专利名称：一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法
技术领域：
本发明涉及激光微纳加工、太阳能光伏和半导体制造领域，特别涉及一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法。
背景技术：
太阳能发电以其无污染、安全、维护简单、资源永不枯竭等特点，被认为是21世纪最重要的新能源，而占据世界光伏市场80%以上的份额晶硅太阳能电池广泛应用于太阳能屋顶电站、商业电站和高土地成本的城市电站，是目前技术最成熟、应用最广泛的太阳能光伏产品。随着晶硅价格连续创新低，晶硅太阳能电池成本也会大幅下降，晶硅电池具有使用寿命长，转化效率高等特点，与传统的薄膜电池具备极大竞争性和优越性，是未来太阳能发展的趋势和市场应用的主流。光伏所用的晶硅片上所用电极，传统方法都是靠印刷上去，然后做成电路；而现在太阳能生产企业研发新的工艺将单晶硅上60 70条细线通过钻1 3万小孔转移到单晶硅的背面上，抑或将多晶硅上3条左右的主栅线通过钻几十到几百个小孔转移到多晶硅的背面上，这样一来，单片晶硅片发电模组放在晶硅片的背面上，正面的受光面积会增多，生产商能够采用表面装配方法获得较高的存储密度和较低的电阻损耗，从而在模块水平上提高效率，整体发电效率将会提高2% 5%左右，整个生产工艺也需要高效和高精度有较高要求。目前，用于模具打孔的方法有两种，即1)化学蚀刻方法——通过制作相对孔型位置的掩模版，将配好的化学腐蚀药品，泡在多晶硅上，形成相应的孔，再进行清洗和烘干，这种方法虽然工艺比较成熟，但是设计周期长，工序繁多，人员配给多，耗材较多，产生污染； 2)机械钻孔方法——此法是采用较多、较广泛上的加工小孔方法，缺点是由于接触加工脆性晶硅片，较难实现0. 2mm以下小孔加工，易导致昂贵的晶硅片废品。综上，传统的多晶硅片打孔方法由于污染环境，工期较长，效率低，打孔速度慢，人员较多等诸多缺点，容易造成材料的浪费，不适合先进的、绿色的光伏产业，晶硅片的激光钻孔可以避免这些问题的出现，而且激光具有非接触、无污染环境、易控制等特性，使其成为光伏产业的重要应用热点，并且逐渐会在工业中得到广泛的应用。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明采用对晶硅片光吸收率较高的短脉冲(纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光)高重复频率的绿光激光器或者紫外脉冲激光器作为激光源，运用独特的聚焦扫描系统装置、吹气辅助装置，实现一种晶硅高速精密激光钻孔方法。为实现上述目的，本发明提供以下技术方案一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法，具体步骤如下A)先用特定的机械手臂将单晶硅片或者多晶硅片放在激光加工平台上，并悬空固定；
B)将高重复频率、短脉宽的激光束聚焦在晶硅片表面，用三维动态聚焦振镜配合特定的远心场镜在晶硅片表面高速扫描，形成一个从上往下的加工路径的钻孔模式；C)将晶硅片用机械手移出，同时下一个晶硅开始固定并重复以上钻孔模式。作为本发明的优选技术方案，所述步骤A中，单晶硅片或者多晶硅片送到激光加工装置时，要保证送料位置精度较高和晶硅片表面平整，整体平面度和位置精度保证在较高水平。作为本发明的优选技术方案，所述步骤B中，所用激光光源为高重复频率、低脉宽的绿色激光或者紫外激光，所述激光频率大于等于50KHz，所述激光脉宽为飞秒、皮秒或者亚皮秒。作为本发明的优选技术方案，所述步骤B中，上述高重复频率、低脉宽的激光经过扩束镜后，光束变大，并进入三维动态聚焦振镜和远心的场镜，聚焦在硅片表面，真个硅片表面都可以在此装置中加工，实现无图形拼接加工。作为本发明的优选技术方案，所述步骤B中，聚焦的激光光斑在20-30um左右， 并在硅片表面从上往下开始呈螺旋状加工，最终实现晶硅片整幅面钻孔，钻孔的直径在 50um-500um 之间。作为本发明的优选技术方案，所述钻孔材料为太阳能行业所用的单晶硅片、多晶硅片或者类似的0. 5mm厚度以下的较薄的易脆、硬质材料。作为本发明的优选技术方案，所述钻孔方法用于光伏行业以及其它0. 5mm以下的材料较薄数量较多的小孔的微加工。本发明所述的一种晶硅高效率激光钻孔的装备和方法，其带来的有益效果是1、激光加工过程无污染，工艺简单，容易自动化控制，加工过程无易耗品供给；2、激光聚焦光斑聚焦在微米级甚至更小，加工硅片精度较高，边缘影响区域较少， 对基材损伤较小；3、加工图形和加工路径可控制化，加工效率较高。
图1晶硅高速精密激光钻孔的光路系统实体图1-固体激光器2-电动光闸3-扩束镜4-双面45度全反射镜5-单面45度全反射镜6-三维动态聚焦振镜7-远心F-θ场镜8-振镜
具体实施例方式下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。下面参照附图结合实施例对本发明作进一步描述。本发明为一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法，采用高重复频率、低脉宽的绿色激光或者紫外激光，激光脉宽为飞秒、皮秒或者亚皮秒的激光源，加工的材料为对远绿光、紫外激光吸收率较高的晶硅类材料，此类材料强烈吸收波长为这两个范围内的激光，几乎所有的激光能量都被晶硅片表面1 2μπι吸收层所吸收，通过两次扩束的激光束高度聚焦在晶硅片表面，光斑在20 30 μ m,通过三维动态聚焦振镜的高速扫描和光束的左右移动，完成从晶硅片上表面到下表面的微孔高效率加工，加工孔型在50 500μπι之间，最常见为150 μ m，具体尺寸根据研发要求而定。相对晶硅片上表面移动，激光光点会形成一个螺旋状的钻孔路径，同时保证吹气装置在加工时保持较高的吹气量，保证激光光束进给路径不会有碎削、残渣阻挡光路前进。如图1所示，为晶硅高速精密激光钻孔的光路系统实体图，固体激光器1发出激光束，电动光间2控制激光出开关，扩束镜3将激光束的光束直径放大，激光束经过双面45度全发射镜4后，光束垂直改向，到达三个单面45度全反射镜5后，激光束进入三维动态聚焦系统6，激光束进一步聚焦和放大，到达振镜8和远心F- θ场镜7，控制系统根据加工图的识别和导入之后，开始在平台上定位晶硅片，并发送指令，通过两次扩束的激光束高度聚焦在晶硅片表面，光斑在20 30 μ m，通过三维动态聚焦振镜的高速扫描和光束的左右移动， 完成从晶硅片上表面到下表面的微孔高效率加工。以上所述，仅为本发明的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
权利要求
1.一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法，其特征在于，具体步骤如下A)先用特定的机械手臂将单晶硅片或者多晶硅片放在激光加工平台上，并悬空固定；B)将高重复频率、短脉宽的激光束聚焦在晶硅片表面，用三维动态聚焦振镜配合特定的远心场镜在晶硅片表面高速扫描，形成一个从上往下的加工路径的钻孔模式；C)将晶硅片用机械手移出，同时下一个晶硅开始固定并重复以上钻孔模式。
2.根据权利要求1所述的一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法，其特征在于，所述步骤A中，单晶硅片或者多晶硅片送到激光加工装置时，要保证送料位置精度较高和晶硅片表面平整，整体平面度和位置精度保证在较高水平。
3.根据权利要求1所述的一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法，其特征在于，所述步骤B中，所用激光光源为高重复频率、低脉宽的绿色激光或者紫外激光，所述激光频率大于等于50KHz，所述激光脉宽为飞秒、皮秒或者亚皮秒。
4.根据权利要求1或3所述的一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法，其特征在于，所述步骤B中，上述高重复频率、低脉宽的激光经过扩束镜后，光束变大，并进入三维动态聚焦振镜和远心的场镜，聚焦在硅片表面，真个硅片表面都可以在此装置中加工，实现无图形拼接加工。
5.根据权利要求4所述的一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法，其特征在于，所述步骤B中，聚焦的激光光斑直径在20-30um左右，并在硅片表面从上往下开始呈螺旋状加工，最终实现晶硅片整幅面钻孔，钻孔的直径在50um-500um之间。
6.根据权利要求1所述的一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法，其特征在于，所述钻孔材料为太阳能行业所用的单晶硅片、多晶硅片或者类似的0. 5mm厚度以下的较薄的易脆、硬质材料。
7.根据权利要求1所述的一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法，其特征在于，所述钻孔方法用于光伏行业以及其它0. 5mm以下的材料较薄数量较多的小孔的微加工。
全文摘要
本发明提供一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法，具体步骤如为A)先用特定的机械手臂将单晶硅片或者多晶硅片放在激光加工平台上，并悬空固定；B)将高重复频率、短脉宽的激光束聚焦在晶硅片表面，用三维动态聚焦振镜配合特定的远心场镜在晶硅片表面高速扫描，形成一个从上往下的加工路径的钻孔模式；C)将晶硅片用机械手移出，同时下一个晶硅开始固定并重复以上钻孔模式。本发明所述方法，激光加工过程无污染，工艺简单，容易自动化控制，加工过程无易耗品供给；激光聚焦光斑聚焦在微米级甚至更小，加工硅片精度较高，边缘影响区域较少，对基材损伤较小；加工图形和加工路径可控制化，加工效率较高。
文档编号H01L31/18GK102248305SQ20111008324
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者周明, 狄建科 申请人:周明, 狄建科