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Vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren, das eine Trocknung und/oder eine
Trockenhaltung eines Werkstücks
bei der flüssigkeitsstrahlgeführten Bearbeitung
erlaubt. Ebenso wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung bereitgestellt,
die die Durchführung des
besagten Verfahrens gewährleistet.
Verwendung findet das Verfahren beim Schneiden, Mikrostrukturieren,
Dotieren von Festkörpern
oder der lokalen Abscheidung von Fremdelementen auf Siliciumwafern.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Verfahren bekannt,
bei denen mit Hilfe eines flüssigkeitsstrahlgeführten Lasers
Silicium oder andere Werkstoffe geätzt oder ablativ abgetragen werden.
Z.B. beschreibt die
EP
0 762 947 B1 einen flüssigkeitsstrahlgeführten Laser,
wobei hier Wasser als flüssiges
Medium eingesetzt wird. Der Wasserstrahl dient hier als Leitmedium
für den
Laserstrahl und als Kühlmittel
für die
Kanten der bearbeiteten Stellen auf dem Substrat, wobei das Ziel
einer Verringerung der Schäden
durch thermische Spannung im Material verfolgt wird. Mit flüssigkeitsstrahlgeführten Lasern
werden sauberere Schnittgruben erreicht als mit „trockenen" Lasern. Auch das Problem des ständigen Nachfokussierens
des Laserstrahls bei zunehmender Grabentiefe ist mit im Flüssigkeitsstrahl
eingekoppelten Lasern gelöst.
Nach wie vor treten jedoch bei den beschriebenen Systemen Oberflächenschädigungen
in einem Ausmaß auf,
das einen weiteren Materialabtrag an den Bearbeitungsflächen erfordert,
der sowohl den Gesamtprozess der Materialbearbeitung aufwendig gestaltet
als auch zu zusätzlichem
Materialverlust und damit erhöhten
Kosten führt.
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Ebenso
sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt, bei denen Laserlicht
zur Anregung von Ätzmedien
sowohl in gasförmiger
wie in flüssiger Form über dem
Substrat angewendet wird. Als Ätzmedien
dienen hier verschiedene Stoffe, z.B. Kaliumhydroxyd-Lösungen unterschiedlicher
Konzentration (von Gutfeld, R. J./Hodgson, R. T.: „Laser
enhanced etching in KOH" in:
Appl. Phys. Lett., Vol. 404, 352–354, 15. February (1982))
bis hin zu flüssigen oder
gasförmigen
halogenierten Kohlenwasserstoffen, insbesondere Brommethan, Chlormethan
oder Trifluorjodmethan (Ehrlich, D. J./Osgood, R. M./Deutsch, T.
F.: „Laserinduced
microscopic etching of GaAs and InP" in: Appl. Phys. Lett., Vol. 36(8), 698–700, 15.
April (1980)).
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Weitere
Verfahren zur Bearbeitung von Festkörpern, z.B. zur Mikrostrukturierung
von Halbleitern bei der Chipherstellung oder zur Kantenisolation
bei Solarzellen, beschreiben die Druckschriften
DE 36 432 84 A und
WO 99/56907 A1 der
Firma SYNOVA SA.
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Die
Abtragung des Materials erfolgt dabei entweder rein ablativ, rein
chemisch oder es werden beide Prozesse miteinander gekoppelt. Die
Form des Abtrags ist abhängig
von der Wahl der Laserparameter (Intensität des Laserlichts, Wellenlänge, Pulsdauer,
etc.) und der Wahl des flüssigen
Mediums.
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Die
DE 198 60 084 B4 beschreibt
ein Verfahren zum Strukturieren eines mit einer Platinschicht und
einer Barriereschicht versehenen Substrates, wobei auf das Substrat
eine Ätzmaske
aufgebracht wird und die Platinschicht und die Barriereschicht mittels
eine Ätzverfahrens
unter Einwirkung eines reinen Argonplasmas mit nahezu rein physikalischem
Abtrag unter Verwendung der Ätzmaske
geätzt
wird. Nachteilig hierbei ist, dass stets eine Ätzmaske auf das Substrat aufgebracht
werden muss, um saubere Ätzungen
durchführen
zu können.
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Weiterhin
ist aus der
DE
10 2004 009 742 A1 ein Verfahren zum Herstellen rückseitenbeschichteter
Halbleiterchips bekannt, wobei zunächst eine Schutzfolie auf die
Halbleiterchipstrukturen aufgebracht wird und danach ein Abtragen
von Wafermaterial von der Rückseite
des Wafers erfolgt. Zum Schutz der nicht zu ätzenden Bereiche des Wafers muss
hier ebenso eine separate Aufbringung einer Schutzfolie erfolgen.
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Ein
Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Trocknung von Wafern geht zudem
aus der
DE 10 2004
044 394 A1 hervor. Dieses Verfahren findet insbesondere
dann An wendung, wenn zuvor eine Reinigung des Wafers erfolgt ist.
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Allen
genannten Verfahren liegt jedoch das inhärente Problem zugrunde, dass
das Werkstück von
der verwendeten Flüssigkeit
benetzt wird. Durch die Vernebelung der Flüssigkeit beim Auftreffen auf das
Werkstück
sowie die kontinuierliche Flüssigkeitszufuhr
kann das Werkstück
mit der Zeit vollständig mit
der Flüssigkeit
benetzt sein, was in einigen Anwendungen unerwünscht ist. Zudem entstehen
durch den notwendigen Trocknungsschritt zusätzliche Kosten, die z.B. bei
der Anwendung in der Photovoltaik Probleme durch erhöhten Platzbedarf
der Maschine bei gleich bleibendem Durchsatz ergeben. Insbesondere
bei der Verwendung von reaktiven Flüssigkeiten, die beispielsweise
bei Ätzverfahren
eingesetzt werden, ist eine fortwährende Benetzung des Werkstücks und
somit einer weiteren Reaktion des Ätzmediums mit der Oberfläche des
Werkstücks
unerwünscht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung war es somit, eine effiziente Trocknung
des Werkstücks nach
Benetzung mit der Flüssigkeit
zu gewährleisten. Weiterhin
war es Aufgabe der Erfindung, bei einem flüssigkeitsstrahlgeführten Ätzverfahren
eine Benetzung von Bereichen des Werkstücks, die nicht bearbeitet werden
sollen, zu verhindern.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
In Anspruch 9 wird ebenso eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
angegeben. Ansprüche
14 und 15 geben Verwendungen des Verfahrens wieder. Die abhängigen Ansprüche zeigen
vorteilhafte Weiterbildungen auf.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zur Werkstücktrocknung
und/oder -trockenhaltung bei der flüssigkeitsstrahlgeführten Bearbeitung
eines Werkstücks
bereitgestellt, wobei neben mindestens einem Bearbeitungskopf, der
den Flüssigkeitsstrahl führt, mindestens
ein weiterer Bearbeitungskopf verwendet wird und durch diesen bereits
bearbeitete Bereiche des Werkstücks
getrocknet werden und/oder nicht zu bearbeitende Bereiche des Werkstücks vor Flüssigkeitsbenetzung
geschützt
werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens wird der Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung
und/oder -trockenhaltung dabei nahe am Werkstück geführt. Erfindungsgemäß ist darunter zu
verstehen, dass der Bearbeitungskopf höchstens 0,5 cm, bevorzugt 0,1
cm, entfernt vom Werkstück geführt wird.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn zusätzlich am
Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder - trockenhaltung eine
Zufuhr von trockenem Inertgas erfolgt. Dadurch wird gewährleistet,
dass ein kontinuierlicher horizontaler Gasfluss auf der aktuell nicht
bearbeiteten Werkstückoberfläche erzeugt wird,
der einerseits diese trocknet, andererseits durch den Gasstrom das
Eindringen von Flüssigkeitströpfchen durch
die seitlichen Öffnungen
zum restlichen Prozessraum erschwert.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn das Inertgas zur Unterstützung des
Trocknungsprozesses dabei erwärmt
wird. Die Temperatur des Inertgases kann dabei in Abhängigkeit
von der gewählten
Flüssigkeit
des Flüssigkeitsstrahls
eingestellt werden. Werden beispielsweise niedersiedende, organische Lösungsmittel,
wie z.B. Tetrachlormethan oder Chloroform, verwendet, so reicht
eine Temperatur von ca. 60 °C
zur Gewährleistung
einer vollständigen
Trocknung aus. Werden hingegen höher
siedende Solventien, wie z.B. Wasser, verwendet, so kann eine Einstellung
der Temperatur des Inertgases auch beispielsweise 120 °C betragen.
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Zusätzlich können chemische
Zusätze
zur Vermeidung von Trocknungsrückständen auf
das Werkstück
aufgebracht werden. Die Aufbringung der chemischen Zusätze kann
beispielsweise über
den Inertgasstrom (z.B. durch Einbringen des chemischen Zusatzes
in den Inertgasstrom durch Sprühvernebelung)
erfolgen. Dabei sind die chemischen Zusätze beispielsweise ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Alkoholen (z.B. Isopropanol. Propylenglykol,
Ethanol), Tensiden (v.a. schaumarme, nicht-ionische Tenside (z.B.
Fettalkoholpolyethylenpolypropylenglykolether), Zitronensäure, Lösungsvermittler
(z.B. Cumolsulfonat) sowie Gemischen hiervon.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn das Verfahren so geführt wird, dass die Bewegungen
des mindestens einen Bearbeitungskopfes zur Flüssigkeitsstrahlführung und
des mindestens einen Bearbeitungskopfes zur Trocknung und/oder Trockenhaltung des
Werkstückes
so aufeinander abgestimmt sind, dass sie identische Bewegungsrichtung
aufweisen und in räumlicher
Nähe zueinander
angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist darun ter
zu verstehen, dass die beiden Bearbeitungsköpfe in einer solchen Relation zueinander
geführt
werden, dass zum einen eine möglichst
schnelle Trocknung der zu bearbeitenden Stelle erfolgt, zum anderen
die Bereiche des Werkstückes,
die nahe am Flüssigkeitsstrahl
liegen und somit einer potentiellen Benetzung durch Flüssigkeitstropfen
stärker
exponiert sind, möglichst
effektiv vor einer Benetzung geschützt sind. Zudem ist eine Bewegung
der beiden unterschiedlichen Bearbeitungsköpfe in gleiche Richtung vorteilhaft.
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Zur
Unterstützung
des Bearbeitungsprozesses kann selbstverständlich mindestens ein Laser verwendet
werden, der beispielsweise auch in den Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt
sein kann.
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Erfindungsgemäß wird ebenso
eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken bereitgestellt, die mindestens
einen Bearbeitungskopf zur Erzeugung eines laminaren Flüssigkeitsstrahls
sowie mindestens einen weiteren Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung
und/oder -trockenhaltung enthält, wobei
der mindestens eine Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder -trockenhaltung
flächig
ausgeführt
ist. Darunter ist zu verstehen, dass der Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung und/oder
-trockenhaltung eine Schirmfläche
aufweist, die das darunterliegende Werkstück vor einer Benetzung mit
Tröpfchen,
die aus dem Aufprallprozess des Flüssigkeitsstrahls auf die Oberfläche resultieren,
schützt.
Diese Schirmfläche
ist dabei nicht auf bestimmte geometrische Formen beschränkt, sondern
kann je nach zu bearbeitendem Werkstück diesem angepasst werden.
Ausführungsformen
können beispielsweise
zweidimensional, wie z.B. quadratisch, rechteckig, kreisförmig oder
oval, aber auch dreidimensional, z.B. durch Abwinkelung der Schirmfläche sein.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn der Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung
und/oder -trockenhaltung eine Inertgaszufuhr, beispielsweise in Form
eines Schlauchs, einer Leitung oder einem Rohr, aufweist. Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn die Inertgaszufuhr mittig am Bearbeitungskopf
zur Werkstücktrocknung
und/oder -trockenhaltung angeordnet ist. Dadurch wird gewährleistet,
dass zugeführtes
Inertgas gleichmäßig unter
der Schirmfläche abströmen kann
und somit ein horizontaler, kontinuierlicher Gasstrom erzeugt wird,
der das Eindringen von Sprühnebeltröpfchen unter
die Schirmfläche
erschwert.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Bearbeitungskopfes
zur Werkstücktrocknung
und/oder – trockenhaltung – dies ist
die dem Werkstück
abgewandte Seite des Bearbeitungskopfes – derartig gestaltet ist, dass
auf die Oberfläche auftreffende
Flüssigkeit
zur Mitte abläuft.
Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass der
Bearbeitungskopf in einer dritten Dimension so gestaltet ist, dass
nach allen Seiten des Kopfes eine schiefe Ebene resultiert, die
zur Mitte hin abfallend ist. Dort gesammelte Flüssigkeit kann beispielsweise über aus
dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen abgesaugt werden.
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Das
Verfahren findet insbesondere Verwendung beim Schneiden, Mikrostrukturieren
und Dotieren von Festkörpern
und/oder lokalem Abscheiden von Fremdelementen auf Festkörpern, insbesondere von
Siliciumwafern. Weiterhin erweist sich das Verfahren insbesondere
von Vorteil bei der Kantenisolation von Solarzellen.
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In
nachfolgender Figur ist eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens abgebildet,
ohne die Erfindung auf die abgebildete Ausführungsmöglichkeit zu beschränken.
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In
der Figur ist ein Trocknungskopf 1 mit einer Inertgaszuführung 2 versehen
und über
einem zu bearbeitenden Werkstück 4 angebracht.
Durch die großflächig angebrachte
Abschirmung des Trocknungskopfes 1 ist eine effektive Abschirmung
des Werkstücks 4 vor
einer Benetzung durch Tröpfchen, die
beim Auftreten des Flüssigkeitsstrahls 8 aus
dem Bearbeitungskopf 3 auf die Oberfläche des Werkstücks 4 entstehen,
gewährleistet.
Durch die Zuführung
von Inertgas ist zudem eine effiziente Trocknung der Bearbeitungsspur 5 gewährleistet.
In der abgebildeten Weise bewegt sich der Bearbeitungskopf zur Führung des
Flüssigkeitsstrahls 3 und
der Trocknungskopf 1 in die gleiche Bearbeitungsrichtung
oder der Trocknungskopf 1 ist statisch. Ebenso ist dargestellt,
dass die Austrittsrichtung des Inertgases 7 durch die mittige
Zuführung
des Inertgases 2 zu allen Seiten gleichmäßig gewährleistet
ist.