)及脉冲激光密度，脉冲激光束的横截面是圆形的，在大多数的材质的切割上，满足上述两个条件就足够了，因此没有人再从其他角度来思考改进的方向(因为本领域技术员已经认为没有必要或者没有可能)，但是目前的技术，将脉冲激光束的出束尺寸缩小到20um已经接近极限，进一步缩小尺寸及提高功率密度难度及造价过高，导致在晶体硅片切割的生产中，要进一步减小热影响区尺寸成为一个难题。本申请发明人发现圆形光斑的脉冲激光的热扩散是均匀且径向扩散的，因此其热影响区域的宽度在360°上基本是相同的，因此一连串脉冲激光造成的是一个个圆形热影响区的叠加，结果形成一个以实际切割线为中线的带状热影响区域。发明人同时创造性的发现如果将圆形脉冲激光束调整为椭圆形(或具有不等长的两垂直轴线的其它对称形状)时，其热扩散区域不再是径向发展的(即其热影响区域在光斑的360°圆周区域内是不均匀的)，而是沿着其长轴方向有更多的能量分布，其短轴方向能量扩散要小很多。因此，发明人将脉冲激光束横截面调整为椭圆形，且使其长轴方向与切割方向一致或基本一致，就可以有效的减小切割缝边沿热影响区域的尺寸，因为在长轴方向更大的热扩散范围反而对切割做出了贡献，提高了能量的利用率，使切割更高效。
进一步的，所述脉冲激光光斑的长轴与切割路径重合或夹角不大于15°。
进一步的，所述脉冲激光光斑的长轴与短轴之比为4∶3到4∶1之间含端值的任一数值。
进一步的，所述脉冲激光光斑为正椭圆形。
进一步的，所述脉冲激光束形成的切缝宽度为20-50um。进一步的，所述脉冲激光束切割晶体硅片后在晶体硅片上形成的热影响区域的宽度为50-100um。在达到与现有技术一致的切缝宽度的条件下，将现有技术中100um-140um的热影响区域宽度尺寸降到50-100um，其中在片基为多晶硅片基的情况下易于实现80-100um的热影响区域宽度尺寸，相比于现有技术，一般可以缩小20％，具有显著的优势。
为了实现上述技术方案，本发明还提供一种脉冲激光切割装置，包括脉冲激光发生装置和聚焦组件，还包括脉冲激光束横截面形状调整组件，用于将脉冲激光束的横截面由圆形调整为具有两个相互垂直且长度不同的轴线的椭圆形或近似椭圆形。
进一步的，所述脉冲激光束横截面形状调整组件包括柱面镜、各类可以满足将圆形光斑调整为椭圆形或近椭圆形的非球对称光学透镜、条纹椭圆透镜、设有衍射光栅的波导中的一种或多种任意组合。利用柱面镜、非球面对称光学透镜、条纹椭圆透镜、设有衍射光栅的波导中的一种或多种任意组合，经过目的明确的设计，很容易实现将圆形光束调整为椭圆形光束(或者光斑的任何两个垂直方向上几何尺寸不相等的光束，包括但不限于椭圆及其他类似椭圆的几何图形。)。
进一步的，所述脉冲激光切割装置出射的脉冲激光束形成的切缝宽度为20-50um。
进一步的，所述脉冲激光束切割晶体硅片后在晶体硅片上形成的热影响区域的宽度为50-100um。
如图1所示，是本发明脉冲激光切割装置的一种实施例的示意图，从上到下分别是脉冲激光发生装置1，其出射的圆形光斑的脉冲激光束2经过扩束组件3扩束，扩束后的圆形光斑脉冲激光束4经过脉冲激光束横截面形状调整装置5整形为椭圆形脉冲激光束6后，再经过会聚组件7聚焦为用于切割的高能量椭圆形脉冲激光束8，将椭圆形脉冲激光束8的长轴与切割方向调整为一致，然后进行切割，可以实现本发明所述之目的。当然，基于成熟的光学系统技术，可以根据需要组建任何形式的脉冲激光光学系统，只要将圆形光斑的脉冲激光束调整为椭圆形光斑的脉冲激光束即可，这里不再赘述。
本发明还设有一控制装置，包括切割路径管理装置和脉冲激光束长轴方向配准装置，其中切割路径管理装置可以预先输入切割路径及坐标体系，使得系统预先知道切割路径及其坐标，以及切割先的方向，它发出指令给脉冲激光束长轴方向配准装置，使得脉冲激光束长轴始终趋于和切割路径的方向一致，脉冲激光束长轴方向配准装置可以控制脉冲激光束的旋转，也可以控制夹持被切割的工件进行旋转，或者控制二者同时旋转配合，以提高相应速度，保证切割精度等。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种脉冲激光切割晶体硅片的方法，其特征在于，包括以下步骤，
生成脉冲激光束的步骤，所述脉冲激光束形成的脉冲激光光斑具有两个相互垂直且长度不同的轴线；
及利用该脉冲激光束切割晶体硅片的步骤。
2.根据权利要求1所述的切割晶体硅片的方法，其特征在于，所述脉冲激光光斑的长轴与切割路径重合或夹角不大于15°。
3.根据权利要求1所述的切割晶体硅片的方法，其特征在于，所述脉冲激光光斑的长轴与短轴之比为4∶3到4∶1之间含端值的任一数值。
4.根据权利要求1到3任一所述的切割晶体硅片的方法，其特征在于，所述脉冲激光光斑为正椭圆形。
5.根据权利要求4所述的切割晶体硅片的方法，其特征在于，所述脉冲激光束形成的切缝宽度为20-50um。
6.根据权利要求5所述的切割晶体硅片的方法，其特征在于，所述脉冲激光束切割晶体硅片后在晶体硅片上形成的热影响区域的宽度为50-100um。
7.一种脉冲激光切割装置，包括脉冲激光发生装置和聚焦组件，其特征在于，还包括脉冲激光束横截面形状调整组件，用于将脉冲激光束的横截面由圆形调整为具有两个相互垂直且长度不同的轴线的椭圆形或近似椭圆形。
8.如权利要求7所述的脉冲激光切割装置，其特征在于，所述脉冲激光束横截面形状调整组件包括柱面镜、非球面对称光学透镜、条纹椭圆透镜、设有衍射光栅的波导中的一种或多种任意组合。
9.如权利要求7所述的脉冲激光切割装置，其特征在于，所述脉冲激光切割装置出射的脉冲激光束形成的切缝宽度为20-50um。
10.根据权利要求9所述的切割晶体硅片的方法，其特征在于，所述脉冲激光束切割晶体硅片后在晶体硅片上形成的热影响区域的宽度为50-100um。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |