《紫外準分子激光器在材料加工領域的應用》

準分子激光器推進技術革新
作為當今最有效、最可靠的脈衝紫外激光技術的代表，準分子激光器有效地推進了諸如平板顯示、汽車製造、生物醫學設備及可替代能源等多種成長型工業中的技術革新。
波長和輸出功率，這兩個基本屬性的結合，決定了準分子激光器在上述這些高科技產業中的獨特價值。因為，這些工業領域比以往任何時候更需要平衡日益增長的性能需求與加工速度及製造成本之間的矛盾。

紫外表麵處理
準分子激光是一種窄帶寬的紫外光源，可以為基於商用激光的製造業提供最短的波長或（相當於）最高的激光光子能量。由於在激光材料加工領域可以達到的光學分辨率與激光波長有關，因此短波長的準分子激光成為市場上最為精確的光學加工工具。利用基於商用準分子激光的材料加工係統，如圖1所示，可以獲得接近1祄的特征尺寸[1]（具體數值取決於波長和材料）。





而且，短波長代表著最小的橫向結構，同時，材料對高光子能量（例如，248nm時為5eV或 193nm時為6.4eV）的強烈吸收，又將意味著激光對材料縱向的影響非常有限。實際上，準分子激光在薄膜材料加工中的深度分辨率在亞微米範圍，通常每脈衝可以小至50nm（具體數值取決於樣本材料和激光波長）。





準分子激光在樣本材料的橫向及縱向均可以提供無可匹敵的高分辨率光學加工能力。在通過改變微結構來增進大表麵功能的領域，準分子激光已成為最為理想的工具。
除此之外，準分子激光是目前基於商用激光的製造業中，可利用的最強紫外激光。

紫外技術比較
現在，準分子激光在308nm的輸出功率已經超過500W，如圖3所示。圖中對基於準分子激光技術、二極管泵浦及閃光燈泵浦的全固態激光技術所能取得的功率水平進行了對比。目前先進水平的準分子激光器可以輸出高達1J的脈衝能量，同時重複頻率可高達600Hz。由於極高的脈衝能量，可使處於每平方厘米高達1J的能量密度下、麵積寬達30mm2的樣品，通過逐個準分子激光脈衝的刻蝕，實現樣品的微細構造。這種微細構造的實現過程，如果轉化到更大的尺度上，可以比喻為用一片片青草去構造足球場。





同時高功率準分子激光器可以在高達600Hz的重複頻率下運轉，使得每秒處理幾十平方厘米的表麵加工速度成為可能。
準分子激光器具有可擴展至數百瓦的較高的單脈衝能量，這意味著可以處理更大的區域尺寸，同時每秒鍾可提供數百個脈衝，這必將在製造業中引發規模效應，以前所未有的方式增進盈利。
隻有當紫外激光的波長和高輸出功率這兩個必要條件同時具備，正如準分子激光器那樣，才能滿足工業界對於微尺度構造及快速大麵積表麵處理（每秒速度達幾十平方厘米）的迫切需求。
事實上，基於表麵微結構處理的準分子激光器常常是基本的製造步驟，在下文介紹應用實例時會作進一步闡述。

紫外光的直接產生是關鍵
準分子激光技術的激光躍遷發生在紫外光譜範圍，正是這個原因，使得準分子激光技術能夠淩駕於其他紫外技術之上。準分子激光是在內在機理上直接產生紫外光子，這使其成為市場上最強和最穩定的紫外激光光源。





與此相反，並行的紫外產生概念基於紅外（IR）及可見光，需要采用非線性頻率轉換技術，這將不可避免地使紫外輸出效率及輸出穩定性大打折扣，嚴重影響激光器的實際輸出性能[2]。
表1概括比較了準分子激光器技術和紅外上轉換激光器技術的典型紫外性能參數。
隻有準分子激光器可以直接發射紫外波長，並且沒有任何其他的技術折中，這使其在微米級高精度加工、高生產能力的批處理及大規模製造中成為最卓越的解決方案。

經紫外準分子處理後獲得更好的表麵特性
以下給出的多個應用實例，將最大限度地呈現準分子激光器在當今先進製造領域中的創新潛力。在下述這些製造實例中，均包含生產中起關鍵作用的準分子激光器，以實現性能上的飛躍。





增強Diesel馬達的性能
Diesel引擎是世界上運輸部門領域最重要的汽油、柴油燃料使用者之一。Diesel引擎對於公共交通、貨運（通過公路、鐵路及海洋等）及農業機械至關重要。並且，大約40%的歐洲汽車市場是基於Diesel引擎的。
市場對於更高功率及效率的需求，加之嚴格的環境立法對節省燃料以及減小環境汙染的苛刻要求，不斷迫使引擎製造商尋求製造方案上的革新。
因為Diesel引擎技術使用高的壓縮比，考慮到潤滑及耐磨的要求，活塞在鑄鐵汽缸套（如圖4所示）中來回移動時的摩擦條件是非常重要的。

傳統的汽缸壁處理
如圖5所示，在傳統汽缸套的內壁上呈現出許多微通道交錯的形貌，這是由於機械拋光（即所謂的搪磨處理）導致的。由於這些微通道的存在，當活塞在汽缸內移動時，缸內的潤滑油將順著這些微通道流出缸外，這將嚴重削弱活塞環和汽缸壁的潤滑效果。並且，事實上，活塞環和汽缸套壁之間的摩擦損耗占據Diesel引擎所有損耗的比例多達60%。








基於準分子激光的汽缸壁加工
如圖6所示，借助308nm準分子激光器的紫外光子及氮輔助氣體對汽缸套進行後處理，可以完全將上述不利於潤滑的缸壁表麵結構轉變為更利於潤滑的構造。
具有短波長和高光子能量的準分子激光可以與鑄鐵材料發生強烈作用，通過以下的三種效應，將汽缸內表麵處理成完全不同的表麵。
（1）有選擇地融化到大約2祄深度，可以實現汽缸套表麵的大致平滑。
（2）由於近壁表麵石墨包含物的釋放，從而形成了可充當儲油容器的凹槽。
（3）氮輔助氣將引起額外的表麵硬化，這是因為形成的氮化物將隨即濃縮在熔融表麵上。
采用Diesel引擎測試程序進行對比分析，測試結果顯示了經過準分子激光處理的汽缸相對於傳統的搪磨型汽缸在磨損上減少的百分比。準分子激光加工工藝使汽缸套和活塞環的磨損程度減小超過了85%。而且，與傳統的搪磨型汽缸相比，燃油消耗量也減小了大約75%[3]（以上具體數值取決於工作周期）。
因此，準分子激光處理工藝可以提高燃料效率，減少長期磨損，從而反過來又可以減小燃油消耗及有害粒子釋放，進一步節省資源並保護環境。
對於引擎製造商而言，準分子激光處理工藝帶來的經濟效益是雙重的：不但可以使他們的引擎製造輕易符合法律要求，更可使他們的国产传媒在线在激烈的市場競爭中標新立異。

推進顯示產業發展
在過去幾十年裏，全球平板顯示產業在各個顯示領域，從小尺寸的移動電話和汽車導航用顯示屏，中等尺寸的電視機及筆記本電腦顯示屏，再到大尺寸的家庭娛樂係統和廣告屏幕等，均已經曆了巨大的發展。新興的顯示技術，如有機發光二極管技術或者基於柔性襯底的顯示技術（如圖7所示），將會進一步推動顯示產業的迅猛發展。平板顯示製造商將不斷麵臨關於減小功率消耗，更快響應時間，增強對比度及更好分辨率等方麵的需求，從而對薄膜矽底板也提出了更為苛刻的要求。因此，越來越多地要求更快、更亮的顯示設備，正不斷挑戰著傳統非晶矽底板的性能極限。





傳統的矽底板加工
對於有源矩陣顯示設備，傳統的技術是采用矽材料，利用高溫高真空化學氣相沉積工藝，形成基本的導電層。然而不幸的是，采用這種技術獲得的矽層大部分在性質上為非結晶的，這意味著將嚴重限製像素切換速度及平板顯示設備的總電力消耗。
特別地，提供更高亮度和更高分辨率的高性能顯示設備，最終還要依賴於快速切換及更小的晶體管，因此，這需要傳統的非晶矽底板提供超過1cm2/V-sec的電子遷移率。

基於準分子激光的矽底板加工
采用額外的準分子激光處理工藝（如圖8所示），可以將低電子遷移率的非晶矽轉變為性能更高的多晶矽薄膜，從而不但可以為新興的有源矩陣型有機發光二極管技術（AM-OLED）提供需要的驅動電流，而且可以為高分辨率有源矩陣型液晶屏（AM-LCD）提供更快的電壓切換。
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通過對非晶矽層進行選擇性退火及再結晶，可以得到高度有序的微結構，從而實現非晶矽層向多晶矽層的轉變。由於308nm準分子激光的短波長及小的穿透深度，矽下麵的玻璃襯底將不會受到高功率準分子激光光束的影響[4]。

另外，考慮到準分子激光幾百瓦的輸出功率，快速大麵積處理也是可行的。最終的處理結果是將電子遷移率顯著提高到高於100cm2/V-sec，這個值比傳統非晶矽層高了兩個數量級。圖9所示的多晶矽層，其高度有序的晶格結構可以使電子更容易移動。





因此，準分子激光處理工藝可以推動這類依賴於高電子遷移率的、高分辨率有源矩陣型液晶屏（AM-LCD）和有源矩陣型有機發光二極管 （AM-OLED）更快進入市場，這些顯示国产传媒在线具有更快、更亮、更薄、更輕的誘人優勢。

總之，由於其低溫退火特性，準分子激光表麵變換技術，成為可彎曲電子書及報紙這類基於柔性聚合物襯底（而非玻璃底板）的另類顯示技術的基本工藝環節。

增加太陽電池板的效率
盡管太陽能光電產業在逐年高速發展，但是實現太陽能發電成本與現有電力成本持平的目標仍然很困難。這項技術在沒有被大力扶持的情況下，可能還需要5年或更長的時間才能具有大範圍的競爭優勢。
因此，目前通過工藝優化，材料改進（用於提高太陽能電池效率）以及玻璃、晶片及接觸電極的改進（用於增強對太陽光的捕獲），可以極大地推動太陽能光電市場的發展。

傳統的矽晶片刻蝕
到目前為止，基於多晶矽太陽能電池的矽是目前商業化大規模生產的主體。通常使用線鋸切割矽錠來生產晶片，這個工藝將會在晶片表麵上形成深度大約10祄的微小裂痕，因為它將減小晶片的機械強度，並增加在表麵區域的重組，所以必須設法消除線鋸引起的損傷。傳統上采用快速溶液刻蝕方法來消除這種線鋸損傷。考慮到結晶麵取向及雜質導致的局部不同的刻蝕速度，大約幾個微米隨機分布的缺口將出現在整個表麵上（如圖11所示），這種結構不利於光反射損耗。但是，為了得到高效率的太陽能電池，又必須得減小這個表麵上的光反射率。











準分子激光對凸刻蝕層進行刻圖
通過引入基於準分子激光器的加工工藝，可以顯著提升太陽能電池總的光吸收效率。采用波長為308nm或248nm的準分子激光器對SiNx凸刻蝕層進行大麵積掩膜投影加工，可以得到規則的孔形圖案。經準分子激光器燒蝕後的SiNx凸刻蝕層經刻蝕液處理後最終轉化為如圖12所示的結構。
通過對SiNx凸刻蝕層（包含準分子激光燒蝕形成的精確的10祄直徑小孔）進行刻蝕，得到了點距為20祄的規則圖案[5]。
經準分子激光工藝處理後獲得的規則表麵結構，可以將入射光轉向，以掠射角度射向玻璃-空氣界麵，從而發生全內反射，進而再將光反射回電池表麵。在封裝之後，總的光反射率由34%減小至11%，從而使總的電池效率增長了0.4%。








目前先進的準分子激光器可以提供幾百瓦的輸出功率及幾百赫茲的脈衝重複頻率，在對SiNx凸刻蝕層進行大麵積紫外刻圖時，可以達到每個太陽能電池（尺寸為156mm×156mm）隻需幾秒鍾的處理速度。

使超導體商品化
新興的高溫超導體（HTS）產業推動了磁場能量存儲以及工作電流密度高於傳統銅纜係統100倍的電能傳輸網應用。與傳統技術相比，采用基於HTS的係統（可由液氮冷卻），將會帶來更高的效率，更高的電流、電場及電力，更高的功率密度，更輕的重量和更小的尺寸等技術優勢。這一點在圖13上得到了很好的闡釋，攜帶同樣電流所需的銅纜數量遠遠多於扁小的HTS帶，後者僅包含了1祄厚的超導YBCO層。未來HTS在節省成本及能耗上的巨大潛力，將使其成為突破技術屏障的首選方案。而現階段對於商業化HTS而言，最關鍵的是找到節省成本的高性能薄膜沉積技術[6]。

傳統HTS薄膜的金屬有機沉積
金屬有機沉積（MOD）是超導體金屬氧化物薄膜沉積中最有前途的化學工藝。在傳統的MOD工藝中，包含有適當金屬原子（典型為Y、BA 和Cu）的有機前驅溶液被浸覆在襯底層上。隨後，在500℃和1000℃下進行重複的加熱和烘幹步驟，這分別用於有機溶劑的移除及氧化。由於基於溶液的沉積本身是一個很快的過程，所得到的YBCO層的晶體結構以及電流密度性能都是不充分的。這個問題甚至無法通過耗時的重複加熱和烘幹工藝來克服。

在準分子激光輔助下的有機金屬沉積
通過AIST和JSW的日本研究者的演示，国产av资源可以看到準分子激光用於加速整個加工時間並提升薄膜性能方麵的巨大能力。當采用他們那種ELAMOD（Excimer Laser Assisted MOD，準分子激光輔助下的有機金屬沉積）方法時，傳統耗時的加熱及烘幹工藝被更快速的308nm大麵積準分子激光照麵工藝所取代，這將使加工速度提高5倍，並使超導薄膜的性能提升3倍。圖14中所示的顏色急劇變化，反映了由於YBCO層中化學鍵斷裂及重組（由準分子激光器誘發）引起的性能提升。