基于波長效應(yīng)的脈沖激光輻照多晶硅損傷特性研究.pdf

1、激光技術(shù)廣泛融合于太陽能電池制造過程中硅材料的處理與制備，主要應(yīng)用于硅材料的摻雜、燒結(jié)、刻槽埋柵、刻邊等工藝過程。然而，不同波長激光加工硅的過程中，引入了不同損傷機制，嚴(yán)重影響了太陽能電池光-電轉(zhuǎn)換效率?？梢?，研究不同波長激光對半導(dǎo)體材料硅的損傷機理和破壞效應(yīng)，對優(yōu)化激光加工參數(shù)具有非常重要的現(xiàn)實性意義。
　　 本文基于激光波長效應(yīng)理論，采用1064nm、532nm、355nm三種波長納秒脈沖激光，開展激光與硅材料相互作用機理研

2、究，探討激光對硅材料的熱致應(yīng)力損傷現(xiàn)象及其機理;基于PVDF壓電傳感技術(shù)，研究不同波長激光輻照硅材料過程中熱沖擊破壞形成機理以及沖擊波在脆性材料中的傳播規(guī)律研究。主要研究工作如下:
　　 首先，開展了不同波長激光與多晶硅損傷機理研究。采用1-on-1方式測定了不同波長激光對多晶硅的損傷閾值;探討了在低激光能量密度水平下多晶硅表面微結(jié)構(gòu)的形成機制。實驗結(jié)果表明，隨著激光波長的減小，多晶硅激光損傷閾值變小，且與波長成線性關(guān)系;106

3、4nm、532nm波長激光多晶硅損傷機制為光熱模式，355nm處于近損傷閾值時損傷機制為光熱-光化學(xué)模型;輻照區(qū)域產(chǎn)生相互連接的規(guī)則且中心凸起六邊形微結(jié)構(gòu)的主要原因是由于熔融物的粘性和在表面張力作用下液體橫向流動的波動本質(zhì)造成的，并與多晶硅表面粗糙度有關(guān)。
　　 其次，探討了不同波長激光下多晶硅的熱致應(yīng)力損傷機理。實驗結(jié)果表明，當(dāng)激光能量密度為4.2J/cm2時，1064nm、532nm兩種波長下多晶硅的主要損傷機制為熱-力耦合

4、而引發(fā)穿晶解理破壞且前者更易發(fā)生，裂紋規(guī)則且交角均為90°，這是由于在多晶硅(111)面上服從C2對稱;波長355nm由于光子能量較大，該激光能量密度已大大超過其損傷閾值，光熱作用機理占據(jù)了主導(dǎo)地位而表現(xiàn)為熱熔損傷;在高斯激光輻照下，脆性材料最易發(fā)生熱應(yīng)力破壞點為激光光斑中心。
　　 最后，基于PVDF壓電傳感技術(shù)，開展了三種波長激光輻照多晶硅過程中沖擊波在脆性材料的中的傳播規(guī)律的研究，探討了熱沖擊破壞現(xiàn)象形成機理。實驗結(jié)果表明

5、，在脈沖激光作用過程中蒸汽壓強效應(yīng)與等離子體壓強效應(yīng)導(dǎo)致了高溫高密的熔融物發(fā)生飛濺;隨著激光波長的減小，激光擊穿閾值降低，減弱了沖擊波形成;由于激光沖擊波壓強效應(yīng)，脆性靶材斷裂破壞帶在輻照區(qū)域邊緣;靶材表面張力梯度與表面橫波造成了波紋現(xiàn)象，是光學(xué)與熱力學(xué)的相干耦合的結(jié)果;激光沖擊波在多晶硅中的平均傳播速度為8.47×103m/s，并得出了激光沖擊波壓力峰值在多晶硅中呈指數(shù)分布衰減;靶材背面的破壞現(xiàn)象是由于激光沖擊壓縮破碎波導(dǎo)致，破壞層位