CN102689092A

CN102689092A - 一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工方法及装置

Info

Publication number: CN102689092A
Application number: CN2012101981320A
Authority: CN
Inventors: 陈坚; 吴周令
Original assignee: HEFEI ZHICHANG PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: HEFEI ZHICHANG PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明公开了一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工方法及装置，首先用低于太阳能晶圆材料加工阈值的照射激光束照射太阳能晶圆上的待加工区域，该区域吸收了光子能量，材料温度显著提高，同时产生大量载流子，然后用加工激光束照射太阳能晶圆上的相同区域，加工激光束的能量高于太阳能晶圆材料加工阈值，用于进行对晶圆材料的加工。本发明两束激光来自于同一激光器或两台激光器，由于两束激光叠加的非线性效应，它们的总能量低于达到同等效果的单束激光的能量，提高了激光能量的使用效率，且采用相对较低功率激光器来获得同样加工速度，或者使用同样激光器而较大幅度提高有关加工速度，从而大大降低有关加工成本。

Description

一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工方法及装置

技术领域

本发明涉及激光精密加工技术领域，具体是一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工方法及装置。

背景技术

太阳能光伏发电产业正在全世界范围内以前所未有的速度快速扩张。由于太阳能具有清洁，取之不尽、用之不竭的优势，这使得它在未来世界的能源结构中必然会占有重要的一席之地。提高太阳能电池的发电效率，并达到经济上可行的量产化生产是目前太阳能发电产业的核心课题。激光技术因其快速、精确、无接触以及可控的热效应等优势，在太阳能电池生产领域有着广阔的应用前景。采用激光技术来提高太阳能电池的发电效率是也是近年来的研究热点之一。

硅晶太阳能电池是目前市场上应用最广的一种。硅晶太阳能电池是以硅晶圆作为基底，表面上形成精密的薄膜结构，例如浅掺杂层、钝化层、保护层等。这些膜层的厚度通常都在纳米量级，一般不超过1微米。激光精密加工的作用范围主要限定在这些膜层结构内。对于激光加工的效果，要求加工深度精准，同时对加工区域周围的材料的热破坏尽量小，这样才能保证所加工的电池的光电转换效率达到最优。由于这些原因，通常选择短波长的超快激光器作为光源，比如说脉冲宽度在纳秒级（10^-9秒）甚或是皮秒级（10^-12秒）的绿光或紫外激光器。

在紫外波段，激光能量的吸收主要发生在样品表面，从而有可能仅对表面或在相当浅的深度内进行精密加工。采用超短脉冲，激光峰值功率很高，材料的挥发主要是由材料分子直接在激光的强电磁场的作用下而发生，同时因为激光作用时间短，所以热扩散效应基本可以忽略。这样一来，激光作用的范围基本上仅在激光的光斑以内。这样加工的边缘比较平滑，较少发生明显的烧结等宏观热破坏现象。

由于激光加工过程是利用激光的能量将材料改性或者去除，同时还要满足工业生产条件的加工速度，因此一般需要较高的激光功率。此外，在利用高功率超快短波长激光对材料进行加工时，会同时激发等离子体，这对激光能量有屏蔽效果；而且，半导体硅晶圆等材料对短波长的反射率较大，这就意味着在加工过程中有相当一部分激光的能量浪费掉了。再有，高功率超快短波长激光器，对光学元件及材料的损伤很大，因此，适合高功率激光的光学元件需要特殊处理，因而价格昂贵。不仅如此，高功率激光器对使用环境还有较高的要求，并且需要经常维护。由于这些原因，高功率短波长激光器的价格通常相当昂贵，造成了精密激光加工设备成本居高不下。怎样充分合理的利用激光能量、在保证加工精度和速度的条件下降低激光加工设备成本就显得尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工方法及装置，解决现有的激光技术对太阳能电池、特别是硅晶圆太阳能电池加工时需要使用的高功率超短脉冲短波长激光器价格昂贵的问题。

本发明的技术方案为：

一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工方法，首先用低于太阳能晶圆材料加工阈值的照射激光束照射太阳能晶圆上的待加工区域，该区域吸收了光子能量，材料温度显著提高，同时产生大量载流子，然后用加工激光束照射太阳能晶圆上的相同区域，加工激光束的能量高于太阳能晶圆材料加工阈值，用于进行对晶圆材料的加工。

所述的照射激光束为脉冲激光束或连续激光束；所述的加工激光束为脉冲激光束。

所述的照射激光束和加工激光束分别由两台激光器发射产生或由一台激光器经分光后产生。

一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置，它包括有照射激光器、加工激光器、相对于加工激光器输出端后的光束扩散装置、相对光束扩散装置输出端后和照射激光器输出端后的光学合束镜、设置于光学合束镜后的激光扫描器和相对激光扫描器照射端的载物台。

所述的照射激光器、加工激光器选用同一激光器，相对同一激光器输出端后设置有可调分光装置，可调分光装置的一输出端后设置有光学延迟装置，所述的光束扩散装置相对设置于光学延迟装置的一输出端后，所述的光学合束镜相对设置于光束扩散装置输出端和可调分光装置的另一输出端后。

所述的光束扩散装置和光学合束镜之间、光学合束镜和激光扫描器之间均设置有激光反射镜。

所述的激光扫描器和载物台之间设置有透镜；所述的载物台上设置有真空吸附装置。

所述的可调分光装置是由顺次设置的光学偏振旋转器件和光学分束器组成。

所述的分光装置透射输出端和光学合束镜之间、光学合束镜和激光扫描器之间均设置有激光反射镜。

所述的真空吸附装置选用真空管，所述的载物台的上端面上设置有与真空管连通的定位孔。

本发明的设计原理为：

被加工材料与激光相互作用，从而使材料温度或是分子动能达到或超过了一定阈值，通过熔化、分解、挥发等过程实现对材料性质和结构改变或者是材料的移除。这个阈值与材料的温度和材料对激光的吸收率有关。一方面材料本身的温度越高，材料的分子动能也就更接近于加工阈值；另一方面材料对激光的吸收率越高，加工过程中对激光的利用率就越高，这样一来，实现材料性质变化和移除材料所需要激光能量就越低。这就相当于变相降低了材料的阈值。因此，利用经济上、技术上可行的方法来提高待加工材料的温度和吸收率，就可以采用相对较低功率激光器来获得同样加工效果，或者使用同样激光器而较大幅度提高有关加工效率，从而大大降低有关加工成本。

本发明的优点：

（1）、利用一束低于材料加工阈值的激光束照射太阳能晶圆，使得晶圆的温度升高和载流子浓度增大，从而使得材料对光子吸收率增大，这样，波长较长的激光，例如红外光，在材料中的吸收深度将大大减小，甚至吸收只在样品的表面，这样使用较长波长的激光，也可以实现精准薄膜层级的加工；而红外激光器的价格远低于短波长的紫外和绿光激光器，这也大大降低了加工成本。

（2）、当照射激光束和加工激光束来自于同一激光器，由于两束激光叠加的非线性效应，它们的总能量低于达到同等效果的单束激光的能量，这样等于提高了激光能量的使用效率；

（3）、当照射光束和加工光束分别来自不同的激光器，照射激光器可以选用价格更加低廉的长波长的宽脉冲或是连续激光器。由于照射光束的作用，使得加工激光的能量使用效率大大提高，从而大大降低有关加工成本。

附图说明

图1是本发明实施例1中一个激光光源的双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置的应用结构示意图。

图2是本发明实施例2中两个激光光源的双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置的应用结构示意图。

具体实施方式

实施例1

见图1，一个激光光源的双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置，包括有脉冲激光器1、相对于脉冲激光器1输出端的由光学偏振旋转器件2和光学分束器3组成的可调分光装置、设置于光学分束器3反射输出端后的光学延迟装置4、设置于光学分束器3透射输出端后的第一激光反射镜5、设置于第一激光反射镜5后的光学合束镜7、设置于光学延迟装置4和光学合束镜7之间的光束扩散装置6、顺次设置于光学合束镜后的第二激光反射镜8和激光扫描器9、相对激光扫描器9照射端的载物台10和设置于激光扫描器和载物台之间的透镜11；载物台10的上端面上设有若干定位孔，载物台10上设有真空管12，真空管12与载物台10上的定位孔相连通；真空管13未与定位孔相连的另一端与负压设备相连，负压设备产生的负压能够将样品13固定于载物台10上。

见图1，一个激光光源的双激光光束的太阳能晶圆精密加工方法，包括以下步骤：

脉冲激光器1的输出端产生脉冲宽度较短的激光光束，激光光束通过由光学偏振旋转器件2和光学分束器件3组成的可调分光***后分为照射激光光束和加工激光光束，加工激光光束依次通过可调光学延迟装置4、光束扩散装置6后与通过第一激光反射镜5的照射激光光束通过光学合束装置7会合形成在空间上共线的两束光，然后两束光均依次通过第二激光反射镜8和激光扫描器9；激光扫描器9根据设定的图形对载物台10上的样品13进行扫描，从而在样品13上得到设定的形状。激光扫描器9的下方设有载物台10，载物台10与激光扫描器9间设有透镜11，透镜11用于保持激光的焦点一直位于样品13的表面，同时矫正激光扫描器9的角度和光斑在样品13表面移动位置之间的线性关系。

照射激光光束照射样品13上待加工区域，该区域由于吸收了光子能量，产生大量光生载流子，同时材料温度也会显著提高，照射激光光束照射不必达到样品13的加工阈值。由于照射激光光束的照射作用，加工激光光束实现加工所需的功率将显著下降。这一方面是源于样品材料在高载流子浓度、高温下对光子吸收效率得到提高，另一方面是样品材料在高温下其分子动能本来就更接近于有关阈值。这就相当于利用第一束激光光束来对样品的材料性质进行改性，再利用第二束激光光束对材料性质改性后的样品进行加工。在达到同样加工效果的情况下，采用两束激光光束，这两束激光光束的总能量要小于采用一束激光光束直接加工所需的能量。这样一来，就可以采用相对较低功率激光器来获得同样加工速度，或者使用同样激光器而较大幅度提高有关加工速度，从而大大降低有关加工成本。而且，由于温度升高和载流子浓度增大，材料对光子吸收率增大，这样，波长较长的激光，例如红外光，在材料中的吸收深度将大大减小，甚至吸收只在样品的表面，这样使用较长波长的激光，也可以实现精准薄膜层级的加工。而红外激光器的价格远低于短波长的紫外和绿光激光器，这也大大降低了加工成本。

实施例2

见图2，两个激光光源的双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置，包括有加工激光器1、照射激光器2、相对于加工激光器1输出端的光束扩散装置3、相对于照射激光器2输出端的光学合束镜5、设置于光束扩散装置3和光学合束镜5之间的第一激光反射镜4、依次设置于光学合束镜3后的第二激光反射镜6和激光扫描器7、相对激光扫描器7照射端的载物台8和设置于激光扫描器7和载物台8之间设置有透镜9；载物台8的上端面上设有若干定位孔，载物台8上设有真空管10，真空管10与载物台8上的定位孔相连通；真空管10未与定位孔相连的另一端与负压设备相连，负压设备产生的负压能够将样品11固定于载物台8上。加工激光器1为脉冲宽度较短的脉冲激光器，以有利于对样品11的精密加工；照射激光器2为连续激光器或是脉冲宽度较宽的脉冲激光器。

见图2，两个激光光源的双激光光束的太阳能晶圆精密加工方法，包括以下步骤：

加工激光器1产生的加工激光光束依次通过光束扩散装置3和第一激光反射镜4输入到合光装置5，照射激光器2产生的照射激光光束通过合光装置5与加工激光光束会合形成在空间上共线的两束光，然后再依次通过第二激光反射镜6和激光扫描器7。激光扫描器7根据设定的图形对载物台8上的样品11进行扫描，从而在样品11上得到设定的形状。激光扫描器7的下方设有载物台8，载物台8与激光扫描器7间设有透镜9，透镜9用于保持激光的焦点一直位于样品11的表面，同时矫正激光扫描器7的角度和光斑在样品11表面移动位置之间的线性关系。

照射激光光束照射样品11上待加工区域，该区域由于吸收了光子能量，产生大量光生载流子，同时材料温度也会显著提高，照射激光光束照射不必达到样品11的加工阈值。由于照射激光光束的照射作用，加工激光光束实现加工所需的能量的要求将显著下降。这一方面是源于样品材料在高载流子浓度、高温下对光子吸收效率得到提高，另一方面是样品材料在高温下其分子动能本来就更接近于有关阈值。这就相当于利用第一束激光光束来对样品的材料性质进行改性，再利用第二束激光光束对材料性质改性后的样品进行加工。这样一来，就可以采用相对较低功率激光器来获得同样加工速度，或者使用同样激光器而较大幅度提高有关加工速度，从而大大降低有关加工成本。而且，由于温度升高和载流子浓度增大，材料对光子吸收率增大，这样，波长较长的激光，例如红外光，在材料中的吸收深度将大大减小，甚至吸收只在样品的表面，这样使用较长波长的激光，也可以实现精准薄膜层级的加工。而红外激光器的价格远低于短波长的紫外和绿光激光器，这也大大降低了加工成本。

Claims

1.一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工方法，其特征在于：首先用低于太阳能晶圆材料加工阈值的照射激光束照射太阳能晶圆上的待加工区域，该区域吸收了光子能量，材料温度显著提高，同时产生大量载流子，然后用加工激光束照射太阳能晶圆上的相同区域，加工激光束的能量高于太阳能晶圆材料加工阈值，用于进行对晶圆材料的加工。

2.根据权利要求1所述的一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工方法，其特征在于：所述的照射激光束为脉冲激光束或连续激光束；所述的加工激光束为脉冲激光束。

3.根据权利要求1所述的一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工方法，其特征在于：所述的照射激光束和加工激光束分别由两台激光器发射产生或由一台激光器经分光后产生。

4.一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置，其特征在于：它包括有照射激光器、加工激光器、相对于加工激光器输出端后的光束扩散装置、相对光束扩散装置输出端后和照射激光器输出端后的光学合束镜、设置于光学合束镜后的激光扫描器和相对激光扫描器照射端的载物台。

5.根据权利4所述的一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置，其特征在于：所述的照射激光器、加工激光器选用同一激光器，相对同一激光器输出端后设置有可调分光装置，可调分光装置的一输出端后设置有光学延迟装置，所述的光束扩散装置相对设置于光学延迟装置的一输出端后，所述的光学合束镜相对设置于光束扩散装置输出端和可调分光装置的另一输出端后。

6.根据权利4所述的一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置，其特征在于：所述的光束扩散装置和光学合束镜之间、光学合束镜和激光扫描器之间均设置有激光反射镜。

7.根据权利4所述的一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置，其特征在于：所述的激光扫描器和载物台之间设置有透镜；所述的载物台上设置有真空吸附装置。

8.根据权利5所述的一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置，其特征在于：所述的可调分光装置是由顺次设置的光学偏振旋转器件和光学分束器组成。

9.根据权利5所述的一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置，其特征在于：所述的分光装置透射输出端和光学合束镜之间、光学合束镜和激光扫描器之间均设置有激光反射镜。

10.根据权利7所述的一种使用双激光光束的太阳能晶圆精密加工装置，其特征在于：所述的真空吸附装置选用真空管，所述的载物台的上端面上设置有与真空管连通的定位孔。