[发明专利]一种高速精密晶硅激光钻孔的装备和工艺方法

说明书

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。

附图说明