《紫外準(zhǔn)分子激光器在材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用》

準(zhǔn)分子激光器推進(jìn)技術(shù)革新
作為當(dāng)今最有效、最可靠的脈沖紫外激光技術(shù)的代表，準(zhǔn)分子激光器有效地推進(jìn)了諸如平板顯示、汽車制造、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備及可替代能源等多種成長(zhǎng)型工業(yè)中的技術(shù)革新。
波長(zhǎng)和輸出功率，這兩個(gè)基本屬性的結(jié)合，決定了準(zhǔn)分子激光器在上述這些高科技產(chǎn)業(yè)中的獨(dú)特價(jià)值。因?yàn)椋@些工業(yè)領(lǐng)域比以往任何時(shí)候更需要平衡日益增長(zhǎng)的性能需求與加工速度及制造成本之間的矛盾。

紫外表面處理
準(zhǔn)分子激光是一種窄帶寬的紫外光源，可以為基于商用激光的制造業(yè)提供最短的波長(zhǎng)或（相當(dāng)于）最高的激光光子能量。由于在激光材料加工領(lǐng)域可以達(dá)到的光學(xué)分辨率與激光波長(zhǎng)有關(guān)，因此短波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光成為市場(chǎng)上最為精確的光學(xué)加工工具。利用基于商用準(zhǔn)分子激光的材料加工系統(tǒng)，如圖1所示，可以獲得接近1祄的特征尺寸[1]（具體數(shù)值取決于波長(zhǎng)和材料）。





而且，短波長(zhǎng)代表著最小的橫向結(jié)構(gòu)，同時(shí)，材料對(duì)高光子能量（例如，248nm時(shí)為5eV或 193nm時(shí)為6.4eV）的強(qiáng)烈吸收，又將意味著激光對(duì)材料縱向的影響非常有限。實(shí)際上，準(zhǔn)分子激光在薄膜材料加工中的深度分辨率在亞微米范圍，通常每脈沖可以小至50nm（具體數(shù)值取決于樣本材料和激光波長(zhǎng)）。





準(zhǔn)分子激光在樣本材料的橫向及縱向均可以提供無(wú)可匹敵的高分辨率光學(xué)加工能力。在通過(guò)改變微結(jié)構(gòu)來(lái)增進(jìn)大表面功能的領(lǐng)域，準(zhǔn)分子激光已成為最為理想的工具。
除此之外，準(zhǔn)分子激光是目前基于商用激光的制造業(yè)中，可利用的最強(qiáng)紫外激光。

紫外技術(shù)比較
現(xiàn)在，準(zhǔn)分子激光在308nm的輸出功率已經(jīng)超過(guò)500W，如圖3所示。圖中對(duì)基于準(zhǔn)分子激光技術(shù)、二極管泵浦及閃光燈泵浦的全固態(tài)激光技術(shù)所能取得的功率水平進(jìn)行了對(duì)比。目前先進(jìn)水平的準(zhǔn)分子激光器可以輸出高達(dá)1J的脈沖能量，同時(shí)重復(fù)頻率可高達(dá)600Hz。由于極高的脈沖能量，可使處于每平方厘米高達(dá)1J的能量密度下、面積寬達(dá)30mm2的樣品，通過(guò)逐個(gè)準(zhǔn)分子激光脈沖的刻蝕，實(shí)現(xiàn)樣品的微細(xì)構(gòu)造。這種微細(xì)構(gòu)造的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，如果轉(zhuǎn)化到更大的尺度上，可以比喻為用一片片青草去構(gòu)造足球場(chǎng)。





同時(shí)高功率準(zhǔn)分子激光器可以在高達(dá)600Hz的重復(fù)頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)，使得每秒處理幾十平方厘米的表面加工速度成為可能。
準(zhǔn)分子激光器具有可擴(kuò)展至數(shù)百瓦的較高的單脈沖能量，這意味著可以處理更大的區(qū)域尺寸，同時(shí)每秒鐘可提供數(shù)百個(gè)脈沖，這必將在制造業(yè)中引發(fā)規(guī)模效應(yīng)，以前所未有的方式增進(jìn)盈利。
只有當(dāng)紫外激光的波長(zhǎng)和高輸出功率這兩個(gè)必要條件同時(shí)具備，正如準(zhǔn)分子激光器那樣，才能滿足工業(yè)界對(duì)于微尺度構(gòu)造及快速大面積表面處理（每秒速度達(dá)幾十平方厘米）的迫切需求。
事實(shí)上，基于表面微結(jié)構(gòu)處理的準(zhǔn)分子激光器常常是基本的制造步驟，在下文介紹應(yīng)用實(shí)例時(shí)會(huì)作進(jìn)一步闡述。

紫外光的直接產(chǎn)生是關(guān)鍵
準(zhǔn)分子激光技術(shù)的激光躍遷發(fā)生在紫外光譜范圍，正是這個(gè)原因，使得準(zhǔn)分子激光技術(shù)能夠凌駕于其他紫外技術(shù)之上。準(zhǔn)分子激光是在內(nèi)在機(jī)理上直接產(chǎn)生紫外光子，這使其成為市場(chǎng)上最強(qiáng)和最穩(wěn)定的紫外激光光源。





與此相反，并行的紫外產(chǎn)生概念基于紅外（IR）及可見(jiàn)光，需要采用非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，這將不可避免地使紫外輸出效率及輸出穩(wěn)定性大打折扣，嚴(yán)重影響激光器的實(shí)際輸出性能[2]。
表1概括比較了準(zhǔn)分子激光器技術(shù)和紅外上轉(zhuǎn)換激光器技術(shù)的典型紫外性能參數(shù)。
只有準(zhǔn)分子激光器可以直接發(fā)射紫外波長(zhǎng)，并且沒(méi)有任何其他的技術(shù)折中，這使其在微米級(jí)高精度加工、高生產(chǎn)能力的批處理及大規(guī)模制造中成為最卓越的解決方案。

經(jīng)紫外準(zhǔn)分子處理后獲得更好的表面特性
以下給出的多個(gè)應(yīng)用實(shí)例，將最大限度地呈現(xiàn)準(zhǔn)分子激光器在當(dāng)今先進(jìn)制造領(lǐng)域中的創(chuàng)新潛力。在下述這些制造實(shí)例中，均包含生產(chǎn)中起關(guān)鍵作用的準(zhǔn)分子激光器，以實(shí)現(xiàn)性能上的飛躍。





增強(qiáng)Diesel馬達(dá)的性能
Diesel引擎是世界上運(yùn)輸部門(mén)領(lǐng)域最重要的汽油、柴油燃料使用者之一。Diesel引擎對(duì)于公共交通、貨運(yùn)（通過(guò)公路、鐵路及海洋等）及農(nóng)業(yè)機(jī)械至關(guān)重要。并且，大約40%的歐洲汽車市場(chǎng)是基于Diesel引擎的。
市場(chǎng)對(duì)于更高功率及效率的需求，加之嚴(yán)格的環(huán)境立法對(duì)節(jié)省燃料以及減小環(huán)境污染的苛刻要求，不斷迫使引擎制造商尋求制造方案上的革新。
因?yàn)镈iesel引擎技術(shù)使用高的壓縮比，考慮到潤(rùn)滑及耐磨的要求，活塞在鑄鐵汽缸套（如圖4所示）中來(lái)回移動(dòng)時(shí)的摩擦條件是非常重要的。

傳統(tǒng)的汽缸壁處理
如圖5所示，在傳統(tǒng)汽缸套的內(nèi)壁上呈現(xiàn)出許多微通道交錯(cuò)的形貌，這是由于機(jī)械拋光（即所謂的搪磨處理）導(dǎo)致的。由于這些微通道的存在，當(dāng)活塞在汽缸內(nèi)移動(dòng)時(shí)，缸內(nèi)的潤(rùn)滑油將順著這些微通道流出缸外，這將嚴(yán)重削弱活塞環(huán)和汽缸壁的潤(rùn)滑效果。并且，事實(shí)上，活塞環(huán)和汽缸套壁之間的摩擦損耗占據(jù)Diesel引擎所有損耗的比例多達(dá)60%。








基于準(zhǔn)分子激光的汽缸壁加工
如圖6所示，借助308nm準(zhǔn)分子激光器的紫外光子及氮輔助氣體對(duì)汽缸套進(jìn)行后處理，可以完全將上述不利于潤(rùn)滑的缸壁表面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦跐?rùn)滑的構(gòu)造。
具有短波長(zhǎng)和高光子能量的準(zhǔn)分子激光可以與鑄鐵材料發(fā)生強(qiáng)烈作用，通過(guò)以下的三種效應(yīng)，將汽缸內(nèi)表面處理成完全不同的表面。
（1）有選擇地融化到大約2祄深度，可以實(shí)現(xiàn)汽缸套表面的大致平滑。
（2）由于近壁表面石墨包含物的釋放，從而形成了可充當(dāng)儲(chǔ)油容器的凹槽。
（3）氮輔助氣將引起額外的表面硬化，這是因?yàn)樾纬傻牡飳㈦S即濃縮在熔融表面上。
采用Diesel引擎測(cè)試程序進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果顯示了經(jīng)過(guò)準(zhǔn)分子激光處理的汽缸相對(duì)于傳統(tǒng)的搪磨型汽缸在磨損上減少的百分比。準(zhǔn)分子激光加工工藝使汽缸套和活塞環(huán)的磨損程度減小超過(guò)了85%。而且，與傳統(tǒng)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(shù)值取決于工作周期）。
因此，準(zhǔn)分子激光處理工藝可以提高燃料效率，減少長(zhǎng)期磨損，從而反過(guò)來(lái)又可以減小燃油消耗及有害粒子釋放，進(jìn)一步節(jié)省資源并保護(hù)環(huán)境。
對(duì)于引擎制造商而言，準(zhǔn)分子激光處理工藝帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是雙重的：不但可以使他們的引擎制造輕易符合法律要求，更可使他們的產(chǎn)品在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中標(biāo)新立異。

推進(jìn)顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展
在過(guò)去幾十年里，全球平板顯示產(chǎn)業(yè)在各個(gè)顯示領(lǐng)域，從小尺寸的移動(dòng)電話和汽車導(dǎo)航用顯示屏，中等尺寸的電視機(jī)及筆記本電腦顯示屏，再到大尺寸的家庭娛樂(lè)系統(tǒng)和廣告屏幕等，均已經(jīng)歷了巨大的發(fā)展。新興的顯示技術(shù)，如有機(jī)發(fā)光二極管技術(shù)或者基于柔性襯底的顯示技術(shù)（如圖7所示），將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)顯示產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。平板顯示制造商將不斷面臨關(guān)于減小功率消耗，更快響應(yīng)時(shí)間，增強(qiáng)對(duì)比度及更好分辨率等方面的需求，從而對(duì)薄膜硅底板也提出了更為苛刻的要求。因此，越來(lái)越多地要求更快、更亮的顯示設(shè)備，正不斷挑戰(zhàn)著傳統(tǒng)非晶硅底板的性能極限。





傳統(tǒng)的硅底板加工
對(duì)于有源矩陣顯示設(shè)備，傳統(tǒng)的技術(shù)是采用硅材料，利用高溫高真空化學(xué)氣相沉積工藝，形成基本的導(dǎo)電層。然而不幸的是，采用這種技術(shù)獲得的硅層大部分在性質(zhì)上為非結(jié)晶的，這意味著將嚴(yán)重限制像素切換速度及平板顯示設(shè)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(shè)備，最終還要依賴于快速切換及更小的晶體管，因此，這需要傳統(tǒng)的非晶硅底板提供超過(guò)1cm2/V-sec的電子遷移率。

基于準(zhǔn)分子激光的硅底板加工
采用額外的準(zhǔn)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硅轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅芨叩亩嗑Ч璞∧ぃ瑥亩坏梢詾樾屡d的有源矩陣型有機(jī)發(fā)光二極管技術(shù)（AM-OLED）提供需要的驅(qū)動(dòng)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(guò)對(duì)非晶硅層進(jìn)行選擇性退火及再結(jié)晶，可以得到高度有序的微結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)非晶硅層向多晶硅層的轉(zhuǎn)變。由于308nm準(zhǔn)分子激光的短波長(zhǎng)及小的穿透深度，硅下面的玻璃襯底將不會(huì)受到高功率準(zhǔn)分子激光光束的影響[4]。

另外，考慮到準(zhǔn)分子激光幾百瓦的輸出功率，快速大面積處理也是可行的。最終的處理結(jié)果是將電子遷移率顯著提高到高于100cm2/V-sec，這個(gè)值比傳統(tǒng)非晶硅層高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。圖9所示的多晶硅層，其高度有序的晶格結(jié)構(gòu)可以使電子更容易移動(dòng)。





因此，準(zhǔn)分子激光處理工藝可以推動(dòng)這類依賴于高電子遷移率的、高分辨率有源矩陣型液晶屏（AM-LCD）和有源矩陣型有機(jī)發(fā)光二極管 （AM-OLED）更快進(jìn)入市場(chǎng)，這些顯示產(chǎn)品具有更快、更亮、更薄、更輕的誘人優(yōu)勢(shì)。

總之，由于其低溫退火特性，準(zhǔn)分子激光表面變換技術(shù)，成為可彎曲電子書(shū)及報(bào)紙這類基于柔性聚合物襯底（而非玻璃底板）的另類顯示技術(shù)的基本工藝環(huán)節(jié)。

增加太陽(yáng)電池板的效率
盡管太陽(yáng)能光電產(chǎn)業(yè)在逐年高速發(fā)展，但是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電成本與現(xiàn)有電力成本持平的目標(biāo)仍然很困難。這項(xiàng)技術(shù)在沒(méi)有被大力扶持的情況下，可能還需要5年或更長(zhǎng)的時(shí)間才能具有大范圍的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
因此，目前通過(guò)工藝優(yōu)化，材料改進(jìn)（用于提高太陽(yáng)能電池效率）以及玻璃、晶片及接觸電極的改進(jìn)（用于增強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)光的捕獲），可以極大地推動(dòng)太陽(yáng)能光電市場(chǎng)的發(fā)展。

傳統(tǒng)的硅晶片刻蝕
到目前為止，基于多晶硅太陽(yáng)能電池的硅是目前商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的主體。通常使用線鋸切割硅錠來(lái)生產(chǎn)晶片，這個(gè)工藝將會(huì)在晶片表面上形成深度大約10祄的微小裂痕，因?yàn)樗鼘p小晶片的機(jī)械強(qiáng)度，并增加在表面區(qū)域的重組，所以必須設(shè)法消除線鋸引起的損傷。傳統(tǒng)上采用快速溶液刻蝕方法來(lái)消除這種線鋸損傷?？紤]到結(jié)晶面取向及雜質(zhì)導(dǎo)致的局部不同的刻蝕速度，大約幾個(gè)微米隨機(jī)分布的缺口將出現(xiàn)在整個(gè)表面上（如圖11所示），這種結(jié)構(gòu)不利于光反射損耗。但是，為了得到高效率的太陽(yáng)能電池，又必須得減小這個(gè)表面上的光反射率。











準(zhǔn)分子激光對(duì)凸刻蝕層進(jìn)行刻圖
通過(guò)引入基于準(zhǔn)分子激光器的加工工藝，可以顯著提升太陽(yáng)能電池總的光吸收效率。采用波長(zhǎng)為308nm或248nm的準(zhǔn)分子激光器對(duì)SiNx凸刻蝕層進(jìn)行大面積掩膜投影加工，可以得到規(guī)則的孔形圖案。經(jīng)準(zhǔn)分子激光器燒蝕后的SiNx凸刻蝕層經(jīng)刻蝕液處理后最終轉(zhuǎn)化為如圖12所示的結(jié)構(gòu)。
通過(guò)對(duì)SiNx凸刻蝕層（包含準(zhǔn)分子激光燒蝕形成的精確的10祄直徑小孔）進(jìn)行刻蝕，得到了點(diǎn)距為20祄的規(guī)則圖案[5]。
經(jīng)準(zhǔn)分子激光工藝處理后獲得的規(guī)則表面結(jié)構(gòu)，可以將入射光轉(zhuǎn)向，以掠射角度射向玻璃-空氣界面，從而發(fā)生全內(nèi)反射，進(jìn)而再將光反射回電池表面。在封裝之后，總的光反射率由34%減小至11%，從而使總的電池效率增長(zhǎng)了0.4%。








目前先進(jìn)的準(zhǔn)分子激光器可以提供幾百瓦的輸出功率及幾百赫茲的脈沖重復(fù)頻率，在對(duì)SiNx凸刻蝕層進(jìn)行大面積紫外刻圖時(shí)，可以達(dá)到每個(gè)太陽(yáng)能電池（尺寸為156mm×156mm）只需幾秒鐘的處理速度。

使超導(dǎo)體商品化
新興的高溫超導(dǎo)體（HTS）產(chǎn)業(yè)推動(dòng)了磁場(chǎng)能量存儲(chǔ)以及工作電流密度高于傳統(tǒng)銅纜系統(tǒng)100倍的電能傳輸網(wǎng)應(yīng)用。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，采用基于HTS的系統(tǒng)（可由液氮冷卻），將會(huì)帶來(lái)更高的效率，更高的電流、電場(chǎng)及電力，更高的功率密度，更輕的重量和更小的尺寸等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這一點(diǎn)在圖13上得到了很好的闡釋，攜帶同樣電流所需的銅纜數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于扁小的HTS帶，后者僅包含了1祄厚的超導(dǎo)YBCO層。未來(lái)HTS在節(jié)省成本及能耗上的巨大潛力，將使其成為突破技術(shù)屏障的首選方案。而現(xiàn)階段對(duì)于商業(yè)化HTS而言，最關(guān)鍵的是找到節(jié)省成本的高性能薄膜沉積技術(shù)[6]。

傳統(tǒng)HTS薄膜的金屬有機(jī)沉積
金屬有機(jī)沉積（MOD）是超導(dǎo)體金屬氧化物薄膜沉積中最有前途的化學(xué)工藝。在傳統(tǒng)的MOD工藝中，包含有適當(dāng)金屬原子（典型為Y、BA 和Cu）的有機(jī)前驅(qū)溶液被浸覆在襯底層上。隨后，在500℃和1000℃下進(jìn)行重復(fù)的加熱和烘干步驟，這分別用于有機(jī)溶劑的移除及氧化。由于基于溶液的沉積本身是一個(gè)很快的過(guò)程，所得到的YBCO層的晶體結(jié)構(gòu)以及電流密度性能都是不充分的。這個(gè)問(wèn)題甚至無(wú)法通過(guò)耗時(shí)的重復(fù)加熱和烘干工藝來(lái)克服。

在準(zhǔn)分子激光輔助下的有機(jī)金屬沉積
通過(guò)AIST和JSW的日本研究者的演示，我們可以看到準(zhǔn)分子激光用于加速整個(gè)加工時(shí)間并提升薄膜性能方面的巨大能力。當(dāng)采用他們那種ELAMOD（Excimer Laser Assisted MOD，準(zhǔn)分子激光輔助下的有機(jī)金屬沉積）方法時(shí)，傳統(tǒng)耗時(shí)的加熱及烘干工藝被更快速的308nm大面積準(zhǔn)分子激光照面工藝所取代，這將使加工速度提高5倍，并使超導(dǎo)薄膜的性能提升3倍。圖14中所示的顏色急劇變化，反映了由于YBCO層中化學(xué)鍵斷裂及重組（由準(zhǔn)分子激光器誘發(fā)）引起的性能提升。