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    《紫外准分子激光器在材料加工领域的应用》

    2011-10-26 16:30:27

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    准分子激光器推进技术革新
    作为当今最有效、最可靠的脉冲紫外激光技术的代表,准分子激光器有效地推进了诸如平板显示、汽车制造、生物医学设备及可替代能源等多种成长型工业中的技术革新。
    波长和输出功率,这两个基本属性的结合,决定了准分子激光器在上述这些高科技产业中的独特价值。因为,这些工业领域比以往任何时候更需要平衡日益增长的性能需求与加工速度及制造成本之间的矛盾。

    紫外表面处理
    准分子激光是一种窄带宽的紫外光源,可以为基于商用激光的制造业提供最短的波长或(相当于)最高的激光光子能量。由于在激光材料加工领域可以达到的光学分辨率与激光波长有关,因此短波长的准分子激光成为市场上最为精确的光学加工工具。利用基于商用准分子激光的材料加工系统,如图1所示,可以获得接近1祄的特征尺寸[1](具体数值取决于波长和材料)。



    图1. 对坚硬的固体材料层使用248nm准分子激光掩膜成像形成的大面积薄膜图样。整个高分辨率图样的获得仅利用了单个准分子激光脉冲。



    而且,短波长代表着最小的横向结构,同时,材料对高光子能量(例如,248nm时为5eV或 193nm时为6.4eV)的强烈吸收,又将意味着激光对材料纵向的影响非常有限。实际上,准分子激光在薄膜材料加工中的深度分辨率在亚微米范围,通常每脉冲可以小至50nm(具体数值取决于样本材料和激光波长)。



    图2. 钻石经193nm准分子激光烧蚀形成的凹坑:左图为10个激光脉冲情况,右图为600个激光脉冲情况。凹坑的平整度表明了准分子激光光束在整个照明区域具有极高的均匀性。



    准分子激光在样本材料的横向及纵向均可以提供无可匹敌的高分辨率光学加工能力。在通过改变微结构来增进大表面功能的领域,准分子激光已成为最为理想的工具。
    除此之外,准分子激光是目前基于商用激光的制造业中,可利用的最强紫外激光。

    紫外技术比较
    现在,准分子激光在308nm的输出功率已经超过500W,如图3所示。图中对基于准分子激光技术、二极管泵浦及闪光灯泵浦的全固态激光技术所能取得的功率水平进行了对比。目前先进水平的准分子激光器可以输出高达1J的脉冲能量,同时重复频率可高达600Hz。由于极高的脉冲能量,可使处于每平方厘米高达1J的能量密度下、面积宽达30mm2的样品,通过逐个准分子激光脉冲的刻蚀,实现样品的微细构造。这种微细构造的实现过程,如果转化到更大的尺度上,可以比喻为用一片片青草去构造足球场。



    图3. 各种高功率准分子激光器的输出功率水平与基于全固态的355nm激光技术比较,图中给出了308nm和248nm波长的准分子激光情况。



    同时高功率准分子激光器可以在高达600Hz的重复频率下运转,使得每秒处理几十平方厘米的表面加工速度成为可能。
    准分子激光器具有可扩展至数百瓦的较高的单脉冲能量,这意味着可以处理更大的区域尺寸,同时每秒钟可提供数百个脉冲,这必将在制造业中引发规模效应,以前所未有的方式增进盈利。
    只有当紫外激光的波长和高输出功率这两个必要条件同时具备,正如准分子激光器那样,才能满足工业界对于微尺度构造及快速大面积表面处理(每秒速度达几十平方厘米)的迫切需求。
    事实上,基于表面微结构处理的准分子激光器常常是基本的制造步骤,在下文介绍应用实例时会作进一步阐述。

    紫外光的直接产生是关键
    准分子激光技术的激光跃迁发生在紫外光谱范围,正是这个原因,使得准分子激光技术能够凌驾于其他紫外技术之上。准分子激光是在内在机理上直接产生紫外光子,这使其成为市场上最强和最稳定的紫外激光光源。



    表1:各种紫外技术的性能参数比较(准分子激光 vs. 基于频率变换的Nd:YAG激光)



    与此相反,并行的紫外产生概念基于红外(IR)及可见光,需要采用非线性频率转换技术,这将不可避免地使紫外输出效率及输出稳定性大打折扣,严重影响激光器的实际输出性能[2]。
    表1概括比较了准分子激光器技术和红外上转换激光器技术的典型紫外性能参数。
    只有准分子激光器可以直接发射紫外波长,并且没有任何其他的技术折中,这使其在微米级高精度加工、高生产能力的批处理及大规模制造中成为最卓越的解决方案。

    经紫外准分子处理后获得更好的表面特性
    以下给出的多个应用实例,将最大限度地呈现准分子激光器在当今先进制造领域中的创新潜力。在下述这些制造实例中,均包含生产中起关键作用的准分子激光器,以实现性能上的飞跃。



    图4. 经准分子激光处理的Diesel 引擎汽缸视图(Audi AG)。



    增强Diesel马达的性能
    Diesel引擎是世界上运输部门领域最重要的汽油、柴油燃料使用者之一。Diesel引擎对于公共交通、货运(通过公路、铁路及海洋等)及农业机械至关重要。并且,大约40%的欧洲汽车市场是基于Diesel引擎的。
    市场对于更高功率及效率的需求,加之严格的环境立法对节省燃料以及减小环境污染的苛刻要求,不断迫使引擎制造商寻求制造方案上的革新。
    因为Diesel引擎技术使用高的压缩比,考虑到润滑及耐磨的要求,活塞在铸铁汽缸套(如图4所示)中来回移动时的摩擦条件是非常重要的。

    传统的汽缸壁处理
    如图5所示,在传统汽缸套的内壁上呈现出许多微通道交错的形貌,这是由于机械抛光(即所谓的搪磨处理)导致的。由于这些微通道的存在,当活塞在汽缸内移动时,缸内的润滑油将顺着这些微通道流出缸外,这将严重削弱活塞环和汽缸壁的润滑效果。并且,事实上,活塞环和汽缸套壁之间的摩擦损耗占据Diesel引擎所有损耗的比例多达60%。



    图5.传统铸铁汽缸套表面的微结构图(Audi AG)。从图中可以清晰地看到由于机械搪磨加工引起的呈十字交叉状的微通道结构。




    图6. 经过准分子激光处理后的汽缸套表面的微结构图。更为平滑和坚硬的表面意味着更少的摩擦和磨损。释放出石墨包含物的凹槽可以充当储油容器(Audi AG)。



    基于准分子激光的汽缸壁加工
    如图6所示,借助308nm准分子激光器的紫外光子及氮辅助气体对汽缸套进行后处理,可以完全将上述不利于润滑的缸壁表面结构转变为更利于润滑的构造。
    具有短波长和高光子能量的准分子激光可以与铸铁材料发生强烈作用,通过以下的三种效应,将汽缸内表面处理成完全不同的表面。
    (1)有选择地融化到大约2祄深度,可以实现汽缸套表面的大致平滑。
    (2)由于近壁表面石墨包含物的释放,从而形成了可充当储油容器的凹槽。
    (3)氮辅助气将引起额外的表面硬化,这是因为形成的氮化物将随即浓缩在熔融表面上。
    采用Diesel引擎测试程序进行对比分析,测试结果显示了经过准分子激光处理的汽缸相对于传统的搪磨型汽缸在磨损上减少的百分比。准分子激光加工工艺使汽缸套和活塞环的磨损程度减小超过了85%。而且,与传统的搪磨型汽缸相比,燃油消耗量也减小了大约75%[3](以上具体数值取决于工作周期)。
    因此,准分子激光处理工艺可以提高燃料效率,减少长期磨损,从而反过来又可以减小燃油消耗及有害粒子释放,进一步节省资源并保护环境。
    对于引擎制造商而言,准分子激光处理工艺带来的经济效益是双重的:不但可以使他们的引擎制造轻易符合法律要求,更可使他们的产品在激烈的市场竞争中标新立异。

    推进显示产业发展
    在过去几十年里,全球平板显示产业在各个显示领域,从小尺寸的移动电话和汽车导航用显示屏,中等尺寸的电视机及笔记本电脑显示屏,再到大尺寸的家庭娱乐系统和广告屏幕等,均已经历了巨大的发展。新兴的显示技术,如有机发光二极管技术或者基于柔性衬底的显示技术(如图7所示),将会进一步推动显示产业的迅猛发展。平板显示制造商将不断面临关于减小功率消耗,更快响应时间,增强对比度及更好分辨率等方面的需求,从而对薄膜硅底板也提出了更为苛刻的要求。因此,越来越多地要求更快、更亮的显示设备,正不断挑战着传统非晶硅底板的性能极限。



    图7. 基于柔性聚合物型底板的可弯曲显示设备(Plastic Logic GmbH)。



    传统的硅底板加工
    对于有源矩阵显示设备,传统的技术是采用硅材料,利用高温高真空化学气相沉积工艺,形成基本的导电层。然而不幸的是,采用这种技术获得的硅层大部分在性质上为非结晶的,这意味着将严重限制像素切换速度及平板显示设备的总电力消耗。
    特别地,提供更高亮度和更高分辨率的高性能显示设备,最终还要依赖于快速切换及更小的晶体管,因此,这需要传统的非晶硅底板提供超过1cm2/V-sec的电子迁移率。

    基于准分子激光的硅底板加工
    采用额外的准分子激光处理工艺(如图8所示),可以将低电子迁移率的非晶硅转变为性能更高的多晶硅薄膜,从而不但可以为新兴的有源矩阵型有机发光二极管技术(AM-OLED)提供需要的驱动电流,而且可以为高分辨率有源矩阵型液晶屏(AM-LCD)提供更快的电压切换。
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    通过对非晶硅层进行选择性退火及再结晶,可以得到高度有序的微结构,从而实现非晶硅层向多晶硅层的转变。由于308nm准分子激光的短波长及小的穿透深度,硅下面的玻璃衬底将不会受到高功率准分子激光光束的影响[4]。

    另外,考虑到准分子激光几百瓦的输出功率,快速大面积处理也是可行的。最终的处理结果是将电子迁移率显著提高到高于100cm2/V-sec,这个值比传统非晶硅层高了两个数量级。图9所示的多晶硅层,其高度有序的晶格结构可以使电子更容易移动。



    图8. 基于准分子激光的硅退火工艺原理图,这种工艺可以将厚度大约50nm的非晶硅转变为具有更高电子迁移率的多晶硅。



    因此,准分子激光处理工艺可以推动这类依赖于高电子迁移率的、高分辨率有源矩阵型液晶屏(AM-LCD)和有源矩阵型有机发光二极管 (AM-OLED)更快进入市场,这些显示产品具有更快、更亮、更薄、更轻的诱人优势。

    总之,由于其低温退火特性,准分子激光表面变换技术,成为可弯曲电子书及报纸这类基于柔性聚合物衬底(而非玻璃底板)的另类显示技术的基本工艺环节。

    增加太阳电池板的效率
    尽管太阳能光电产业在逐年高速发展,但是实现太阳能发电成本与现有电力成本持平的目标仍然很困难。这项技术在没有被大力扶持的情况下,可能还需要5年或更长的时间才能具有大范围的竞争优势。
    因此,目前通过工艺优化,材料改进(用于提高太阳能电池效率)以及玻璃、晶片及接触电极的改进(用于增强对太阳光的捕获),可以极大地推动太阳能光电市场的发展。

    传统的硅晶片刻蚀
    到目前为止,基于多晶硅太阳能电池的硅是目前商业化大规模生产的主体。通常使用线锯切割硅锭来生产晶片,这个工艺将会在晶片表面上形成深度大约10祄的微小裂痕,因为它将减小晶片的机械强度,并增加在表面区域的重组,所以必须设法消除线锯引起的损伤。传统上采用快速溶液刻蚀方法来消除这种线锯损伤。考虑到结晶面取向及杂质导致的局部不同的刻蚀速度,大约几个微米随机分布的缺口将出现在整个表面上(如图11所示),这种结构不利于光反射损耗。但是,为了得到高效率的太阳能电池,又必须得减小这个表面上的光反射率。



    图9. 经308nm准分子激光退火及再结晶后形成的高度有序的多结晶硅层(The Japan Steel Works Ltd.)。




    图10. 大尺寸多晶太阳电池板装置。




    图11. 多晶硅晶片经刻蚀液处理后的表面微观视图。



    准分子激光对凸刻蚀层进行刻图
    通过引入基于准分子激光器的加工工艺,可以显著提升太阳能电池总的光吸收效率。采用波长为308nm或248nm的准分子激光器对SiNx凸刻蚀层进行大面积掩膜投影加工,可以得到规则的孔形图案。经准分子激光器烧蚀后的SiNx凸刻蚀层经刻蚀液处理后最终转化为如图12所示的结构。
    通过对SiNx凸刻蚀层(包含准分子激光烧蚀形成的精确的10祄直径小孔)进行刻蚀,得到了点距为20祄的规则图案[5]。
    经准分子激光工艺处理后获得的规则表面结构,可以将入射光转向,以掠射角度射向玻璃-空气界面,从而发生全内反射,进而再将光反射回电池表面。在封装之后,总的光反射率由34%减小至11%,从而使总的电池效率增长了0.4%。



    图12. 采用准分子激光器对SiNx凸刻蚀层进行刻图,并随即对多晶硅晶片刻蚀处理后,得到了规则的表面结构。




    图13. 薄的HTS带与图中所示数量的铜线可以传送相等的电力。



    目前先进的准分子激光器可以提供几百瓦的输出功率及几百赫兹的脉冲重复频率,在对SiNx凸刻蚀层进行大面积紫外刻图时,可以达到每个太阳能电池(尺寸为156mm×156mm)只需几秒钟的处理速度。

    使超导体商品化
    新兴的高温超导体(HTS)产业推动了磁场能量存储以及工作电流密度高于传统铜缆系统100倍的电能传输网应用。与传统技术相比,采用基于HTS的系统(可由液氮冷却),将会带来更高的效率,更高的电流、电场及电力,更高的功率密度,更轻的重量和更小的尺寸等技术优势。这一点在图13上得到了很好的阐释,携带同样电流所需的铜缆数量远远多于扁小的HTS带,后者仅包含了1祄厚的超导YBCO层。未来HTS在节省成本及能耗上的巨大潜力,将使其成为突破技术屏障的首选方案。而现阶段对于商业化HTS而言,最关键的是找到节省成本的高性能薄膜沉积技术[6]。

    传统HTS薄膜的金属有机沉积
    金属有机沉积(MOD)是超导体金属氧化物薄膜沉积中最有前途的化学工艺。在传统的MOD工艺中,包含有适当金属原子(典型为Y、BA 和Cu)的有机前驱溶液被浸覆在衬底层上。随后,在500℃和1000℃下进行重复的加热和烘干步骤,这分别用于有机溶剂的移除及氧化。由于基于溶液的沉积本身是一个很快的过程,所得到的YBCO层的晶体结构以及电流密度性能都是不充分的。这个问题甚至无法通过耗时的重复加热和烘干工艺来克服。

    在准分子激光辅助下的有机金属沉积
    通过AIST和JSW的日本研究者的演示,我们可以看到准分子激光用于加速整个加工时间并提升薄膜性能方面的巨大能力。当采用他们那种ELAMOD(Excimer Laser Assisted MOD,准分子激光辅助下的有机金属沉积)方法时,传统耗时的加热及烘干工艺被更快速的308nm大面积准分子激光照面工艺所取代,这将使加工速度提高5倍,并使超导薄膜的性能提升3倍。图14中所示的颜色急剧变化,反映了由于YBCO层中化学键断裂及重组(由准分子激光器诱发)引起的性能提升。



    图14. 通过ELAMOD方法获得的YBCO超导体薄层。黑色区域是经准分子激光掩膜形成的,表现出显著的性能提升(由光化学愈合反应引起)。




    图15. 传统的溶液沉积YBCO与准分子激光照射处理的YBOC超导体层的临界电流密度比较。



    当用液氮冷却由准分子激光照射处理的YBCO层时,测量得到了多于六百万 Acm-2的临界电流密度(见图15)。这使得ELAMOD方法(如脉冲准分子激光沉积,PLD)成为推进大规模超导体商业化进程的最有前途的方法。
    事实上,ELAMOD方法取得了目前最大的电流密度,高于通过化学溶液沉积工艺所得到的最大电流密度[7]。
    在最后这个关于潜在HTS市场的例子中,由于采用准分子激光带来的加工速度增长,将显著降低生产成本,并允许更经济地大规模生产高质量的半导体薄膜设备(采用掩膜刻蚀方法)及HTS带(采用卷-卷结构)[8]。
    未来的应用还包括超导体故障电流限制器(用于稳定电网能量),图案化的微波过滤器及天线结构,这将能在拥挤的市区为手机提供更好的通信能力。

    准分子激光的美好未来
    准分子激光在精密和大面积加工应用领域超越了任何其他激光和非激光技术。
    在对突破材料限制需求越来越迫切的时代,准分子激光器再次站在了尖端工业激光解决方案的最前沿。
    正如上面所指出的,通过采用紫外准分子激光解决方案,可以帮助各式各样的成熟及新兴高科技产品(如显示,汽车制造,可再生能源工业)越过其内在的性能瓶颈(这仅是表面上的)。
    微型化,尤其是薄膜技术的使用,是目前工业制造领域的必然趋势。推进薄膜技术,不仅可以节省开销,如在太阳能光电产业中,采用多晶硅可以节省50%的最终模块成本;而且可以提升性能,如在显示领域需要采用足够薄的导电氧化层,从而保证光学透明。在对这些薄的功能层(厚度仅仅为50nm到2祄)进行大面积选择性刻图,照明及退火处理方面,凭借着无与伦比的紫外光子能量,准分子激光器将继续保持其王者地位。
     
    作者: Ralph Delmdahl  相干公司

    参考文献
    1. A. Masters, T. Geuking, Laser Focus World 41 (66), 99-103, 2005
    2. R. Delmdahl, R. Paetzel, Appl. Phys. A 93 (3), 611-615, 2008
    3. F. Gaebler, M. Schultze, Laser + Produktion, 30-32, 2008
    4. R. Paetzel, B. Turk, J. Brune, S. Govorkov, F. Simon, phys. stat. sol. 10, 3215-3220, 2008
    5. P. Engelhart et al., Progress in Photo-voltaics: Research and Applications 15, 234-237, 2007
    6. A. Usoskin et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, No.2, 3235-3238, 2007
    7. M. Sohma et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, No.2, 3612-3615, 2007
    8. R. Delmdahl, L. Herbst, Superconductor Week 20, No.12, 21-25, 2006
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