TWI533962B - 使用具有利的脈衝形狀之雷射脈衝的脈衝串在薄膜材料中劃線的方法及設備 - Google Patents

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Description

使用具有利的脈衝形狀之雷射脈衝的脈衝串在薄膜材料中劃線的方法及設 備
本申請案請求於西元2009年9月24日提出申請之標題為「使用具有利的脈衝形狀之雷射脈衝的脈衝串在薄膜材料中劃線的方法及設備」的美國臨時專利申請案號61/245,582之優先權主張，在此藉由引用的方式為所有用途將其整體併入本文中。
本發明大體而言係有關於材料的雷射處理。更明確地說，本發明係有關於運用一系列雷射脈衝的方法及設備，其係經特別成形以提供雷射處理應用較佳的處理品質與較高的產量。本發明也關於基材上薄膜材料的劃線。但是，本發明具有更廣泛的應用性，並且可運用在其他應用和材料上。
脈衝雷射源，例如釹：釔鋁石榴石(Nd:YAG)雷射，已經用來執行例如標記、鏤蝕、微加工、切割、及劃線等應用的雷射應用材料處理。此類常使用雷射的製程之一是在一較厚基材上的薄膜材料中劃線。薄膜係概括定義為僅數個分子厚的材料層。實際上，薄膜厚度通常是介於25奈米和2微米。基材係薄膜沈積在其上的一種材料，並且通常基材實質上比薄膜厚。有許多在例如電子元件、光電元件、光學元件、及腐蝕保護等區域內使用薄膜的範例。例如，光伏打或太陽能電池可具備非晶矽、碲化鎘、硒化銦銅、硒化銅銦鎵、或鉬等薄膜，以及利用透明導電氧化物(TCO)材料薄膜製成的電極，例如氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)與例如鋁或鉬之其他金屬的氧化物。這些及其他材料的薄膜也用於平面顯示器和數位顯示器。
在一較厚基材上的薄膜材料中劃線意味著往下移除所有的薄膜材料直到該基材，並沿著一條線進行。就相對厚的線而言，可用刀子，但其常造成毛邊及薄膜材料的不完整移除。電子元件所要求的線寬有時非常薄。在薄膜材料中劃線的應用上使用雷射是因為其可用來切割非常薄的線，並乾淨俐落地剝離該薄膜材料。
在TCO劃線時，一個受到監控的參數是所得到的劃線電阻率。電阻率受到在劃線製程中除去的TCO材料之量所影響，因此目標是除去切割出的溝槽內之所有TCO材料。一個可能的問題是切割製程所產生的殘渣和碎片。剝離的TCO材料可能在刻劃該溝槽時掉在其上，因而降低電阻率。即使此現象沒有立即發生，碎片的存在仍會在一段時間後使電阻率降低，若碎片被掃入溝槽內。製造製程的目標在於最小化殘渣和碎片的量。為此，雷射劃線通常是以光束通過玻璃基材的方式進行，因此其為一「第二表面」製程；雖然這幫助減少黏附在該表面上的殘渣和碎片的量，但仍會有一些殘渣和碎片。一般可接受的電阻值是200百萬歐姆，雖然理想值取決於應用。
另一個會影響雷射劃線製程品質的問題是玻璃基材內或所刻劃溝槽中的TCO材料壁上微裂痕的產生。隨時間過去，微裂痕會擴散並變得更大，而使機械裂痕出現在或橫跨所刻劃的溝槽。應避免此情況發生，因為其可在標準「早期失效」測試期之後的某個時間點造成元件失效，因而難以消解。必須最小化由雷射脈衝造成的任何薄膜或基材的物理退化。若存在，可用高功率光學顯微鏡觀察到微裂痕及殘渣和碎片。
取決於應用及欲處理的材料，能夠就特定應用而言適當選擇雷射脈衝的各種性質會是有利的，包含脈衝能量、脈衝寬度、脈衝重複率、峰值功率或能量、以及脈衝形狀。有許多謹慎控制脈衝能量及功率以最佳化各種材料處理應用的範例存在。
許多現有的高功率脈衝雷射，其特徵在於脈衝能量大於每脈衝0.5毫焦耳，依賴例如Q切換(Q-switching)以及鎖模等技術來產生光學脈衝。但是，此種雷射產生特徵由空腔形狀、鏡面反射率、及諸如此類預先決定的光學脈衝。使用此種雷射，常難為眼下應用達到最佳脈衝形狀，因此在許多情況中該雷射處理有一些缺點。
因此，所需要的是用來進行材料薄膜的劃線之系統和方法，其改善薄膜劃線製程的品質與良率。
本發明揭示一種在一基材上的材料薄膜層中刻劃或切割線條的方法，利用第1a圖概要示出且由具有利地形成之時間脈衝形狀之個別脈衝組成的雷射脈衝之脈衝串，取代由一雷射發射出的習知時間脈衝形狀之哪一種脈衝形狀的使用擁有若干優勢以改善薄膜劃線製程的品質和良率。在一實施例中，該有利形狀脈衝一般可描述為椅形功率時間輪廓：一初始的功率尖峰，後接一顯著較長但功率較低的平原，如第1b圖概要示出者。在聚焦雷射光點的多個脈衝以某些光點重疊的方式掃描通過一薄膜材料的劃線製程中，若使用此一般形式的有利形狀脈衝來取代先前使用的習知時間脈衝形狀，可獲得劃線製程品質的顯著改善。更明確地說，脈衝的脈衝串內的每一個脈衝之脈衝長度(FWHM半高寬)係介於1奈秒和200奈秒間，並且該尖峰的脈衝長度FWHM係大於0.3奈米但小於全體脈衝的脈衝長度之30%。該尖峰的峰值功率係介於總脈衝的平均峰值功率的1.5倍至10倍間。
在另一實施例中，該劃線製程使用第2a圖概要示出的雷射脈衝之脈衝串，其中每一個脈衝均有一有利成形的脈衝形狀，其可描述為一簡單的方頂脈衝形狀，具有如第2b圖概要示出的急速升起之前緣。在聚焦雷射光點的多個脈衝以某些光點重疊的方式掃描通過一薄膜材料的劃線製程中，若使用此方頂形式的有利形狀脈衝來取代先前使用的習知時間脈衝形狀，可獲得劃線製程品質的改善。更明確地說，該方形脈衝的脈衝長度(FWHM半高寬)係介於1奈秒和200奈秒間。
在薄膜劃線製程中使用有利脈衝形狀具若干優勢。例如，就在一玻璃基材上雷射刻劃氧化鋅薄膜而言，其為太陽能面板的常用材料，方形時間脈衝形狀的使用導致無微裂痕產生在該玻璃基材內，這與使用會在基材內導致顯著的微裂痕之習知雷射時間脈衝形狀的情況不同。在相同材料上，使用該尖峰/平原椅形雷射脈衝形狀導致無微裂痕產生在玻璃基材內或氧化鋅材料的劃線邊緣上，這與使用會在玻璃基材內和氧化鋅材料的劃線邊緣上導致顯著的微裂痕之習知雷射時間脈衝形狀的情況不同。此外，使用該尖峰/平原椅形雷射脈衝形狀也導致在劃線處氧化鋅殘渣和碎片的產生顯著減少。使用有利脈衝形狀提供藉此產生的元件之品質的顯著改善，此外也顯著改善良率，因為可接受進入下個製造階段的元件數量增加了。
大部分雷射係經設計來提供最大平均功率或脈衝能量或重複頻率，但很少考慮到輸出脈衝的形狀。如第3圖概要示出之空轉、Q切換或鎖模雷射的習知時間脈衝形狀具有上升的前緣、圓化的頂部及緩降的下降邊緣。此脈衝形狀主要是由雷射增益介質、雷射泵吸設備及空腔設計來決定。但是，控制某些雷射系統的輸出脈衝形狀是可能的。可藉由提供一脈衝的電子驅動信號之簡單方式來脈衝例如二極體雷射之脈衝雷射源。由此產生的光學雷射脈衝之脈衝形狀可藉由選擇傳至二極體雷射的電子驅動信號的形狀來預先決定。然後可在例如光纖雷射放大器之雷射放大器內放大來自此種脈衝雷射源的成形信號。在本發明之一實施例中，提供具此設計之震盪放大器雷射系統以產生具有適於刻劃薄膜材料之有利成形的時間脈衝形狀之一系列雷射脈衝。
在另一實施例中，提供一較複雜的雷射系統以產生具有利成形的時間脈衝形狀之一系列雷射脈衝。2008年9月12號提出申請之標題為「脈衝雷射源發射成形光學波形的方法與系統」之美國專利申請案第12/210,028號，描述可調式脈衝雷射源的範例。該脈衝雷射源包含一晶種源，適於產生一晶種信號，及一光學循環器，具有一與該晶種源連結的第一埠、一第二埠、和一第三埠。該脈衝雷射源也包含一調變器驅動器，適於產生成形的電子波形，及一振幅調變器，與該調變器驅動器連結並適於接收該成形的電子波形。該振幅調變器的特徵在於一與該光學循環器的第二埠連結之第一側及一第二側。該脈衝雷射源更包含一第一光學放大器，其特徵在於一輸入端及一反射端。該輸入端與該振幅調變器的第二側連結。此外，該脈衝雷射源包含一第二光學放大器，與該光學循環器的第三埠連結。2008年9月27號核准之標題為「用於具成形光學波形之脈衝雷射源的方法與系統」之美國專利第7,428,253號，也描述可調式脈衝雷射源的範例。
在又另一實施例中，提供另一種雷射設計以產生具有利成形的時間脈衝形狀之一系列雷射脈衝。美國臨時專利申請案第61/186,317號，描述穩定脈衝雷射源的範例。該脈衝雷射源包含一穩定源，適於產生穩定光學輻射，以及一光學循環器，具有一與該穩定源連結的第一埠、一第二埠、及一第三埠。該脈衝雷射源也包含一信號源，適於產生具預期形狀的信號脈衝，其中該信號源與該光學循環器的第二埠連結。該脈衝雷射源更包含一光學放大器，與該光學循環器的第三埠連結。
有若干可用來提供有利成形的預期時間脈衝形狀之設計。在本發明之更一實施例中，揭示一材料處理系統以在基材上之一或多個薄膜材料層中刻劃或切割線條。該系統包含一雷射，其提供一或多種有利成形的時間脈衝形狀以最佳處理薄膜材料，以便達到一或多種如下優勢：(1)以減少或排除微裂痕在基材內形成，(2)以減少或排除微裂痕沿著薄膜切割區的邊緣形成，(3)以減少碎片形成，以及(4)以減少表面區域殘渣。與雷射相同，該材料處理系統包含聚焦、成像以及線狀掃描該雷射光束通過該薄膜材料的設備以執行該劃線製程、調整該掃描雷射光點的重疊之設備、以及控制該製程的電腦。在一相關實施例中，該材料處理系統也可包含利用諧波產生製程改變該雷射波長的設備。
使用本發明得到許多超越習知技術的優勢。例如，在根據本發明之一實施例中，提供適於薄膜材料的雷射劃線之高功率脈衝雷射，其使用與效能特徵可比擬之雷射相比不昂貴的緊密結構。此外，在根據本發明之一實施例中，提供適於薄膜材料的雷射劃線之脈衝雷射，以使該等光學脈衝可被成形以最佳化用於該薄膜材料劃線的雷射脈衝輪廓。取決於實施例，存在多種優勢，包含例如處理物件之品質及良率的改善。這些及其他優勢在本說明書通篇描述，並且在下方更明確說明。可參考如下詳細說明和附圖更加理解本發明之多種額外目的、特徵和優點。
在太陽能電池、平面顯示器、及數位顯示器的製造製程中，沈積在玻璃基材上的透明導電氧化物(TCO)材料薄膜必須藉由在該TCO材料中劃線來分割，經由此分割以在該線一側的TCO部分與該線另一側的TCO部分之間提供電氣隔離。利用一脈衝雷射進行劃線是一種多脈衝製程，其利用許多雷射脈衝的脈衝串，其中每一個脈衝係經聚焦至該薄膜的一點，並且沿著欲刻劃的預期線條掃描該點，使得每個點和前一個點以及下一個點之間會有某部分重疊。該劃線的寬度主要是由聚焦雷射光點的尺寸來決定。一玻璃基材上氧化鋅薄膜中的劃線寬度範圍從10微米至100微米，雖然可達到甚至更薄的線條。使用特定的光點重疊量以充分除去該TCO材料，以在該基材上留下乾淨的線條。因此，該劃線製程基本上是一種多脈衝製程而非單脈衝製程。可用脈衝之間的重疊量來控制該劃線製程。例如，該薄膜越厚，則可運用越多重疊。在一範例中，脈衝重疊是30%，雖然該值可改變，從低至10%到高至95%，取決於所處理材料的性質。
第4圖示出一薄膜的雷射劃線之概要表示。雖然該劃線製程通常是第二表面製程，其中該雷射光束首先通過該基材以近接該薄膜，但也可能用該雷射直接進行薄膜劃線而不通過該基材。薄膜的雷射劃線是一種多脈衝製程，需要包含至少10個脈衝之雷射脈衝的脈衝串。每一個脈衝係經聚焦或成像至位於該薄膜材料的一點。該脈衝串的第一脈衝31係經引導而使該第一點位於欲刻劃的線條之起始位置處。該脈衝串的每一個後繼脈衝係經引導至一點，其與前一點相鄰但具有介於10%和95%之間的某重疊值OL%。第4圖所示的光點重疊值約是30%。因此，脈衝串內的每一個脈衝係經引導至一沿著欲刻劃的線條之位置，而最終脈衝32係經引導而使來自該最終脈衝的光點位於欲刻劃的線條終端。若N是脈衝串內的脈衝數量，d是該聚焦光點在該薄膜處的直徑，而OL%是重疊值百分比，則可由下式得出所刻劃線條的長度L：
L=dN-d(N-1)(OL%)/100
該劃線的寬度是聚焦光點尺寸、光點重疊、以及與該薄膜的交互作用之函數；理想上，該劃線的寬度約與該聚焦光點的直徑相同。光點重疊的選擇是一處理參數，其被改變以最佳化製程。就薄材料而言，通常可能使用非常低的光點重疊，例如10%，其提供高至例如1公尺/秒的快速劃線速度。就較厚材料而言，常選擇較大的重疊以便乾淨俐落地除去該薄膜材料。
第5a圖係一概要圖，示出沈積在基材36上的單一薄膜材料37的側視圖，其並具有刻劃在該薄膜中的溝槽35。也示出的是該基材的微裂痕40、該切割薄膜邊緣之微裂痕39、以及來自該剝離的薄膜材料之殘渣和碎片38，其可能黏附在該表面上。此種微裂痕及殘渣與碎片是雷射劃線該薄膜材料時使用例如第3圖概要示出的習知雷射脈衝形狀常有的結果。本發明之一目的在於提供一種方法及設備以改善薄膜劃線的品質，藉由減少或消除微裂痕及殘渣與碎片的形成。
第1a和2b圖分別示出根據本發明實施例之具各種有利脈衝形狀的脈衝串11和21，其改善了在玻璃基材上之薄膜中劃線的品質，與用具第3圖所示的習知脈衝形狀的雷射脈衝之脈衝串進行相同製程所得到的較低品質相比。每一個脈衝串含有至少10個脈衝。明確地說，第2a圖示出根據本發明之一實施例的脈衝串。第2b圖示出根據本發明之一實施例之一有利脈衝形狀，其脈衝長度FWHM為T1、前緣上升時間(10%至90%)為RT1、並且後緣下降時間(90%至10%)為FT1。該平頂的峰值功率為H1。與利用具習知脈衝形狀的脈衝串刻劃出的線條相比，其如第5a圖所示般在玻璃基材及氧化鋅劃線邊緣有顯著的微裂痕，利用具第2b圖的方型脈衝形狀的脈衝之脈衝串刻劃出的線條無微裂痕在該玻璃基材內，並且在該氧化鋅劃線區邊緣的微裂痕減少，如第5b圖概要示出者。在本發明之一實施例中，利用來自波長1064奈米的雷射並具有第2b圖之脈衝形狀、135微焦耳之脈衝能量、50微米的光點尺寸、50奈秒的脈衝長度、1奈秒的RT1及RT2值、每秒36,000脈衝的重複率、以及各種光點重疊值(包含10%、25%及50%重疊)的脈衝之脈衝串在厚度6微米的玻璃基材上之厚度450奈米的氧化鋅薄膜中刻劃出之寬度54微米的線條並無微裂痕在該基材上。此外，該劃線製程的效率隨著除去的材料之寬度從習知脈衝形狀的44微米增加至具有同樣脈衝能量之方形脈衝形狀的54微米而增加。將脈衝形狀改成方形脈衝形狀確實提供劃線寬度的明顯增加，並且也有效防止微裂痕形成在玻璃基材內。但是，根據本發明之一實施例的具體參數並不限於這些值。在一實施例中，該方形脈衝的脈衝長度T1會介於1奈秒和200奈秒間。該方形脈衝的上升時間RT1會大於0.3奈秒但小於該脈衝長度T1的10%。該下降時間FT1會小於該脈衝長度T1的30%。即使該方形脈衝形狀具有如第2c圖所示般的緩降，仍可達到類似的改善，只要該緩降之H1-H2小於H1的50%即可。
可利用不同的光點尺寸和劃線速度值來達到類似改善。例如，運用脈衝能量42微焦耳在每秒72,000個脈衝下操作、聚焦至25微米光點尺寸、且擁有各式光點重疊值(包含10%、25%及50%重疊)的雷射刻劃寬度25微米的線條時觀察到類似的品質改善。同樣地，運用脈衝能量7微焦耳在每秒260,000個脈衝下操作、聚焦至10微米光點、以及各式光點重疊值(包含10%、25%及50%重疊)的雷射觀察到氧化鋅劃線品質的類似改善。在所有情況中，使用在此所述的方頂脈衝可獲得上述劃線品質的改善。
就非常薄的薄膜而言，可使用少量重疊來除去每個聚焦點的材料，但隨著材料厚度增加，增加光點重疊而非增加脈衝能量是較佳的。低的光點重疊可在該等光點重疊處的劃線邊緣造成比光點重疊度高時之劃線邊緣更大的調變。但是，每一個光點重疊邊緣處的此種尖銳點與在薄膜邊緣處看到的微裂痕不同。因此，在一實施例中，藉由增加光點重疊來減少光點重疊處的尖銳邊緣，且不影響任何一個脈衝形狀的微裂痕。
在本發明之另一實施例中，使用如第1a圖概要示出的雷射脈衝之脈衝串來蝕刻薄膜材料。每一個脈衝串均包含至少10個脈衝。在一實施例中，脈衝串內的每一個脈衝皆擁有第1b圖概要示出之描述為尖峰/平原椅形脈衝形狀的有利脈衝形狀。在第1b圖中，一脈衝形狀係由兩個區組成：一起始尖峰，其具有峰值功率H3、上升時間RT3和寬度FWHM T3，以及平坦平原，其具有峰值功率H4和下降時間FT4。在10%峰值功率處的總脈衝長度是T4。與利用具有第3圖的習知脈衝形狀之脈衝的脈衝串在氧化鋅薄膜中的劃線相比，其如第5a圖所示般具有顯著的玻璃基材和氧化鋅劃線邊緣的微裂痕，利用具有第1b圖的椅形脈衝形狀之脈衝的脈衝串刻劃的線條並無微裂痕在該玻璃基材內，並且無微裂痕在該氧化鋅劃線區邊緣內，如第5c圖所示。此外，與之前就方形脈衝形狀所述者類似的情況，劃線製程的效率因劃線較寬而增加。就第1b圖的椅形脈衝形狀而言，劃線製程中產生的氧化鋅殘渣及碎片也顯著減少，與使用第3圖的習知脈衝形狀時所觀察到的相比。利用根據本發明之一實施例具有第1b圖之脈衝形狀的雷射脈衝之脈衝串在厚度6毫米的玻璃基材上厚度450奈米的薄膜氧化鋅層中刻劃寬度54微米的線條之具體參數是雷射波長1064奈米、脈衝能量135微焦耳、重複率每秒36,000個脈衝、光點尺寸50微米、脈衝長度T4為50奈秒、上升時間RT3為1奈秒、下降時間FT3為1奈秒、尖峰脈衝長度T3為10奈秒、能量H3/H4比例為3：1、以及各式光點重疊值(包含10%、25%和50%重疊)。可達到高於1公尺/秒的劃線速度。但是，根據本發明之一實施例的具體參數並不受限於該等值。在一實施例中，該脈衝長度T4會介於1奈秒和200奈秒間，而該尖端的脈衝長度T3會大於0.3奈秒且小於T4的30%。該上升時間RT3會大於0.1奈秒且小於T3的30%，而H3/H4比例會大於1.5但小於10。該光點重疊會介於10%和95%間。
可利用不同的光點尺寸和劃線速度值來達到類似改善。例如，利用脈衝能量34微焦耳在每秒72,000個脈衝下操作、聚焦至25微米光點尺寸、並具有各式光點重疊值(包含10%、25%和50%重疊)的雷射觀察到氧化新化線品質的類似改善。同樣地，利用脈衝能量4微焦耳在每秒260,000個脈衝下操作、聚焦至10微米光點尺寸、並具有各式光點重疊值(包含10%、25%和50%)的雷射觀察到氧化鋅劃線品質的類似改善。在所有情況中，使用在此所述的椅形脈衝可獲得上述劃線品質的改善。
如第1圖所示，存在有可提供薄膜劃線製程品質若干優勢之其他椅形脈衝形狀的變異。例如，預期具有如第1c圖所示之緩降的尖端/平原形狀脈衝可提供顯著優勢，只要H6-H7小於H6的50%。也可能使用尖端位於該平原中央的脈衝形狀，如第1d圖所示者，或是尖端從該平原位移時間T12的脈衝形狀，如第1e圖所示者。在一實施例中，在玻璃基材上的氧化鋅薄膜中劃線時使用小於5奈秒的T12值。在此應用中描述的實施例並不必定包含在雷射脈衝之脈衝串中形成有利脈衝形狀以最佳化在氧化鋅薄膜中之劃線，藉此改善該製程的品質及產率超越可由運用具有習知脈衝形狀的雷射可達到者的所有可能性。熟知技藝者能夠識別出諸多變異、調整及替代方案。
本發明實施例的應用並不限於氧化鋅薄膜或TCO薄膜。根據本發明揭示之實施例的有利脈衝形狀的使用在許多材料的薄膜劃線時會是有益的。並且，在此應用中有利脈衝形狀的使用會有益於除了1064奈米外的就欲劃線的薄膜材料而言適當的其他波長。如同1064奈米，可取得許多其他波長的雷射，例如1032奈米、1.3微米、1.5微米、2微米及其他。此外，可能使用非線性製程來達到所要求的其他波長，例如諧波產生；在此例中，在1064奈米下操作的雷射可擁有變為532奈米(綠色)、354奈米(近紫外光)、266奈米(紫外光)等等的波長。在某些例子中，若在較短波長處有高的吸收，例如綠色或紫外光，如在此所述之非常薄的薄膜的劃線製程可受益於諧波波長的使用。
薄膜材料的基材並不限於玻璃。另一種常見的基材材料是聚合物或塑膠。在刻劃一基材的第二表面上之薄膜的情況中，其中雷射光束必須通過該基材，雷射波長的選擇受限於使該基材實質上透明者。但是，使用根據在本發明中所揭示的實施例之有利脈衝形狀並不受限於薄膜的第二表面劃線。應用有利脈衝形狀會與直接刻劃薄膜而不需通過基材時有相等益處。
參見第6圖，示出能夠產生在本應用中揭示種類的有利脈衝形狀的雷射系統。此雷射系統包含一震盪器51，由一電子驅動器53供電，並包含一雷射放大器模組52。例如二極體雷射的脈衝雷射源可藉由提供一脈衝電子驅動信號的簡單方式來脈衝。所產生的脈衝之脈衝串56內的每一個光學雷射脈衝之脈衝形狀可藉由選擇該電子驅 動器53送至該震盪器51之電子驅動信號55的形狀來預先決定。來自此種脈衝雷射震盪器的成形信號然後在一雷射放大器中放大，例如二極體激發式固態棒雷射或光纖雷射放大器，以此方式將輸出脈衝之脈衝串57中的每一個脈衝的脈衝形狀保持在實質上與該震盪器所提供的脈衝形狀無異。
該震盪器雷射可由半導體雷射、光纖雷射、二極體雷射、或分散式反餽二極體雷射構成。在一特定實施例中，該脈衝信號源係一半導體二極體雷射，在1064奈米的波長下操作，擁有一瓦特的峰值脈衝功率，高至500KHz(千赫)的可變重複率，100奈秒的脈衝寬度且具有次奈秒的脈衝上升時間。在另一實施例中，該脈衝信號源的峰值光學功率可低於或高於一瓦特。例如，其可以是500毫瓦特、1瓦特、2瓦特、3瓦特、4瓦特、5瓦特或更多。此外，脈衝寬度可以小於或大於100奈秒。例如，其可以是1奈秒、2奈秒、10奈秒、20奈秒、50奈秒、200奈秒、500奈秒或更多。在另一實施例中，該光學脈衝可更複雜，並且可包含一有利成形的脈衝，例如第4圖的方形脈衝或第5圖的椅形脈衝。該震盪器雷射係由一電子驅動器驅動，因此該電子驅動器提供的電流脈衝形狀即為該震盪器雷射輸出脈衝形狀所呈現的形狀。
來自該震盪器51的輸出在一雷射放大器模組52內放大，其係由例如光纖雷射放大器或二極體激發式固態棒雷射放大器組成。在本發明之一實施例中，該放大器係 一光學放大器，包含透過一光耦合器與一稀土摻雜光纖迴路耦合的幫浦。一般而言，一半導體幫浦雷射係用來做為幫浦，雖然可用其他設備來達到光學放大器的抽運(pumping)，如對熟知技藝者而言顯而易見般。在一特定實施例中，光學放大器包含一5公尺長的稀土摻雜光纖，具有約4.8微米的蕊徑，並且係以總摻雜至約6x1024離子/立方公分的摻雜密度。該放大器也包含一幫浦，其係一FBG(光纖布拉格光柵)穩定半導體雷射二極體，在976奈米波長下操作，並具有500微瓦特的輸出功率。在另一特定實施例中，該第二光學放大器160包含一2公尺長的稀土摻雜光纖，具有約10微米的蕊徑，並且係以鐿摻雜至約1x1024離子/立方公分的摻雜密度。該放大器也可包含一幫浦，其係一半導體雷射二極體，具有5瓦特的輸出功率。
雖然以鐿摻雜光纖放大器及1064奈米的雷射波長做為範例，但可在本發明其他實施例中使用在1064奈米下操作或在其他波長下操作的其他二極體雷射、固態雷射、及摻雜光纖之範例。這些包含，例如，波長範圍1550奈米的鉺摻雜光纖及波長範圍2至3微米的銩摻雜光纖。在另一實施例中，就特定應用而言適當地在該光學循環器下游使用多個光纖放大器。
參見第7圖，在本發明之一實施例中，提供產生具有利脈衝形狀之脈衝的脈衝串之脈衝雷射源。該脈衝雷射源包含一晶種源110，適於產生一晶種信號，及一光學 循環器120，具有一與該晶種源連結的第一埠114、一第二埠122、和一第三埠116。該脈衝雷射源也包含一振幅調變器130，其特徵在於一與該光學循環器的第二埠122連結之第一側132及一第二側134。該脈衝雷射源更包含一第一光學放大器150，其特徵在於一輸入端136及一反射端146。該輸入端與該振幅調變器的第二側134連結。此外，該脈衝雷射源包含一第二光學放大器160，與該光學循環器的第三埠116連結。雖然第7圖示出與該光學循環器之第三埠連結之第二光學放大器160的使用，但本發明之某些實施例並不做此要求。在其他實施例中，就對特定應用而言適當地在該光學循環器下游使用多個光學放大器。對本發明實施例的其他描述可在2008年9月12號提出申請的共同讓渡之標題為「用於發射成形光學波形之脈衝雷射源的方法與系統」之美國專利申請案第12/210,028號，其係2008年9月27號核准之標題為「用於具成形光學波形之脈衝雷射源的方法與系統」之美國專利第7,428,253號的部分接續案中找到，在此藉由引用的方式為所有用途將其整體併入本文中。
參見第8圖，在本發明之另一實施例中，提供產生具有利脈衝形狀之脈衝的脈衝串之脈衝雷射源。該脈衝雷射源包含一穩定源210，適於產生穩定光學輻射，以及一光學循環器220，具有一與該穩定源連結的第一埠214、一第二埠216、及一第三埠218。該脈衝雷射源也包含一信號源230，適於產生具預期形狀的信號脈衝，其中該信號源與該光學循環器的第二埠216連結。該脈衝雷射源更包含一光學放大器260，與該光學循環器的第三埠218連結。對本發明實施例的其他描述可在共同讓渡之美國臨時專利申請案第61/186,317號中找到，並且在此藉由引用的方式為所有用途將其整體併入本文中。
根據本發明之一特定實施例，第9圖示出能夠利用產生具有利脈衝形狀的脈衝之脈衝串的雷射在一薄膜材料工作件304中劃線的例示雷射處理系統。該系統包含一雷射源300、一波長轉換器301、一光學系統302、一控制器305、及一工作件304，其係設置在一工作件夾持器303上方。該雷射源300提供具某些特徵的雷射脈衝，例如波長、脈衝長度、脈衝形狀、及脈衝重複率。波長可由該控制器選擇。波長也可透過該波長轉換器調整。脈衝長度和脈衝形狀可根據本發明實施例調整，以利用具有利脈衝形狀的脈衝之脈衝串在一薄膜材料工作件中劃線。
可利用該波長轉換器301將該雷射源300產生的波長轉換為一基諧波長的諧波。例如第二、第三、或第四諧波波長。雖然某些系統使用不同雷射，但可能利用眾所週知的非線性晶體中的諧波產生製程從一雷射得到不同波長。例如。可利用在一非線性晶體中諧波三倍頻(harmonic tripling)從波長1.06微米的紅外光雷射得到波長約353奈米的紫外光。該波長轉換器可包含一光束引導裝置，例如安裝在檢流計上的鏡子。該等鏡子可快速改變來自該雷射源的雷射光束路徑，以繞過該波長轉換器320，可用來調整該光束的光點尺寸。該光學系統可包含透鏡和鏡子以將一雷射光束聚焦在該工作件上，以及一零組件，用以引導該光束至該工作件上各個位置。在一特定實施例中，用來引導該光束的零組件可以是安裝在檢流計上的鏡子。該控制器可用來控制該光學系統及引導光束的零組件的移動。例如，在一薄膜工作件304中劃線時，該光學系統302可由該控制器控制，以在沿著該工作件表面之一線條上掃描該光束，使得每一個聚焦的雷射光點被引導至毗鄰前一個聚焦雷射光點的位置，但具有重疊。在另一實施例中，該光學系統可將該雷射光束聚焦在該工作件表面，而該工作件夾持器可由該控制器控制以使該工作件線性移動，而使每一個聚焦雷射脈衝打在毗鄰雷射脈衝之脈衝串內的前一個聚焦雷射脈衝的位置上，但具有某些光點重疊。
第10圖係示出根據本發明之一實施例運用具有利脈衝形狀的脈衝之脈衝串在一薄膜材料中刻劃一圖案的方法。在一實施例中，該圖案可以是一直線，而在另一實施例中，該圖案可以是一曲線。在操作1005，選擇一有利雷射脈衝時間脈衝形狀。在操作1010，提供一系列脈衝，每一者均具有一有利雷射脈衝時間脈衝形狀。在操作1015，將該第一雷射脈衝之一光點設置在該薄膜材料上。在操作1020，將每一個後續脈衝的雷射光點沿著該薄膜上之一圖案連續設置，其可以是一直線或一曲線，使得每一個光點毗鄰前一個脈衝的光點，但光點區域有某程度重疊。
雖然本發明已關於具體實施例及其特定範例描述，應了解其他實施例可落在本發明的精神及範圍中。因此，本發明之範圍應參考附屬申請專利範圍及其等效物的完整範圍來判定。
11、21、56、57‧‧‧脈衝串
31‧‧‧第一脈衝
32‧‧‧最終脈衝
35‧‧‧溝槽
36‧‧‧基材
37‧‧‧薄膜材料
38‧‧‧殘渣和碎片
39、40‧‧‧微裂痕
51‧‧‧震盪器
52‧‧‧雷射放大器模組
53‧‧‧電子驅動器
55‧‧‧電子驅動信號
110‧‧‧晶種源
120、220‧‧‧光學循環器
114、214‧‧‧第一埠
116、218‧‧‧第三埠
122、216‧‧‧第二埠
130‧‧‧振幅調變器
132‧‧‧第一側
134‧‧‧第二側
136‧‧‧輸入端
146‧‧‧反射端
150‧‧‧第一光學放大器
160‧‧‧第二光學放大器
210‧‧‧穩定源
230‧‧‧信號源
260‧‧‧光學放大器
300‧‧‧雷射源
301‧‧‧波長轉換器
302‧‧‧光學系統
303‧‧‧工作件夾持器
304‧‧‧工作件
305‧‧‧控制器
第1a圖係一實施例的概要圖，示出一脈衝之脈衝串，具有椅形脈衝形態的有利成形脈衝形狀，適於在基材上的薄膜材料中劃線。在此圖式中，水平軸是時間而垂直軸是功率； 第1b圖示出一尖峰/平原椅形脈衝形狀的實施例； 第1c圖示出具有緩降特性的尖峰/平原椅形脈衝之實施例； 第1d圖示出一椅形脈衝形狀的另一實施例； 第1e圖示出該椅形脈衝形狀的進一步實施例； 第2a圖係一實施例的概要圖，示出一脈衝之脈衝串，具有方形脈衝形態的有利成形脈衝形狀，適於在基材上的薄膜材料中劃線； 第2b圖示出一平頂方形脈衝，其中水平軸是時間而垂直軸是功率； 第2c圖示出具有緩降特性的方形脈衝，其中水平軸是時間而垂直軸是功率； 第3圖係一概要圖，示出刻劃基材上的薄膜材料之習知雷射脈衝的時間脈衝形狀。在此圖式中，水平軸是時間而垂直軸是功率； 第4圖係一概要圖，示出透過一薄膜材料之雷射劃線製程之基材的上視圖，其使用多個雷射脈衝以使每一個脈衝的處理區與前一個脈衝以及下一個脈衝所處理的區域重疊。在此特定圖式中，光點重疊約30%，但為該製程所選擇的光點重疊值範圍可介於10%和95%間；第5a圖係一概要圖，示出沈積在基材36上的單一薄膜材料37的剖面側視圖，其並具有刻劃在該薄膜中的溝槽35。也示出的是該基材的微裂痕40、該劃線薄膜邊緣之微裂痕39、以及來自該剝離的薄膜材料之殘渣和碎片38，其可能黏附在該表面上。此種微裂痕及殘渣與碎片是雷射劃線該薄膜材料時使用習知雷射脈衝形狀常有的結果； 第5b圖係一概要圖，示出第5a圖所示結構的剖面側視圖，但無微裂痕在基材內，並且該劃線薄膜邊緣的微裂痕減少，利用本發明之另一實施例獲得； 第5c圖係一概要圖，示出第5a圖所示結構的剖面側視圖，但基材和劃線薄膜邊緣兩者內均無微裂痕，且殘渣和碎片的量也減少，利用本發明之另一實施例獲得； 第6圖係具有可調式脈衝特徵的脈衝雷射之簡化概要圖，提供根據本發明之一實施例之具有利脈衝形狀的雷射脈衝之輸出脈衝串；第7圖係具有可調式脈衝特徵的脈衝雷射之簡化概要圖，提供根據本發明之一實施例之具有利脈衝形狀的雷射脈衝之輸出脈衝串；第8圖係具有可調式脈衝特徵的脈衝雷射之簡化概要圖，提供根據本發明之另一實施例之具有利脈衝形狀的雷射脈衝之輸出脈衝串；第9圖係一雷射處理系統的簡化概要圖，其適於根據本發明之一實施例在基材上之薄膜中劃線；以及第10圖係一流程圖，示出根據本發明之一實施例之一種利用具有利脈衝形狀的脈衝之脈衝串在一薄膜材料中劃線的方法。
110．．．晶種源
114．．．第一埠
116．．．第三埠
120．．．光學循環器
122．．．第二埠
130．．．振幅調變器
132．．．第一側
134．．．第二側
136．．．輸入端
146．．．反射端
150．．．第一光學放大器
160．．．第二光學放大器

Claims (27)

  1. 一種基於雷射的處理方法，包含以下步驟：提供一系列雷射脈衝，該系列雷射脈衝特徵在於一第一脈衝及至少9個後續脈衝，其中該系列中的每一個雷射脈衝的特徵在於一尖峰/平原椅形雷射脈衝形狀，並且該系列中的每一個脈衝之特徵更在於具有一雷射光點區域的一雷射光點；及沿著一圖案下至一基材將沈積於該基材上的一薄膜材料移除，該移除係藉由：將該第一脈衝的該雷射光點穿過該基材設置在該薄膜材料上之一光點位置；以及將該脈衝系列中的每一個該等後續脈衝之該等雷射光點穿過該基材設置在沿著該薄膜材料上之該圖案的光點位置，使得每一個光點位置毗鄰前一個脈衝的雷射光點之光點位置且光點位置重疊，使得每一個光點的區域與每一個前一個光點的區域某部分重疊，其中該雷射脈衝形狀經配置以使得無微裂痕形成於該薄膜材料中的該圖案的邊緣中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之圖案係一直線。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之圖案 係一曲線。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之有利雷射脈衝時間功率形狀係一方形脈衝。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之有利雷射脈衝時間功率形狀係一尖峰/平原椅形。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之有利雷射脈衝時間功率形狀係一具有緩降的方形脈衝。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之兩毗鄰光點的重疊區域大於10%但小於95%。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之雷射光點區域係大於0.0000001平方公分但小於0.0001平方公分。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之薄膜材料係氧化鋅。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之薄膜材料係一透明導電氧化物。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之薄膜材料係選自由非晶矽、碲化鎘、硒化銦銅、硒化銅銦鎵、及鉬所組成的群組。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之有利雷射脈衝時間功率形狀包含脈衝長度FWHM大於1奈秒但小於200奈秒的脈衝。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中上述之有利雷射脈衝時間功率形狀具有一上升邊緣上升時間及一下降邊緣下降時間，其使得該上升邊緣上升時間小於該脈衝長度的10%。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中上述之有利雷射脈衝時間功率形狀具有一下降邊緣下降時間，其使得該下降邊緣下降時間小於該脈衝長度的30%。
  15. 一種基於雷射的處理方法，包含以下步驟：提供一系列雷射脈衝，該系列雷射脈衝特徵在於一第一脈衝及至少9個後續脈衝，其中該系列中的每一個雷射脈衝的特徵在於一尖峰/平原椅形雷射脈衝形狀，並且該系列中的每一個脈衝之特徵更在於具有一雷射光點區域的一雷射光點；及沿著一圖案下至一基材將沈積於該基材上的一薄膜 材料移除，該移除係藉由：將該第一脈衝的該雷射光點穿過該基材設置在該薄膜材料上之一光點位置；以及將該脈衝系列中的每一個該等後續脈衝之該等雷射光點穿過該基材設置在沿著該薄膜材料上之該圖案的光點位置，使得每一個光點位置毗鄰前一個脈衝的雷射光點之光點位置且光點位置重疊，使得每一個光點的區域與每一個前一個光點的區域某部分重疊，其中該雷射脈衝形狀經配置以使得無微裂痕形成於該基材中，且無微裂痕形成於該薄膜材料中的該圖案的邊緣上。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中上述之圖案係一直線。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中上述之圖案係一曲線。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中上述之後續脈衝的雷射光點區域與前一個脈衝之雷射光點區域的光點重疊量係大於10%但小於95%。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中上述之雷射光點區域係大於0.0000001平方公分但小於0.0001平方公分。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中上述之薄膜材料係氧化鋅。
  21. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中上述之薄膜材料係一透明導電氧化物。
  22. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中上述之薄膜材料係選自非晶矽、碲化鎘、硒化銦銅、硒化銅銦鎵、及鉬。
  23. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中上述之有利雷射脈衝時間功率形狀包含脈衝長度FWHM大於1奈秒但小於200奈秒的脈衝。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中上述之有利雷射脈衝時間功率形狀具有一上升邊緣、一下降邊緣、及一平均功率，並且其特微更在於一功率尖峰，其具有實質上短於該脈衝長度的一尖峰持續時間，以及大於該雷射脈衝的平均功率之一峰值功率。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中上述之有利雷射脈衝時間功率形狀具有功率尖峰，其長度FWHM大於0.3奈秒且小於該脈衝長度的30%。
  26. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中上述之有利雷射脈衝時間功率形狀具有一功率尖峰，其具有大於0.1奈秒且小於該功率尖峰長度FWHM的30%之上升時間。
  27. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中上述之功率尖峰的峰值功率和該雷射脈衝的平均功率之比例大於1.5。
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