透明導(dǎo)電氧化物薄膜（TCO）的激光燒蝕通常使用的是納秒調(diào)Q激光器。隨著合適的超短脈沖激光系統(tǒng)的供應(yīng)增加，制造商面臨著是否要投資新的激光系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)更高的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率。采用衍射光學(xué)元件，例如光束整形元件和分光鏡，以及現(xiàn)有的基于納秒激光器的制造系統(tǒng)，可以提高薄膜燒蝕的表現(xiàn)，例如更高的加工質(zhì)量和效率。

　　為了突出激光光束整形的優(yōu)勢(shì)，用Nd:YVO4二極管泵浦固體激光器（DPSSL）來(lái)加工氧化銦錫（ITO），使用了不同的衍射平頂光束整形元件和四倍分光鏡。生成的平頂激光光束輪廓可以用小的脈間重疊來(lái)進(jìn)行連續(xù)的刻線(xiàn)；例如以極高的刻線(xiàn)速度進(jìn)行。分光鏡是用來(lái)實(shí)現(xiàn)平行加工，以提高效率以及實(shí)現(xiàn)激光能量的可持續(xù)利用。

　　薄膜激光加工

　　激光加工已經(jīng)成為薄膜制備中不可或缺的制造技術(shù)。尤其是在薄膜太陽(yáng)能電池加工中，由單個(gè)的沉積功能層構(gòu)成的激光結(jié)構(gòu)通常是用二極管泵浦固體激光器來(lái)完成的，采用的是高斯光束輪廓、不同的波長(zhǎng)和脈沖長(zhǎng)度（納秒級(jí)范圍）。激光刻線(xiàn)過(guò)程一般被分成P1（構(gòu)成透明導(dǎo)電氧化物層）、P2（在半導(dǎo)體吸收層上刻圖）以及P3（在接觸層上刻圖）。

　　圖1：高斯光束（左邊）和平頂光束（右邊）對(duì)激光薄膜造成不同的燒蝕表現(xiàn)：激光光束輪廓的截面（a），激光燒蝕形成的圓形和矩形的激光腳點(diǎn)（b），加工的材料系統(tǒng)的截面示意圖（c）。

　　尤其是，在顯示設(shè)備、觸摸屏和有機(jī)發(fā)光二極管（OLEDs）的生產(chǎn)中也能見(jiàn)到透明導(dǎo)電氧化物層（TCOs）的P1刻線(xiàn)。與傳統(tǒng)方法如機(jī)械針刻或濕法化學(xué)蝕刻不同，激光刻線(xiàn)對(duì)薄膜造成的機(jī)械應(yīng)力最小，并且能避免易引發(fā)異議的化學(xué)處理。盡管超短脈沖激光系統(tǒng)已被科學(xué)研究證明能實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的加工質(zhì)量和更高的生產(chǎn)率，目前用于薄膜刻線(xiàn)的最先進(jìn)的工業(yè)激光燒蝕系統(tǒng)仍然是納秒脈沖調(diào)Q二極管泵浦固體激光器。為了進(jìn)一步提升它們的表現(xiàn)，光束整形光學(xué)元件可以輕松地融入現(xiàn)有的制造系統(tǒng)中，以?xún)?yōu)化光束輪廓，以及為實(shí)現(xiàn)平行加工來(lái)增加輸出光束。

　　平頂光束輪廓改進(jìn)薄膜燒蝕

　　使用高斯光束輪廓的主要難點(diǎn)是管理投射到材料上的能量。圖1說(shuō)明了薄膜燒蝕的原理。只有在激光強(qiáng)度超過(guò)了燒蝕閾值的區(qū)域才會(huì)實(shí)現(xiàn)完全的燒蝕。任何超過(guò)此閾值的能量都可能會(huì)損壞基底材料。高斯光束輪廓兩側(cè)的能量要低于燒蝕閾值，會(huì)導(dǎo)致對(duì)周?chē)牧袭a(chǎn)生不需要的加熱，從而造成結(jié)構(gòu)損傷。根據(jù)Keming Du所說(shuō)，高斯光束中高達(dá)36.8%的能量被有效地用于薄層的燒蝕。如圖1a所示，平頂光束輪廓可以顯著地改進(jìn)能量以匹配燒蝕閾值，主要是通過(guò)降低超出閥值以及輪廓兩側(cè)的多余能量。因而可以避免激光刻線(xiàn)對(duì)下方以及鄰近區(qū)域的基材的潛在損傷。

　　使用光束整形元件生成平頂光束輪廓還能帶來(lái)進(jìn)一步的好處，就是有可能將圓形的激光腳點(diǎn)變?yōu)檎叫位蚓匦巍ＭǔＧ闆r下，用脈沖激光形成的圓形激光腳點(diǎn)會(huì)使得在燒蝕的沿路形成鋸齒型圖案，從而在薄膜中引起不必要的機(jī)械應(yīng)力。要避免這種情況，在使用圓形的高斯光束輪廓時(shí)脈沖重疊至少要高達(dá)70%。相比之下，矩形激光腳點(diǎn)只需非常小的重疊就可以產(chǎn)生直的側(cè)壁，從而提高激光微加工的加工速度。

　　對(duì)不同的任務(wù)采用不同的平頂光束輪廓

　　接下來(lái)我們將總結(jié)使用折射和衍射光束整形光學(xué)元件形成平頂光束輪廓的寶貴實(shí)踐規(guī)則。非整形光束在焦平面上的光斑直徑由波長(zhǎng)、聚焦光學(xué)元件的數(shù)值孔徑（NA）以及輸入光束的質(zhì)量來(lái)決定。根本上來(lái)說(shuō)，只有通過(guò)擴(kuò)大光斑直徑才能實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的再分布，從而形成均勻的平頂光束輪廓。這個(gè)空間擴(kuò)展的程度取決于光束整形的特定物理方法，光束的均勻化可能是在一個(gè)或兩個(gè)維度中進(jìn)行。

　　用于薄膜加工的二極管泵浦固體激光器通常在焦平面上顯示出衍射極限的單模高斯光束輪廓（TEM00）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，通過(guò)折射光束整形元件，最小的平頂光束直徑（1/e2-limit）比非整形的衍射極限的TEM00光斑至少大4倍。除了最小特征直徑的限制，折射光束整形元件還能在最多1厘米的范圍內(nèi)生成平頂光束輪廓，也可以用于多模激光器（圖2）。然而，在薄膜激光燒蝕過(guò)程中，大的光斑直徑能去除更多材料，從而減少設(shè)備的有效面積。

　　圖2：在IPG 980nm光纖耦合激光器中使用折射型高斯-平頂光束整形元件生成的勻稱(chēng)的平頂光束輪廓。激光源的光束質(zhì)量：M2 < 19；數(shù)值孔徑（NA）= 0.005。

　　或者可以通過(guò)使用衍射光束整形元件生成近衍射極限的平頂光束。每個(gè)聚焦光束整形元件（FBS）可以在工作平面上產(chǎn)生兩種不同的平頂光束輪廓。我們所說(shuō)的零階平頂光束只比非整形的衍射極限的TEM00光斑大1.5倍，而一階平頂光束比非整形的衍射極限的TEM00光斑大3倍。下面的兩個(gè)公式能估算FBS光學(xué)元件零階和一階平頂光束的焦點(diǎn)直徑。此外，F(xiàn)BS光學(xué)元件的效率很高（>95%），并且生成的平頂光束輪廓有著很高的同質(zhì)性（&plusmn;2.5%）。輸入光束直徑和橫向偏移的典型公差大約為所用光束直徑的10%。輸入光束的質(zhì)量應(yīng)該高于M2 = 1.5。

　　圖3 所示的是零階平頂光束的激光腳點(diǎn)的幾何形狀，分別是由兩個(gè)不同的平頂光束FBS元件所生成，分別表示為FBS-1和FBS-2。這兩個(gè)衍射光學(xué)元件的空間調(diào)制不同，這樣會(huì)導(dǎo)致衍射光場(chǎng)的強(qiáng)度分布不同。特別是，F(xiàn)BS-1生成的平頂光束輪廓會(huì)形成正方形的激光腳點(diǎn)， 不過(guò)仍然有著圓角。FBS-1的轉(zhuǎn)換效率是95%左右。相比之下，F(xiàn)BS-2生成的平頂光束輪廓具有正方形激光腳點(diǎn)，具有清晰的邊緣。不過(guò)，F(xiàn)BS-2的轉(zhuǎn)換效率略有減少，約為90%。

　　FBS-2零階平頂光束在焦平面周?chē)诧@示出非常高的工作區(qū)深度（焦點(diǎn)深度）。這個(gè)區(qū)域的光強(qiáng)分布和直徑（@1/e2-level）相當(dāng)穩(wěn)定，這將帶來(lái)幾乎恒定的功率密度。零階平頂光束工作區(qū)的長(zhǎng)度大約只有高斯光束的瑞利長(zhǎng)度的60%。在零階平頂光束的工作區(qū)內(nèi)，平頂光束峰值強(qiáng)度只下降了大約15%，相比之下高斯光束在此長(zhǎng)度范圍內(nèi)下降約30%（在整個(gè)瑞利長(zhǎng)度，高斯光束的峰值強(qiáng)度下降了50%）。FBS-2零階平頂光束峰值強(qiáng)度變化的減少可以帶來(lái)更穩(wěn)定的薄膜燒蝕過(guò)程。

　　圖3：使用不同的光束整形元件在工作平面上形成的不同的平頂光束輪廓的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果：FBS-1零階平頂光束（a）、FBS-2零階平頂光束（b）和FBS-1一階平頂光束（c）。

　　不同的FBSs產(chǎn)生的激光光束可以用很高的刻線(xiàn)速度來(lái)去除薄膜。圖4比較了用1064nm Nd:YVO4 二極管泵浦固體激光器進(jìn)行的150nm ITO薄膜燒蝕，重復(fù)頻率為10kHz。對(duì)于需要衍射限制的光斑直徑的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可以使用FBS-1或FBS-2零階平頂光束。圖4a顯示了使用FBS-1零階平頂光束進(jìn)行激光刻線(xiàn)的結(jié)果。如上文所述，使用平頂光束可以顯著減少光斑重疊，降至約10%。不過(guò)，使用FBS-1形成的光束輪廓仍然可以見(jiàn)到有略圓的角。

　　圖4：使用不同的平頂光束進(jìn)行激光刻線(xiàn)的結(jié)果：FBS-1零階平頂光束（a）、FBS-2零階平頂光束（b）和FBS-1一階平頂光束（c）。

　　圖4b顯示的是用FBS-2零階平頂光束進(jìn)行激光刻線(xiàn)的結(jié)果，具有相同的燒蝕光斑重疊。改進(jìn)的光強(qiáng)分布使得激光刻線(xiàn)的直線(xiàn)沒(méi)有鋸齒形邊緣。

　　最終，略微改變光學(xué)裝置可以生成FBS-1一階平頂光束輪廓。采用這個(gè)較高階很可能產(chǎn)生有著清晰邊緣的均勻的激光光束，正如FBS-1的例子中一樣，還具有較大的光斑直徑。圖4c顯示了激光光斑重疊10%的激光刻線(xiàn)結(jié)果，類(lèi)似于圖4a的結(jié)果。與圖4a所示結(jié)果不同的是，F(xiàn)BS-1在使用一階平頂光束時(shí)還可以去除直線(xiàn)。

　　這些結(jié)果顯示，應(yīng)用均勻的激光光束輪廓確實(shí)可以改進(jìn)薄膜激光燒蝕。相比使用高斯光束輪廓，使用像FBS-1和FBS-2這樣的衍射光學(xué)元件，能刻出很直的線(xiàn)，并能顯著提高刻線(xiàn)速度。

　　用衍射光束整形元件來(lái)提高生產(chǎn)率

　　薄膜燒蝕通常只需要標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)二極管泵浦固體激光器的脈沖能量的一小部分。在本文所示的實(shí)驗(yàn)中，使用的是Ekspla工業(yè)二極管泵浦固體激光器（Baltic系列），脈沖能量為750&mu;J。但是薄膜燒蝕應(yīng)用的脈沖能量只有15&mu;J。如果要刻出一個(gè)具有空間重復(fù)性的圖案，可能需要在光束路徑中引入衍射分光鏡。衍射分光鏡可以精確地復(fù)制出原來(lái)的光束，從而可以同時(shí)加工不同位置的材料。此外，這種分光鏡可以與其他光束整形光學(xué)元件結(jié)合使用。這將提高激光工藝的能量效率，并且提高激光刻線(xiàn)的生產(chǎn)率。二元衍射分光鏡可以實(shí)現(xiàn)幾乎90%的效率以及子光束之間的同質(zhì)化（>2.5%）。圖5顯示通過(guò)使用四倍分光鏡和FBS-1一階平頂光束輪廓的組合來(lái)對(duì)150nm ITO層進(jìn)行激光刻線(xiàn)的結(jié)果。四條線(xiàn)生成的毛刺、線(xiàn)寬和底部粗糙度Rz有著相似的值。

　　圖5：FBS-1一階平頂光束和四倍分光鏡的組合用來(lái)對(duì)150nm ITO進(jìn)行激光刻線(xiàn)：每一根線(xiàn)的局部放大顯微鏡圖片（a）；毛刺的測(cè)量值（ROI: 100&times;100&mu;m2） ；線(xiàn)寬和每一條線(xiàn)的粗糙度Rz（Rt）（b）。

　　小結(jié)

　　利用光束整形元件和分光鏡這樣的衍射光學(xué)元件以及納秒脈沖固體激光器，來(lái)進(jìn)行薄膜激光燒蝕，能顯著提高加工效率和質(zhì)量。由于可以用于現(xiàn)有的系統(tǒng)，終端用戶(hù)可以通過(guò)改裝這種光學(xué)元件來(lái)改進(jìn)他們?cè)O(shè)備的性能，而無(wú)須急于投資新的激光系統(tǒng)。