[发明专利]使用具有有益的脉冲波形的激光脉冲群在薄膜材料中划线的方法及装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年9月24日提交的题为“Method and Apparatus to Scribe a Line in a Thin Film Material Using a Burst of Laser Pulses With Beneficial Pulse Shape(使用具有有益的脉冲波形的激光脉冲群在薄膜材料中划线的方法及装置)”的美国临时专利申请No.61/245,582的优先权，其全部公开内容通过引用合并到本申请中。

技术领域

本发明总体上涉及材料的激光加工。更具体地，本发明涉及在激光加工应用中使用特别成形的一系列激光脉冲以提供更好的加工品质和更高的生产量的方法及装置。本发明还涉及基底上的薄膜材料的划线。但是，本发明具有更广泛的适用性并且可以应用于其他应用和材料。

背景技术

脉冲激光源如Nd:YAG(Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet，掺钕钇铝石榴石)激光器用来针对如标记、雕刻、微加工、切割以及划线等应用进行基于激光的材料加工。通常使用激光的这样一种加工是在较厚基底上的材料薄膜中划线。薄膜通常定义为仅几个分子厚的材料层。实际上，薄膜的厚度通常在25nm到2微米之间。薄膜沉积在作为基底的材料上，并且，基底通常显著地厚于薄膜。有许多在如电子器件、电光器件、光学器件以及腐蚀保护等领域中使用薄膜的例子。例如，光电池或太阳能电池可以具有非晶硅、碲化镉、二硒化铜铟、铜铟镓二硒或钼的薄膜、以及使用透明导电氧化物(TCO)材料薄膜制成的电极，TCO材料如铟锡氧化物、氧化锌(ZnO)以及如铝或钼等其他金属的氧化物。这些材料以及其他材料的薄膜还用在平板显示器和数字显示器中。

在较厚基底上的薄膜材料中划线表示去除掉往下一直到基底的所有薄膜材料并且沿着线进行去除。对于比较厚的线，可以使用刀，但是其常常产生粗糙的边缘并且导致薄膜材料的不完全去除。电子器件中需要的线的宽度可能非常细。将激光器用于在薄膜材料中划线的应用，这是因为可以用其切割出非常细的线并且可以干净地烧蚀掉薄膜材料。

在对TCO划线时，一个被监控的参数是在划线两端实现的电阻率。电阻率受到划线加工中去除掉的TCO材料的量的影响，因此，目标是去除掉切割的沟槽中的所有TCO材料。一个问题可能是切割过程中产生的残渣和碎片的量。在TCO被划线时，被烧蚀的TCO材料可能落到沟槽两端，从而减小了电阻率。即使这没有立即发生，但是如果碎片被扫进沟槽，那么过了一段时间之后，碎片的存在可能导致电阻率的减小。制造工艺的目标是使残渣和碎片的量最小化。为此，激光划线常常随着光束穿过玻璃基底而发生，所以将其称为“第二表面”加工；尽管这有助于减少粘至残渣和碎片的量，但是依然会残留有一些残渣和碎片。尽管电阻率的理想值取决于应用，但是其通常可接受的值是200兆欧姆。

另一个影响激光划线加工的品质的问题是：在玻璃基底中或在划线沟槽中的TCO材料壁中的产生微裂纹。随着时间的推移，微裂纹可能蔓延和变大，由此导致在划线沟槽处或两端出现机械裂缝。因为机械裂缝可能在标准的“早期故障”测试阶段后的一段时间里导致器件失灵并且因此难以消除，所以要避免此类事件。必须使任何由激光脉冲引起的薄膜或基底的物质耗损最小化。如果出现微裂纹以及残渣和碎片，则可以使用高功率光学显微镜来观察。

取决于应用和待加工的材料，如果能够选择激光脉冲的适于具体应用的各种特征则是有利的，这些特征包括脉冲能量、脉冲宽度、脉冲重复频率、峰值功率或能量、以及脉冲波形。存在许多对脉冲的能量与功率的小心控制以使各种材料加工应用最优化的例子。

许多现有的高功率激光器的特征在于脉冲能量大于0.5mJ每脉冲，这些高功率激光器依靠如Q开关或锁模等技术来产生光脉冲。但是，这样的激光器产生的光脉冲具有由腔的几何形状、镜反射率等来预先确定的特征。使用这样的激光器，一般很难实现用于紧急应用的最佳脉冲波形，因此，在许多情况下，激光加工具有某些不足。

因此，需要用于对材料薄膜划线、可以提高薄膜划线加工的品质和产量的系统与方法。

发明内容