雷射加工系統介紹

雷射(Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)由 字面上可知光可藉由激發放射而放大的一種裝置。雷射光具有：(1)單色性 (Monochromatic)、(2)低散射、(3)高強度(Intensity)和(4)高相干性(Coherence)，

而被廣泛應用於電子、材料、機械、醫學等領域，例如：利用雷射對準定 位量測、表面處理、精密加工、光纖通訊、光碟讀取等應用。

雷射產生的三要素：(1)活性介質(laser medium)、(2)激發源(pumping process)、(3)光共振腔(optical feedback element)，其活性介質必需有居量反 轉(population inversion)，才能激發雷射光。

其中：I₀為入射光強度，R 為反射係數，λ 為雷射波長，K 為吸收係數。由 (3.1)式可知，薄膜材料的反射率低時，材料有較高的吸收率，可有效的把 雷射能量轉成熱能。

3.3.1 UV 雷射組成

摻釹釔鋁石榴石雷射器簡稱為Nd：YAG雷射器是屬於具有優良的物理、

化學性能，雷射性能及熱學性能的固體雷射一種，都是採用普通的光使激 發物質能吸收光能形成反轉而振盪產生雷射。在YAG晶體摻入銣離子(Nd³⁺) 激活離子後就構成YAG雷射的工作物質，參加雷射躍遷並實現雷射震盪的 激活介質實際上是Nd³⁺離子。

圖3.4為Nd：YAG晶體中Nd³⁺的能階圖，YAG雷射的躍遷有關的能階 為︰基態E₁為⁴I9/2，第二個能階E₂是⁴I11/2，它是參加雷射躍遷的下能階。第 三個能階E₃是⁴F3/2，為參加雷射躍遷的上能階，第四個能階E₄實際上由許多 能帶組成，它是Nd³⁺︰YAG的吸收譜帶。

圖 3.4 Nd:YAG 晶體中 Nd³⁺的能階圖

YAG 雷射本身的波長為 1064nm，圖 3.5 為 Nd：YAG 雷射原理圖，其 波長為 CO₂雷射的 1/10，波長短對聚焦有利，加工性能良好，利用倍頻晶 體轉換技術將頻率增至三倍頻的轉換而獲得 355nm 的雷射光波長，其中 355nm 為可見的紫外光，故稱之為紫外光雷射(Ultraviolet Laser)。

圖 3.5 Nd:YAG 雷射原理圖 3.3.2 UV 雷射退火系統

本研究使用 COHERENT 公司生產(AVIA 355-14 型)固態調 Q 紫外光雷 射器(Solid-State Q-Switched Ultraviolet Lasers)，雷射波長為 355nm 的紫外光，

雷射源詳細規格如表 3.3 所示。圖 3.6 為 UV 雷射退火系統示意圖，使用 UV 雷射源為熱源，調整雷射參數照射薄膜材料，使薄膜內原子因獲得能量 晶格重新排列，降低薄膜缺陷和消除內應力。在雷射參數的調控中，不同 的雷射能量、掃描速度、雷射光斑大小都會影響薄膜品質，藉此找到最佳 的退火參數，有助於薄膜獲得最佳的結晶特性。

表3.3 UV雷射詳細規格[27]

Wavelength(nm) 355

Average Power(W)@100kHz 14

Spatial Mode TEM00(M² < 1.3) Beam Diameter,±10%(mm) 3.5

Pulse Repetiotion Frequency( kHz) 1-300 Pulse width(ns)@100kHz < 40

圖 3.6 UV 雷射退火系統示意圖

3.3.3 UV 雷射退火參數

本研究採用不同的 UV 雷射退火參數於 FTO 玻璃基板，探討不同退火 參數對薄膜特性的影響。圖 3.7 為雷射退火路徑示意圖，掃描面積和掃描線 寬分別為 30 mm×30 mm 和 50 µm。本實驗選用的雷射能量分別為 69 µJ、

92 µJ、126 µJ 和 164 µJ，且掃描速度為 200 mm/s、400 mm/s、600 mm/s、

800 mm/s、1000 mm/s 和 2000 mm/s，進行 FTO 薄膜退火。此外，我們調整 雷射光斑離焦直徑為 1 mm 和 3 mm，並固定雷射重覆頻率為 70 kHz，探討 雷射退火前後薄膜特性差異。

圖 3.7 雷射退火路徑示意圖

3.4 薄膜特性分析