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

　　為了突出激光光束整形的優勢，用Nd:YVO4二極管泵浦固體激光器（DPSSL）來加工氧化銦錫（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進行連續的刻線；例如以極高的刻線速度進行。分光鏡是用來實現平行加工，以提高效率以及實現激光能量的可持續利用。

　　薄膜激光加工

　　激光加工已經成為薄膜制備中不可或缺的制造技術。尤其是在薄膜太陽能電池加工中，由單個的沉積功能層構成的激光結構通常是用二極管泵浦固體激光器來完成的，采用的是高斯光束輪廓、不同的波長和脈沖長度（納秒級范圍）。激光刻線過程一般被分成P1（構成透明導電氧化物層）、P2（在半導體吸收層上刻圖）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）對激光薄膜造成不同的燒蝕表現：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（b），加工的材料系統的截面示意圖（c）。

　　尤其是，在顯示設備、觸摸屏和有機發光二極管（OLEDs）的生產中也能見到透明導電氧化物層（TCOs）的P1刻線。與傳統方法如機械針刻或濕法化學蝕刻不同，激光刻線對薄膜造成的機械應力最小，并且能避免易引發異議的化學處理。盡管超短脈沖激光系統已被科學研究證明能實現更優的加工質量和更高的生產率，目前用于薄膜刻線的最先進的工業激光燒蝕系統仍然是納秒脈沖調Q二極管泵浦固體激光器。為了進一步提升它們的表現，光束整形光學元件可以輕松地融入現有的制造系統中，以優化光束輪廓，以及為實現平行加工來增加輸出光束。

　　平頂光束輪廓改進薄膜燒蝕

　　使用高斯光束輪廓的主要難點是管理投射到材料上的能量。圖1說明了薄膜燒蝕的原理。只有在激光強度超過了燒蝕閾值的區域才會實現完全的燒蝕。任何超過此閾值的能量都可能會損壞基底材料。高斯光束輪廓兩側的能量要低于燒蝕閾值，會導致對周圍材料產生不需要的加熱，從而造成結構損傷。根據Keming Du所說，高斯光束中高達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能量以匹配燒蝕閾值，主要是通過降低超出閥值以及輪廓兩側的多余能量。因而可以避免激光刻線對下方以及鄰近區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進一步的好處，就是有可能將圓形的激光腳點變為正方形或矩形。通常情況下，用脈沖激光形成的圓形激光腳點會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械應力。要避免這種情況，在使用圓形的高斯光束輪廓時脈沖重疊至少要高達70%。相比之下，矩形激光腳點只需非常小的重疊就可以產生直的側壁，從而提高激光微加工的加工速度。

　　對不同的任務采用不同的平頂光束輪廓

　　接下來我們將總結使用折射和衍射光束整形光學元件形成平頂光束輪廓的寶貴實踐規則。非整形光束在焦平面上的光斑直徑由波長、聚焦光學元件的數值孔徑（NA）以及輸入光束的質量來決定。根本上來說，只有通過擴大光斑直徑才能實現光強的再分布，從而形成均勻的平頂光束輪廓。這個空間擴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或兩個維度中進行。

　　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）。根據經驗法則，通過折射光束整形元件，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，在薄膜激光燒蝕過程中，大的光斑直徑能去除更多材料，從而減少設備的有效面積。

　　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的平頂光束輪廓。激光源的光束質量：M2 < 19；數值孔徑（NA）= 0.005。

　　或者可以通過使用衍射光束整形元件生成近衍射極限的平頂光束。每個聚焦光束整形元件（FBS）可以在工作平面上產生兩種不同的平頂光束輪廓。我們所說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。下面的兩個公式能估算FBS光學元件零階和一階平頂光束的焦點直徑。此外，FBS光學元件的效率很高（>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%。輸入光束的質量應該高于M2 = 1.5。

　　圖3 所示的是零階平頂光束的激光腳點的幾何形狀，分別是由兩個不同的平頂光束FBS元件所生成，分別表示為FBS-1和FBS-2。這兩個衍射光學元件的空間調制不同，這樣會導致衍射光場的強度分布不同。特別是，FBS-1生成的平頂光束輪廓會形成正方形的激光腳點， 不過仍然有著圓角。FBS-1的轉換效率是95%左右。相比之下，FBS-2生成的平頂光束輪廓具有正方形激光腳點，具有清晰的邊緣。不過，FBS-2的轉換效率略有減少，約為90%。

　　FBS-2零階平頂光束在焦平面周圍也顯示出非常高的工作區深度（焦點深度）。這個區域的光強分布和直徑（@1/e2-level）相當穩定，這將帶來幾乎恒定的功率密度。零階平頂光束工作區的長度大約只有高斯光束的瑞利長度的60%。在零階平頂光束的工作區內，平頂光束峰值強度只下降了大約15%，相比之下高斯光束在此長度范圍內下降約30%（在整個瑞利長度，高斯光束的峰值強度下降了50%）。FBS-2零階平頂光束峰值強度變化的減少可以帶來更穩定的薄膜燒蝕過程。

　　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驗模擬結果：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產生的激光光束可以用很高的刻線速度來去除薄膜。圖4比較了用1064nm Nd:YVO4 二極管泵浦固體激光器進行的150nm ITO薄膜燒蝕，重復頻率為10kHz。對于需要衍射限制的光斑直徑的應用來說，可以使用FBS-1或FBS-2零階平頂光束。圖4a顯示了使用FBS-1零階平頂光束進行激光刻線的結果。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，使用FBS-1形成的光束輪廓仍然可以見到有略圓的角。

　　圖4：使用不同的平頂光束進行激光刻線的結果：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-2零階平頂光束進行激光刻線的結果，具有相同的燒蝕光斑重疊。改進的光強分布使得激光刻線的直線沒有鋸齒形邊緣。

　　最終，略微改變光學裝置可以生成FBS-1一階平頂光束輪廓。采用這個較高階很可能產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%的激光刻線結果，類似于圖4a的結果。與圖4a所示結果不同的是，FBS-1在使用一階平頂光束時還可以去除直線。

　　這些結果顯示，應用均勻的激光光束輪廓確實可以改進薄膜激光燒蝕。相比使用高斯光束輪廓，使用像FBS-1和FBS-2這樣的衍射光學元件，能刻出很直的線，并能顯著提高刻線速度。

　　用衍射光束整形元件來提高生產率

　　薄膜燒蝕通常只需要標準工業二極管泵浦固體激光器的脈沖能量的一小部分。在本文所示的實驗中，使用的是Ekspla工業二極管泵浦固體激光器（Baltic系列），脈沖能量為750&mu;J。但是薄膜燒蝕應用的脈沖能量只有15&mu;J。如果要刻出一個具有空間重復性的圖案，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制出原來的光束，從而可以同時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元件結合使用。這將提高激光工藝的能量效率，并且提高激光刻線的生產率。二元衍射分光鏡可以實現幾乎90%的效率以及子光束之間的同質化（>2.5%）。圖5顯示通過使用四倍分光鏡和FBS-1一階平頂光束輪廓的組合來對150nm ITO層進行激光刻線的結果。四條線生成的毛刺、線寬和底部粗糙度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對150nm ITO進行激光刻線：每一根線的局部放大顯微鏡圖片（a）；毛刺的測量值（ROI: 100&times;100&mu;m2） ；線寬和每一條線的粗糙度Rz（Rt）（b）。

　　小結

　　利用光束整形元件和分光鏡這樣的衍射光學元件以及納秒脈沖固體激光器，來進行薄膜激光燒蝕，能顯著提高加工效率和質量。由于可以用于現有的系統，終端用戶可以通過改裝這種光學元件來改進他們設備的性能，而無須急于投資新的激光系統。