摘要：太阳能电池薄膜在平板显示器的生产中得到大量应用。而这其中Indium Tin Oxide（ITO） 薄膜是应用最广的透明半导体薄膜之一。本文主要针对ITO薄膜在超短波激光烧蚀下的熔化规律进行研究。论文通过一系列激光实验，目的在于找出ITO薄膜在远红外激光下熔化现象的基本物理机制和熔蚀过程。经过实验，找出了在不同激光能量密度下，熔化阈值能量密度和熔化率，以及薄膜厚度与阈值能量密度之间的关系。
Abstract： Solar cell film has been widely used in the production of flat panel displays. And the ITO film is one of the most widely transparent semiconductor films. This paper mainly studied the melting law of ITO film under ultrashort wave laser ablation. Through a series of laser experiments， this paper aimed to identify the basic physical mechanisms and melting and ablation process of ITO film in the far-infrared laser. After the experiment， this paper identified the melting threshold energy density and the melting rate under different laser energy density and the relationship between the film thickness and the threshold energy density.
关键词： 太阳能电池；ITO薄膜；激光直写技术；超短波激光烧蚀；阈值能量密度
Key words： solar cells；ITO film；laser direct writing；ultrashort wave laser ablation；threshold energy density
中图分类号：TH11 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）31-0032-03
0 引言
在平板显示器和太阳能电池的生产中透明导电薄膜的工业应用是不可缺少的——而这两大市场元素正在快速成长起来。工业上人们可以在此类薄膜上设计安装各类电路图，而这类薄膜在可见光范围内具有很高的透光率。
为了使ITO薄膜的优良性能得到应用，工业上需要将其进行剪裁，从而得到所需要的功能结构。半导体工业中剪裁ITO薄膜的传统的工业方法利用所谓的湿法刻蚀法。而此方法需要各种不同的制造平台，大型昂贵的机器设备，使用有毒化学物质。全球平板显示器市场上价格的竞争使得制造上不得不需求新的制造方法。
据现存的等离子平板显示器生产工艺显示，湿法刻蚀的生产中，单单一个生产平台就至少需要6个工作站，而每个工作站只能加工最多7个2160×2460mm大小的平板玻璃毛坯。然而每个加工站的花费就要达到几百万美元之多，而单个薄片步进需要花费大约12美元左右。每套模型设备价值大约100百万美金，此外，湿法刻蚀需要对有毒作物，酸性化学材料进行处理，以免对环境造成污染。
于此相比较而言，激光快速图案成型工艺在平板显示器的生产中只需要两个加工站就可以完成所有的加工程序：其中一个应用于平板显示器的加工，而另一个应用于玻璃基体的冲洗。据估计，工业上应用的激光快速图形成型机，单台花费不到6百万美元——大大节省了设备成本。不仅如此，另外一个好处在于：应用此种方法可以省去大量的生产步数——有效的省去了三分之二加工步数——包含激光快速图案成型模型在内的花费最多也只不过几千美元而已。而且快速激光图案成型工艺是个干加工工艺过程，在第二步玻璃基体的洗涤中，也是采用蒸馏法进行操作——这就避免了对有毒洗剂和酸性化学物质的使用，也大大节省了用于对此类物质进行处理的花费。而此技术最杰出的贡献在于，它克服了湿法刻蚀工业在加工大型平板中刻线不一致的加工缺陷[1][2][3][4]。
本论文中将要对高频率皮秒激光下基于玻璃基体上的ITO薄膜材料的烧蚀过程进行研究。实验中将采用远红外激光（1064nm）。激光实验结束后还将采用在一系列光学仪器对靶材进行观察和分析，比如，这其中将使用扫描电子显微镜和白光干涉仪。
而本论文的主要目的在于找出基于玻璃基体上的ITO薄膜在高频率激光烧蚀下的关键熔化阈值。此外，在ITO薄膜图案成型过程中的加工系数也将在论文中进行优化，以求在能量消耗最少的情况下得到最好的加工质量。具体的说，在ITO薄膜烧蚀过程中所需要的最佳的激光刻蚀速度和激光能量，既能够将ITO材料完全移除，又不对玻璃基体造成损伤。
ITO薄膜在皮秒时间域内的激光烧蚀实验：
本章主要通过实验的方法对ITO薄膜在皮秒激光烧蚀下的过程及规律进行研究。实验过程分为两个部分，远红外激光实验和紫外光激光实验，本文基于实验数据对ITO在两种不同波长激光下的烧蚀过称做了总结，找出二者之间的异同。在本章的最后，将给出ITO和玻璃在1064nm和355nm波长下的物理性能。
1 实验设置
实验设置由激光器以及一系列光学仪器组成。光束放大器beam expander，反光镜mirror，激光扫描器scanner，移动平台motion stage。另外不可缺少的还有电脑控制设备和相关的软件，用来控制激光束和移动平台。激光从激光器发射出后，被放大器进行3倍放大，再通过一系列的反光镜被引入到扫描器中，通过电脑软件可以控制激光器在靶材表面的移动。另外，用来分析和测量熔化斑点直径的仪器和方法也将在本部分进行简单介绍。而在分析过程中，光学显微镜，白光干涉仪以及扫描电子显微镜也是不可缺少的。 该系列实验中使用的是HYPER RAPID 25激光器，由Lumera Lasers GmbH设计制造。该仪器属于全固态被动锁模侧泵大功率Nd：YVO4激光器，能够产生50MHz频率的皮秒激光。激光脉冲频率可由电光调制器（EOM）中的定位装置进行调节。输出频率在200kHz与1000kHz之间。激光器基本波长为1064纳米（远红外光）。通过二次和三次共谐产生器（SHG和THG）可产生532纳米（绿光）和355纳米（紫外光）波长的激光。因为激光器发射的是TEM00式激光，因此该激光束可以用高斯光束进行描述。
激光器，扫描仪，以及平台都由电脑上的特殊软件进行控制和调节。该软件控制扫描速度和位置，激光能量和激光频率，以及平台的移动位置。有了该软件，可以将ITO薄膜剪裁成工业上所需要的功能结构。此外，在工业生产中，不同的生产上使用不同格式的数据文件，而该软件能够兼容多种格式的文件，甚至图片格式也可读取。因此，可将复杂形状的图案存储为图片格式，由该软件直接读取，从而实现对ITO材料复杂图形的加工。
2 ITO薄膜的单脉冲激光实验
在论文的本章节中将对所有实验进行描述并对实验结果进行讨论和分析。其中第一小节将对实验中使用的重要参数和公式重点解释。在随后的小节中将对不同厚度ITO薄膜靶材在不同波长激光下的熔蚀中的表现进行描述和讨论。首先将重点讨论单脉冲激光烧蚀实验的结果，该实验中所需要的输入能量密度的计算方法，移除ITO材料所需要的阈值能量密度，以及ITO薄膜的光渗透深度。
实验过程：整个单脉冲实验的目的在于计算出能量密度值，阈值能量密度值和光渗透深度系数。此外，通过该实验可以对ITO材料在不用波长激光下不同的熔化规律得到直观的了解。所有的单脉冲实验全部采用的激光扫描速度。利用该速度可以确保熔化斑点能够相互分离开来。基于脉冲频率达到了200kHz，因此最大半径为40？滋m的熔化斑点可以保持相互分离而不重叠。所得到的熔化斑点的半径由白光干涉仪进行测量。在仪器的帮助下可以得到熔化斑点关于半径和深度的信息。有了这些数据就可以计算出ITO材料光渗透深度值。
在该实验中所有样本靶材使用范围从0.4J/cm2到13.2J/cm2能量密度的激光进行辐照。激光将从ITO靶材正面入射。从能量密度为0.64J/cm2开始，实验中得到的ITO靶材表面可以观察到熔化的斑点。熔化深度随着能量密度的增加而提高。在能量密度为2.33J/cm2时只可以得到部分熔化的斑点。而当能量密度从3.52J/cm2开始可以清楚的观察到，ITO材料在熔化斑点中心部分可以被完全移除。该中心部分的半径随着能量密度的增加而增加，然而当能量密度甚至达到13.20J/cm2之高时ITO材料熔化斑点的周边仍然没有被移除。当能量密度为5.20J/cm2时，未能熔化的边缘宽度为10.4？滋m，而当能量密度为13.20J/cm2时该边缘宽度为10.95？滋m。而熔化斑点的深度随着能量密度的提高成步进式增加的趋势。在ITO材料被完全移除之前，可以观察到熔化深度随着能量密度的增加在40纳米到60纳米范围之间增加。实验中甚至使用更高密度的能量时也没有对玻璃基体造成损伤。
接下来，在这一段中将重点研究ITO薄膜熔化阈值的计算方法。这里本文使用30号样本举例进行讲解。
图1为远红外激光实验中样本熔化斑点半径值平方与不同能量密度之间的关系曲线图，实验中激光由ITO正面方向入射。从该曲线图中可以清楚的观察到，由直线逼近方法得到的直线斜率，以及Y轴截距分别为322.46 和 579.58。熔化阈值能量密度就可以按照前文所介绍的方法计算出来。经过计算可以得到结论，基于玻璃基体之上的ITO薄膜材料在远红外激光脉冲下的熔化阈值能量密度为0.573J/cm2。
通过这种方法，所有样本靶材（Nr.2-Nr.42）的熔化阈值能量密度就可以全部被计算出来。而通过这些不同样本的熔化阈值能量密度，就可以做出不同ITO薄膜厚度与相应熔化阈值能量密度之间的关系曲线图。
由曲线图2可以清楚的看到，阈值能量密度随着样本厚度的增加而成递减趋势。从样本2到样本20，阈值能量密度随着ITO薄膜厚度的增加迅速递减，样本20到样本42之间，阈值能量密度并不随着ITO薄膜材料厚度的变化而变化，而成相对稳定的趋势。
3 ITO薄膜材料在远红外激光下的熔化规律
正如前文所提到的，ITO薄膜材料在不同波长的激光下呈现出不同的熔化规律。在前几年中已有一些论文对基于玻璃基体之上的ITO薄膜材料的激光熔化规律进行研究，而所有研究结果都一致显示，在1064纳米波长激光下，ITO薄膜可以用过热蒸发被完全移除。通过对ITO薄膜靶材表面温度的数据模拟，人们发现，在该波长激光下，ITO材料的表面温度可以被加热到沸点之上。在远红外波长激光下，样本靶材只有ITO薄膜材料吸收光子后被加热，因为在该波长激光下，玻璃材料被完全透射并不吸收光子。
参考文献：
[1]M. Y. Xu， J. Li， L. D. Lilige， P. R. Herman， "F2- laser patterning of indium tin oxide （ITO） thin film on glass substrate"， Applied Physics A， vol. 85， no. 1， pp. 7-10， 2006.
[2]H. W. Choi， D. F. Farson， J. Bovatsek， A. Arai， D. Ashkenasi， "Direct-write patterning of indium-tin-oxide film by high pulse repetition frequency femtosecond laser ablation"， Applied Optics， vol. 46， no. 23， pp. 5792-5799， 2007.
[3]David A. Willis， Adam L. Dreier， "Laser micromachining of indium tin oxide films on polymer substrates by laser- induced delamination"， Journal of Physics D： Applied Physics， vol. 42， no. 4， pp. 1-8， 2009.
[4]C. P. Hedderich etal. Design and Optimization of Air-cooled Heat Exchangers[J]. Journal of Heat Transfer， 1982， Vol.104（1）： 245～250.