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激光加工原理

激光又名鐳射（Laser）,它的全名是“輻射的受激發(fā)射光放大”。（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。加工原理為具有較高能量密度的激光束照射在被加工材料表面，材料表面吸收激光能量，溫度上升，產(chǎn)生熔融、燒蝕、蒸發(fā)，從而達(dá)到去除表層的目的。

激光劃線作用

激光劃線是利用激光在硅片背面進(jìn)行打孔或劃線，將部分AL2O3與SiNx薄膜層打穿露出硅基體，背電場(chǎng)通過(guò)薄膜上的孔或槽與硅基體實(shí)現(xiàn)接觸。

激光加工過(guò)程

1.） 通過(guò)熱激發(fā)或光激發(fā)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子；2. ）導(dǎo)帶電子通過(guò)雪崩電離和焦耳加熱吸收能量形成等離子體；3. ）等離子體通過(guò)電子聲子耦合將能量傳遞給材料品格；4. ）品格被加熱材料熔化、升華；5. ）物質(zhì)的熱擴(kuò)散和沖擊波引起周圍物質(zhì)的變化。

激光規(guī)格參數(shù)

激光劃線系統(tǒng)介紹

激光工作原理示意圖

部分實(shí)物示意圖

光路校正檢查

1）該激光消融設(shè)備中，532nm激光從激光器輸出后，先經(jīng)過(guò)兩路全反射鏡反射，再經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡、手動(dòng)光闌后輸入激光掃描振鏡、聚焦透鏡，最后輸出經(jīng)過(guò)聚焦后的激光。

2）激光經(jīng)過(guò)1號(hào)反射鏡，讓其傳輸方向改變90°；再經(jīng)過(guò)2號(hào)反射鏡，讓其傳輸方向再改變90°。

3） 1號(hào)反射鏡與2號(hào)反射鏡的角度對(duì)激光傳輸方向非常重要，同時(shí)會(huì)影響激光傳輸?shù)男?，在調(diào)整兩者的角度時(shí)需要特別注意，看激光是否達(dá)到90°反射。(90°反射可以保證激光傳輸過(guò)程中功率損耗降到最小)通過(guò)2號(hào)反射鏡后的激光，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡中心輸出，直至掃描振鏡輸入端中心輸入。

4）設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，需要打開(kāi)防護(hù)蓋板，確認(rèn)反射鏡、擴(kuò)束鏡、光闌固定螺絲是否松動(dòng)。

光路校正步驟

1）佩戴好激光防護(hù)眼鏡、532nm倍頻片(用于觀察光斑)；2）調(diào)整激光功率到合適大小，大致10%左右的激光功率；3）調(diào)整1號(hào)反射鏡角度，使得激光達(dá)到90°反射到達(dá)2號(hào)反射鏡；4）調(diào)整2號(hào)反射鏡角度，使得激光達(dá)到90°反射到達(dá)擴(kuò)束鏡；5）使用倍頻片觀察擴(kuò)束鏡輸出端，檢查激光是否經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡中心輸出。如果激光偏離中心輸出，返回調(diào)整2號(hào)反射鏡、1號(hào)反射鏡。直至將激光調(diào)整到中心輸出；6）調(diào)整擴(kuò)束鏡倍數(shù)大小，直至將光束調(diào)整到工藝要求合適的工作焦距；7）調(diào)整激光從手動(dòng)光闌中心輸出，調(diào)整光闌孔徑大小，直至將激光功率調(diào)整到工藝所需要求；8）調(diào)整激光從掃描振鏡輸入端中心輸入。

光路清潔維護(hù)

1）作用：保證光路上各鏡頭（片）的潔凈度，決定了它們是否能夠發(fā)揮本身的光學(xué)性能：比如透光率、反射率等等。光路系統(tǒng)的維護(hù)主要指各個(gè)光學(xué)鏡頭（片）的除塵擦拭，光路系統(tǒng)部分的維護(hù)主要涉及以下幾個(gè)部位：光路封閉機(jī)構(gòu)是否密封；激光頭輸出窗口是否有灰塵；反射鏡、擴(kuò)束鏡是否有灰塵；掃描振鏡頭X/Y反射鏡片是否有灰塵；至少每2周一次重點(diǎn)檢查F-θ場(chǎng)鏡輸出面是否有灰塵等污染物，鏡面必須保證干凈無(wú)任何污染物。

光路清潔維護(hù)操作

在準(zhǔn)備對(duì)這些光學(xué)鏡頭、鏡片進(jìn)行擦拭除塵之前，必須保證不能移動(dòng)它們各自所在的位置。具體操作如下：

1）光路維護(hù)人員首先戴好口罩、手套。

2）準(zhǔn)備擦拭除塵的工具：包括鏡頭清潔劑（鏡頭清潔劑由酒精和乙醚配兌而成，酒精和乙醚兩者都要100%的，等級(jí)選用分析純的，以避免雜質(zhì)對(duì)鏡頭的傷害。酒精和乙醚的比例可取1：1，南方沿海地區(qū)氣候濕潤(rùn)，可多加些乙醚，比例可取1：2）、光學(xué)長(zhǎng)絨無(wú)塵棉簽棒、光學(xué)擦鏡紙、吹風(fēng)球等。

3）用內(nèi)六角扳手松開(kāi)并移除各光學(xué)鏡頭處覆蓋的封閉蓋板、套筒。在做移除操作時(shí)，動(dòng)作務(wù)必輕柔，切不可將光學(xué)鏡頭（片）當(dāng)前的位置調(diào)動(dòng)，包括旋鈕螺桿，不能調(diào)動(dòng)這些裝置。

4）將封閉蓋板和套筒拆掉后，從正面對(duì)視，觀察里面的光學(xué)鏡片（頭）是否有污染物或者灰塵。

5）用吹風(fēng)球大致吹一次鏡頭。操作前要先空吹幾下，而后再吹鏡頭。手握吹風(fēng)球的方法就像握木棍一樣，出風(fēng)嘴朝下，吹氣時(shí)四指向著手掌心快速擠壓吹風(fēng)球，這種方法基本可保證吹風(fēng)嘴方向穩(wěn)定。要小心吹風(fēng)嘴碰鏡頭。

6）用棉簽棒擦洗相對(duì)明顯的贓物或者印記：

將棉簽棒前端接觸擦拭液液體表面，多少以棉棒頭剛好吸滿擦拭液為止。切不可將棉簽棒全部浸入擦拭液。擦拭時(shí)同樣是從鏡頭的中間往邊緣劃圈擦拭，棉簽的一個(gè)擦拭面僅能擦拭一次，使用過(guò)的棉簽禁止再次放入鏡頭清潔劑中。棉簽棒不可重復(fù)使用。

7）用光學(xué)擦鏡紙擦拭：

對(duì)于小的鏡頭（片），可將準(zhǔn)備好的擦鏡紙?jiān)?/span>1/3處對(duì)折，換一個(gè)方向再在1/3處對(duì)折，最后將兩次對(duì)折的那個(gè)角再對(duì)折，這樣就得到了一個(gè)45度的尖角。

將尖角粘少許清潔劑，避免滴液，而后從鏡頭的中間往邊緣劃圈擦拭。擦拭一遍過(guò)后，這個(gè)位置就不能再使用了。還是這塊布換一個(gè)位置再折出一個(gè)尖角，如此返復(fù)直至擦凈。

當(dāng)無(wú)處可折疊時(shí)應(yīng)換一張紙，不得重復(fù)使用；對(duì)于大的鏡頭（片），先將擦鏡紙?jiān)?/span>1/3處對(duì)折，而后將食指放入對(duì)折布內(nèi)，再將布沿著手指尖卷出一個(gè)尖角即可。

激光參數(shù)對(duì)電性能的影響

實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)選取的樣品采用成熟的PERC技術(shù)，每組樣品激光處劃線處理之前工藝完全相同，且背面SixNy顏色相近(SixNy顏色隨著厚度呈周期性變化)，以保證實(shí)驗(yàn)樣品的一致性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容

實(shí)驗(yàn)研究背鈍化技術(shù)在激光劃線過(guò)程中激光設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)等對(duì)電池性能的影響，主要研究?jī)?nèi)容為：

1）不同激光功率對(duì)電池片性能的影響。實(shí)驗(yàn)根據(jù)激光器固定參數(shù)設(shè)定不同的輸出功率，以研究不同功率條件下電池片的性能。

2）不同輸出頻率對(duì)電池片性能的影響。實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)整激光器輸出頻率，探究不同頻率條件下的劃線平滑度及電池片性能。

3）不同劃線形貌對(duì)電池片性能的影響。實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變激光劃線線寬及劃線線型，探究不同劃線形貌條件下的電池片性能。

實(shí)驗(yàn)工藝流程

1）原硅片經(jīng)過(guò)成熟的常規(guī)工藝制絨、擴(kuò)散、刻蝕及氧化后；在硅片背表面生長(zhǎng)一層厚度約5～8nm的Al2O3；

2）本實(shí)驗(yàn)采用原子層淀積(ALD)的方式生長(zhǎng)Al2O3；在Al2O3表面鍍一層約150nm的SixNy保護(hù)層后，使用PECVD技術(shù)在硅片正表面鍍一層厚度約為80nm的SixNy減反膜；

3）最后采用激光技術(shù)在硅片背面劃線，打通鋁背場(chǎng)與硅片基本的連接通道，使鋁背場(chǎng)在印刷燒結(jié)后能與硅片產(chǎn)生有效歐姆接觸；

4)硅片劃線后采用相同工藝經(jīng)過(guò)印刷燒結(jié)，在相同機(jī)臺(tái)對(duì)電池片性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比分析，以保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

結(jié)果分析

1)不同功率的對(duì)比

實(shí)驗(yàn)采用相同批次片源進(jìn)行多組對(duì)比，在保證前段工藝與激光設(shè)備其他參數(shù)完全一致的條件下，調(diào)節(jié)激光器輸出功率，比較不同功率條件下成品電池片的電性能差異。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，在激光設(shè)備功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)功率遞增的條件下，電池效率波動(dòng)不明顯且無(wú)線性變化的趨勢(shì)，這說(shuō)明激光設(shè)備功率在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)對(duì)電池片性能影響并不大。

2)不同頻率的對(duì)比

實(shí)驗(yàn)選取相同批次片源進(jìn)行多組對(duì)比，在控制其他變量的條件下，研究不同激光頻率對(duì)電池性能的影響。在實(shí)驗(yàn)原有工藝基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)激光設(shè)備的輸出頻率，設(shè)置激光頻率梯度，研究了在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5MHz頻率條件下電池片的性能差異，用3D顯微鏡比較了高頻與低頻工藝條件下劃線后電池結(jié)構(gòu)的微觀形貌，在相同機(jī)臺(tái)對(duì)其電性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，驗(yàn)證激光頻率對(duì)電池性能的影響。

從3D顯微鏡測(cè)試結(jié)果來(lái)看，低頻工藝條件下激光劃線深度較淺，疑似有SixNy殘留物，且劃線臨界面呈鋸齒狀結(jié)構(gòu)；高頻工藝條件下激光劃線深度相對(duì)較深，且劃線臨界面十分平整。這可能是因?yàn)樵谝欢l率范圍內(nèi)，當(dāng)激光脈沖作用于電池表面時(shí)，頻率越高激光能量釋放越大，因此劃線效果也相對(duì)較好。從電性能數(shù)據(jù)來(lái)看，2.0MHz工藝條件下的電池片性能要優(yōu)于1.0MHz工藝。

電池片效率隨著激光輸出頻率逐漸增加呈先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)激光頻率低于2.5MHz 時(shí)，電池片性能隨著頻率升高而呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)激光頻率高于2.5MHz時(shí)，電池片性能隨著頻率升高而呈遞減趨勢(shì)。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不難看出，當(dāng)頻率超過(guò)2.5MHz時(shí)，電池片填充因子FF也呈下降趨勢(shì)，進(jìn)一步影響了電池片效率。這可能是由于在激光劃線的過(guò)程中，激光能量被SixNy/Al2O3鈍化介質(zhì)膜吸收的同時(shí)，少部分溢出的能量也會(huì)被硅襯底吸收；

事實(shí)上，激光能量大部分還是被SixNy/Al2O3鈍化介質(zhì)膜吸收，以減少對(duì)原硅片的損傷。而隨著激光頻率增加，激光脈沖能量隨之增大，劃線效果也相對(duì)越好；當(dāng)激光頻率超過(guò)2.5MHz時(shí)，激光能量在刻穿SixNy/Al2O3鈍化介質(zhì)膜的基礎(chǔ)上對(duì)硅片表面產(chǎn)生了損傷，從而影響了電池片性能。

不同形貌對(duì)比

實(shí)驗(yàn)選取相同批次片源進(jìn)行多組對(duì)比，在保證其他工藝條件完全一致的情況下，研究不同劃線形貌(線寬、線型)對(duì)電池性能的影響。兩組實(shí)驗(yàn)分別選取相同片源，其中實(shí)驗(yàn)通過(guò)3D顯微鏡測(cè)試對(duì)比了不同劃線線寬時(shí)電池性能的差異；而后選取A組實(shí)驗(yàn)樣品采用連續(xù)線劃線工藝，B組實(shí)驗(yàn)樣品采用間斷線(劃線0.8mm，不劃線0.2mm)劃線工藝，比較不同劃線線型條件下電池片性能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下圖

從線寬可知，在控制其他變量的條件下，當(dāng)劃線線寬逐漸增加時(shí)，電池片性能也隨之提高，這可能是因?yàn)橄鄬?duì)大的劃線面積提高了電池片表面載流子的運(yùn)輸性能，從而使電池片性能得到提升。

從線型可知，間斷線劃線工藝生產(chǎn)的電池片效率要比連續(xù)線劃線工藝高0.10%。而在其他實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)爐溫和鋁漿相同時(shí)，連續(xù)線劃線工藝所生產(chǎn)的電池片在經(jīng)過(guò)印刷燒結(jié)后背場(chǎng)更易產(chǎn)生鋁珠和鋁刺，而間斷線劃線工藝所生產(chǎn)的電池片則幾乎沒(méi)有，這也從側(cè)面證實(shí)了間斷線劃線工藝的優(yōu)越性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法研究了PERC電池激光劃線時(shí)的激光頻率、劃線形貌、設(shè)備功率對(duì)電池片性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明：

1)激光器輸出功率在14～17W范圍內(nèi)，設(shè)備功率對(duì)電池片性能并無(wú)直接影響。

2)激光頻率在1.0～3.5MHz范圍內(nèi)，當(dāng)輸出頻率低于2.5MHz時(shí)，電池片性能隨著激光器輸出頻率升高而呈遞增趨勢(shì)；當(dāng)激光器輸出頻率高于2.5MHz時(shí)，設(shè)備輸出頻率升高則會(huì)影響FF，從而使電池片性能降低，這可能與激光劃線深度有關(guān)。

3)當(dāng)劃線線型相同時(shí)，劃線線寬在33～38μm范圍內(nèi)時(shí)電池片性能隨著劃線線寬增加而提升，這可能是由于相對(duì)較大的劃線面積增進(jìn)了鋁背場(chǎng)與硅片的有效歐姆接觸，從而提升了電池性能；而就劃線線型而言，間斷型劃線工藝要優(yōu)于連續(xù)型劃線工藝。

激光工藝過(guò)程注意事項(xiàng)

生產(chǎn)注意事項(xiàng)

1)工藝衛(wèi)生：臺(tái)面、吸盤、皮帶每班生產(chǎn)前進(jìn)行擦拭；2)生產(chǎn)前需確認(rèn)激光工藝、激光狀態(tài)，激光功率：目標(biāo)值±0.3W；3）生產(chǎn)過(guò)程中每50片確認(rèn)一次激光圖形無(wú)異常；4）異常硅片、手接觸片全部返工處理；5）激光光斑控制范圍：34±4μm；6. 激光后未印刷硅片在制品時(shí)間不得超過(guò)2小時(shí)。

激光調(diào)試注意事項(xiàng)

1）生產(chǎn)前確認(rèn)激光狀態(tài)及激光功率是否開(kāi)啟；2）生產(chǎn)前確認(rèn)生產(chǎn)硅片種類，根據(jù)情況更改激光圖形；3）連續(xù)生產(chǎn)前試生產(chǎn)幾片，查看外觀、激光圖形等，確認(rèn)后交付生產(chǎn)；整幅面光斑均勻性不好。

設(shè)備檢查以及維護(hù)

1)每天生產(chǎn)任務(wù)完成后需對(duì)設(shè)備進(jìn)行清潔，主要有臺(tái)面、白色勻光板、吸盤、裝載盒、傳送皮帶、主機(jī)內(nèi)部大理石表面、抽塵口區(qū)域，使用無(wú)塵布蘸酒精清潔即可;2)設(shè)備運(yùn)行10天后，使用吸塵器對(duì)設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行徹底清理，以免硅片碎片或粉塵長(zhǎng)期堆積造成機(jī)構(gòu)堵塞、電氣短路等;3)相機(jī)光源設(shè)備每運(yùn)行一周，定時(shí)檢查相機(jī)光源是否有污染。

推薦設(shè)備：導(dǎo)電玻璃激光刻蝕機(jī)