隨著對小型電子產品和微電子元件需求的不斷增加，紫外激光是加工廣泛應用于微電子元件的塑料和金屬的理想工具。固體激光器的最新技術推動了新一代緊湊型全固態紫外激光器的發展，使其成為該領域更經濟有效的加工方法。

1.紫外激光的產生

從1064nm Nd∶ YAG激光的三次諧波中獲得35nm紫外激光。具體技術途徑是在二次諧波晶體腔內將1064nm基波倍頻產生532nm二次諧波，基波和諧波在三次諧波晶體腔內混合產生355nm三次諧波。

1，1簡單理論

三次諧波的產生分為兩部分。在第一晶體中，部分1064納米的基本輻射被轉換成二次諧波(532納米)；然后，在第二晶體中，未轉換的基波輻射和二次諧波的和頻產生三次諧波。非線性晶體中的混頻方程為:

 

這里的Ej項是頻率為ωj的波在Z方向傳播的綜合電矢量，ω3=ω1+ω2，波J的電場是Ejexp(iωjt-ikjz)的實部，相位失配K = K3-(K1+K2)與光路在相位匹配方向的偏差θ成正比，γ1項是吸收系數。三倍頻有ω2=2ω1，ω3=3ω1，K2≈2K1，K3≈3K1。為了提高倍頻效率和和頻光的功率輸出，應盡量滿足相位匹配條件:k = 0。設參數s為三次諧波晶體中二次諧波功率與總功率的比值；

如果ω和2ω的光子匹配為1:1，則有Pω+P2ω，S=0.67。理論上，在小信號近似的情況下，輸入光束可以轉換成三次諧波。
1，2實驗裝置
實驗裝置如圖1所示。Nd:YVO4晶體由A軸切割，摻1% Nd，尺寸為3mm×3mm×2mm。一面鍍1064nm/532nm雙波長高反膜作為輸入鏡，另一面鍍808nm增透膜。輸出鏡M的曲率半徑為100mm，凹面鍍1064nm/532nm高反射膜和355nm減反射膜，平面鍍355nm高透射膜。

 

第二倍頻晶體為KTP，θ= 90°，φ= 23.5°，按ⅱ類臨界相位匹配切割，尺寸為2mm×2mm×10mm，兩端面鍍有1064nm/532nm雙色增透膜。I類臨界相位匹配LBO，θ= 42.6°，φ= 90°，倍頻晶體尺寸為3mm×3mm×12mm，兩端面鍍有1064nm/532nm/355nm三色增透膜。第二和第三倍頻晶體的放置應符合光波的偏振匹配條件。如圖2所示，Nd:YVO4，KTP，LBO由冰箱控制。用coherent公司生產的功率計LabMaster Ultima P540和LM-UV2紫外檢測器測量紫外激光的功率。
2.紫外激光加工的特點
紫外激光除了具有激光的一般特性外，還具有一些與紫外波長相對應的特性，這使得紫外激光在許多材料的加工中有著重要的應用。

2、1紫外激光加工原理

與通常通過產生集中的局部加熱來熔化或蒸發物質的紅外線或可見光不同，紫外線處理本質上不是熱處理。紫外激光的波長在0.4um以下，大多數材料比紅外光更容易吸收紫外光。高能紫外光子直接破壞材料表面原子間的鍵。經過這種“冷”光刻處理的部件具有光滑的邊緣和最小的碳化。

圖 3 激光與材料作用的示意圖

2、2紫外激光加工的優點:

(1)紫外激光波長短，可以加工非常小的零件。紫外激光的波長在0.4um以下，因為會聚光斑的最小直徑與光的波長成正比(由于衍射)。激光的波長越短，聚焦的能量越集中。因此，更短的波長意味著更高的空間分辨率。比如鉆微通道時，CO2激光鉆的最小孔極限是75um，而直徑小于25um的通道可以用355nm紫外固態激光加工。
(2)多種材料(如陶瓷、金屬、聚合物等。)吸收更多的紫外波段，所以他們可以加工很多紅外和可見光激光不能加工的材料。諸如銅的金屬對紅外光具有高反射性。如果不進行預處理，用CO2激光切割是無效的。
(3)紫外光子直接切斷物質分子中原子間的鍵。或者紅外可見光通常通過產生集中的局部加熱來熔化或蒸發材料，但是這種加熱會對周圍區域造成嚴重的損傷，從而限制了邊緣強度和產生小的精細特征的能力。與熱加工相比，紫外激光加工可以分解材料并將其去除，因此加工處周圍的熱損傷和熱影響區較小。
而且紫外激光器，尤其是固體紫外激光器的結構越來越緊湊，平均功率高，易于維護，操作簡單，成本低，生產率高。
3.紫外激光用于薄膜劃線。
3，1激光系統
在實驗中，使用兩種不同的激光光源進行劃線。第一光源是波長為355nm、脈沖寬度為15ns的端面泵浦固體激光器，第二光源是脈沖寬度為8ns、波長為355nm的 端面泵浦固體激光器。兩個光源的典型脈沖能量分布是高斯分布。兩個光源的功率由外部衰減器調節。為了獲得高加工速度，激光束通過掃描透鏡傳輸。
3、2樣品處理
處理了兩種類型的樣品。為了研究燒蝕閾值，在玻璃上沉積一層薄膜。在激光劃片的研究中，通過不同的步驟將未完成的太陽能電池沉積在高級玻璃基板上。非晶硅層在MV系統中通過等離子體增強化學氣相沉積來沉積，沉積的薄膜層的厚度為500-600nm。商品化的Asahi-U和自制的ITO(SnO2:In2O3)和AZO(ZnO:Al)樣品用于TCO單層刻蝕。
3，3測量和表征技術
用徠卡ICM 1000共聚焦激光掃描顯微鏡測量腐蝕輪廓和形貌特征。掃描電子顯微鏡和能量色散X射線探測器的輪廓分析圖像可以幫助我們更好地理解劃片過程中選擇性刻蝕的形態特征。
3、4消融閾值的計算
在激光選擇性燒蝕過程中，確定合適的能量密度是非常重要的，它可以有效地去除材料而副作用最小。消融閾值非常有助于建立可能的參數窗口。消融閾值通過測量消融孔徑的增長值來獲得。表1總結了單脈沖消融的消融能量密度。

表 1 薄膜材料的燒蝕閾值

 

3、5激光劃線工藝
該實驗在未拋光的太陽能電池上進行，其中每個激光步驟由適當的沉積層評估。第一步，在玻璃上沉積一層特殊的透明導電氧化物層。在第二步中，在第二透明導電氧化物層上沉積另一層非晶硅。最后，在第三步中，將ZnO: Al的特殊樣品放置在襯底結構上作為靜態結。
3，5，1第一步，TCO劃片
第一步，評估三種TCO:Asahi-U、ITO和AZO。表2顯示了實現加工所需的能量密度和脈沖數。圖4示出了對應于表2中的激光蝕刻參數的劃線的掃描電子顯微鏡圖像。