作者：维尔克斯 时间：2025-1-20 10:09:39
超短脉冲激光器在材料加工领域，如焊接、标记和切割等方面，表现出极高的适用性。对于处理大面积基材，扫描系统的角色尤为关键。本研究提出了一种结合可变形镜技术和自由曲面光学的新型紫外线线性结构加工方法，目的在于提升大面积基材的加工效率，特别是针对M12型号太阳能电池板的加工。采用自由曲面透镜和Zwobbel可变形镜技术，我们成功扩大了加工区域并提高了扫描速度。文章详细讨论了光学设计、其稳定的机械光学实现方式，以及原型机的制作和调试特性。
太阳能电池接触开孔（激光接触开孔，LCO）是现代太阳能电池生产过程中的关键步骤，尤其是对于PERC和TOPCon技术而言。该过程涉及精密的激光加工，在电池的钝化层上创建小孔[1]，以改善导电层与金属接触之间的接触。这一步骤对于提高电池的电效率和优化模块的整体性能至关重要，对于较大的晶圆如M12尤为重要。
精确的激光加工，如太阳能电池的触点开口，需要小于10微米的光斑大小，无论晶圆尺寸如何，使用长焦距来覆盖更大的扫描区域通常会导致光斑大小增大，从而产生冲突[2]。因此需要专门的光学系统来克服扫描区域大小和精度之间的这种权衡，并实现必要的小光斑尺寸。通过线扫描而不是点扫描，扫描速度和加工效率可以显著提高。这种方法允许更快、更高效地进行激光加工，提高整体产量和生产率，在处理像 M12 这样较大的晶圆时尤其重要。
图1 光伏线聚焦紫外线
传统的现成f-theta光学元件无法满足这些综合要求。因此，正在引入一种将自由曲面光学与动态聚焦技术相结合的新型解决方案。这种通过使用自由曲面光束整形和Zwobbel可变形镜相结合先进的方法满足了大规模激光加工对精度和效率的双重需求。图2描绘了这两种情况的参数范围。
图2展示了不同焦距的市售f-theta透镜所能达到的最大线长（绿色），以及本文所提出的线扫描解决方案所能达到的线长范围（蓝色）。用红色突出显示的是为M12晶圆结构化所选的解决方案。
线扫描仪镜头的光学设计
线焦点通常由圆柱面或非圆柱面透镜产生。在经典设置中，焦线的长度等于入射光束的直径。为了延长焦线的长度，似乎可以使用长圆柱面透镜，并沿着长轴扫描光线。然而，如果使用带有扫描镜的系统，这是不可能的，因为光线会以不同的角度击中透镜。中心厚度和透镜曲率，投影到倾斜的光路上，会随着光束角度的变化而变化，从而抑制在平面基底。这在LCO [1] 中进行了实验测试。Asphericon非球面透镜具有额外的自由度，可以适应倾斜的入射光束，因此是这种应用的理想解决方案。自由曲面镜Freeform与Zwobbel可变形镜结合，以实现自由曲面光束整形的最佳可制造性，这对于实现紫外线应用所需的极高表面质量至关重要。
对于以下呈现的设计，反射镜和自由曲面镜Freeform所做的贡献完全平衡，从而形成了一个强大的解决方案。自由曲面镜Freeform通过基曲率、圆锥常数以及x和y坐标的多项式来描述，其后侧为平面。光学布局如图3所示，准直光束首先撞击可变形镜，然后被导向扫描镜。根据镜子的角度，光线由自由曲面透镜的不同部分聚焦。为了获得最佳性能，镜子的变形与扫描镜的偏转角度相关联。
图3系统布局（Asphericon）
可变形反射镜的光学模型是沿长轴和短轴具有不同曲率半径的双曲面。这些数值是通过使用MarForm MFU 200 非球面三维测量仪进行表面测量确定的。曲率数值如图4所示。
图4变形镜在操作范围内沿短轴和长轴（分别为x轴和y轴）的曲率
采用上述设计方案，获得了超过210 毫米的场区，能够处理目前光伏制造商生产的最大晶圆尺寸（M12）。
点阵图（见图5）展示了带有可变形镜和自由曲面光束整形的线扫描仪的聚焦能力。线条远低于10微米，这是接触式开口工艺实现最佳性能所必需的。
图5线扫描仪的点阵图。颜色表示不同的扫描角度，虚线水平线表示10 微米的线宽。
实际评估
实际评估证明了可变形镜技术在紫外线应用中的可用性、其满足太阳能晶圆生产所需最高扫描速度的能力，以及由此产生的10微米窄点。
出于节省空间，尤其是快速对焦的原因，我们选择了一种特定的Zwobbel可变形镜。这种镜膜由压电驱动器变形，这意味着只有小质量的物体才会移动，而可实现的速度却非常快。由于压电驱动器具有滞后性和非线性，因此集成了一个绝对测量传感器。该传感器的优点在于，即使开关机后，位置也能重现。镜子被设计成90°偏转镜，这意味着镜子形状必须双曲面变形，以防止聚焦时出现像差。镀膜要选择具有适应应用的涂层。所选镀膜在340纳米至360纳米之间的反射率超过99.9%。此外，极化方向之间的差异极小。这种镀膜最大限度地反射加工激光，从而不会造成光学系统的损失。
Zwobbel可变形镜用于通过倾斜镜的偏转来重新聚焦线条。图6显示了在光学扫描中对镜子的所需激活。由于需要每分钟处理一个晶圆，因需要尽可能减少每条线的扫描时间。Zwobbel可变形镜因此需要随着扫描仪的偏转迅速重新聚焦。我们的光学设计具有9°的小倾斜扫描角度，因此适用于伽洛扫描仪。这些扫描仪使用天空书写能力来保持精度和恒定速度，同时在偏转时，天空书写会增加扫描时间，因为这是无效时间。由于侧向扫描器不是我们的重点，我们假设在两次线扫描之间，我们分配2.1毫秒用于重新聚焦，0.9毫秒用于天空书写。这导致在来回书写的情况下，线书写能力达到每秒333 行。由于晶圆在下面移动，333行在晶圆上均匀分布。我们的测量（图6b）显示目标信号和Zwobbel运动之间有出色的重叠。由此计算出在2.1毫秒的书写时间内的平均偏差为6.9%。最大偏差为19.0%，主要出现在最大的扫描偏转处，此时信号不连续。然而，进一步的优化将取决于扫描仪的设置以及实验构建的结果。
图6 中，（a）需要根据扫描偏转进行聚焦，（b）设定值（蓝色）信号沿2.1毫秒，间隔0.9毫秒。可变形镜（红色）与该目标信号的偏差最小。
将光学设计集成到机械装置中的实验室整合
由于缺乏紫外线激光源，实验在1064纳米下进行。光机械装置主要使用现成的模块进行设计，以实现最低的对准难度，并便于原型制作。这样做激发了商业光纤准直解决方案的应用。（Asphericon非球面透镜）和用于光束大小调整的扩束器。这些组件通过螺纹相互连接，然后加入现成Zwobbel DBS 平台。这构成了主体，Zwobbel-1020 聚焦装置和动态俯仰/倾斜解决方案可以集成到该主体上。由于其紧凑性以及能够轻松应用UV 涂层玻璃基底的可能性，选择了带有电磁致动器的平台扫描仪（Cyclops）。用于产生线聚焦的自由曲面透镜连接到该平台的输出端。由于其焦距为f=85毫米，与晶圆的距离很小。
该装置的对准工作仅限于自由曲面光学元件的六个自由度（DOF）。所有其他组件均通过公差进行集成。自由曲面镜Freeform的对准自由度被有意保留，以评估其对计划工业应用的适用性。最终的测试系统紧凑（350毫米×150毫米×550毫米），并添加了一个摄像头（Dataray，设备DAT-WinCamD-XHR）来评估线特性。计算得出的线宽为16微米1/e²，实际获得的线宽在18微米至21 微米1/e² 之间。
由于基本原理保持一致，该系统能够转移到343纳米波长，这一点得到了保证。线聚焦的质量主要取决于自由曲面透镜的表面质量，确保在高质量制造标准下，该系统在不同波长下仍能保持其精度和可靠性。
首批实验结果
我们使用相机从不同角度和场位置拍摄了不同的线焦点，以全面分析系统的性能。通过这样做，我们确认了在所有测试场景中，线焦点都符合红外线等效规格。图像清晰地表明，即使角度和场位发生变化，焦点质量和清晰度也保持一致。这种全面的验证过程确保了光学系统在激光加工中遇到的各种条件下都能可靠地运行，证明它满足了激光接触开口（LCO）等应用中对精度和效率的苛刻要求。
该系统的光学参数如下：自由面透镜的焦距为60毫米，测试波长为1024纳米，输入光束直径为10毫米1/e²，扫描区域为60毫米。虽然计算得出的衍射极限线宽为 16 µm 1/e2，实际获得的线宽在18微米至21微米1/e²之间。
由于基本原理保持一致，该系统能够转移到343纳米波长，这一点得到了保证。线聚焦的质量主要取决于自由曲面透镜的表面质量，确保在高质量制造标准下，该系统在不同波长下仍能保持其精度和可靠性。
总结与展望
在我们的最近项目中，我们开发了一种用于激光加工的先进光学系统，该系统解决了在快速扫描应用中实现精确线焦点的挑战。利用自由曲面透镜和可变形镜，我们的系统设计用于有效处理不同的光束角度和场位置。我们通过在不同角度和场位用相机捕获线焦点来验证该系统，确认该系统符合对清晰度和精确的严格要求。在验证343纳米波长应用中，其中系统的性能保持一致，因为关键因素是自由曲面透镜的高表面质量。
展望未来，我们的技术非常适合支持卷对卷加工方法。通过实现高速、高精度的激光加工，该系统能够高效地处理连续生产线，成为各种波长大规模制造的有价值资产，从新兴的2微米开始，一直到紫外光。这一进步不仅提高了生产效率，还促进了太阳能行业及其他领域对尖端技术的广泛采用。
所展示的工作是作为正在进行的MIRACLE 研究项目的一部分开展的，该项目由德国联邦经济事务和能源部（BMWK）创立。
参考文献
[1] H. Booth: Laser Processing in Industrial Solar Module Manufacturing, J. Laser, Micro/Nanoeng. 5, 2010, DOI: 10.2961/ jlmn.2010.03.0001
[2] G. Hoppe, E. Alvarez-Brito, G. Emanuel, J. Nekarda, M. Diehl, R. Preu, and F. Meyer: Overcoming Throughput Limitations of Laser Systems in Solar Cell Manufacturing via On-The-Fly Processing Using Polygon Scanners, Energy Technol. 11 2300445, 2023; DOI: 10.1002/ente.202300445
[3] Muhammad Khan, Varun Arya, Jale Schneider; Formation of thin laser ablated contacts using cylindrical lens. AIP Conf. Proc. 1 June 2021; 2367 (1): 020009. DOI: 10.1063/5.0056740
