KR20120116948A - 일련의 레이저 펄스를 사용하여 박막에 라인을 스크라이빙하는 방법 및 장치 - Google Patents

일련의 레이저 펄스를 사용하여 박막에 라인을 스크라이빙하는 방법 및 장치 Download PDF

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리차드 무리슨
튤리오 파나렐로
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이에스아이-파이로포토닉스 레이저스, 인코포레이티드
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Abstract

펄스 트레인에서 미리 결정된 시간 파워 형상을 각각 가지는 일련의 레이저 펄스는 기판 위 박막 물질에 라인을 스크라이빙을 한다. 미리 결정된 시간 펄스 형상은 급속한 상승시간과 급속한 하강시간 및 10% 파워 포인트들 사이에 10㎱ 미만의 펄스 길이를 가진다. 박막에 라인을 스크라이빙하는 것은 라인을 따라 인접한 레이저 펄스 스팟들 사이에 일부 중첩 영역이 존재하게 스크라이빙될 라인 상에 일련의 레이저 펄스 스팟들을 배치하여 달성된다. 박막에 라인을 스크라이빙하기 위해 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용하는 것은 종래의 펄스 형상으로 달성되는 것에 비해 품질이 더 우수하고 스크라이빙 공정이 더 청결하게 된다.

Description

일련의 레이저 펄스를 사용하여 박막에 라인을 스크라이빙하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SCRIBING A LINE IN A THIN FILM USING A SERIES OF LASER PULSES}
본 출원은 그 전체 내용이 각종 목적을 위하여 본 명세서에 병합된 2009년 11월 30일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/265,259호, 2010년 1월 20일에 출원된 61/296,525호 및 2010년 5월 21일에 출원된 61/347,085호에 대한 우선권을 청구한다.
Nd:YAG 레이저와 같은 펄스 레이저 소스는 마킹(marking), 인그레이빙(engrabing), 마이크로 가공(micro-machining), 커팅(cutting) 및 스크라이빙(scribing)과 같은 응용에 레이저 기반 물질 처리를 수행하는데 사용되고 있다. 레이저 소스를 사용하여 이루어지는 공정에도 불구하고, 레이저 스크라이빙과 관련된 개선된 방법 및 시스템이 이 기술 분야에 요구된다.
본 발명은 일반적으로 물질의 레이저 처리에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 레이저 처리 응용에서 더 우수한 처리 품질과 더 높은 처리량을 제공하도록 구체적으로 성형된 일련의 레이저 펄스를 사용하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 기판 위에 박막 물질을 스크라이빙하는 것에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 더 넓은 응용분야를 가지고 있고 다른 응용과 물질에도 적용될 수 있다.
레이저가 사용되는 하나의 공정은 더 두꺼운 기판 위 박막 물질에 라인을 스크라이빙하는 것이다. 박막은 매우 일반적인 용어로 단지 수 개의 분자 두께나 이보다 더 두꺼울 수 있는 물질 층이나 층들로 정의된다. 일례로써, 박막의 두께는 25㎚ 내지 10미크론(micron) 사이일 수 있다. 일례로써, 박막은 동일하거나 다른 물질로 된 하나의 층이나 복수의 층을 포함할 수 있다. 기판은 층들이 그 위에 적층되는 물질이며 일반적으로 기판은 실질적으로 박막보다 더 두껍다. 전자 디바이스, 전자광학 디바이스, 광학 디바이스 및 부식 방지 처리와 같은 영역에 박막을 사용하는 예들이 많이 있다. 예를 들어, 광전지나 태양 전지는, 비정질 실리콘, 카드뮴 텔룰라이드(cadmium telluride), 카드뮴 설파이드, 구리 인듐 다이셀레나이드(copper indium diselenide), 구리 인듐 갈륨 다이셀레나이드, 금, 은, 또는 몰리브덴의 하나 이상의 층을 포함하는 박막과, 인듐 주석 산화물(ITO), 아연 산화물(ZnO) 및 알루미늄이나 몰리브덴과 같은 다른 금속 산화물과 같은 투명한 전도성 산화물(TCO) 물질의 박막을 사용하여 만들어진 전극을 구비할 수 있다. 그러나, 박막 층의 물질은 이들 예로만 제한되는 것은 아니다. 이들 그리고 다른 물질의 박막이 또한 플랫 패널 디스플레이 및 디지털 디스플레이에 사용된다. 이 디바이스는 단일 박막 물질 층이나 각 층이 동일하거나 다른 물질일 수 있는 다수의 박막 층을 포함하는 박막을 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기술된 "박막" 및 "박막 물질"은 하나 이상의 물질 층을 가지는 임의의 막을 포함할 수 있다. 적합한 기판 물질의 예들이 많이 있으며, 금속 막이나 호일이 일례이다. 유리나 용융된 실리카와 같은 불활성 물질이 또한 적절하다. 그러나, 적절한 기판 물질의 선택이 이들로 제한되는 것은 아니다.
기판 위 박막 물질에 라인을 스크라이빙하는 것은 일반적으로 모든 박막 물질을 아래쪽 서브 층 쪽으로 또는 아래쪽 기판 쪽으로 제거하여 라인을 따라 이것을 하는 것을 의미한다. 이 라인은 직선 라인, 곡선 라인, 닫힌 루프로서의 라인 또는 여러 패턴이나 형상으로 된 여러 라인일 수 있다. 상대적으로 두꺼운 라인을 위해서는 나이프와 같은 기계적인 스크라이빙 도구가 사용될 수 있으나 이는 종종 박막 물질에 불완전한 제거와 러프한 에지를 초래한다. 전자 디바이스에 요구되는 라인의 폭은 매우 얇을 수 있다. 레이저는 매우 얇은 라인을 절단하여 박막 물질을 청결하게 제거하는데 사용될 수 있으므로 박막 물질에 라인을 스크라이빙하는 응용분야에 사용된다. 라인을 스크라이빙하기 위해 기계적 수단보다 레이저를 사용하는 경우의 추가적인 잇점은 레이저가 아래쪽 더 낮은 층으로 그루브(groove)를 스크라이빙할 수 있고 거기서 중지할 수 있다는 것이다.
전자 디바이스의 제조 동안 박막을 스크라이빙할 때, 하나의 가능한 목표는 절단되는 그루브 내 모든 물질을 청결하게 제거하는 것이다. 그루브나 인접한 영역에 잔류물이 있으면 문제를 야기할 수 있다. 공정의 품질에 영향을 미칠 수 있는 다른 문제는 그루브와 그루브 벽 부근 물질에 잠재적으로 열적 손상이나 다른 손상을 주는 것과 또한 기판 자체에 손상을 주는 것이다. 스크라이빙된 라인 부근 영역에 임의의 손상을 주는 것은 디바이스의 기능성과 신뢰성에 손상을 줄 수 있으며 그리하여 제조 공정의 목표는 부근 영역에서 스크라이빙 공정에 의해 야기된 임의의 손상을 제거하거나 감소시키는 것이다.
기판 위에 박막을 레이저 스크라이빙하는 것은 종종 박막의 하부 부분에 접근하기 위해 기판을 통해 레이저 빔을 전달하여 수행된다. 이 공정은 제 2 면 스크라이빙 또는 하부면 스크라이빙이라고 언급된다. 물론, 이것이 일어나기 위해서는, 기판은 레이저 파장에 실질적으로 투명하여야 한다. 투명한 기판의 일례는 유리일 수 있다. 나아가, 대부분의 경우에, 박막은 선택된 레이저 파장에서 강한 흡수체이어서 레이저 광이 박막에 강하게 흡수되어 박막의 하부 에지에서 가장 강한 흡수가 시작하여 박막이 제거되는 공정이 개시된다. 많은 경우에, 실질적으로 투명하지 않은 기판 위에 박막을 스크라이빙하는 것이 요구된다. 이 기판은 예를 들어 우수한 열 전도체로 선택된 금속일 수 있다. 박막 위에서 위로부터 입사하는 레이저를 사용하여 기판 위 박막을 스크라이빙하는 것은 제 1 면 스크라이빙 또는 상부면 스크라이빙이라고 언급된다. 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 박막에 상부면 스크라이빙을 하는 것은 완전히 성공적이지 않았다. 본 발명의 실시예에 따라, 박막의 성공적인 상부면 스크라이빙이 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용하여 달성되는 방법 및 장치가 제공된다.
처리될 물질과 응용분야에 따라, 파장, 펄스 에너지, 펄스 폭, 펄스 반복 속도, 피크 파워 또는 에너지 및/또는 시간 펄스 형상을 포함하는 레이저 펄스의 여러 특성을 특정 응용분야에 적합하게 선택할 수 있는 것이 유리할 수 있다.
펄스당 0.5mJ보다 더 큰 펄스 에너지를 특징으로 하는 많은 기존의 하이 파워 펄스 레이저는 광 펄스를 생성하기 위해 고정된 Q 스위칭과 모드 동기(mode locking)와 같은 기술에 의존한다. 그러나, 이러한 레이저는 레이저 공동의 기하학적 형상, 미러 반사율 등에 의해 미리 결정되는 특성을 가지는 광 펄스를 생성한다. 이 레이저를 사용하여 응용분야에 최적의 펄스 형상을 달성하는 것은 일반적으로 어려우며 그리하여 많은 경우에 레이저 처리는 일부 결함을 가지고 있다. 특히, Q 스위칭된 레이저에서는, 펄스 에너지의 대부분이 제공된 후 상당한 시간 기간 동안 연장할 수 있는 펄스 에너지의 상당한 양이 테일(tail)에 존재한다.
본 발명의 실시예는 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저, 예를 들어 Q 스위칭된 펄스를 가지는 레이저를 사용하여 제 1 면 스크라이빙을 위한 시스템 및 방법을 사용하여 달성되는 것에 비해 박막 스크라이빙 공정의 품질과 수율을 개선시키는, 기판 위 박막 물질에 대해 제 1 면 스크라이빙을 하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따라, 박막에 대해 개선된 제 1 면 스크라이빙을 하는 것은 박막에 에너지가 축적되는 시간 기간을 제한하고 나아가 레이저 펄스의 테일에 존재하는 에너지의 양을 제한하는 시간 펄스 형상과 펄스 에너지를 가지는 일련의 펄스를 사용하여 제공된다.
본 발명은 도 1에 개략적으로 도시되고 미리 결정된 시간 펄스 형상을 가지는 개별 펄스로 구성되는 일련의 레이저 펄스를 사용하여 기판 위 박막 물질에 라인을 스크라이빙하거나 절단하는 방법에 관한 것이며, 레이저에서 방출되는 종래의 시간 펄스 형상 대신 본 펄스 형상을 사용하는 것은 박막 스크라이빙 공정의 품질과 수율을 개선시키는 여러 잇점을 가진다. 미리 결정된 펄스 형상은 박막 스크라이빙 응용분야에 유리한 특성을 가지게 선택된다. 일 실시예에서, 스크라이빙 공정은 도 2a에 개략적으로 도시된 바와 같이 신속한 상승 선두 에지(leading edge)와 신속한 하강 후미 에지(trailing edge)를 가지는 간단한 평평한 상부(flat top)의 펄스 형상으로 기술될 수 있는 미리 결정된 펄스 형상을 각 펄스가 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용한다. 일 실시예에서, 시간 펄스 길이는 10% 최대 파워에서 전체 폭(full width)이 약 5㎱이다. 포커싱된 레이저 빔 스팟의 복수의 펄스들이 일부 스팟이 중첩되게 박막 물질에 걸쳐 스캐닝되는 스크라이빙 공정에서, 이 평평한 상부 형상의 미리 결정된 펄스는 이전에 사용된 종래의 시간 펄스 형상 대신에 사용된다면 스크라이빙 공정의 품질에 상당한 개선이 달성된다.
이 박막 스크라이빙 공정에서 미리 결정된 펄스 형상을 사용하는 것은 다수의 잇점을 가지고 있다. 일 실시예에서, 미리 결정된 평평한 상부 펄스 형상은 금속 기판 위에 몰리브덴 서브층, 즉 광전 디바이스에 사용되는 구조를 가지는 CIGS(구리 인듐 갈륨 다이셀레나이드)를 레이저 스크라이빙하여 스크라이빙된 그루브에 CIGS 물질을 소량만 남기고 CIGS 물질을 아래쪽 몰리브덴 층으로 청결하게 제거하는데 사용된다. 나아가, 인접한 물질에 열적 손상이 있는 명백한 영역이 없다. 종래의 레이저 펄스 형상보다 미리 결정된 펄스 형상을 사용하는 것은 이에 의해 생성된 디바이스의 품질과 신뢰성에 상당한 개선을 제공하고 또한 그 다음 제조 단계로 진행하는데 허용가능한 디바이스의 개수의 수율에 상당한 개선을 제공한다.
대부분의 레이저는 최대 평균 파워 또는 펄스 에너지 또는 반복 주파수를 제공하도록 설계되지만 출력 펄스의 시간 형상은 거의 고려되지 않는다. 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이 자유로이 동작하는, Q 스위칭된 또는 모드 동기된 레이저의 종래의 시간 펄스 형상은 상승 선두 에지, 둥근 상부 및 점차적으로 떨어지는 하강 후미 에지를 가지고 있다. 이 펄스 형상은 기본적으로 레이저 이득 매체, 레이저 펌핑 수단 및 공동 설계에 의해 결정된다. 다이오드 레이저와 같은 펄스 레이저 소스는 펄스 전자 구동 신호를 제공하는 것에 의해 간단한 방식으로 펄싱될 수 있다. 이렇게 생성된 광학 레이저 펄스의 펄스 형상은 다이오드 레이저로 전자 구동 신호의 형상을 선택하여 미리 결정될 수 있다. 이 펄스 레이저 소스로부터 형성된 신호는 섬유 레이저 증폭기와 같은 레이저 증폭기에서 증폭될 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 이러한 설계의 공진기 증폭기 레이저 시스템이 박막 물질을 스크라이빙하는데 적합한 미리 결정된 시간 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 생성하도록 제공된다.
다른 실시예에서, 레이저 시스템은 미리 결정된 시간 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 생성하도록 제공된다. 펄스 레이저 소스는 시드 신호(seed signal)를 생성하도록 적응된 시드 소스와, 이 시드 소스에 연결된 제 1 포트, 제 2 포트 및 제 3 포트를 구비하는 광학 서큘레이터(optical circulator)를 포함한다. 펄스 레이저 소스는 또한 성형된 전기 파형을 생성하도록 적응된 변조기 구동기와, 상기 변조기 구동기에 연결되고 상기 성형된 전기 파형을 수신하도록 적응된 진폭 변조기를 더 포함한다. 진폭 변조기는 광학 서큘레이터의 제 2 포트에 연결된 제 1 측부(side)와 제 2 측부를 특징으로 한다. 펄스 레이저 소스는 입력 단부와 반사 단부를 특징으로 하는 제 1 광학 진폭기를 더 포함한다. 입력 단부는 진폭 변조기의 제 2 측부에 연결된다. 나아가, 펄스 레이저 소스는 광학 서큘레이터의 제 3 포트에 연결된 제 2 광학 증폭기를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 다른 레이저 설계가 미리 결정된 시간 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 생성하도록 제공된다. 펄스 레이저 소스는 안정화 광 복사파(stabilizing optical radiation)를 생성하도록 적응된 안정화 소스와, 이 안정화 소스에 연결된 제 1 포트, 제 2 포트 및 제 3 포트를 구비하는 광 서큘레이터를 포함한다. 펄스 레이저 소스는 또한 원하는 형상의 신호 펄스를 생성하도록 적응된 신호 소스를 더 포함하며, 여기서 신호 소스는 광 서큘레이터의 제 2 포트에 연결된다. 펄스 레이저 소스는 광 서큘레이터의 제 3 포트에 연결된 광 증폭기를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 물질 처리 시스템은 기판 위 박막 물질의 층이나 층들에 라인을 스크라이빙하거나 절단하도록 배치된다. 본 시스템은 다음 이익, 즉 (1) 스크라이빙된 그루브에 잔류물이 최소가 되게 물질을 청결하게 제거하는 것, (2) 스크라이빙된 그루브의 양 측벽에, 스크라이빙된 그루브에 인접한 영역에, 그리고 스크라이빙된 그루브의 하부에 있는 층에 열적 손상을 최소화시키는 것, (3) 스크라이빙된 그루브의 양 면에 거의 수직인 벽을 형성하는 것 중 하나 이상을 달성하도록 박막 물질을 처리하도록 미리 결정된 시간 펄스 형상이나 형상들을 제공하는 레이저를 포함한다. 레이저 뿐만 아니라 물질 처리 시스템은 스크라이빙 공정을 수행하도록 박막 물질에 걸쳐 패턴으로 레이저 빔을 포키싱하고 이미징하며 스캐닝하는 수단과, 스캐닝되는 레이저 스팟의 중첩을 조절하는 수단, 및 공정을 제어하는 하나 이상의 컴퓨터를 포함한다.
종래의 기술에 비해 본 발명을 사용하는 경우 수 많은 이익이 달성된다. 예를 들어, 본 발명에 따른 실시예에서, 유사한 성능의 특성을 가지는 레이저에 비해 저가의 콤팩트한 구조를 사용하는, 박막 물질을 레이저 스크라이빙하는데 적합한 고 파워의 펄스 레이저가 제공된다. 나아가, 본 발명에 따른 실시예에서, 박막 물질을 레이저 스크라이빙하는데 적합한 펄스 레이저는 광 펄스들이 박막 물질을 스크라이빙하기 위해 레이저 펄스 프로파일을 최적화하도록 성형될 수 있도록 제공된다. 실시예에 따라, 예를 들어 처리된 물품의 품질과 수율에 있어 개선을 포함하여 수 많은 이익이 존재한다. 이들 및 다른 이익은 본 명세서에 걸쳐 그리고 이하에서 보다 상세히 기술된다. 본 발명의 여러 추가적인 목적, 특징 및 이익이 이하 첨부하는 도면과 상세한 설명을 참조하여 보다 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 기판 위 박막 물질에 라인을 스크라이빙하는데 적합한 평평한 상부의 펄스 형태의 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 펄스를 도시한 일 실시예의 개략도로서, 이 도면에서 시간은 수평 축을 따라 좌측에서 우측으로 가면서 증가하며 파워는 수직 축을 따라 있음;
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 평평한 상부 펄스를 도시한 것으로, 여기서 시간은 수평 축을 따라 좌측에서 우측으로 가면서 증가하며 파워는 수직 축을 따라 있음;
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 파워 하강을 가지는 펄스를 도시한 도면으로, 여기서 시간은 수평 축을 따라 좌측에서 우측으로 가면서 증가하며 파워는 수직 축을 따라 있음;
도 3은 기판 위 박막 물질을 스크라이빙하는데 사용되는 종래의 레이저 펄스에 대한 시간 펄스 형상을 도시하는 개략도로서, 이 도면에서 시간은 수평 축을 따라 좌측에서 우측으로 가면서 증가하며 파워는 수직 축을 따라 있음;
도 4는 각 펄스의 처리된 영역이 이전의 펄스와 또한 그 다음 펄스에 의해 처리된 영역과 중첩하도록 복수의 레이저 펄스를 사용하여 레이저 스크라이빙 공정의 평면도를 도시하는 개략도;
도 5a는 스크라이빙 공정 전에 기판 위 광전 박막 설계의 단면도를 도시하는 개략도;
도 5b는 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브를 가지는 도 5a에 도시된 구조의 단면도의 개략도;
도 5c는 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브를 가지는 도 5a에 도시된 구조의 단면도의 개략도;
도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브를 가지는 도 5a에 도시된 구조의 단면도의 개략도;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스의 출력을 제공하는 튜닝가능한 펄스 특성을 가지는 펄스 레이저의 간략화된 개략도;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스의 출력을 제공하는 튜닝가능한 펄스 특성을 가지는 펄스 레이저의 간략화된 개략도;
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스의 출력을 제공하는 튜닝가능한 펄스 특성을 가지는 펄스 레이저의 간략화된 개략도;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판 위 박막에 라인을 스크라이빙하는데 적합한 레이저 처리 시스템의 간략화된 개략도;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 일련의 레이저 펄스를 사용하여 박막에 라인을 스크라이빙하는 방법을 도시하는 흐름도;
도 11a는 스크라이빙 공정 전에 기판 위 광전 박막 설계의 단면도를 도시한 개략도;
도 11b는 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브를 가지는 도 11a에 도시된 구조의 단면도의 개략도;
도 11c는 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브를 가지는 도 11a에 도시된 구조의 단면도의 개략도;
도 11d는 본 발명의 일 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브를 가지는 도 11a에 도시된 구조의 단면도의 개략도;
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 형상을 도시한 도면으로, 여기서 시간은 수평 축을 따라 좌측에서 우측으로 가면서 증가하며 파워는 수직 축을 따라 있음;
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 펄스를 사용하여 박막에 라인을 스크라이빙하는 방법을 도시하는 흐름도.
태양 전지, 플랫 패널 디스플레이 및 디지털 디스플레이와 같은 디바이스의 제조 공정에서, 설계는 종종 기판 부분 위에 증착된 박막 물질을 포함하며, 이 박막은 물질 내에 그루브된 라인이나 패턴을 스크라이빙하는 것에 의해 분할되어 이에 의해 물질이 분할되거나 패터닝된다. 이 패턴은 디바이스의 설계시 요구되는 간단한 라인이나 직사각형이나 다른 형상의 보다 복잡한 패턴일 수 있다. 펄스 레이저를 사용하여 라인을 스크라이빙하는 것은 일련의 많은 레이저 펄스를 사용하는 복수의 펄스 공정이며 여기서 각 펄스는 박막 위에 스팟으로 포커싱되거나 이미징되며 이 스팟은 이전의 스팟과 이후의 스팟을 가지는 각 스팟 사이에 일부분이 중첩되도록 스크라이빙될 원하는 라인을 따라 스캐닝된다. 스캐닝된 라인의 폭은 기본적으로 포커싱된 레이저 스팟의 사이즈에 의해 결정된다. 이 박막에 스크라이빙된 라인 레이저의 폭은 일반적으로 10㎛ 내지 100㎛ 범위에 이르지만 더 좁거나 더 넓은 라인이 달성될 수도 있다. 특정 양의 스팟 중첩을 사용하여 기판 이 샤프한 에지 라인을 남기기 위해 물질을 적절히 제거한다. 따라서, 스크라이빙 공정은 본질적으로 단일 펄스 공정이 아닌 복수의 펄스 공정이다. 일부 경우에, 펄스마다 중첩되는 양은 스크라이빙 공정을 제어하는데 사용될 수 있다. 일례에서, 펄스 중첩은 30% 이지만 이 값은 처리되는 물질의 특성에 따라 적게는 2% 내지 많게는 95% 범위에서 변할 수 있다.
박막을 레이저 스크라이빙하는 개략적인 도시는 도 4에 도시되어 있다. 박막을 레이저 스크라이빙하는 것은 대부분의 경우에 적어도 10개의 펄스를 포함하는 일련의 레이저 펄스를 요구하는 복수의 펄스 공정이다. 각 펄스는 박막 물질에 스팟으로 포커싱되거나 이미징된다. 일련의 펄스에 있는 제 1 펄스(31)는 이 제 1 펄스(31)가 스크라이빙되는 라인의 시작 위치에 있도록 지향(directed)된다. 일련의 펄스에 있는 각 이후 펄스는 이전의 스팟에 인접한 스팟으로 2% 내지 95% 사이의 일정 중첩 값(OL%)을 가지게 지향된다. 도 4에 도시된 스팟 중첩의 값은 약 30%이다. 따라서, 일련의 펄스에 있는 각 펄스는 스크라이빙되는 라인을 따라 가는 위치로 지향되며 최종 펄스(32)는 이 최종 펄스로부터 스팟이 스크라이빙되는 라인의 종단에 있도록 지향된다. N이 버스트(burst)에서 펄스의 개수이고, D가 박막에 포커싱된 스팟의 직경이고, OL%가 퍼센트 단위의 중첩 값이라면, 스크라이빙되는 라인의 길이(L)는 다음 수식으로 주어진다:
L = DN - D(N-1)(OL%)/100
스크라이빙된 라인의 폭은 포커싱된 스팟 사이즈, 스팟 중첩 및 박막과의 상호작용의 함수이며; 이상적으로, 스크라이빙된 라인의 폭은 포커싱된 스팟의 직경과 대략 같다. 스팟 중첩의 선택은 공정을 최적화하도록 변경된 처리 파라미터이다. 더 얇은 물질에서는 종종 예를 들어 최대 1m/sec 또는 그 이상의 고속 스크라이빙 속도를 제공하는 10%와 같은 매우 작은 스팟 중첩을 사용하는 것이 가능하다. 더 두꺼운 물질에서는 더 큰 중첩이 종종 박막 물질이 완전히 제거되기 위해 선택된다.
도 5a는 상부면 스크라이빙 공정 전에 기판(33) 위에 일반적인 광전 박막 설계의 단면도를 도시하는 개략도이다. 이 실시예에서, 박막은 다음과 같이 복수의 층으로 구성된다: 몰리브덴 층(34), CIGS(구리 인듐 갈륨 다이셀레나이드) 층(35), 카드뮴 설파이드 층(36) 및 TCO(투명한 전도성 산화물) 층(37). 이 실시예에서 각 층의 두께는 몰리브덴 0.3㎛, CIGS 1.6㎛, 카드뮴 설파이드 0.1㎛ 미만, 및 TCO 0.2㎛ 이다. 이것은 본 발명의 일 실시예에 따른 설계의 하나의 특정 예이다. 예를 들어 구리 인듐 다이셀레나이드 또는 은 인듐 갈륨 다이셀레나이드(silver indium gallium diselenide) 또는 은 인듐 다이셀레나이드와 같은 CIGS와 다른 물질이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어 카드뮴 텔룰라이드와 같은 카드뮴 설파이드와는 다른 물질이 또한 사용될 수 있다. 인듐 주석 산화물(ITO), 아연 산화물, 및 다른 금속 산화물과 같은 여러 TCO 물질이 사용될 수 있다. 마찬가지로, 금과 같이, 몰리브덴과는 다른 물질이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 본 출원에서 나열되어 있는 물질만으로 제한되는 것은 아니다. 본 출원에 기술된 원리는 여러 가지 박막 설계와 물질에 적용될 수 있다. 여기에는 실행가능한 기판이 많이 있으며: 금속 막이나 호일이 적합하다. 유리나 용융된 실리카와 같은 불활성 물질이 또한 적합하다. 그러나, 실행가능한 기판의 선택은 이것으로 제한되지 않는다. 나아가, 박막에 있는 층의 개수는 4개로 제한될 필요가 없으나 단일 층으로부터 20개 이상의 층에까지 이를 수 있다. 또한, 각 층의 두께는 제공된 예로 제한되지 않는다.
도 5b는 도 3의 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브(40)를 가지는 도 5a의 실시예의 단면도의 개략도이다. 펄스 에너지의 약 17%는 후미 에지 후에 오는 펄스의 부분이 50% 최대 파워 미만으로 떨어진 것으로 정의된 펄스의 테일(tail)에 포함된다. 도 5b에 도시된 바와 같이 스크라이빙된 그루브에 상당한 양의 CIGS 잔류물(39)이 남아있고 그루브의 측벽과 인접한 영역에 손상(38)이 남아있다. 이 잔류물과 그 인접한 영역에의 열적 손상은 빈번히 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 박막 물질을 스크라이빙한 결과이다. 종래의 Q 스위칭된 레이저 펄스를 사용하는 경우 스크라이빙 품질이 허용가능하지 않은 하나의 원인은 종래의 레이저 펄스 형상의 테일에 존재하는 에너지의 양이 많아 충분히 짧은 시간 기간 동안에 레이저 펄스에 포함된 총 에너지의 대다수를 전달하는 능력이 없기 때문이다. 본 발명의 실시예는 스크라이빙된 그루브에 잔류물을 감소시키거나 제거하며 스크라이빙된 그루브에 있는 벽과 이와 인접한 다른 영역에 열적 손상을 감소시키거나 제거하는 것에 의해 박막 스크라이빙 품질을 개선하는 방법 및 장치를 제공한다.
도 5c는 10% 최대 파워에서 펄스 길이 전체 폭이 약 100fs인 도 3의 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브(40)를 가지는 도 5a의 실시예의 단면도의 개략도이다. 펨토초(femtosecond) 기간에 있는 매우 짧은 펄스 길이를 가지는 레이저가 빈번히 물질에 에너지의 극히 높은 피크 파워의 축적에 의해 물질을 식각하는데 사용된다. 이들 레이저는 제조 환경에 사용하기에는 매우 복잡하고 고가인 단점이 있다. 또한, 종종 극히 높은 피크 파워 레이저 펄스는 물질이 통상적으로는 더 낮은 피크 파워를 가지는 레이저 펄스에 대해서 실질적으로 반사성인 때에도 식각되지 않는 것으로 예상되는 박막 층으로부터도 물질을 식각할 수 있는 단점이 있다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 종래의 펄스 형상을 가지는 짧은 펄스의 펨토초 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브(40)는 몰리브덴 층으로부터 상당한 양의 물질(41)이 제거된 것을 나타낸다. 스크라이빙된 그루브의 하부 층에의 손상이나 물질 제거는 원치 않는 결과이다. 본 발명의 다른 목적은 스크라이빙된 그루브의 하부 층에의 손상이나 물질 제거를 감소시키거나 제거하는 것에 의해 박막 스크라이빙의 품질을 개선시키는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용하여 스크라이빙된 그루브(40)를 가지는 도 5a의 실시예의 단면도의 개략도이다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용하여 스크라이빙된 그루브는 그루브에 CIGS 잔류물이 전혀 없거나 최소를 나타내며, 그루브의 벽이나 인접한 영역에 손상이 전혀 없거나 최소를 나타내며, 하부의 몰리브덴 층에 손상이 전혀 없거나 최소를 나타내며, 그루브의 측벽이 거의 수직인 것을 보여준다.
도 1은 도 3에 도시된 종래의 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용하여 획득된 더 낮은 품질에 비해 기판 위 박막에 라인을 스크라이빙하는 품질을 개선시키는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 펄스가 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 펄스(21)를 도시한다. 일련의 각 펄스열은 일반적으로 적어도 10개의 펄스를 포함하지만 이는 본 발명의 요구조건이 아니다. 특히, 도 2a는 T1의 10% 최대 파워의 펄스 길이 전체 폭, RT1의 전방 에지 상승시간(10%에서 90%로) 및 FT1의 후방 에지 하강시간(90%에서 10%로)을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 미리 결정된 펄스 형상(25)을 도시한다. 평평한 상부의 피크 파워는 H1이다. 본 발명에 따른 미리 결정된 펄스 형상에서, T1은 바람직하게는 1㎱ 내지 10㎱ 범위 내에 있다. 일부 실시예에서, 상승시간은 T1의 10%보다 더 빠르고, 하강 시간은 T1의 30%보다 더 빠르지만, 훨씬 더 빠른 값이 또한 본 발명의 범위 내에 포함된다. 일반적으로, 펄스 에너지의 선택은 처리되는 물질, 레이저 스팟의 사이즈 및 스크라이빙되는 라인의 폭을 포함하는 다수의 인자에 좌우된다. 도 5d에 도시된 예에서, 5μJ 내지 10μJ 사이의 펄스 에너지의 값이 사용된다. 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이 인접한 영역과 층에 손상과 상당한 CIGS 잔류물을 보이는 종래의 펄스 형상을 가지는 펄스 버스트를 사용하여 스크라이빙된 라인에 비해, 도 2a의 평평한 상부 펄스 형상의 일련의 펄스를 사용하여 스크라이빙된 라인은 도 5d에 개략적으로 도시된 바와 같이 벽이나 인접한 영역에 명백한 손상이 없고, 하부 몰리브덴 층에 손상이 없거나 제거물이 없고 CIGS 잔류물이 소량만 있고 거의 수직한 측벽을 가지는 그루브를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서, 폭 47㎛의 라인이 도 5a에 도시된 설계의 박막 샘플에 스크라이빙되고 여기서 층은 다음과 같이 구성된다: 25㎛의 두께의 금속 호일 기판(33), 0.3㎛ 두께의 몰리브덴 층(34), 1.6㎛ 두께의 CIGS(구리 인듐 갈륨 다이셀레나이드) 층(35), 0.1㎛ 미만 두께의 카드뮴 설파이드 층(36), 및 0.2㎛ 두께의 TCO 상부층(37). 이 실시예에서, 10μJ의 펄스 에너지, 5㎱의 펄스 길이(T1)(10% 최대 파워에서의 전체 폭), 0.3㎱의 RT1 및 FT1의 값, 반복 속도 20KHz를 가지는 도 2a의 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 파장 1064㎚의 레이저로부터 일련의 펄스들이 47㎛의 스팟 사이즈로 박막에 이미징되며, 여기서 스테이지는 약 0.85m/s의 속도로 이동되며 스크라이빙되는 라인 패턴을 따라 약 10%의 스팟 중첩을 제공한다. 아래쪽 몰리브덴 층으로 박막 물질에 스크라이빙되는 최종 그루브는 벽이나 인접한 영역에 명백한 열적 손상이 없고, 그루브에 CIGS 잔류물이 소량만 있고 하부 몰리브덴 층에 손상이 없고 측벽이 거의 수직한 것을 보여주었다. 여러 다른 스테이지 속도와 레이저 반복 속도들이 2% 내지 50%의 스팟 중첩을 변화시키기 위해 사용되고 박막 물질에 최종 그루브는 벽이나 인접한 영역에 명백한 손상이 없고, 그루브에 CIGS 잔류물이 소량만 있고, 하부 몰리브덴 층에 손상이 없고 거의 수직한 측벽을 가지는 유사한 유리한 특성을 보여주었다. 이와 유사한 유리한 결과는 2㎱의 펄스 길이(T1), 0.5㎱ 미만의 RT1 및 FT1의 값, 펄스 에너지 5μJ를 가지고 2% 내지 50% 사이의 스팟 중첩을 제공하도록 스테이지 속도와 레이저 반복 속도를 사용하여 라인이 스크라이빙되는 36㎛의 스팟 사이즈로 이미징되는 미리 결정된 평평한 상부의 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용할 때 관측되었다. 이와 유사한 유리한 결과는 또한 10㎱의 펄스 길이(T1), 1㎱ 미만의 RT1 및 FT1의 값, 펄스 에너지 10μJ을 가지고 2% 내지 50% 사이의 스팟 중첩을 제공하도록 스테이지 속도와 레이저 반복 속도를 사용하여 라인이 스크라이빙되는 41㎛의 스팟 사이즈로 이미징되는 미리 결정된 평평한 상부 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용할 때 관측되었다. 본 발명의 실시예의 특정 파라미터들은 이들 값으로 제한되지 않는다. 일 실시예에서, 평평한 상부 펄스의 펄스 길이(T1)는 1㎱ 내지 10㎱일 수 있다. 평평한 상부 펄스의 상승시간(RT1)은 펄스 길이(T1) 또는 6㎱ 중 더 적은 것보다 더 빠를 수 있다. 하강시간(FT1)은 펄스 길이(T1) 또는 2㎱ 중 더 적은 것보다 더 빠를 수 있다. 이와 유사한 개선이 평평한 상부 펄스 형상이 도 2b에 도시된 바와 같이 일부 하강(droop)을 나타내는 일부 실시예에서 달성된다. 일례로서, (H1-H2)는 H1의 50% 미만이 되도록 하강이 일어날 수 있으며, 여기서 T2(10% 최대 파워에서의 전체 폭)는 1㎱ 내지 10㎱의 범위 내에 있으며, RT2는 6㎱ 또는 T2 중 더 적은 것보다 더 빠르고, FT2는 2㎱ 또는 T2 중 더 적은 것보다 더 빠르다.
본 발명의 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상의 잇점이 벽이나 인접한 영역에 명백한 손상이 없고 그루브에 CIGS 잔류물이 소량만 있고, 하부 몰리브덴 층에 손상이 없고, 거의 수직 측벽을 가지는 그루브의 유사한 유리한 특성을 나타내는, 박막에 라인을 스크라이빙할 수 있는 펄스 파라미터의 범위들이 있다. 본 발명의 실시예는 5㎱ 내에 그리고 일반적으로 10㎱보다 더 길지 않는 공정에 펄스 에너지의 대다수를 제공하여 이에 따라 박막 스크라이빙 공정의 품질에 유해한 효과를 가질 수 있는 이 시간 기간 후에는 테일(tail)에 거의 에너지가 제공되지 않도록 설계된 미리 결정된 레이저 펄스를 사용한다. 고속 펄스 상승시간이 많은 물질에서 선호되지만, 6㎱만큼 긴 상승시간을 가지는 펄스는 펄스 에너지의 대다수가 10㎱ 미만의 시간 기간으로 제공되는 한 이와 유사한 잇점을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 펄스의 형상은 수평이고 평평한 상부를 가질 필요가 없으나 평평하고 테이퍼지거나 둥근 상부를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라 10% 최대 파워에서 펄스 길이 전체 폭을 가지는 미리 결정된 펄스 형상에서 바람직하게는 총 펄스 에너지의 5% 미만이 펄스 후미 에지의 절반의 파워 포인트보다 시간적으로 더 늦은 펄스 부분에 포함된다. 일반적으로 10% 미만의 에너지가 그 내에 포함될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 적절한 미리 결정된 펄스 형상은 도 12에 도시된다. 이 펄스 형상은 6㎱ 미만의 상승시간(10%에서 90%로의 파워 포인트), 10% 최대 파워에서 10㎱ 미만의 펄스 폭 전체 폭, 및 후미 에지가 피크 파워 포인트의 절반 아래로 떨어진 후 총 펄스 에너지의 10% 미만의 퍼센트의 테일 내 에너지를 가진다. 바람직하게는, 미리 결정된 펄스의 상승시간은 1㎱ 미만이고, 펄스 폭은 5㎱ 미만이고, 테일에 포함된 에너지의 퍼센트는 총 펄스 에너지의 2% 미만이다.
유사한 개선이 스팟 사이즈의 다른 값을 사용하여 달성된다. 전술된 예에서, 47㎛ 스팟으로 이미징되는 10μJ의 에너지의 펄스에 대해 달성된 에너지 밀도는 0.65J/㎠이다. 하나의 응용분야에서, 일련의 펄스에 있는 평평한 상부 펄스에 대해 펄스 길이(T1)가 1㎱ 내지 10㎱ 범위 내에 있으며, 에너지 밀도는 박막 샘플을 레이저 스크라이빙하는데 0.2 내지 0.7J/㎠ 범위에 있다. 따라서, 예를 들어, 40μJ의 펄스 에너지, 5㎱의 펄스 길이(T1)(10% 최대 파워에서의 전체 폭), 0.2ns의 RT1 및 FT1의 값, 반복 속도 20KHz를 가지고 스테이지가 약 1.7m/s의 속도로 이동하며 스크라이빙되는 라인 패턴을 따라 약 10%의 스팟 중첩이 있게 94㎛의 스팟 사이즈로 박막에 이미징되는 도 2a의 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 1064㎚ 파장의 레이저로부터 일련의 펄스들로 박막 물질에 그루브를 스크라이빙하며 이 그루브는 벽이나 인접한 영역에 명백한 손상이 없고 그루브에 CIGS 잔류물이 소량만 있고 하부 몰리브덴 층에 손상이 없고 거의 수직 측벽을 보여주었다.
작은 스팟 사이즈를 사용할 때 에너지 밀도를 조절하는 것이 유리할 수 있다. 전술된 예에서, 47㎛ 스팟으로 이미징되고 10μJ에 대해 달성되는 에너지 밀도는 0.65J/㎠이다. 응용에서, 일련의 펄스에 있는 평평한 상부 펄스에 대해 펄스 길이(T1)는 1㎱ 내지 10㎱ 범위 내에 있으며, 레이저 스팟 사이즈가 0.4J/㎠ 내지 1.4J/㎠ 사이의 에너지 밀도를 사용하여 20㎛ 직경으로 감소되었을 때 레이저 스크라이빙한 것에 유리한 결과가 획득되었다. 에너지 밀도의 선택은 스크라이빙되는 라인의 폭에 좌우될 수 있다.
에너지 밀도의 선택은 박막에 사용되는 물질의 선택과 조성에 좌우될 수 있다. 예를 들어, CIGS는 인듐 및 갈륨의 퍼센트가 특정값으로 선택될 수 있게 구성 물질의 고용체(solid solution)이다. 이들 값의 특정 선택은 일반적으로 특정 레이저 파장을 사용하여 특정 박막에 라인을 스크라이빙할 때 에너지 밀도 및 다른 공정 파라미터에 영향을 미칠 수 있다. 특정 샘플에 대한 최적의 에너지 밀도의 선택은 최적의 펄스 에너지가 그 후에 선택될 수 있는 실제 스크라이빙 공정 이전에 일련의 테스트를 사용하여 종종 수행된다.
매우 얇은 막에서 작은 중첩은 각 포커싱된 스팟에 있는 물질을 제거하는데 사용될 수 있으나, 물질의 두께가 증가함에 따라 펄스 에너지를 증가시키는 대신에 스팟 중첩을 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 작은 스팟 중첩은 스크라이빙된 라인의 에지에서 더 많은 변조를 야기할 수 있고 여기서 스팟 중첩이 높다면 스팟이 스크라이빙된 라인의 에지에서 보다 중첩된다. 그러나, 각 스팟 중첩의 에지에서 이 샤프한 포인트는 종래의 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스들이 사용되는 경우 박막에 스크라이빙되는 그루브의 에지에서 생길 수 있는 열적 손상과 같지 않다. 그러므로, 하나의 실시예에서, 스팟 중첩을 증가시키는 것에 의해 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 펄스에 의해 스크라이빙된 그루브의 벽이나 주변 영역에 CIGS 잔류물의 형성이나 열적 손상에 영향을 줌이 없이 스팟이 중첩하는 샤프한 에지들이 감소된다. 본 발명의 일 실시예에서, 스팟 중첩은 30%로 선택되지만 선택된 스팟 중첩의 값은 30%일 필요는 없으나 10%만큼 낮거나 70%만큼 높을 수 있다.
본 발명은 본 명세서에 기술된 바와 같은 두께를 가지는 물질 층으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 전술된 1.6㎛가 아니라 2㎛ 두께의 CIGS 층에서, 펄스 에너지는 다소 증가할 것으로 예상될 수 있다. 이와 유사하게, 더 얇은 층에서, 요구되는 펄스 에너지는 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 5㎱의 동일한 펄스 길이(T1)를 유지하면서 다소 감소될 수 있다.
본 명세서에서 기술된 실시예에 사용된 파라미터들의 여러 변동과 조합이 제공된다. 예를 들어, 스팟 사이즈, 에너지 밀도 및 스테이지 속도에 동반하는 변화를 가지고 10% 내지 70% 범위에 이르는 스팟을 중첩시키는 여러 값들이 박막 기판에 레이저로 스크라이빙된 그루브나 패턴의 특성과 동일한 유리한 특성을 초래할 수 있다. 가우시안 형태로부터 평평한 상부나 다른 원하는 프로파일로 박막 물질에 이미징되는 레이저 펄스에서 에너지 분포의 공간적 프로파일을 변경시키도록 설계된 광학 균일화기(homogenizer)가 존재하고 유리한 결과를 양산하도록 사용될 수 있다.
여러 장비가 스크라이빙된 라인의 품질을 결정하는데 사용될 수 있다. 배율(40X)을 가지는 광학 현미경이 종래의 펄스 형상을 사용하여 스크라이빙하는 경우에 그루브에 CIGS 잔류물 및 스크라이빙된 라인 부근에 있는 벽과 영역에 손상을 관찰하기에 적합할 수 있다. 미리 결정된 펄스 형상을 사용할 때 CIGS 잔류물이 광학 현미경을 사용하여 검사할 때 그루브에 존재하지 않는다. 이 결과는 "관찰가능한 잔류물 없음"이라고 언급할 것이다. 이와 유사하게, 미리 결정된 펄스 형상이 본 발명에 따라 사용되는 경우에, 그루브의 벽이 배율(40X)을 가지는 광학 현미경을 사용하여 관찰할 때 수직으로 나타난다. 간섭면 프로파일러 또는 스캐닝 전자 현미경(SEM)과 같은 보다 민감한 장비가 또한 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브를 더 조사하는데 사용될 수 있다. SEM을 사용하면 일부 수 개의 CIGS 입자들이 여전히 스크라이빙된 그루브들의 바닥에 검출될 수 있고 이것은 "소량(trace)"이라고 언급될 것이다. 이 CIGS 잔류물 레벨은 광학 현미경으로 관찰될 수 있는 것보다 더 작으며 또한 제조시 문제를 야기할 수 있는 것보다 낮다. 또한 SEM을 사용하면 스크라이빙된 그루브의 측벽의 기울기를 산정할 수도 있다. 일부 실시예에서, 수직 측벽은 벽 상의 랜덤한 위치에서 80%를 초과하는 측정에서 1㎛ 미만의 벽의 폭(10% 높이에서 90% 높이로)을 가진다. 스크라이빙된 그루브의 품질을 확인하는데 다른 일반적인 측정은 그루브의 일측에 있는 상부층으로부터 그루브의 타측에 있는 상부층으로 전기 저항을 측정하는 것이다. 이 층 시스템에서 스크라이빙되는 그루브에 대해 일반적으로 허용가능한 저항 값은 200Ω보다 크지만 이것은 또한 스크라이브의 길이에 좌우될 수 있다.
본 발명의 범위를 제한함이 없이, 본 발명자는 미리 결정된 펄스 길이와 펄스 형상의 레이저 펄스를 가지고 제 1 면 공정을 사용하여 박막 물질에 라인을 청결하게 스크라이빙하는 능력이 취성 파손 공정(brittle fracture)이라고 생각한다. 박막에 사용되는 물질을 포함하고 구체적으로 CIGS 및 구리 인듐 다이셀레나이드를 포함하는 특정 물질에서 취성 파손 공정은 특정 조건 하에서 사용되는 레이저 펄스들이 어떻게 부근 물질에 손상을 줌이 없이 특정 박막 물질을 청결하게 제거할 수 있는지를 설명할 수 있다. 이러한 물질에서, 적절한 레이저 펄스가 실질적으로 하부 금속 층에까지 침투하게 그리고 물질이 용융하거나 실질적으로 연화되는 온도 바로 아래의 고온으로까지 국부 스팟에 있는 그리고 이 국부 스팟 부근에 있는 물질을 신속히 가열하도록 이루어질 수 있다. 상승된 국부 온도에서 몰리브덴 CIGS 경계면에서 가스 증기 압력이 상당히 형성되고 또한 CIGS 층과 하부 몰리브덴 층 사이에 열팽창이 상당히 달라 이에 의해 스팟의 외부 주위에 파손을 개시하기에 충분한 응력(stress)과 및 몰리브덴의 표면으로부터 CIGS의 폭발적 방출(explosive expulsion)이 있게 된다. CIGS를 포함하는 박막의 경우에, 본 발명자는 셀레늄이 CIGS 조성에서 최하의 끊는점을 가지기 때문에 셀레늄 증기가 가스 압력의 가장 가능성이 높은 소스라고 생각한다. 이 메커니즘은 일반적으로 적절한 기계적 특성을 가지는 물질에서 볼 수 있다. 본 발명자는 파편을 청결하게 배출하는 이 공정이 부근 영역으로 열이 전달되는 것이나 물질의 상당한 용융을 발생시킴이 없이 증기 생성, 다른 열팽창 및 하부 층(예를 들어, 몰리브덴)으로부터 후속적인 박리를 야기하도록 적절한 박막 층 경계면에 또는 그 부근에 충분한 에너지를 신속하고 직접적으로 축적하는 기능을 하는 10㎱ 미만의 유효 에너지 축적 시간 및 적절한 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 적절한 파장의 레이저를 사용하여 CIGS 또는 구리 인듐 다이셀레나이드와 같은 물질에서 수행될 수 있다고 생각한다. 본 발명의 실시예는 층 구조에서 원하는 위치에 매우 신속하게 충분한 에너지를 축적하도록 짧은 펄스 길이의 레이저 펄스를 사용하고, 초과 에너지가 몰리브덴으로부터 부근 영역으로 전달되는 것을 방지하거나 CIGS 물질에 의해 직접 흡수되는 것을 방지하기 위해 레이저 펄스의 신속한 하강 시간을 사용한다.
나아가, 방출되는 층(들)(예를 들어, CIGS)의 광학적 특성이 일부 실시예에서 고려된다. 일 실시예에서, 레이저 에너지가 도 5a에서 하부층(34)(예를 들어, 몰리브덴)에 도달하게 하기 위해, 상부층(35,36,37)이 사용되는 레이저 파장에서 충분히 투명하다. 이들 층이 흡수성이라면 초과 에너지는 이들에 직접 흡수될 수 있다. 공정 동안, 정확한 양의 에너지가 용융 개시 없이 상이한 열팽창 및 가스 압력을 충분히 형성하도록 축적된다. CIGS의 용융은 형성된 응력을 완화시키고 또한 청결한 스크라이빙된 라인과 요구되는 폭발성 박리 공정을 초래함이 없이 가스 증기가 누출되는 것을 가능하게 하는 역할을 할 수 있다. 제어된 에너지 축적의 일례로서, 47㎛ 직경의 스팟에 축적된 5㎱의 펄스 길이(T1)를 가지는 펄스에서 10μJ의 전술된 상황에서, CIGS 층을 통해 전달되는 에너지의 일부는 몰리브덴 층에 의해 흡수된 후에 열로 CIGS 층으로 다시 전달되거나 몰리브덴 층에 의해 반사된다. 따라서, 박막의 표면에서 레이저 복사선의 에너지 밀도는 0.6J/㎠이다. 레이저 펄스 동안 물질 온도의 상승과 에너지 축적은 균일하지 않으나 대신 기본적으로 CIGS 층과 몰리브덴 층 사이 경계면에 또는 그 부근에 위치된다. 5㎱의 시간 기간 동안 이 범위에서 에너지를 축적하기 위하여 CIGS 용융이 일어나지는 않고, CIGS는 파손되어 청결한 공정으로 상기 층들을 가지게 몰리브덴 층으로부터 폭발적으로 박리된다. 거의 열이 뒤에 남아있지 않고 더 이상 에너지가 레이저 펄스에 의해 축적되지 않아 주변 영역으로의 열적 손상이 최소화된다. CIGS 층의 박리를 야기하는 적절한 양의 에너지를 신속히 축적하는 것이 청결한 스크라이빙 공정의 키이다.
36㎛의 스팟 사이즈로 이미징되고 5μJ의 펄스 에너지를 가지는 미리 결정된 펄스 형상의 T1 = 2㎱ 레이저 펄스를 사용하여 CIGS에 제어된 에너지 축적을 하는 전술된 실시예에 대해 유사한 분석을 하면 이하 데이터를 얻을 수 있다: 표면에서 레이저 복사선의 에너지 밀도는 0.5J/㎠이다. 2㎱의 시간 기간 동안 이 범위에서 에너지 축적을 위하여 CIGS 용융이 일어나지 않고 CIGS는 파손되어 청결한 공정으로 상기 층들을 가지게 몰리브덴 층으로부터 박리된다. 충분한 열이 뒤에 거의 남아있지 않고 더 이상 에너지가 레이저 펄스에 의해 축적되지 않아 주변 영역으로의 열적 손상이 최소화된다. CIGS 층의 박리와 폭발적 방출을 야기하는 적절한 양의 에너지를 신속히 축적하는 것이 청결한 스크라이빙 공정의 키이다.
CIGS 물질의 흡수 값이 80% 만큼 높을 수 있으나, 더 낮은 흡수가 본 발명의 실시예에 또한 적합하다. CIGS 층의 흡수는 실질적으로 80%보다 더 작을 수 있다. 이 메커니즘이 몰리브덴 경계면에서 박리 공정을 통해서 박막을 용융시킴이 없이 박막을 제거하는 것을 수반하는 것으로 생각되므로, 충분한 레이저 광이 CIGS 층을 통해 실질적으로 침투하고 CIGS 층에 인접한 몰리브덴의 표면이나 이 부근에 부분적으로 흡수될 수 있다는 것이 바람직하다. 전도에 의하여 몰리브덴 표면에 인접한 CIGS 영역을 가열하는 것은 CIGS 물질의 이 영역의 온도를 신속히 증가시키면서 CIGS 물질의 나머지 부분은 신속하게 가열되지 않게 한다. 하부 몰리브덴 층으로부터 CIGS의 취성 파손은 폭발적 방출을 야기하는 몰리브덴 경계면 부근에 있는 뜨거운 CIGS 물질로부터 셀레늄 가스의 방출로부터 증기 압력에 의하여 그리고 상이한 팽창에 의하여 유도된 응력 공정을 통해 발생하는 것으로 생각된다. CIGS를 포함하는 박막 층은 버블로 제거되는 것이 증거이며, 사실 일부 펄스에 대한 캡(cap)이 일부 경우에 심지어 전체 캡이나 몇몇 큰 파편 부근에서 보일 수 있다. 이것은 CIGS가 분말이나 많은 작은 파편으로 분할되거나 심지어 용융되는 증발 공정이나 식각 공정과 본 공정을 차별화시키는 것이다. 박막을 제거하는 것은 그루브가 벽이나 인접한 영역에 명백한 손상이 없고 그루브에 CIGS 잔류물이 소량만 있고 하부 몰리브덴 층에 손상이 없이 거의 수직한 측벽을 나타내도록 스크라이빙된 라인의 원하는 특성을 얻는데에 유리한 것으로 생각된다.
스크라이브(scribe)의 원하는 특성을 얻기 위해, 몰리브덴 표면에 인접한 CIGS 물질의 온도는 신속히 상승해야 하지만 CIGS 물질의 벌크 온도는 그만큼 상승해서는 안되는 것으로 생각된다. 일부 실시예에 따라, 10% 최대 파워에서 10㎱ 미만의 전체 폭, 바람직하게는 10% 최대 파워에서 5㎱ 미만의 전체 폭을 가지는 레이저 펄스 길이의 상한이 제공된다. 취성 파손이 일어나기 위해 CIGS 물질의 벌크 온도가 그루브의 하부에 그리고 벽에 용융된 물질과 같은 스크라이빙된 그루브의 원치 않는 특성을 야기할 수 있으므로 CIGS가 전성(malleable)이 있게 되거나 용융될 만큼 충분히 상승되어서는 안되는 것으로 생각된다. CIGS 물질의 조성과 레이저 파장에 따라, CIGS의 흡수 계수가 온도의 함수로 신속히 증가하는 것이 또한 가능하다. 따라서, 일단 몰리브덴 표면에 인접한 CIGS 물질을 가열하는 것을 10㎱ 또는 그 미만의 레이저 펄스 동안 개시하면, 레이저 광이 원치않는 온도 상승을 야기하는 CIGS의 벌크에 흡수되는 경향이 있기 때문에 더 이상 상당한 레이저 광이 이 물질에 입사하지 않게 하는 것이 중요하다. 이 고려사항은 전술된 바와 같은 펄스의 테일(tail)에 거의 에너지가 존재하지 않도록 신속한 하강시간을 가지는 펄스를 사용하게 한다.
몰리브덴 표면에 의해 반사되는 광의 양은 인접한 층에 있는 물질과 몰리브덴 표면의 물리적 마무리(finish)를 포함하는 다수의 인자에 좌우된다. 일반적인 반사율은 40%이지만 몰리브덴의 실제 반사율은 적게는 10%에서 많게는 65%에 이를 수 있다. 레이저 광의 상당한 양이 몰리브덴에 의해 반사될 수 있다 하더라도, 일부 광이 또한 흡수된다. 이 흡수된 광은 몰리브덴 및 인접한 CIGS 물질을 가열하는 기능을 한다. 낮은 반사율과 그리하여 더 강한 흡수를 하는 몰리브덴에서, 몰리브덴 표면에서 또는 그 부근에서 온도는 더 빠르게 상승하고 이는 원하는 결과이다.
취성 파손 공정에서 CIGS 물질과 CIGS 상에 있는 층의 물질을 방출하는 것은 또한 CIGS 층과 몰리브덴 층 사이에 증기 압력의 형성에 의해 야기되는 것으로 생각된다. 이 증기 압력은 극히 높을 수 있고 이 위에 매우 높은 응력을 받는 CIGS 층의 파손을 야기하고 폭발력으로 제거될 수 있다. 이에 대한 증거는 스크라이브 라인으로부터 약 1㎜ 이상의 거리에서 찾을 수 있는 CIGS 파편의 형태로 관찰할 수 있다. 증기 압력은 기본적으로 셀레늄 증기의 압력이라고 생각된다. 셀레늄은 CIGS 및 몰리브덴 기판을 포함하는 물질에서 최하의 끊는점을 가진다.
본 발명의 일 실시예를 사용하여 스크라이브되기에 적절한 기판 위에 있는 박막의 다른 층 구성이 도 11a에 도시된다. 이 경우에, 박막층(32)이 몰리브덴 층(34)과 CIGS 층(35) 사이에 존재한다. 이 층(32)은 단순히 증착 공정의 부산물로 나타날 수 있다. 예를 들어, 0.1㎛ 미만의 두께의 몰리브덴 다이셀레나이드의 얇은 층이 종종 증착 공정의 결과로 존재한다. 이 층은 또한 의도적으로 증착될 수 있다. 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예는 또한 도 11a에 도시된 종류의 박막에 라인을 스크라이브하는데 적절할 수 있다. 사실, 박막층(32)은 레이저 광의 흡수를 증가시키고 셀레늄 증기의 소스를 제공하여 몰리브덴 표면이나 그 부근에서 흡수 공정을 지원하여 인접한 CIGS 물질의 가열을 가속시키고 취성 파손 공정에 의해 CIGS 층의 제거를 가속시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 층(32)은 레이저 스크라이빙 공정을 촉진하기 위해 몰리브덴 층과 CIGS 층 사이에 추가되는 강한 흡수성을 가지는 물질일 수 있다. 다른 실시예에서, 층(32)은 몰리브덴 표면의 반사율을 감소시키고 레이저 스크라이빙 공정을 촉진하기 위하여 몰리브덴 층과 CIGS 층 사이에 추가되는 물질일 수 있다.
하나의 가능성은 셀레늄 증기가 CIGS로부터 몰리브덴 다이셀레나이드로부터 보다 용이하게 전개될 수 있고 그리하여 이것이 폭발적 식각 공정을 추진하는 증기 압력을 형성시키는 소스일 수 있다는 것이다.
도 11b는 10% 최대 파워에서 펄스 길이 전체 폭이 약 10㎱인 도 3의 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 스크라이브된 그루브(40)를 가지는 도 11a의 실시예의 단면도의 개략도이다. 도 11b에 도시된 바와 같이 그루브의 측벽과 그 인접한 영역에 손상(38) 및 스크라이빙된 그루브에는 상당한 양의 CIGS 잔류물(39)이 남아있다. 이 잔류물이나 인접한 영역에의 열적 손상은 빈번히 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 박막 물질을 스크라이빙한 결과이다. 이 실시예에서, 스크라이빙 공정은 몰리브덴 층(34)에서 종료한다.
도 11c는 10% 최대 파워에서 펄스 길이 전체 폭이 약 100fs인 도 3의 종래의 펄스 형상을 가지는 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브(40)를 가지는 도 11a의 실시예의 단면도의 개략도이다. 도 11c에 도시된 바와 같이, 종래의 펄스 형상을 가지는 짧은 펄스의 펨토초 레이저를 사용하여 스크라이빙된 그루브(40)는 몰리브덴 층으로부터 물질(41)의 상당한 양이 제거된 것을 나타낸다. 스크라이빙된 그루브의 하부 층에의 손상이나 물질 제거는 원치않는 결과이다.
도 11d는 본 발명의 일 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용하여 스크라이빙된 그루브(40)를 가지는 도 11a의 실시예의 단면도의 개략도이다. 도 11d에 도시된 바와 같이 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용하여 스크라이빙된 그루브는 이 그루브에 CIGS 잔류물이 없거나 최소화되고, 그루브의 벽이나 인접한 영역에 손상이 없거나 최소화되고, 하부 몰리브덴 층에 손상이 없고 그루브의 측벽이 거의 수직한 것을 나타낸다. 본 발명의 실시예의 응용은 박막의 다른 층을 설계하는데에도 적합하며 도 5a 및 도 11a에 도시된 설계의 박막으로만 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예의 응용은 CIGS의 층을 포함하는 박막으로 제한되지 않는다. 본 발명에 개시된 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상을 사용하는 것은 다른 물질의 박막을 스크라이빙하는데에도 유리할 수 있다. 예를 들어, 구리 인듐 다이셀레나이드는 본 발명에 기술된 바와 같이 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 레이저 스크라이빙 공정을 사용하여 청결하게 제거될 수 있는 또 다른 물질이지만, 단위 볼륨마다 에너지를 축적하는 적절한 값은 CIGS와 정확히 동일하지 않을 수도 있다. 본 출원에서 미리 결정된 펄스 형상을 사용하는 것은 스크라이빙되는 박막 물질에 적절한 것으로 1064㎚ 보다 다른 파장을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 레이저 파장의 선택은 상기 및 하기 층(들)에 사용되는 물질 및 스크라이빙되는 물질의 흡수에 의해 부분적으로 결정된다. 1064㎚를 포함하여 레이저는 1032㎚, 1.3미크론, 1.5미크론, 2미크론 등을 포함하는 다른 파장에서도 이용가능하다. 나아가, 더 긴 파장을 달성하기 위해 위상 매칭된 혼합과 같은 비선형 공정을 사용하여 요구되는 바와 같은 다른 파장을 얻는 것이 가능하다. 일부 경우에, CIGS 물질이 보다 투명한 더 긴 파장과 같은 1064㎚와는 다른 파장을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명의 범위를 제한함이 없이, 본 발명자는 레이저 파장의 선택을 위해 가이드라인을 결정하고: 즉 레이저 파장이 스크라이빙되는 박막을 포함하는 대다수 물질의 유효 밴드갭 에너지 파장보다 더 길어야 하며 여기서 대다수 물질의 밴드갭 에너지 파장은 다음 수식에 의해 주어진다:
(밴드갭 에너지 파장) = hc/(밴드갭 에너지)
여기서 h는 플랭크 상수이고 c는 빛의 속도이다. 이 가이드라인은 효과적으로 레이저의 광자 에너지가 밴드갭 에너지 미만이어야 한다는 것을 말한다. 반도체의 밴드갭 에너지는 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있는 것으로 밸런스 밴드(balence band)의 하부 에지와 전도 밴드(conduction band)의 하부 에지에 존재하는 전자들 사이의 에너지 갭으로 정의된 파라미터이다. 밴드갭 에너지는 일반적으로 ev(electron volts) 단위로 주어진다. 유사한 정의가 절연체의 밴드갭에도 존재하지만 절연체의 밴드갭 에너지는 반도체의 밴드갭 에너지보다 훨씬 더 크다. 일례로서, CIGS(카드뮴 인듐 갈륨 다이셀레나이드)가 박막의 대다수 성분인 전술된 실시예에서, CIGS는 밴드갭을 가지는 반도체이다. 사실, CIGS 물질은 Cu[InxGa(1-x)]Se2의 화학식을 가지는 구리 인듐 셀레나이드 및 구리 갈륨 셀레나이드의 고용체(sold solution)이며, 여기서 x 의 값은 x= 1(순수한 구리 인듐 셀레나이드)에서 x=0 (순수한 구리 갈륨 셀레나이드)으로 변할 수 있다. 마찬가지로, CIGS의 반도체 밴드 갭은 순수한 구리 인듐 셀레나이드(x=1)에서 1eV와, 순수한 구리 갈륨 셀레나이드(x=0)에서 1.7eV 사이에서 변할 수 있다. 전술된 실시예에서, CIGS 물질에 대해 측정된 밴드갭은 1.2eV이며 이는 1033㎚의 밴드갭 에너지 파장과 균등하게 대응하는 것이다. 그리하여, 1064㎚의 선택된 레이저 파장은 밴드갭 에너지 파장 1033㎚ 보다 더 길다(레이저 광자 에너지는 밴드갭 에너지보다 더 작다). 1.2eV의 밴드갭을 가지는 CIGS 물질은 광전 응용을 위해 최적의 CIGS 조성인 것으로 이 분야의 많은 전문가들이 생각한다. 스크라이빙되는 박막의 대다수 성분의 밴드갭이 알려져 있지 않거나 또는 물질의 조성이나 제조 공정에 따라 변할 수 있는 경우에, 레이저 파장이 적절히 선택될 수 있게 밴드갭을 측정하는 것이 유리하다. 본 발명자는 본 명세서에 기술된 가이드라인을 사용하여 선택된 레이저 파장이 최적의 펄스 에너지와 미리 결정된 시간 펄스 형상과 조합하여 사용될 때 더 큰 동작 창(operating window)을 제공하여 청결한 스크라이빙 공정을 달성할 수 있다고 생각하지만, 스크라이빙되는 박막의 대다수의 성분의 균등한 밴드갭 에너지 파장보다 더 긴 레이저 파장을 선택하는 것은 모든 실시예에서 박막의 청결한 스크라이빙 공정을 달성하는데 있어 본질적인 구성이 아닐 수 있다.
박막을 레이저 스크라이빙하는 것이 전자 디바이스의 제조시에 사용되고 있으나, 상업적으로 이용가능한 레이저를 사용할 때 다수의 문제들이 존재한다. 이들 문제들은 (1) 부근 영역에의 의도치 않는 손상 및 (2) 물질의 불완전한 제거로 분류될 수 있다. 이러한 레이저는 신뢰할만하고 비용 효과적일 수 있지만 일반적으로 종래의 펄스 형상을 가지는 펄스를 제공할 수 있다. 박막을 스크라이빙하는데 사용되는 레이저 유형에서 최근에 추가되는 것은 에너지가 피코초 또는 심지어 펨토초의 시간 크기로 축적될 수 있는 매우 짧은 펄스 길이를 가지는 레이저들이 있다. 이 접근법은 다음 2가지 인자를 제외하고는 성공적이다: (1) 짧은 펄스 레이저가 매우 고가이고 복잡하다, (2) 짧은 펄스 레이저는 종종 이들 레이저의 극히 높은 피크 파워로 인해 하부 층이나 부근 영역을 손쉽게 손상시킬 수 있다. 따라서, 신뢰할만하고 비용 효과적이지만 또한 CIGS와 같은 물질을 레이저 스크라이빙하는 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 펄스를 생성할 수 있는 레이저가 요구된다.
도 6을 참조하면, 본 출원에서 개시된 종류의 미리 결정된 펄스 형상을 생성할 수 있는 레이저 시스템이 도시된다. 이 레이저 시스템은 전자 구동기(53)에 의해 구동되는 공진기(51)를 포함하고 증폭기(52)를 포함한다. 다이오드 레이저와 같은 펄스 레이저 소스는 펄스 전자 구동 신호를 제공하여 간단한 방법으로 펄스를 생성할 수 있다. 생성되는 일련의 펄스(56)에서 각 광학 레이저 펄스의 펄스 형상이 전자 구동기(53)에 의해 공진기(51)로 송신되는 전자 구동 신호(55)의 형상을 선택함으로써 미리 결정될 수 있다. 이 펄스 레이저 공진기로부터 나오는 성형된 신호는 일련의 출력 펄스(57)에 있는 각 펄스의 펄스 형상이 공진기에 의해 제공되는 펄스 형상으로부터 실질적으로 변치않게 유지되는 방식으로 다이오드 펌핑된 고체 상태 로드 레이저 또는 섬유 레이저 증폭기와 같은 레이저 증폭기에서 증폭된다.
공진기 레이저는 반도체 레이저, 섬유 레이저, 다이오드 레이저 또는 분배 피드백 다이오드 레이저로 구성될 수 있다. 특정 실시예에서, 펄스 신호 소스는 1와트의 피크 펄스 파워, 최대 200KHz(킬로헤르쯔)까지 변하는 반복 속도, 나노초 이하의 펄스 상승시간과 하강 시간을 가지는 5나노초의 펄스 폭을 가지는 1064㎚의 파장에서 동작하는 반도체 다이오드 레이저이다. 대안적인 실시예에서, 펄스 신호 소스의 피크 광 파워는 1와트보다 더 작거나 더 높을 수 있다. 예를 들어, 이는 500mW, 1Watt, 2Watt, 3Watt, 4Watt, 5Watt 또는 그 이상일 수 있다. 또한 펄스 폭은 100나노초보다 더 작거나 더 클 수 있다. 예를 들어, 이것은 1㎱(나노초), 2㎱, 5㎱, 10㎱, 15㎱, 20㎱ 및 다른 값일 수 있다. 공진기 레이저는 전자 구동기에 의해 제공되는 현재 펄스의 형상이 공진기 레이저 출력 펄스 형상의 형상에 의해 모방(mimicked)되도록 전자 구동기에 의해 구동된다.
공진기(51)로부터 나오는 출력은 예를 들어 섬유 레이저 증폭기 또는 다이오드 펌핑된 고체 상태 로드 레이저 증폭기로 구성된 레이저 증폭기 모듈(52)에서 증폭된다. 본 발명의 일 실시예에서, 증폭기는 광학 커플러를 통해 희토류 도핑된 섬유 루프에 연결된 펌프를 포함하는 광학 증폭기이다. 일반적으로, 반도체 펌프 레이저는 펌프로 사용되지만 광학 증폭기의 펌핑은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 명백한 바와 같이 다른 수단에 의해 달성될 수 있다. 특정 실시예에서, 광학 증폭기는 약 4.8미크론의 코어 직경을 가지고 약 6 x 1024 이온수/㎥의 도핑 밀도로 이테르븀(Ytterbium)으로 도핑된 5m(meter) 길이의 희토류 도핑된 섬유를 포함한다. 이 증폭기는 또한 펌프를 포함하며, 이 펌프는 976㎚의 파장에서 동작하고 500mW의 출력 파워를 가지는 FBG-안정화된 반도체 레이저 다이오드이다. 다른 특정 실시예에서, 광학 증폭기(160)는 약 10미크론의 코어 직경을 가지고 약 1 x 1026 이온수/㎥의 도핑 밀도로 이테르븀으로 도핑된 2m 길이의 희토류 도핑된 섬유를 포함한다. 이 증폭기는 또한 5W의 출력 파워를 가지는 반도체 레이저 다이오드인 펌프를 포함할 수 있다.
이 예는 이테르븀 도핑된 섬유 증폭기와 1064㎚의 파장의 레이저에 대해 주어진 것이지만, 1064㎚에서 동작하거나 다른 파장에서 동작하는 다이오드 레이저, 고체 상태 레이저 및 도핑된 섬유의 다른 예들이 본 발명의 다른 실시예에서 사용될 수 있다. 이들은 예를 들어 1550㎚의 파장 영역에서 있는 에르븀(erbium) 도핑된 섬유와 2 내지 3 미크론의 파장 영역에 있는 툴륨(thulium) 도핑된 섬유를 포함한다.
도 7을 참조하면 본 발명의 일 실시예에서, 미리 결정된 펄스 형상의 펄스 버스트를 생성하는 펄스 레이저 소스가 제공된다. 펄스 레이저 소스는 시드 신호(seed signal)를 생성하도록 적응된 시드 소스(110)와, 이 시드 소스에 연결된 제 1 포트(114)와, 제 2 포트(122) 및 제 3 포트(116)를 구비하는 광학 서큘레이터(120)를 포함한다. 펄스 레이저 소스는 또한 광학 서큘레이터의 제 2 포트(122)에 연결된 제 1 측부(side)(132)와 제 2 측부(134)를 특징으로 하는 진폭 변조기(130)를 포함한다. 펄스 레이저 소스는 입력 단부(136)와 반사 단부(146)를 특징으로 하는 제 1 광학 증폭기(150)를 더 포함한다. 입력 단부는 진폭 변조기의 제 2 측부(134)에 연결된다. 나아가, 펄스 레이저 소스는 광학 서큘레이터의 제 3 포트(116)에 연결된 제 2 광학 증폭기(160)를 포함한다. 도 7이 광학 서큘레이터의 제 3 포트에 연결된 하나의 광학 증폭기(160)의 사용을 도시하고 있으나, 이것은 본 발명의 일부 실시예에 의해 요구되는 것이 아니다. 대안적인 실시예에서, 복수의 광학 증폭기가 특정 응용에 적합한 바와 같이 광학 서큘레이터의 하류에 사용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서, 미리 결정된 펄스 형상의 펄스 버스트를 생성하는 펄스 레이저 소스가 제공된다. 펄스 레이저 소스는 안정화 광학 복사선(stabilizing optical radiation)을 생성하도록 적응된 안정화 소스(stabilizing source)(210)와, 이 안정화 소스에 연결된 제 1 포트(214)와, 제 2 포트(216)와, 및 제 3 포트(218)를 구비하는 광학 서큘레이터(220)를 포함한다. 펄스 레이저 소스는 또한 원하는 형상의 신호 펄스를 생성하도록 적응된 신호 소스(230)를 포함하며, 여기서 신호 소스는 광학 서큘레이터의 제 2 포트(216)에 연결된다. 펄스 레이저 소스는 광학 서큘레이터의 제 3 포트(218)에 연결된 광학 증폭기(260)를 더 포함한다.
본 발명의 하나의 특정 실시예에 따라, 도 9는 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 펄스를 생성하는 레이저를 사용하여 박막 물질 작업물(304)에 라인을 스크라이빙할 수 있는 예시적인 레이저 처리 시스템을 도시한다. 본 시스템은 레이저 소스(300), 광학 시스템(302), 제어기(305), 및 작업물 홀더(303)의 상부에 위치된 작업물(304)을 포함한다. 레이저 소스(300)는 파장, 펄스 길이, 펄스 형상 및 펄스 반복 속도와 같은 특정 특성을 가지는 레이저 펄스를 제공한다. 파장, 펄스 길이 및 펄스 형상은 본 발명의 실시예에 따라 조절되어 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 펄스를 사용하여 박막 물질의 작업물에 라인을 스크라이빙하는데 사용될 수 있다.
광학 시스템은 작업물 상에 레이저 빔을 포커싱하는 렌즈와 미러, 및 작업물 상에 여러 위치들에 빔을 지향(directing)하는 성분을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 빔을 지향하는 성분은 갈바노미터 상에 장착된 미러일 수 있다. 제어기는 빔을 지향하는 성분의 움직임과 광학 시스템을 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 박막 작업물(304)에 라인을 스크라이빙할 때, 광학 시스템(302)은 각 포커싱된 레이저 스팟이 이전의 포커싱된 레이저 스팟에 인접한 위치로 일부가 중첩되게 지향되도록 작업물의 표면을 따라 라인으로 빔을 스캐닝하도록 제어기에 의해 제어될 수 있다. 다른 실시예에서, 광학 시스템은 작엄물의 표면에 레이저 빔을 포커싱할 수 있으며, 작업물 홀더는 각 포커싱된 레이저 펄스가 스팟이 일부 중첩되게 일련의 레이저 펄스에서 이전의 포커싱된 레이저 펄스에 인접한 위치에 도달하도록 라인으로 작업물을 이동시키도록 제어기에 의해 제어될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 일련의 레이저 펄스를 사용하여 박막에 라인을 스크라이빙하는 방법을 도시하는 흐름도이다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 각 펄스의 레이저 스팟이 박막에 라인을 스크라이빙하기 위하여 스팟이 일부 중첩되게 일련의 펄스에서 이전의 펄스의 레이저 스팟에 인접한 위치의 박막 물질에 배치된다. 박막에 라인을 스크라이빙하는 펄스 에너지와 유리한 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용하는 것은 종래의 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용할 때 달성되는 것에 비해 더 우수한 품질과 더 청결한 스크라이빙 공정을 제공하는 결과를 얻을 수 있게 한다.
도 10을 참조하면, 본 방법은 특정 응용에 적합한 펄스 에너지와 시간 펄스 형상을 선택하는 단계를 포함한다(1005). 일례로서, 유리한 펄스 형상이 사용될 수 있다. 일련의 레이저 펄스가 제공되며(1010), 각각의 펄스는 단계(1005)에서 선택된 펄스 에너지와 형상을 특징으로 한다. 제 1 레이저 펄스의 레이저 스팟은 렌즈, 미러 등을 포함할 수 있는 적절한 광학 시스템을 사용하여 박막 물질 상에 배치된다(1015). 따라서, 포커싱된 레이저 스팟이라고도 말할 수 있는 레이저 스팟은 특정 응용에 적절한 공간 분포를 가지게 형성될 수 있다. 남아있는 레이저 펄스의 레이저 스팟은 각 스팟이 레이저 스팟의 공간 분포가 일부 중첩되게 이전의 스팟과 인접하게 라인을 따라 배치된다(1020).
도 10에 도시된 특정 단계는 본 발명의 일 실시예에 따라 일련의 레이저 펄스를 사용하여 박막에 라인을 스크라이빙하는 특정 방법을 제공하는 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 단계들의 다른 시퀀스도 대안적인 실시예에 따라 또한 수행될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 대안적인 실시예는 상술된 단계를 다른 순서로 수행할 수 있다. 나아가, 도 10에 도시된 개별 단계들은 개별 단계에 적절한 여러 시퀀스로 수행될 수 있는 복수의 서브 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 추가적인 단계는 특정 응용에 따라 추가되거나 제거될 수 있다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 많은 변경, 변형 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 펄스를 사용하여 박막에 라인을 스크라이빙하는 방법을 도시하는 흐름도이다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 각 펄스의 레이저 스팟이 박막에 라인을 스크라이빙하기 위하여 스팟이 일부 중첩되게 일련의 펄스에서 이전의 펄스의 레이저 스팟과 인접한 위치의 박막 물질 상에 배치된다. 박막에 라인을 스크라이빙하기 위해 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 레이저 펄스를 사용하는 것은 종래의 펄스 형상의 일련의 레이저 펄스를 사용할 때 달성되는 것에 비해 더 우수한 품질과 더 청결한 스크라이빙 공정을 제공하는 결과를 얻을 수 있게 한다.
도 13을 참조하면, 일련의 레이저 펄스가 제공되며(1310) 광학 경로를 따라 일련의 레이저 펄스를 지향시킨다(1312). 광학 경로는 기판 위 박막 구조와 교차한다. 본 방법은 또한 기판 위 박막 구조가 광학 경로를 향하게 기판을 위치시키는 단계를 포함한다(1314). 제 1 펄스의 레이저 스팟은 박막의 일부분을 제거하기 위하여 박막 위에 배치되고(1316) 일련의 펄스에서 이후의 펄스의 레이저 스팟은 각 레이저 스팟이 스팟 영역이 일부 중첩되게 이전의 펄스의 레이저 스팟과 인접하도록 박막 위 라인을 따라 배치된다(1318).
도 13에 도시된 특정 단계는 본 발명의 일 실시예에 따라 미리 결정된 펄스 형상을 가지는 일련의 펄스를 사용하여 박막에 라인을 스크라이빙하는 특정 방법을 제공하는 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 단계의 다른 시퀀스가 또한 대안적인 실시예에 따라 수행될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 대안적인 실시예가 상술된 단계를 다른 순서로 수행할 수 있다. 나아가, 도 13에 도시된 개별 단계는 개별 단계에 적절한 대로 여러 시퀀스로 수행될 수 있는 복수의 서브 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 추가적인 단계들이 특정 응용에 따라 추가되거나 제거될 수 있다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 많은 변경, 변형 및 대안을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명이 특정 실시예와 그 특정 예시에 대하여 기술되었으나, 다른 실시예도 본 발명의 사상과 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위와 이와 균등한 범위에서 결정되어야 한다.

Claims (27)

  1. 기판 위에 배치된 박막 구조에 패턴을 스크라이빙하는 전면의 레이저 기반 처리 방법으로서,
    일련의 레이저 펄스를 제공하는 단계;
    광학 경로를 따라 상기 일련의 레이저 펄스를 지향(direct)시키는 단계;
    상기 박막 구조가 상기 광학 경로를 향하게 상기 박막 구조를 가지는 기판을 위치시키는 단계;
    상기 박막 구조 위 스팟 위치에서 제 1 펄스의 레이저 스팟을 배치하는 단계;
    상기 박막의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및
    각 스팟 위치가 이전의 펄스의 레이저 스팟의 스팟 위치에 인접하게 그리고 각 스팟의 중첩 영역이 각 이전의 스팟의 중첩 영역과 일정량 중첩되게 스팟 위치의 중첩이 있도록 상기 박막 위에 패턴을 따라 스팟 위치들에 상기 일련의 펄스에서 이하의 펄스들 각각의 레이저 스팟을 배치하는 단계를 포함하되,
    상기 일련의 레이저 펄스에 있는 각 레이저 펄스는 파장, 펄스 에너지, 선두 에지(leading edge)와 후미 에지(trailing edge) 10% 파워 포인트들 사이의 펄스 폭, 미리 결정된 레이저 펄스 시간 파워 형상 및 레이저 스팟 영역을 특징으로 하며, 상기 펄스 폭은 1㎱ 초과 10㎱ 미만이고, 90%에서 10%로의 파워 포인트들 사이의 후미 에지의 하강 시간은 2㎱ 미만인 것인 레이저 기반 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 박막은 구리 인듐 갈륨 다이셀레나이드 물질을 포함하는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 구리 인듐 갈륨 다이셀레나이드 물질은 밴드갭 에너지 파장을 특징으로 하고 상기 레이저 파장은 상기 밴드갭 에너지 파장보다 더 긴 것인 레이저 기반 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 박막 물질에서의 레이저 펄스의 에너지 밀도는 0.2J/㎠ 초과 0.7J/㎠ 미만이며, 에너지 밀도는 상기 펄스 에너지를 상기 레이저 스팟 영역으로 나눈 것으로 정의되는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 2개의 인접한 스팟의 중첩 영역은 상기 레이저 스팟 영역의 2% 초과 내지 50% 미만인 것인 레이저 기반 처리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 미리 결정된 레이저 펄스 시간 파워 형상은 평평한 상부를 가지는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 미리 결정된 레이저 펄스 시간 파워 형상은 10% 내지 90% 파워 포인트들 사이에 6㎱ 미만의 선두 에지 상승시간을 더 특징으로 하는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 박막은 구리 인듐 다이셀레나이드 물질을 포함하는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 구리 인듐 다이셀레나이드 물질은 밴드갭 에너지 파장을 특징으로 하고 상기 레이저 파장은 상기 밴드갭 에너지 파장보다 더 긴 것인 레이저 기반 처리 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 펄스 에너지는 0.2J/㎠ 초과 0.7J/㎠ 미만의 에너지 밀도를 박막 물질에 제공하도록 선택되고, 에너지 밀도는 상기 펄스 에너지를 상기 레이저 스팟 영역으로 나눈 것인 레이저 기반 처리 방법.
  11. 제 8 항에 있어서, 2개의 인접한 스팟의 중첩 영역은 레이저 스팟 영역의 2% 초과 50% 미만인 것인 레이저 기반 처리 방법.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 미리 결정된 레이저 펄스 시간 파워 형상은 평평한 상부를 가지는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 미리 결정된 레이저 펄스 시간 파워 형상은 10% 내지 90% 파워 포인트들 사이에 6㎱ 미만의 선두 에지 상승시간을 더 특징으로 하는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  14. 기판 위 배치된 박막 구조에 패턴을 스크라이빙하는 전면의 레이저 기반 처리 방법으로서,
    일련의 레이저 펄스를 제공하는 단계;
    광학 경로를 따라 상기 일련의 레이저 펄스를 지향시키는 단계;
    상기 박막 구조가 상기 광학 경로를 향하게 상기 박막 구조를 가지는 기판을 위치시키는 단계;
    상기 박막 구조 위 스팟 위치에 제 1 펄스의 레이저 스팟을 배치하는 단계;
    상기 박막의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및
    각 스팟 위치가 이전의 펄스의 레이저 스팟의 스팟 위치에 인접하게 그리고 각 스팟의 중첩 영역이 각 이전의 스팟의 중첩 영역과 일정량 중첩되게 스팟 위치의 중첩이 있도록 상기 박막 위 패턴을 따라 스팟 위치에 상기 일련의 펄스에서 이후 펄스들 각각의 레이저 스팟을 배치하는 단계를 포함하되,
    상기 일련의 레이저 펄스에서 각 레이저 펄스는 파장, 펄스 에너지, 선두 에지와 후미 에지 10% 파워 포인트들 사이의 펄스 폭, 미리 결정된 레이저 펄스 시간 파워 형상 및 레이저 스팟 영역을 특징으로 하고, 상기 펄스 폭은 1㎱ 초과 10㎱ 미만이며, 상기 후미 에지 50% 파워 포인트 이후 펄스의 시간 기간에 포함된 에너지는 펄스 에너지의 5% 미만인 것인 레이저 기반 처리 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 박막은 구리 인듐 갈륨 다이셀레나이드 물질을 포함하는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 패턴은 라인인 것인 레이저 기반 처리 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 패턴은 닫힌 루프인 것인 레이저 기반 처리 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 패턴은 곡선인 것인 레이저 기반 처리 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 구리 인듐 갈륨 다이셀레나이드 물질은 밴드갭 에너지 파장을 특징으로 하고, 상기 레이저 파장은 상기 밴드갭 에너지 파장보다 더 긴 것인 레이저 기반 처리 방법.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 박막 물질에서 상기 레이저 펄스의 에너지 밀도는 0.2J/㎠ 초과 0.7J/㎠ 미만이며, 에너지 밀도는 상기 펄스 에너지를 상기 레이저 스팟 영역으로 나눈 것으로 정의되는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  21. 제 14 항에 있어서, 2개의 인접한 스팟의 중첩 영역은 상기 레이저 스팟 영역의 2% 초과 50% 미만인 것인 레이저 기반 처리 방법.
  22. 제 14 항에 있어서, 상기 미리 결정된 레이저 펄스 시간 파워 형상은 10% 내지 90% 파워 포인트들 사이에 6㎱ 미만의 선두 에지를 더 특징으로 하는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  23. 제 14 항에 있어서, 상기 박막은 구리 인듐 다이셀레나이드 물질을 포함하는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 박막 물질에서 상기 레이저 펄스의 에너지 밀도는 0.2J/㎠ 초과 0.7J/㎠ 미만이며, 에너지 밀도는 상기 펄스 에너지를 상기 레이저 스팟 영역으로 나눈 것으로 정의되는 것인 레이저 기반 처리 방법.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 구리 인듐 다이셀레나이드 물질은 밴드갭 에너지 파장을 특징으로 하고, 상기 레이저 파장은 상기 밴드갭 에너지 파장보다 더 긴 것인 레이저 기반 처리 방법.
  26. 제 23 항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 펄스 에너지는 0.2J/㎠ 초과 0.7J/㎠ 미만의 에너지 밀도를 박막 물질에 제공하도록 선택되고, 에너지 밀도는 상기 펄스 에너지를 상기 레이저 스팟 영역으로 나눈 것인 레이저 기반 처리 방법.
  27. 제 23 항에 있어서, 상기 미리 결정된 레이저 펄스 시간 파워 형상은 10% 내지 90% 파워 포인트들 사이에 6㎱ 미만의 선두 에지 상승시간을 더 특징으로 하는 것인 레이저 기반 처리 방법.
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