CN102596482B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

脉冲序列中的一系列脉冲在基底上的材料薄膜中划线，每个脉冲具有有益的时域功率波形而不是传统的激光时域功率波形。有益的时域脉冲波形具有尖峰/平台-椅状波形或矩形脉冲波形。在薄膜中划线是通过以下方式来完成的：将一系列激光脉冲光斑放置在待划线上，使得在沿着线的相邻激光脉冲光斑之间具有交叠面积。与使用传统脉冲波形实现的划线加工相比，使用一系列具有有益脉冲波形的激光脉冲而在薄膜中划线产生了较好的品质和较干净的划线加工。

Description

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
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 Apparatusto Scribe a Line in a Thin Film Material Using a Burst of Laser PulsesWith 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 AluminumGarnet，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***与方法。
发明内容
本发明涉及在一种使用脉冲群在基底上的材料薄膜层中划线或切割线的方法，该脉冲群在图1A中示意性示出并且包括具有有益地成形的时域脉冲波形，使用此脉冲波形而不是使用由激光器发出的传统的时域脉冲波形具有提高薄膜划线加工的品质和产量的各种优点。在一种实施例中，一般可以将有益地成形的脉冲描述为椅形功率时域分布：如在图1B中示意性地示出的：在初始功率尖峰后跟随着明显较长但功率较低的平台。在横跨具有某些光斑交叠的薄膜材料扫描聚焦激光光斑的多脉冲的划线加工中，如果使用此一般形式的有益地成形的脉冲，而不是使用先前使用的传统适于脉冲波形，则实现了划线加工品质的显著改善。更具体地，脉冲群中的每个脉冲的脉冲长度(FWHM，半峰全宽)在1ns到200ns之间，并且尖峰的脉冲长度FWHM大于0.3ns而小于全脉冲的脉冲长度的30％。尖峰的峰值功率在总脉冲的平均功率的1.5倍到10倍之间。
在另一种实施例中，划线加工使用在图2A中示意性地示出的激光脉冲群，其中每个脉冲具有有益地成形的脉冲波形，可以将该脉冲波形描述为如图2B所示的具有迅速上升的前沿的简单的矩形顶脉冲波形。在横跨具有某些光斑交叠的薄膜材料扫描聚焦激光光斑的多脉冲的划线加工中，如果使用此矩形顶形式的有益地成形的脉冲，而不使用以前使用的传统时域脉冲波形，则实现了划线加工的品质的提高。更具体地，矩形脉冲的脉冲长度(FWHM，半峰全宽)在1ns到200ns之间。
在薄膜划线加工中使用有益的脉冲波形具有许多优点。例如，对于通常在太阳能电池板中使用的玻璃基底上的氧化锌薄膜的激光划线，与使用传统激光时域脉冲波形时在基底中的确产生明显微裂纹相比，使用方形时域脉冲波形在玻璃基底中没有产生微裂纹。在相同材料上，与使用传统激光时域脉冲波形时在玻璃基底中和ZnO材料的划线边缘上产生明显的微裂纹相比，使用尖峰/平台-椅状脉冲波形在玻璃基底中或在ZnO材料的划线边缘上都没有微裂纹产生。此外，使用尖峰/平台-椅状脉冲波形还导致在划线处的ZnO残渣和碎片的产生明显减少。因此，使用有益脉冲波形明显提高了由此产生的器件的品质，并且由于增加了可接受的从而前进到下一生产阶段的器件数量，所以还明显提升了器件产量。
大多数激光器被设计成提供最大平均功率或脉冲能量或重复频率，但是很少考虑到输出脉冲的波形。如在图3示意性地示出的，自由激光振荡、Q开关或锁模激光器的传统时域脉冲波形具有上升前沿、圆顶以及逐渐下降的下降沿。此脉冲波形主要由激光增益介质、激光泵浦器件以及腔的设计决定。但是，可以控制某些激光***的输出脉冲波形。可以通过提供脉冲电子驱动信号以简单的方式用脉冲启动脉冲激光源如二极管激光器。由此产生的光学激光脉冲的脉冲波形可以通过选择至二极管激光器的电子驱动信号的波形来预先确定。然后，来自这样的脉冲激光源的成形信号可以在激光学放大器如光纤激光学放大器中被放大。在本发明另一种实施例中，提供了这样设计的振荡放大器激光***，以产生具有适用于对薄膜材料划线的有益地成形的时域脉冲波形的一系列激光脉冲。
在另一实施例中，提供了更复杂的激光***，以产生具有有益地成形的时域脉冲波形的一系列激光脉冲。包括2008年9月12日提交的题为“Method and system for a Pulsed Laser Source Emitting Shaped OpticalWaveforms(用于发出成形的光波形的脉冲激光源的方法与***)”的美国专利申请No.12/210,028的附录A描述了可调脉冲激光源的示例。脉冲激光源包括适于产生种子信号的种源以及具有第二端口、第三端口和耦接至种源的第一端口的光环行器。脉冲激光源还包括：适于产生成形的电波形的调制器驱动器；以及耦接至调制器驱动器并且适于接收成形的电波形的调幅器。调幅器的特征在于第二侧和耦接至光环行器的第二端口的第一侧。脉冲激光源还包括特征在于输入端和反射端的第一光学放大器。输入端耦接至调幅器的第二侧。此外，脉冲激光源包括耦接至光环行器的第三端口的第二光学放大器。包括2008年9月27日授权的题为“Method andSystem for Pulsed Laser Source with Shaped Optical Waveforms(用于具有成形的光波形的脉冲激光源的方法与***)”的美国专利No.7,428,253的附录B也描述了可调脉冲激光源的示例。
在再一种实施例中，提供了另一种激光器设计以产生具有有益地成形的时域脉冲波形的一系列激光脉冲。包括美国临时申请No.61/186,317的附录C描述了稳定的脉冲激光源的示例。该脉冲激光源包括适于产生稳定化的光辐射的稳定化源以及具有第二端口、第三端口和耦接至稳定化源的第一端口的光环行器。脉冲激光源还包括适于产生期望波形的信号脉冲的信号源，其中，信号源耦接至光环行器的第二端口。脉冲激光源还包括耦接至光环行器的第三端口的光学放大器。
根据需要，有许多设计可以用于提供有益地成形的时域脉冲信号。在本发明的又一种实施例中，公开了一种材料加工***，以在基底上的薄膜材料的单层或更多层中划线或切割线。该***包括提供一种或更多种用于最优地加工薄膜材料的有益地成形的时域脉冲波形，以实现以下益处中的一个或更多个益处：(1)减小或排除基底中微裂纹的形成；(2)减小或排除沿着薄膜切割面积的边缘的微裂纹的形成；(3)减小碎片的形成；以及(4)减小表面面积的残渣。除了激光器外，材料加工***还包括：聚焦、成像以及沿着横跨薄膜材料的线来扫描激光束以进行划线加工的器件；调节扫描的激光光斑的交叠的器件；以及控制加工的计算机。在相关的实施例中，材料加工***可以包括使用谐波的产生过程来改变激光波长的器件。
与传统的技术相比，使用本发明可以实现许多益处。例如，在根据本发明的实施例中，提供了适用于薄膜材料的激光划线的高功率脉冲激光器，与具有相当性能特性的激光器相比，其利用了廉价的紧凑架构。此外，在根据本发明的实施例中，提供了适用于薄膜材料的激光划线的脉冲激光器，使得可以成形光脉冲来最优化用于薄膜材料的划线的激光脉冲分布。取决于实施例，存在包括如加工物品的品质与产量的提高等许多益处。在本说明以及下文中更加具体地描述这些以及其他益处。参考下面的详细描述与附图，可以更加全面地理解本发明的各个另外的目标、特征以及优点。
附图说明
图1A是示出了适用于在基底上的薄膜材料中划线的脉冲群的示意图，所示脉冲群具有有益地成形的椅状脉冲形式的脉冲波形。在本图中，时间在横轴上，功率沿纵轴；
图1B示出了尖峰/平台-椅状脉冲波形的实施例；
图1C示出了具有下垂的尖峰/平台-椅状脉冲的实施例；
图1D示出了椅状脉冲波形的另一种实施例；
图1E示出了椅状脉冲波形的又一种实施例；
图2A是示出了适用于在基底上的薄膜材料中划线的脉冲群的示意图，所示脉冲群具有有益地成形的矩形脉冲形式的脉冲波形；
图2B示出了平顶矩形脉冲，其中，时间在横轴上，功率沿纵轴；
图2C示出了具有下垂的矩形脉冲，其中，时间在横轴上，功率沿纵轴；
图3是示出了用于在基底上的薄膜材料中划线的传统激光脉冲的时域脉冲波形的示意图。在本图中，时间在横轴上，功率沿纵轴；
图4是示出了穿过薄膜材料中的激光划线加工的基底的俯视图的示意图，划线加工使用多激光脉冲，使得每个加工面积与由前一个脉冲加工的面积和下一个脉冲加工的面积交叠。在此具体的示图中，光斑交叠大约是30％，但是选择用于加工的光斑交叠值可以在10％到95％的范围内；
图5A是示出了沉积在基底36上并且具有在薄膜中划线出的沟槽35的单薄膜材料37的横截面侧视图的示意图。此外，还示出了基底的微裂纹40、划线薄膜的边缘的微裂纹39以及来自可粘附至表面的被烧蚀的薄膜材料的残渣与碎片38。这样的微裂纹和残渣与碎片常常是由于在激光划线薄膜材料时使用传统的激光脉冲波形而产生的；
图5B是示出了使用本发明另一种实施例获得的图5A所示结构的横截面侧视图的示意图，但是在基底中没有微裂纹并且划线后的薄膜的边缘的微裂纹减少了；
图5C是示出了使用本发明另一种实施例获得的图5A所示结构的横截面侧视图的示意图，但是在基底中和划线后的薄膜的边缘都没有微裂纹，并且残渣与碎片的数量也减少了；
图6是根据本发明实施例的具有可调脉冲特征的脉冲激光器的简化示意图，该脉冲激光器提供具有有益的脉冲波形的激光脉冲输出群；
图7是根据本发明实施例的具有可调脉冲特征的脉冲激光器的简化示意图，该脉冲激光器提供具有有益的脉冲波形的激光脉冲输出群；
图8是根据本发明另一种实施例的具有可调脉冲特征的脉冲激光器的简化示意图，该脉冲激光器提供具有有益的脉冲波形的激光脉冲输出群；
图9是根据本发明实施例的适合于在基底上的薄膜中划线的激光加工***的简化示意图；以及
图10是示出了根据本发明实施例的一种用于使用具有有益的脉冲波形的脉冲群在薄膜材料中划线的方法的流程图。
附录A、B以及C提供了关于激光器的其他信息，并且其全部公开内容通过引用合并到本说明中。
具体实施例
在太阳能电池、平板显示器以及数字显示器的制造过程中，沉积在玻璃基底上的透明导电氧化物(TCO)材料薄膜必须通过在TCO材料中划线来分割，由此进行分割从而提供了在线的一侧的TCO部分与在线的另一侧的TCO部分之间的电绝缘。使用脉冲激光的划线是使用多激光脉冲群的多脉冲加工，因此，每个脉冲都在薄膜上聚焦成光斑，并且沿着期望的待划线扫描光斑，使得每个光斑与前一个光斑之间及与后一个光斑之间具有一些交叠。划线宽度主要由聚焦的激光光斑的大小来决定。用于在玻璃基底上的ZnO薄膜中划线的宽度在从10微米到100微米的范围内，当然，可以实现甚至更细的线。一定数量的光斑交叠用于充分地去除掉TCO材料，以在基底上留下干净的划线。因此，划线过程本质上是多脉冲过程，而非单脉冲过程。脉冲之间的交叠量可以用于控制划线过程。例如，薄膜越厚，可以使用越多的交叠。在一个示例中，脉冲交叠是30％，但是该值随着要加工的材料的属性而可以从低至10％到高达95％之间变化。
图4示出了薄膜的激光划线的示意性表示。尽管划线加工通常是激光束先穿过基底再到达薄膜的第二表面加工，但是待使用的激光也可以不穿过基底而直接对薄膜划线。对薄膜进行的激光划线是需要包括有至少10个脉冲的激光脉冲群的多脉冲加工。每个脉冲都在薄膜材料处聚焦或成像为光斑。脉冲群中的第一脉冲31被定向为使得第一光斑处在待划线的起始位置处。脉冲群中每个跟随的脉冲被定向至与前一个脉冲相邻、但是具有在10％到95％之间的某些交叠值OL％的光斑。图4所示的光斑交叠值大约是30％。这样，脉冲群中的每个脉冲被定向至沿着待划线的位置，并且最后的脉冲32被定向成使得来自最后的脉冲的光斑处于待划线的末端。如果N是脉冲群中的脉冲数量，d是薄膜处的聚焦光斑的直径，OL％是百分比形式的交叠值，则划线的长度L由如下公式给出：
L＝dN-d(N-1)(OL％)/100
划线的宽度是聚焦光斑的尺寸、光斑交叠率以及与薄膜的相互作用的函数；理想地，划线的宽度与聚焦光斑的直径大致相同。对光斑交叠率的选择是改变以使加工最优化的加工参数。对于很薄的材料，经常可能使用很低的光斑交叠率如10％，其提供了如最高达1m/秒的快速划线速度。对于较厚的材料，通常选择较大的交叠率以干净地去除掉薄膜材料。
图5A是示出了沉积在基底36上并且具有在薄膜中划出的沟槽35的单个薄膜材料37的侧视图的示意图。此外，还示出了基底的微裂纹40、切割薄膜的边缘的微裂纹39以及来***蚀的薄膜材料并且可以粘接至表面的残渣与碎片38。这样的微裂纹和残渣与碎片常常是由于在激光划线薄膜材料时使用如在图3中示意性地示出的传统激光脉冲波形而产生的。本发明的目的是提供一种通过减少或消除微裂纹和残渣与碎片的形成来提高薄膜品质的方法与装置。
图1A和图2A分别示出了根据本发明实施例的具有各种有益的脉冲波形的脉冲群11和脉冲群21，使用图3所示的具有传统脉冲波形的脉冲群进行相同的加工而获得的较低品质相比，使用脉冲群11和脉冲群21提高了在玻璃基底上的薄膜中划线的品质。每个脉冲群包括至少10个脉冲。具体地，图2A示出了根据本发明的一种实施例的脉冲群。图2B示出了根据本发明实施例的有益脉冲波形，其具有值为T1的脉冲长度FWHM、值为RT1的前沿上升时间(10％到90％)以及值为FT1的后沿下降时间(90％到10％)。平顶的峰值功率为H1。与使用具有传统脉冲波形的脉冲群的划线相比，如图5A所示，呈现了玻璃基底与ZnO划线边缘的明显的微裂纹，使用图2B的矩形脉冲波形的脉冲群的划线，如图5B所示，在玻璃基底中没有呈现出微裂纹，并且在ZnO划线面积的边缘中呈现微裂纹的减少。在本发明的一种实施例中，使用来自具有图2B的脉冲波形的激光的脉冲群在玻璃基底上的ZnO薄膜中划线，其中，激光波长是1064nm；玻璃基底的厚度是6mm；ZnO的厚度是450nm；划线宽度是54微米；脉冲能量是135微焦耳；光斑尺寸是50微米；脉冲长度是50ns；RT1与FT1的值都为1ns；重复频率为每秒36,000脉冲；以及光斑交叠率具有不同的值(包括10％、25％以及50％的交叠率)，在这种情况下的划线没有显示出基底的微裂纹。此外，划线加工的效率随着去除的材料的宽度的增加而增加，在相同的脉冲能量下，随着去除的材料的宽度从使用传统脉冲波形的44微米增加到针对矩形脉冲波形的54微米，划线加工的效率也增加。将脉冲波形变为矩形脉冲波形的确提供了划线宽度的明显增加，并且有效地防止了玻璃基底中微裂纹的形成。但是根据本发明实施例的具体参数不限于这些值，在一种实施例中，矩形脉冲的脉冲长度T1可以是1ns到200ns。矩形脉冲的上升时间RT1可以大于0.3ns而小于脉冲长度T1的10％。下降时间FT1可以小于脉冲长度T1的30％。即使矩形脉冲波形具有如图2C所示的某种下垂，但只要下垂使得H1-H2小于H1的50％，则也可以实现类似的改善。
可以通过使用不同值的光斑尺寸和划线速度来实现类似的改善。例如，当使用具有42微焦耳的脉冲能量、以每秒72,000个脉冲运行、聚焦成尺寸为25微米的光斑并且具有不同的光斑交叠值(包括10％、25％以及50％的交叠率)的激光进行线宽度为25微米的划线时，观察到品质的类似改善。同样地，使用具有7微焦耳的脉冲能量、以每秒26,000个脉冲运行、聚焦成10微米的光斑并且具有不同的光斑交叠值(包括10％、25％以及50％的交叠率)的激光时，也观察到ZnO划线品质的类似改善。在所有的情况下，使用如本文所描述的矩形平顶脉冲产生了划线品质的上述改善。
对于非常薄的膜，可以使用很小的交叠率来去除每个聚焦光斑处的材料，但是随着材料厚度的增加，最好可以增加光斑的交叠率而不是增加脉冲能量。相比在光斑交叠率很高的情况下的划线的边缘，低光斑交叠率可以在划线的边缘中导致更多的调整(modulation)。但是，每个光斑交叠的边缘处的这种尖锐点与在薄膜边缘处见到的微裂纹是不同的。从而，在一种实施例中，对于脉冲波形中任一脉冲波形，在不影响微裂纹的情况下，都通过增加光斑交叠率来减小光斑交叠处的尖锐边缘。
在本发明的另一种实施例中，使用如在图1A中示意性地示出的激光脉冲群来蚀刻薄膜材料。每个脉冲群包括至少10个脉冲。在实施例中，脉冲群中的每个脉冲具有如图1B中示意性地示出的有益脉冲波形，该有益脉冲波形被描述为尖峰/平台-椅状脉冲波形。在图1B中，脉冲波形包括两个面积：具有峰值功率H3、上升时间RT3以及FWHM宽度T3的初始尖峰以及具有峰值功率H4与下降时间FT4的平台。处于10％的峰值功率处的总脉冲长度是T4。与使用具有图3的传统脉冲波形的脉冲群在ZnO薄膜中所划的如图5A所示的线(其呈现ZnO划线的边缘与玻璃基底的明显的微裂纹)相比，使用具有图1B的椅状脉冲波形的脉冲群所划的如图5C所示的线，没有呈现玻璃基底中的微裂纹和ZnO划线面积的边缘中的微裂纹。此外，随着划线以一种与早先描述的矩形脉冲波形的方式类似的方式变宽，划线加工的效率增加。与使用图3的传统脉冲波形时所观察到的情况相比，对于图1B的椅状脉冲波形而言，在划线加工中产生的ZnO残渣和碎片也明显减少。使用根据本发明实施例的具有图1B的脉冲波形的脉冲群在厚度为6mm的玻璃基底上的厚度为450nm的薄膜ZnO层中划宽度为54微米的线时的具体参数为：激光波长是1064nm；脉冲能量是135微焦耳；重复频率是每秒36,000个脉冲；光斑尺寸是50微米；脉冲长度T4是50ns；上升时间RT3是1ns；下降时间FT3是1ns；尖峰脉冲长度T3是10ns；功率比H3/H4是3:1；以及不同的光斑交叠值(包括10％、25％以及50％的交叠率)。可以实现高于1m/秒的划线速度。但是，根据本发明实施例的具体参数不限于这些值。在一种实施例中，脉冲长度T4可以在1ns与200ns之间，并且尖峰的脉冲长度T3可以大于0.3ns而小于T4的30％。上升时间RT3可以大于0.1ns并且小于T3的30％，比率H3/H4可以大于1.5而小于10。光斑交叠率可以在10％到95％之间。
使用不同值的光斑尺寸与划线速度可以实现类似的改善。例如，使用具有34微焦耳的脉冲能量、以每秒72,000个脉冲重复、聚焦成尺寸是25微米的光斑并且具有不同的光斑交叠值(包括10％、25％和50％的交叠率)的激光，观察到ZnO划线的品质的类似提高。同样地，使用具有4微焦耳的脉冲能量、以每秒260,000个脉冲运行、聚焦成10微米的光斑并且具有不同的光斑交叠值(包括10％、25％以及50％的交叠率)的激光，也观察到ZnO划线的品质的类似改善。在所有情况下，使用如本文中所描述的椅状脉冲产生了划线品质的上述改善。
如图1所示，存在可以提供薄膜划线加工的品质的一些益处的椅状脉冲波形的其他变体。例如，只要H6-H7小于H6的50％，则预期如图1C所示的具有下垂的尖峰/平台状脉冲可以提供显著的益处。还可以使用如图1D所示的在平台中间具有尖峰的脉冲波形，或如图1E所示的具有从平台被移置时间T12的尖峰的脉冲波形。在一种实施例中，当在玻璃基底上的ZnO薄膜中划线时，使用小于5ns的值T12。在本申请中所描述的实施例不一定包括形成激光脉冲群中的有益脉冲波形以使ZnO薄膜中的划线最优化从而与使用传统脉冲波形的激光所实现的加工品质与产量相比提高加工的品质和产量的所有可能性。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、修改以及替代。
本发明实施例的应用不限于ZnO薄膜或TCO薄膜。使用根据本发明中公开的实施例的有益脉冲波形有益于对多种材料的薄膜进行划线。并且，除了1064nm之外，对本申请中的有益脉冲波形的使用还将受益于对待划线的薄膜材料的适当的其他波长的使用。激光波长的选择部分地由待烧蚀材料的吸收性决定。除了1064nm，激光在包括1032nm、1.3微米、1.5微米、2微米以及其他长度的许多其他波长处也都是可用的。此外，由于需要使用非线性过程如谐波产生，所以可能实现其他波长；在这种情况下，在1064nm下运行的激光器可以将波长改变到532nm(绿光)、354nm(接近紫外光)、266nm(紫外光)等。在如绿光或紫外光之类的较短波长处吸收性高的一些情况下，如本文中所描述的非常薄的薄膜的划线过程可以受益于对谐波波长的使用。
薄膜材料的基底不限于玻璃。另一种普通的基底材料是聚合物或塑料。在激光束必须穿过基底的对基底的第二表面上的膜划线的情况下，激光波长的选择限于基本上透过基底的波长。但是，根据本发明中公开的实施例的有益脉冲波形的使用不限于薄膜的第二表面划线。当不穿过基底而对薄膜直接划线时，有益脉冲波形的应用可以是同样有益的。
参考图6，示出了能够产生本申请中公开的那种有益脉冲波形的激光***。此激光***包括由电子驱动器53供以动力的振荡器51，并且包括放大器52。可以以简单的方式通过提供脉冲电子驱动信号来脉冲启动激光源如二极管激光器。可以通过选择由电子驱动器53发送至振荡器51的电子驱动信号55的波形，来预先确定产生的脉冲群56中的每个光学激光脉冲的脉冲波形。然后，来自这样的脉冲激光振荡器中的成形信号在激光学放大器如二极管泵浦激光器或光纤激光学放大器中被放大，以这样的方式使得输出脉冲的脉冲群57中的每个脉冲的脉冲波形与由振荡器提供的脉冲波形相比基本维持不变。
振荡器激光器可以包括半导体激光器、光纤激光器、二极管激光器或分布式反馈二极管激光器。在具体的实施例中，脉冲信号源是工作在1064nm波长下的半导体二极管激光器，其具有：1瓦特的峰值脉冲功率、最高可变化至500KHz(千赫兹)的重复频率、以及具有次纳秒脉冲上升时间的100纳秒的脉冲宽度。在可替代的实施例中，脉冲信号源的峰值光学功率可以低于或高于1瓦特。例如，其可以是500mW、1瓦特、2瓦特、3瓦特、4瓦特、5瓦特或更高。此外，脉冲宽度可以小于或大于100纳秒。例如，其可以是1ns(纳秒)、2ns、10ns、20ns、50ns、200ns、500ns或更大。在可替代的实施例中，光脉冲可以更为复杂并且可以包括有益地成形的脉冲如图2A的矩形脉冲或图1A的椅状脉冲。振荡器激光器由电子驱动器来驱动，使得振荡器激光器的输出脉冲波形模仿电子驱动器提供的当前脉冲波形。
振荡器51的输出在激光学放大器模块52中被放大，激光学放大器模块52包括如光纤激光学放大器或二极管泵浦固态圆棒激光器。在本发明的一种实施例中，放大器是光学放大器，其包括经由光耦合器耦接至稀土掺杂的光纤环的泵。尽管光学放大器的泵浦可以通过如对本领域普通技术人员会很明显的其他方式来实现，但是一般地，将半导体泵浦激光器用作泵。在具体的实施例中，光学放大器包括5米长的稀土缠掺杂的光纤，该稀土缠掺杂的光纤具有大约为4.8微米的芯径，并且掺杂有镱，其掺杂浓度至大约6×1024个离子/m3。放大器还包括为运行在976nm波长下具有500mW的输出功率的FBG(光纤布拉格光栅)稳定半导体激光二极管的泵。在另一种具体的实施例中，光学放大器160包括长度为2米的稀土缠掺杂的光纤，该稀土缠掺杂的光纤具有大约10微米的芯径，并且掺杂有镱，其掺杂浓度至大约1×1026个离子/m3。放大器还可以包括为具有5W输出功率的半导体激光二极管的泵。
尽管给出了针对掺镱光纤放大器和1064nm激光波长的示例，但是运行在1064nm或其他波长下的二极管激光器、固态激光器以及掺杂光纤的其他示例可以用在本发明的其他实施例中。这些包括如在1550nm波长面积的掺铒光纤以及在2微米到3微米的波长面积中的掺铥光纤。在可替代的实施例中，在光学环行器120的下游，利用多个适合于具体应用的光学放大器。
参考图7，在本发明的实施例中，提供了产生有益脉冲波形的脉冲群的脉冲激光源。脉冲激光源包括：适于产生种子信号的种源110；以及具有第二端口122、第三端口116以及耦接至种源的第一端口114的光环形器120。脉冲激光源还可以包括调幅器130，调幅器130的特征在于第二侧134和耦接至光环形器120的第二端口122的第一侧132。脉冲激光源还可以包括第一光学放大器150，第一光学放大器150的特征在于输入端136和反射端146。输入端136耦接至调幅器130的第二侧134。此外，脉冲激光源包括耦接至光环行器120的第三端口116的第二光学放大器160。尽管图7示出了使用耦接至光环行器120的第三端口的一个光学放大器160，但是本发明的某些实施例不要求使用此光学放大器160。在可替代的实施例中，在光学环行器120的下游，利用多个适合于具体应用的光学放大器。对于本发明实施例的另外描述可以在于2008年9月12日提交的题为“Method and system for a Pulsed Laser Source Emitting shapedOptical Waveforms(用于发出成形的光波形的脉冲激光源的方法与***)”的共同受让的美国专利申请No.12/210,028中找到，该申请是于2008年9月27日授权的题为“Method and System for Pulsed Laser Source withShaped Optical Waveforms(用于具有成形的光波形的脉冲激光源的方法与***)”的美国专利No.7,428,253的部分继续申请，美国专利申请No.12/210,028和美国专利No.7,428,253分别被包括在附录A和B中，出于所有目的，其全部公开内容通过引用合并到本申请中。
参考图8，在本发明的另一种实施例中，提供了产生有益的脉冲波形的脉冲群的脉冲激光源。脉冲激光源包括适于产生稳定化的光辐射的稳定化源210以及具有第二端口216、第三端口218和耦接至稳定化源的第一端口214的光环行器220。脉冲激光源还包括适于产生期望波形的信号脉冲的信号源230，其中，信号源230耦接至光环行器220的第二端口216。脉冲激光源还包括耦接至光环行器220的第三端口218的光学放大器260。对本发明的实施例的另外描述可以在包括在附录C中的共同受让的美国临时申请No.61/186,317中找到，出于所有目的，其全部的公开内容通过引用合并到本申请中。
根据本发明的一种具体实施例，图9示出了能够使用产生具有有益脉冲波形的脉冲群而在薄膜材料工件304中划线的示例性激光加工***。该***304包括激光源300、波长转换器301、光学***302、控制器305以及布置在工件夹具303顶部上的工件304。激光脉冲源300提供具有一定特征如波长、脉冲长度、脉冲波形以及脉冲重复频率的激光脉冲。可以由控制器来选择波长。还可以通过波长转换器来调节波长。可以根据本发明的实施例来调节脉冲长度和脉冲波形，以使用具有有益脉冲波形的脉冲群而在薄膜材料工件304中划线。
通过波长转换器301可以将激光源300产生的波长转换成基波波长的谐波，如二次、三次或四次谐波波长。尽管某些***使用不同的激光器，但是可能使用众所周知的在非线性晶体中的谐波产生过程来从一种激光器中获取不同的波长。例如，具有大约353nm的波长的紫外光可以通过使用非线性晶体中的谐波的三倍来从具有1.06μm的波长的红外激光获得。波长转换器301可以包括光束定向器件如安装有检流计的镜子。镜子可以快速地改变来自激光源300的激光束的路径，以绕过波长转换器301中的非线性晶体，且镜子可以用于调节光束的光斑尺寸。光学***302可以包括用于将激光束聚焦在工件上的透镜和镜子以及用于将光束定向至工件上的多个位置的部件。在具体的实施例中，用于對光束定向的部件可以是安装在检流计上的镜子。控制器可以用于控制光学***和用于对光束定向的部件的运动。例如，当在薄膜工件304上划线时，光学***302可以由控制器来控制以在沿着工件的表面的线中扫描光束，使得每个聚焦的激光光斑被定向至与前一个聚焦激光光斑相邻的位置但具有交叠。在另一种实施例中，光学***可以将激光束聚焦在工件表面处，并且工件夹具可以由控制器来控制以沿着线来移动工件，使得每个聚焦激光脉冲照射在与激光脉冲群中的前一个聚焦激光脉冲相邻但是具有一些光斑交叠的位置上。
图10是示出了一种根据本发明实施例的、用于使用具有有益的脉冲波形的脉冲群在薄膜材料中划出图案的方法。在一种实施例中，图案可以是线，而在另一种实施例中，图案可以是曲线。在操作1005中，选择有益的激光脉冲时域脉冲波形。在操作1010中，提供一系列激光脉冲，其中每个激光脉冲具有有益的激光脉冲时域脉冲波形。在操作1015中，将第一激光器脉冲的光斑放置在薄膜材料上。在操作1020中，将每个后续脉冲的激光光斑沿着图案连续放置，图案可以是薄膜上的线或曲线，使得每个光斑与前一个脉冲的光斑相邻但光斑面积具有一定的交叠。
虽然已经关于具体实施例和其具体示例描述了本发明，但是应当理解其他实施例可以落入本发明的精神和范围之内。因此，应当参考所附权利要求以及等同描述的全部范围来确定本发明的范围。

Claims (24)

1.一种基于激光的加工方法，包括：
提供特征在于第一脉冲和至少9个跟随脉冲的一系列激光脉冲，其中，所述一系列激光脉冲中的每个激光脉冲的特征在于尖峰/平台椅状激光脉冲波形，并且所述一系列激光脉冲中的每个激光脉冲的特征还在于具有激光光斑面积的激光光斑；以及
通过以下操作沿着图案往下一直到基底来去除沉积在所述基底上的薄膜材料：
将所述第一脉冲的所述激光光斑穿过所述基底放置在所述薄膜材料上的光斑位置处；以及
将所述一系列激光脉冲中的所述跟随脉冲中的每个脉冲的所述激光光斑穿过所述基底放置在沿着所述薄膜上的所述图案的光斑位置处，以使得每个光斑位置与前一个脉冲的所述激光光斑的所述光斑位置相邻，并且存在光斑位置的交叠，以使得每个光斑的面积与每个前一个光斑的面积交叠一定量，其中所述激光脉冲波形被配置为使得在所述薄膜材料中的所述图案的边缘不形成微裂纹。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图案是线。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述图案是曲线。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，两个相邻光斑的面积交叠大于10％而小于95％。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光光斑面积大于0.0000001平方厘米而小于0.0001平方厘米。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述薄膜材料是氧化锌。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述薄膜材料是透明导电氧化物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述薄膜材料是从非晶硅、碲化镉、二硒化铜铟、铜铟镓二硒以及钼中选择的。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光脉冲波形包括的脉冲的半峰全宽即FWHM脉冲长度大于1ns而小于200ns。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述激光脉冲波形具有上升沿上升时间和下降沿下降时间，使得所述上升沿上升时间小于所述脉冲长度的10％。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述激光脉冲波形具有下降沿下降时间，使得所述下降沿下降时间小于所述脉冲长度的30％。
12.一种基于激光的加工方法，包括：
提供特征在于第一脉冲和至少9个跟随脉冲的一系列激光脉冲，其中，所述一系列激光脉冲中的每个激光脉冲的特征在于尖峰/平台椅状激光脉冲波形，并且所述一系列激光脉冲中的每个激光脉冲的特征还在于具有激光光斑面积的激光光斑；以及
通过以下操作沿着图案往下一直到基底来去除沉积在所述基底上的薄膜材料：
将所述第一脉冲的所述激光光斑穿过所述基底放置在所述薄膜材料上的光斑位置处；以及
将所述一系列激光脉冲中的所述跟随脉冲中的每个脉冲的所述激光光斑穿过所述基底放置在沿着所述薄膜上的所述图案的光斑位置处，以使得每个光斑位置与前一个脉冲的所述激光光斑的所述光斑位置相邻，并且存在光斑位置的交叠，以使得每个光斑的面积与每个前一个光斑的面积交叠一定量，其中所述激光脉冲波形被配置为使得在所述基底中不形成微裂纹并且在所述薄膜材料中的所述图案的边缘上不形成微裂纹。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述图案是线。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述图案是曲线。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，跟随脉冲的所述激光光斑面积与前一个脉冲的所述激光光斑面积的光斑交叠的量大于10％而小于95％。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述激光光斑面积大于0.0000001平方厘米而小于0.0001平方厘米。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述薄膜材料是氧化锌。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述薄膜材料是透明导电氧化物。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述薄膜材料是从非晶硅、碲化镉、二硒化铜铟、铜铟镓二硒以及钼中选择的。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述激光脉冲波形包括的脉冲的半峰全宽即FWHM脉冲长度大于1ns而小于200ns。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述激光脉冲波形具有上升沿、下降沿和平均功率，并且所述激光脉冲波形的特征还在于具有显著小于所述脉冲长度的尖峰持续时间的功率尖峰、以及大于所述激光脉冲的所述平均功率的峰值功率。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述激光脉冲波形的功率尖峰具有大于0.3ns而小于所述脉冲长度的30％的半峰全宽即FWHM长度。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述激光脉冲波形的功率尖峰具有大于0.1ns而小于所述功率尖峰的半峰全宽即FWHM长度的30％的上升时间。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述功率尖峰的峰值功率与所述激光脉冲的所述平均功率的比率大于1.5。
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