专利名称：具有可变束斑尺寸的激光处理系统的制作方法
技术领域：
本文所描述的各种具体实例通常涉及用于刻划或图案化工件的系统，并且更具体来说涉及用尺寸可选的入射至工件之上激光束来激光刻划工件的系统。这种系统对具有用于形成薄膜太阳能电池的至少一个层的激光刻划玻璃基板可能尤其有效。
背景技术：
用于形成薄膜太阳能电池的现行方法涉及在基板之上沉积或以其它方式形成数个层，诸如在适合于形成一或多个p-n结的玻璃、金属或聚合体基板上。示范性薄膜太阳能电池包括玻璃基板，所述玻璃基板具有透明导电氧化物(transparent-conductive-oxide ； TC0)层、数个掺杂和未掺杂硅层以及金属背层。例如，在标题为“MULTI-JUNCTION SOLAR CELLS AND METHODS AND APPARATUSES FOR FORMING THE SAME” 的美国专利第 7，582，515 号中，描述了可用于形成太阳能电池的材料的实例以及形成电池的方法和设备的实例，所述美国专利的全部公开内容以引用方式并入本文。当电池板由大型基板形成时，在各层内可使用一列激光刻划线来勾划个别电池。 图1概略地图示包括刻划线(例如，激光刻划线)的示范性太阳能电池组件10。可通过在玻璃基板12之上沉积大量层和在层之内刻划大量线来制造太阳能电池组件10。制造工艺以在玻璃基板12之上沉积TCO层14来开始。随后在TCO层14内刻划第一组线16 ( "Pl" 互连线和“P1”隔离线)。随后在TCO层14之上和在第一组线16内沉积数个掺杂和未掺杂非晶硅(a-Si)层18。随后在硅层18之内刻划第二组线20 ( “P2”互连线)。随后在硅层 18之上和在第二组线20内沉积金属层22。如图示，随后刻划第三组线“P3”互连线和 “P3”隔离线)。(擅自删除段落回车)入射至工件之上的最优束尺寸取决于对所得薄膜太阳能电池的使用。例如，对于互连线刻划，可使用较小的光斑尺寸，以便通过减少非活性电池板面积的量来产生高效率太阳能电池板。对于刻划较宽P3互连线，可使用相对较大的光束尺寸(例如，Imm宽)以制造用于光电建筑一体化(building integrated photovoltaice ；BIPV)应用的半透明模块。然而，BIPV应用可能还不具有充足的市场需求水平来证明分离的专用激光刻划系统的合理性。因此，需要开发入射至工件之上激光束的尺寸可选的激光刻划系统。
发明内容
以下呈现本发明一些具体实例的简要概述以提供对本发明的基本了解。此概述不是对本发明的广泛综述。此概述并非旨在识别本发明的重要/关键元件或勾划本发明的范围。此概述的唯一目的是以简要形式呈现一些方面和具体实例作为随后呈现的更详细说明
4的序言。公开了根据各种方面和具体实例的激光刻划工件的系统。所公开的系统可操作以用尺寸可选的入射至工件之上激光束从工件中去除材料。改变束斑尺寸的能力使不同太阳能电池组件(例如，针对不同应用)能够在相同组件上生产。这种能力可用作通过降低相关基本成本及/或通过提高系统使用率来降低制造成本。因此，在第一方面中，提供了刻划工件的系统。所述系统包括框架；激光器，其与所述框架耦接并且可操作以产生用于从所述工件的至少一部份中去除材料的输出；扩束器，其沿着所述激光输出的路径定位并且具有可操作以改变施加至所述激光输出的扩束比率的机动化机构；和至少一个扫描装置，其与所述框架耦接并且可操作以控制所述激光输出在扩束之后在所述工件上的位置。在众多具体实例中，改变扩束比率会改变入射至工件上的光束尺寸。在众多具体实例中，入射光束尺寸从近似20um至约IOOOum可变，并且尤其在某些具体实例中，从约50um至200um可变。在众多具体实例中，机动化扩束器沿着介于所述激光器与所述扫描装置之间的所述激光输出光学路径安装。在众多具体实例中，刻划所述工件的所述系统可包括一或多个额外部件。例如，所述刻划系统可包括平移平台，其与所述框架耦接以支撑所述工件并且相对于所述框架沿纵向平移所述支撑工件。所述至少一个扫描装置可包括数个扫描装置，所述扫描装置与所述激光器光学耦接并且通过所述扩束器接收所述激光输出。所述系统可包括可操作以横越所述纵向平移所述至少一个扫描装置的横向平移机构。所述系统可包括可操作以收集通过所述激光输出从所述工件中所去除材料的排气机构。在另一方面中，提供了刻划工件的方法。所述方法包括产生用于从所述工件的至少一部份中去除材料的激光输出；改变施加至所述激光输出的扩束比率；和控制所述激光输出在扩束之后在所述工件上的位置。在另一方面中，提供了用于刻划工件的系统。所述系统包括框架；激光器，其与所述框架耦接并且可操作以产生用于从所述工件的至少一部份中去除材料的输出；至少一个扫描装置，其与所述框架耦接并且可操作以控制所述激光输出在所述工件上的位置；和可变孔口，其沿着介于所述激光器与所述扫描装置之间的所述激光输出路径定位并且具有可操作以改变进入所述扫描装置的所述激光输出直径的机动化机构。所述可变孔口系统可被设置为及/或具有与以上所描述机动化孔口系统相同的功能性。为了较充分了解本发明的性质和优点，应参阅随后的详细说明和附图。本发明的其他方面、目标和优点将从以下附图和详细说明中显而易见。
图1是薄膜太阳能电池中使用的经刻划组件的示意图；图2图示根据众多具体实例的激光刻划系统的透视图；图3图示根据众多具体实例的激光刻划系统的侧视图；图4图示根据众多具体实例的一组激光组件；图5图示根据众多具体实例的激光组件的部件；图6图示根据众多具体实例使用机动化扩束器来改变入射至工件上的光束尺寸；图7图示根据众多具体实例使用机动化可变孔口来改变入射至工件上的光束尺寸；图8图示根据众多具体实例的用于刻划工件的方法。
具体实施例方式根据本公开的各种方面和具体实例，提供了用于刻划或以其它方式图案化工件尺寸对入射至工件之上激光输出来说可选的工件的系统。这种刻划系统可用于将多个线型 (例如，Pl互连线、Pl隔离线、P2互连线、P3互连线和P3隔离线)刻划至工件中。选择入射至工件之上激光输出尺寸的能力使对太阳能电池板组件的刻划能够用于不同应用，例如，用于效率最优化薄膜太阳能组件和光电建筑一体化(BIPV)太阳能组件。激光刻划系统图2图示可根据众多具体实例使用的激光刻划系统100的实例。刻划系统包括用于收纳和操纵工件104的可能是水平的底座或平台102，工件104为诸如具有其上沉积的至少一个层的基板。在一个实例中，工件能沿着单个方向矢量(即，针对Y-平台)以高达约2m/s或更快的速度移动。在众多具体实例中，工件将与固定取向对齐，并且工件长轴大体上与刻划系统中的工件运动平行。可使用获取工件上标记的照相机或图像装置来辅助对准。在此实例中，激光(图示于随后图式中)经定位于工件之下并且与排气臂(exhaust arm) 106反向，排气臂106紧握用于在刻划工艺期间取出从基板中切除或以其它方式除去的材料的排气机构108的一部分。工件104可装载到平台102第一端上，其中基板侧向下 (朝激光)而分层侧向上(朝排气装置)。将工件收纳至一排滚轴110及/或轴承之上，但是其他轴承型或平移型物体可用于收纳并且平移为所属领域已知的工件。在此实例中，一排滚轴均指向单个方向，即沿着基板的传送方向，以使得工件104可在相对于激光组件的纵向中来回移动。刻划系统可包括至少一个用于控制平台102上工件104的方向和平移速率的可控制驱动机构112。此移动也图示于图3的侧视图200中，其中基板沿着放于图式平面中的矢量来回移动。元件符号在图式之间延续以供简化和解释有些类似的元件，但是应了解，将不会将此状况阐释为对各种具体实例的限制。因为基板在平台102上来回平移，所以激光组件的刻划区域有效地从基板边缘区的附近刻划到基板相反边缘区的附近。为确保适当形成刻划线，成像装置可对至少一个刻划之后线条成像。另外，束仿形装置202可在基板处理之间或处于其它合适时间用于校准光束。在使用(例如)随时间漂移的扫描器的众多具体实例中，束仿形器(beam profiler)允许校准束及/或调整束位置。平台102、排气臂106和底座部分204可由至少一种合适材料制造，诸如花岗石的基座部分。图4图示示范性刻划系统的端视图300，其图示用于刻划工件层的一列激光组件 302。在此实例中，存在四个激光组件302，各自包括聚焦或以其它方式调整激光状况所需要的激光装置和元件，诸如透镜和其他光学元件。激光装置可以是可操作以切除或以其它方式刻划工件的至少一个层的任何合适激光装置，诸如脉冲固态激光。如可见，使排气装置108的部分相对于工件来说反向于各激光组件而定位，以便有效排气由各別激光装置从工件中切除或以其它方式去除的材料。在众多具体实例中，系统是分裂轴系统，其中平台沿着纵轴平移样品。随后可将激光器附接至能相对于工件104横向平移激光器302的平移机构。例如，可将激光器固定至能通过控制器和伺服电动机的驱动在横向轨道上平移的支撑件之上。在众多具体实例中，激光和激光光学装置均在支撑件上一起横向移动。如以下论述，此状况允许横向变换扫描区域并且提供其他优点。在此实例中，各激光装置事实上产生适用于刻划工件的两个有效束304。如可见， 排气装置108的各部分覆盖此实例中光束对的扫描区或有效区域，但是可进一步中止排气装置以具有针对各个别束扫描区的分离部分。图式还图示适用于调整系统高度以维持由基板间及/或单个基板中的变化所造成的与基板的适当分离的基板厚度传感器306。可使用 (例如)z-平台、电动机和控制器来调整各激光的高度(例如，沿着ζ轴)。在众多具体实例中，系统能处理基板厚度中3-5mm的差异，但可能存在众多其他此类调整。还可使用ζ电动机来通过调整激光器本身的垂直位置来调整基板上各激光的聚焦。为了提供光束对，各激光组件包括至少一个束分裂装置。图5图示根据众多具体实例可使用的示范性激光组件400的基本元件，但是应了解，可使用同样合适的额外或其他元件。在组件400中，单个激光装置402产生光束，所述束通过扩束器404来扩束，随后所述束被传递至束分裂器406(诸如，部分传动反射器、半涂银反射器和棱镜组件等)以形成第一、第二束部分。在此组件中，各束部分通过衰减元件408以衰减束部分，从而调整该部分中的脉冲密度或应力；并且各束部分通过光间410以控制束部分的各脉冲形状。随后各束部分还通过自动聚焦元件412以将束部分聚焦至扫描头414之上。各扫描头414包括至少一个能调整束位置的元件，诸如用作方向偏转机构的电流计扫描器。在众多具体实例中， 此元件是能沿着横向(即，垂直于工件的移动矢量)调整束位置的可旋转反射器，从而可允许相对于预期刻划位置来调整束位置。随后扫描头将各束同时导向工件上的各別位置。还可向介于控制激光位置的设备与工件之间的短距离提供扫描头。因此，改善了准确度和精密度。因此，可较精确地形成刻划线(即，刻划1线可较接近于刻划2线)以便完成的太阳能模块的效能较现有技术有所改善。在众多具体实例中，各扫描头414包括一对可旋转反射器416或至少一个能以二维(two dimensions ；2D)方式调整激光束位置的元件。各扫描头包括至少一个可操作以接收控制信号的驱动元件418来在扫描区内并且相对于工件调整束“斑”位置。在一个实例中，在近似60mmX 60mm扫描区内工件上的光斑尺寸大约数十微米，但是可能存在各种其他尺寸。这种方法在允许对工件上束位置的校正有所改善的同时，这种还可以允许在工件上创造图案或其它非线性刻划特征。另外，以二维方式扫描光束的能力意味着可通过刻划来在工件上形成任何图案，而不需要旋转工件。扩束器图6图示使用扩束器420来改变入射至工件之上的束422的尺寸。在此实例中，扩束器是可操作以改变进入激光束4M扩束度的机动化扩束器420，进而向至少一个聚焦光学元件4 输出扩束激光束426。通过有选择地改变入射至光学元件之上进入激光束似4 的扩束度，可选择并且控制在由选择一或多个光学元件所确定的聚焦点附近的聚焦束422 尺寸。可将这种机动化扩束器420并入以上所描述的激光刻划系统，(例如)以代替扩束器404(在图5中所图示)。进入扫描器/远心透镜(具有焦距f)的光束直径(D)与聚焦斑直径之间的关系由以下理论关系给定s = kXfM2/D;其中k是扫描器的常数，λ是光束的波长并且Μ2以高斯束(Gaussian beam)为特征。因此，聚焦斑尺寸与进入束直径(D)成反比。因而，为得到越大的光斑尺寸，则需要越小的进入束。因此，当需要工具来处理互连线时，使用较大扩束比率来减小聚焦点处的光斑尺寸。例如，使用具有IOOmm焦距的扫描器/远心透镜，2X 扩束器可输出2mm准直束以产生50um聚焦斑。当需要工具来处理BIPV时，使用较小扩束比率来扩大聚焦点处的光斑尺寸。例如，使用相同的扫描器/远心透镜(f= 100mm)，0.5 X 扩束器可输出0. 5mm准直束以产生200um聚焦斑。
可使用现有机动化扩束器。例如，可使用Special Optics (A Navitar Company, 315 Richard Mine Road, Wharton, New Jersey 07885)机动化扩束器(例如，型号 56C-30-2-8Xiλ)。可变孔口或者，可使用可变孔口来控制进入透镜的光束尺寸。图7图示使用可变孔口 430 来控制向至少一个聚焦光学元件428所供给的输出激光束426尺寸。可变孔口 430有选择地限制进入激光束424以产生输出激光束426。在众多具体实例中，可变孔口 430经机动化以允许非人工调整孔口。入射至工件之上最优束的尺寸可取决于诸如对所得薄膜太阳能电池的预期用途之类的因素。例如，可将高精密度和小光斑尺寸用于互连线雕刻，以便通过减少非活性电池板面积量来产生高效率的太阳能电池板。在光电建筑一体化(BIPV)应用中，可将相对较大的光束尺寸(例如，Imm宽)用于刻划较宽Ρ3互连线，以便制造可用于替换通常用玻璃或类似材料制造的诸如窗口和天窗的大量建筑元件的半透明模块。具有改变束斑尺寸能力的激光刻划系统使不同太阳能电池组件(例如，针对不同应用)能够在相同装备上生产。这种能力可用于通过降低相关基本成本及/或通过提高系统使用率来降低制造成本。图8图示用于刻划工件的方法500。在步骤502处产生激光输出。产生的激光输出可包括一或多个能从工件中去除材料的激光脉冲，该工件为诸如在制造薄膜太阳能电池中所使用的具有大量层的玻璃基板。在步骤504处改变施加至激光输出的扩束比率。可以各种方式(例如，用机动化扩束器、通过机动化孔口)来改变扩束比率。例如，可以使用第一扩束比率来在第一工件上刻划第一线型。随后可改变扩束比率，以便使用第二扩束比率来在第一或第二工件上刻划第二线型。在步骤506处，(例如)通过使用可操作以在一或多个维度上控制工件上激光输出位置的扫描装置，控制激光输出在扩束之后在工件上的位置。应了解，本文所描述的实例和具体实例是为了达到说明目的，并且按照这些实例和具体实例所进行的各种改造或改变将对所属领域技术人员有所建议并且将这些改造或改变包括于本申请的精神和权限以及随附权利要求书的范围之内。可能存在许多不同组合，并且将这些组合视为本发明的一部分。
权利要求
1.一种刻划工件的系统，所述系统包含框架；激光器，其与所述框架耦接并且可操作以产生用于从所述工件的至少一部份中去除材料的输出；扩束器，其沿着所述激光输出的路径定位并且具有可操作的以改变施加至所述激光输出的扩束比率的机动化机构；和至少一个扫描装置，其与所述框架耦接并且可操作以控制所述激光输出在扩束之后在所述工件上的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中改变所述扩束比率会改变入射至所述工件上的光束尺寸。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述入射光束尺寸从20um至IOOOum可变。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述入射光束尺寸从50um至200um可变。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述扩束器沿着介于所述激光器与所述扫描装置之间的所述激光输出的光学路径来安装。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包含平移平台，其与所述框架耦接以支撑所述工件并且相对于所述框架沿纵向平移所述支撑工件。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个扫描装置包含数个扫描装置，所述扫描装置与所述激光器光学耦接并且通过所述扩束器接收所述激光输出。
8.根据权利要求1所述的系统，进一步包含可操作以横越所述纵向平移所述至少一个扫描装置的横向平移机构。
9.根据权利要求1所述的系统，进一步包含可操作以收集通过所述激光输出从所述工件中所去除材料的排气机构。
10.一种刻划工件的方法，所述方法包含产生用于从所述工件的至少一部分中去除材料的激光输出；改变施加至所述激光输出的扩束比率；和控制所述激光输出在扩束之后在所述工件上的位置。
11.一种刻划工件的系统，所述系统包含框架；激光器，其与所述框架耦接并且可操作以产生用于从所述工件的至少一部份中去除材料的输出；至少一个扫描装置，其与所述框架耦接并且可操作以控制所述工件上所述激光输出的位置；和可变孔口，其沿着介于所述激光与所述扫描装置之间的所述激光输出路径定位并且具有可操作以改变进入所述扫描装置的所述激光输出直径的机动化机构。
12.根据权利要求11所述的系统，其中改变进入所述扫描装置的所述激光输出直径会改变入射至所述工件上的光束尺寸。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述入射光束尺寸从20um至IOOOum可变。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述入射光束尺寸从50um至200um可变。
15.根据权利要求11所述的系统，进一步包含平移平台，其与所述框架耦接以支撑所述工件并且相对于所述框架沿纵向平移所述支撑工件。
16.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个扫描装置包含数个扫描装置，所述扫描装置与所述激光器光学耦接并且通过所述可变孔口接收所述激光输出。
17.根据权利要求11所述的系统，进一步包含可操作以横越所述纵向平移所述至少一个扫描装置的横向平移机构。
18.根据权利要求11所述的系统，进一步包含可操作以收集通过所述激光输出从所述工件中所去除材料的排气机构。
全文摘要
本发明涉及用于刻划工件的系统，其并入机动化扩束器以改变入射至工件上的激光束斑尺寸。系统包括框架；激光器，其与所述框架耦接并且产生用于从工件的至少一部份中去除材料的输出；扩束器，其沿着所述激光输出的路径定位并且具有可操作以改变施加至所述激光输出的扩束比率的机动化机构；和至少一个扫描装置，其与所述框架耦接并且可操作以控制在扩束之后所述激光输出在所述工件上的位置。所述机动化扩束器可用于有选择地改变供给至扫描装置的激光束宽度以便有选择地改变入射至所述工件之上所述激光束的所述尺寸。或者，可使用可变孔口而不使用扩束器。
文档编号B23K26/36GK102350592SQ20111008639
公开日2012年2月15日 申请日期2011年3月29日 优先权日2010年3月30日
发明者A·P·马内斯, 许伟勇 申请人:应用材料公司