DE102008038118A1 - Removing layers applied on a transparent substrate with a laser beam, comprises passing the laser beam through a transparent substrate and then reaching the layers from the substrate side - Google Patents
Removing layers applied on a transparent substrate with a laser beam, comprises passing the laser beam through a transparent substrate and then reaching the layers from the substrate side Download PDFInfo
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Abstract
Description
AbstractAbstract
In
dieser Patentanmeldung werden Verfahren und Anlagen zum Entfernen
von auf einem transparenten Träger
aufgebrachten Schichten mit Laserstrahlen angegeben. Die Laserstrahlen
durch laufen durch den Träger
und treffen die Schichten, wobei die Wellenlänge des Laserstrahls so gewält werden, dass
der Laserstrahl im Wesentlichen nicht vom Träger (
Stand der TechnikState of the art
In unserer moderen Gesellschaft sind Dünnschichtentechologie nicht mehr weg zu denken. Die Dünnschichtentechnologie beinhält im Wesentlichen die Technologie zur Erzeugung und Struktuierung von Dünnschichten für definierte Funktionen. Beispiele hiervon sind zu nennen: struktuierte Stromleiterbahnen in Flach-Display auf Basis von dünnen, leitenden und für sichtbares Licht transmittierenden Schichten; stromerzeugende Solarschichtensystem in Dünnschichtsolar; wärmedammende Schichten und Schichtensystem mit veränderbaren Transmission auf Gebäude- bzw. Autoglas.In our modern society is not thin-film tecnology to think more away. The thin-film technology including holding essentially the technology for the generation and structuring of thin films for defined Functions. Examples of these are: structured electrical conductor tracks in flat display based on thin, conductive and for visible light transmitting layers; electricity generating solar layer system in Thin-film solar; heat dam end Layers and layer system with changeable transmission Building- or car glass.
In dieser vorliegenden Patentanmeldung werden Anlagen zum schönenden Strukturieren von Dünnschichten bzw. Dünnschichtensystemen auf transparenten Träger wie Glas, Polymer mit Lasern angegeben.In In this patent application, plants for beautiful structuring of thin films or thin-film systems on transparent carrier as glass, polymer indicated with lasers.
Beschreibungdescription
Das Prinzip des Strukturierens bzw. des Entschichtens mit Lasern basiert auf loklisierte und selektive Ablation, die durch absorbierte Laserenergie initiert wird.The Principle of structuring or stripping with lasers based on localized and selective ablation initiated by absorbed laser energy becomes.
Grundsätzlich gibt
es zwei Variationen von Ablationsprozessen im Bezug auf die Relation
der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen (
Um
den abtragprozess sicher (ohne Beschädigung des Trägermaterials
(
In den folgenden werden solche Anlagen am Beispiel für Produktion von Dünnschichtensolar erläutert.In The following are examples of such plants using the example of production of thin-film solar explained.
Im
Pinzip besteht eine Dünnschichtensolar aus
drei Schichten: die Frontkontaktschichte (
Die
Frontkontaktschichten L1 (
Wie
Bild 1 zeigt, weist Glas neben für
sichtbares Licht auch sehr hohe Transmission für Wellenlänge länger als 1200 nm. Deshlab ist
es vorteilhaft, Laser mit Wellenlängen länger als 1200 nm für Ablation
von Frontkontaktschichten L1 (
Nach dem das Drei-Schichten-System aufbaut wird, muß es im Randbereich mit einer Breite um 1 cm zur Isolation komplett entfernt werden. Damit können Solarzellen ohne Kurzschluß in Rahmen eingebaut werden.To the three-layer system is built, it must be in the border area with a Width to be completely removed by 1 cm for insulation. This allows solar cells without short circuit in Frame to be installed.
Für die Randentschichtung werden u. a. Bandschleifmachinen oder Sandstrahlmachinen verwendet. Dabei wird zum einem die Glasoberfläche beschädigt und zum anderen mehr Abfälle generiert. Ein glasschönendes und umweltfreundliches Verfahren stellt die Entschichtung mit Lasern dar. Hierbei werden gepulste Hochleistungslaser mit einer Wellenlänge um 1 μm verwendet.For the edge stripping be u. a. Belt sanders or sandblast machines used. This will damage the glass surface and generate more waste. One glass forming beautiful and environmentally friendly process makes the stripping with lasers In this case, pulsed high-power lasers with a wavelength of 1 μm are used.
Beim
Entschichtungsprozess via Vorwärtsabtrag
trifft der Laserstrahl durch das Träger zuerst auf die Frontkontaktschiche
L1. Durch die absorbierte Laserenergie E1 in L1 wird L1 erhitzt
und gar ionisert. Dadurch entsteht Expansionsdruckwelle mit dem Druck
P1 in L1. Wenn die Laserenergie so dosiert wird, dass der Druck
P1 und die Energie E1 der Druckwelle so groß wird, werden alle drei Schichten L1,
L2 und L3 weg gespringt (
Wird die Energie der Druckwelle in L1 als Expansionsenergie Ex bezeichnet und die Energie, die zum Aufspringen L2 und L3 erforderlich ist, als die Bindungsenergie Eb bezechnet, so muss für einen vollständigen Antrag L1, L2 und L3 Ex > Eb gelten.If the energy of the pressure wave in L1 is called the expansion energy E x and the energy required to jump up L2 and L3 is taken to be the binding energy E b , E x > E b must apply to a complete application L1, L2 and L3.
Für die Effektivität der Entschichtung ist deshalb die Absorption bei L1, L2 und L3 maßgeblich. Idealerweise wird die gesamte Laserenergie im Wesentlichen vollständig von L1 absorbiert und somit wird die komplette Entschichtung auf einmal erfolgen, wenn das komplette Schichtensystem durch den Druck P1, der durch Absorption von Laserenergie in der Frontkontaktschichte erzeugt wird, weggeblasen wird. Hierfür ist es maßgeblich, dass die Wellenlänge so zu wählen, dass der Laserstrahl effektiv in L1 absorbiert wird. Die Wellenlänge um 350 nm erfüllt diese Anforderung. Noch besser geeignet sind Laserstrahlen mit Wellenlänge länger als 1200 nm, da der Täger wie Glas hohe Transmission bei Wellenlänge länger als 1200 nm hat.For the effectiveness of the stripping Therefore, the absorption at L1, L2 and L3 is relevant. Ideally the entire laser energy is essentially completely absorbed by L1 and Thus, the complete stripping will take place at once, if the complete layer system by the pressure P1, which by absorption generated by laser energy in the front contact layer, blown away becomes. Therefor it is crucial that the wavelength so to choose that the laser beam is effectively absorbed in L1. The wavelength around 350 nm met this requirement. Even better are laser beams with wavelength longer than 1200 nm, since the Täger as glass has high transmission at wavelength longer than 1200 nm.
Wie
Bild 2 zeigt, weisen die Frontkontaktschichten L1 (
Eine insbesonderes saubere Entschichtung wird erreicht, wenn der Druck, der durch Absorption von Frontkontaktschichten L1 generiert wird, deutlich höher ist als die Summe der Drücke, die durch die Absorption in den anderen zwei Schichten L2 und L3 erzeugt werden.A In particular, clean stripping is achieved when the pressure, which is generated by absorption of front contact layers L1, significantly higher is the sum of the pressures, which is produced by the absorption in the other two layers L2 and L3 become.
Wird die Energie der Druckwelle in L1 als Expansionsenergie Ex bezeichnet und die Energie, die zum Aufspringen L2 und L3 erforderlich ist, als die Bindungsenergie Eb bezechnet, so muss für einen vollständigen Antrag L1, L2 und L3 Ex > Eb gelten. Auf dieser Weise werden die Schichten L2 und L3 kalt (ohne erhebliche Temperatur) abgetragen. Dies ist insbesondere wünschenswert im Bezug auf den möglichen elektischen Kurzschluß durch thermische Beschädigung von L2 und Schmelze von L3.If the energy of the pressure wave in L1 is called the expansion energy E x and the energy required to jump up L2 and L3 is taken to be the binding energy E b , E x > E b must apply to a complete application L1, L2 and L3. In this way, the layers L2 and L3 are removed cold (without significant temperature). This is particularly desirable in terms of possible electrical shorting due to thermal damage of L2 and melt of L3.
Jenach
der Dicke der jeweilien Schichten kann es sein, dass der oben diskutierte
einstufige Abtragprozess zu keiner vollständigen Entschichtung des Schichtensystems
führen
kann, da die maximale in der Druckwelle in L1 generierbare Expansionsenergie
Ex z. B. aufgrund der begrenzten Dicke von
L1 und somit deponierbare Energie kleiner als die Bindungsenergie
Eb. In diesem Fall ist ein zweistufiger bzw.
multistufiger Abtragprozess zu berücksichtigen. Im Fall Solar-Zellen
wird gemäß dieser
vorliegenden Erfindung in der ersten Stufe vorzugsweise die L2 und
L3 mit einem Laser entfernt. Dabei wird die Wellenlänge des
zu verwendenden Lasers so ausgewählt,
dass der Laserstrahl nur unwesentlich vom Täger und L1 absorbiert und dass
die meisten Laserenergie von L2 absorbiert wird. Die in L2 erzeugte Druckwelle
führt zur
Ablation (
Hierzu gilt in Analog die Beziehung der Drücke P2 > P3 in L2 und L3. Des Weiteren muß gelten, dass die in L2 erzeugte Expansionsenergie höher als die Bindungsenergie von L3.In analogy, the relationship of Drü P2> P3 in L2 and L3. Furthermore, it must be said that the expansion energy generated in L2 is higher than the binding energy of L3.
L1 ist für sichtbares Licht fast transparent und die Halbleiterschichte L2 weist hohe Absorption für sichtbares Licht auf. Deshalb ist es vorteilhaft Laser mit einer Wellenlänge im Bereich 400 nm bis 800 nm für die Entfernung von L2 und L3 zu wählen. Aufgrund der Verfügbarkeit von Hochleistungslasern bei 532 nm (zweite Harmonische von 1064 nm Nd:dotierten Laser), liegt es nah, dieser Laser für die Entfernung von L2 und L3 zu verwenden.L1 is for visible light almost transparent and the semiconductor layer L2 has high absorption for visible light on. That is why it is advantageous to use a laser wavelength in the range 400 nm to 800 nm for to choose the distance from L2 and L3. Due to availability of high power lasers at 532 nm (second harmonic of 1064 nm) nm Nd: doped laser), it is close to this laser for the distance to use from L2 and L3.
Nach der ersten Prozessstufe bleibt L1 bestehen. Die verbleibende L1 wird in der zweiten Prozessstufe mit einem Laserstrahl entfernt. Aufgrund des Absorptionsverhaltens wird gemäß dieser vorliegenden Erfindung ein Laser mit einer Wellenlänge um 350 nm oder länger als 1000 nm verwendet. Nach den beiden Prozessstufen wird das komplette Schichtensystem entfernt und damit den Randbereich isoliert.To L1 remains in the first process stage. The remaining L1 is removed in the second process stage with a laser beam. Due to the absorption behavior is according to this present invention a laser with one wavelength around 350 nm or longer used as 1000 nm. After the two process stages, the complete layer system is created removed and thus the edge area isolated.
Für die Realisierung des zweistufugigen Prozesses können für die erste Stufe die zweite Harmonische mit einer Wellenlänge um 530 nm von einem gepulste Nd:dotierte Laser verwendet werden. Für die zweite Stufe können die gepulste Nd:dotierte Laser mit einer Wellenlänge um 1060 nm direkt verwedent werden. Auch gepulse Yb:dotierte Laser wie Scheibenlaser und Faserlaser und ihre Harmnoischen können in dem zweistufigen Prozess verwendet werden.For the realization of the two-stage process for the first stage the second harmonic with a wavelength around 530 nm can be used by a pulsed Nd: doped laser. For the second Level can The pulsed Nd: doped laser with a wavelength around 1060 nm directly verwedent become. Also pulsed Yb: doped lasers like disk lasers and fiber lasers and their harmnoischen can be used in the two-step process.
Nd:dotierte Laser können bei der relativ starken Linie um 1340 nm betrieben werden. Gepulste Nd:dotierte Laser um 1340 nm und ihre zweite Harmonische um 670 nm können in dem zweistufigen Prozess jeweils für die Entfernung der Schichte L1 in der zweiten Stufe und für die Entfernung der Schichten L2 und L3 in der ersten Stufe verwendet werden.Nd: doped Lasers can operated at the relatively strong line around 1340 nm. Pulsed Nd: doped Lasers around 1340 nm and their second harmonic around 670 nm can be found in the two-step process for the removal of the layer L1 in the second stage and for used the removal of layers L2 and L3 in the first stage become.
Des Weiteren können die Laserstrahlen mit entsprechenden Wellenlängen in Faserlaser oder mittels optischen parameterischen Prozessen oder Up- oder Down-Konversion generiert werden.Of Further can the laser beams with appropriate wavelengths in fiber laser or by means of optical parametric processes or up or down conversion to be generated.
Jenach das Absorptionsverhalten wird unterschiedlichen Wellenlänge für eine effektive Bearbeitung erforderlich. Diese Wellenlänge kann durch z. B. Frequenzverdopplung, Up-Conversion oder/und Raman-Prozess oder optische parameterische Prozesse generiert werden.Depending on The absorption behavior will be different wavelength for an effective Processing required. This wavelength can be replaced by z. B. frequency doubling, Up-conversion or / and Raman process or optical parameteric processes are generated.
Um die Wellenlänge des Laserstrahls an die Absorptionsverhalten des Werkstücks anzupassen, können nichtlineare Kristalle zur Frequenzkonversion wie Frequenzverdopplung, -verdreifachung verwendet werden.Around the wavelength of the laser beam to adapt to the absorption behavior of the workpiece, can be nonlinear Frequency conversion crystals such as frequency doubling, tripling be used.
Diodenlaser sind die kompaktsten und effektivsten Strahlquellen. Deren Integration in den Laserbearbeitungskopf den Prozess vereinfact das Ganz insbesoderes.diode laser are the most compact and effective beam sources. Their integration In the laser processing head the process simplifies the whole insbesoderes.
Aufgrund der flexiblen Ausführung kann der Laserstrahl durch einen Faserlaser erzeugt werden. Dabei kann ein Ende des Faserlasers direkt an dem Bearbeitungskopf montiert werden. Somit wird der Laserstrahl direkt in den Laserkopf eingeführt.by virtue of the flexible design The laser beam can be generated by a fiber laser. there For example, one end of the fiber laser can be mounted directly on the machining head become. Thus, the laser beam is introduced directly into the laser head.
Es wurde nachgewiessen, dass beim Abtrag die max. effektive Energieeffizienz mit einem rotationssymmetrischen Gauß'schen Strahl nur 37%, mit einem eindimenisonalen Top-hat-Strahl, der in einer Richtung eine homogene Intensitätsverteilung und in der anderen Richtung eine Gauß'sche Intensitätsverteilung hat, nur 48% beträgt, während die erreichbare max. Energieeffizienz mit einem zweidiomensionalen top-hat-Strahl, der in beiden Richtung eine homogene Intensitätsverteilung hat, 100% beträgt. Da mit einem Laserstrahl von rechteckiger Top-hat-Intensitätsverteilung die höchste Effizeinz beim Abtrag bzw. Auftrag erzielt wird, ist es vorteilhaft der lichtführende Kern rechteckig auszubilden.It was nachgewiessen that the removal of the max. effective energy efficiency with a rotationally symmetric Gaussian beam only 37%, with a one-dimensional Top-hat beam, which in one direction is a homogeneous intensity distribution and in the other Direction a Gaussian intensity distribution has only 48%, while the achievable max. Energy efficiency with a two-dimensional top-hat beam, which has a homogeneous intensity distribution in both directions is 100%. In order to a laser beam of rectangular top hat intensity distribution the highest Effizeinzer at the removal or order is achieved, it is advantageous the light-guiding core rectangular form.
Ein annährender Top-hat-Strahl kann mit einer Blende aus einem Strahl mit z. B. Gauß'schem Strahlprofil ausgeschnitten werden. Das ist allerdings mit einem hohen Verlust zu verbunden. Mit einem geringen Verlust kann ein Top-hat-Strahl mittels eines Wellenleiter-Integrators, einer Anordnung aus Linsenarray, einer diffraktiven Optik oder einer Anordnung aus Phasenverzögerungsplatten und Beamdisplacer ausserhalb des Laseroszillators generiert werden.One annährender Top-hat-ray can with a diaphragm from a beam with z. B. Gaussian beam profile be cut out. But that's a big loss too connected. With a low loss, a top-hat beam can by means of a waveguide integrator, an array of lens array, a diffractive optic or a Arrangement of phase delay plates and Beamdisplacer be generated outside the laser oscillator.
Weitergehend verlustfrei kann einer Top-hat-Strahl mit einem Faserlaser, dessen lichtführender Kern einen rechteckigen Querschnitt hat, generiert wird.Proceeding lossless can be a top-hat beam with a fiber laser, whose light-guiding Core has a rectangular cross-section, is generated.
Zur Erzeugung von Laserstrahlen mit einem rechteckigen Querschnitt und einer Top-hat-Intensitätsverteilung und können Modenblende mit einem rechteckigen Querschnitt verwendet werden. Weitergehend verlustfrei kann einer Top-hat-Strahl mit einem Mikrolaser, der ein Verstärkungsvolumen einen rechteckigen Querschnitt hat und die Verstärkung über den Querschnitt im Wesentlichen homogen ist, erzeugt werden. Beim Pumpen mit Diodenlaser die Pumpstrahlen so zu formen, daß sie in Laserkristallen einen rechteckigen Querschnitt haben und ein Top-hat-Intensitätsprofil aufweisen. Die Pumpfläche und die Modenblende können so ausgelegt werden, dass ein Multimode-Laserstrahl erzeugt wird, der eine im Wesentlichen Top-hat-Intensitätsprofil aufweist.to Generation of laser beams with a rectangular cross-section and a top hat intensity distribution and can Mode hood can be used with a rectangular cross-section. Further lossless can be a top-hat beam with a microlaser, the one gain volume has a rectangular cross section and the reinforcement over the cross section substantially is homogeneous, can be generated. When pumping with diode laser the pump beams to shape that way have a rectangular cross section in laser crystals and a top hat intensity profile exhibit. The pumping area and the fashions can be designed so that a multimode laser beam is generated, which has a substantially top-hat intensity profile.
Der Laserstrahl eventuell nach der Strahlformung wird mit einer Optik aus einer Einzellinse oder mehrern Linsen auf das Werkstück fokussiert. Eine verbesserte Wiedergabe von einer Top-hat-Intensitätsverteilung auf dem Werkstück wird erreicht, wenn die Top-hat-Intensitätsverteilung mittels einer Optik, z. B. einem Teleskop abgebildet wird.The laser beam may be after the beam Mung is focused with an optic from a single lens or multiple lenses on the workpiece. An improved rendering of a top hat intensity distribution on the workpiece is achieved when the top hat intensity distribution is achieved by means of optics, e.g. B. a telescope is displayed.
Die Tiefenschärfe eines Laserstrahls ist begrenzt. Wird der Laserstrahl in großer Entfernung über das Werkstück bewegt, so ist es notwendig, den Laser und dessen Formungs- und Abbildungsoptik mitzuführen. Die Mitführung des Lasers und dessen Formungsoptik ist mit Aufwand verbunden. Um dies zu vermeiden, wird das Werkstück in einer Ebene angeordnet, deren Normal unter einem definierten Winkel zu der Bewegungsrichtung steht. Der Winkel wird so bestimmt, dass der Laserstrahl z. B. mit einem Teleskop immer scharf genug auf das Werkstück abgebildet wird.The depth of field a laser beam is limited. Is the laser beam at a great distance over the workpiece moved, so it is necessary to use the laser and its shaping and Take imaging optics. The entrainment The laser and its shaping optics is associated with effort. Around To avoid this, the workpiece is arranged in a plane, their normal at a defined angle to the direction of movement stands. The angle is determined so that the laser beam z. B. with a telescope always sharp enough on the workpiece is mapped.
Der Laserstrahl hat einen bestimmten Bereich in der Ausbreitungsrichtung, wo gute Bearbeitungsergebnisse erzielt werden können. Bei einem Werkstück, dessen Form von einer Ebene abweicht, müssen der Strahl und das Werkstück in der Strahlausbreitungsrichtung (longitudinal) relativ positioniert. Es is mehr flexibel und praktikabel, wenn der Strahl in Relation zum Werkstück positioniert wird. Dies kann mittels einer Autofokus-Einheit erfolgen. Sie besteht im Wesentlichen aus einem longintudialen Positionsdetektor-Einheit (Abstandssensor) und einem Servokreis.Of the Laser beam has a certain area in the propagation direction, where good processing results can be achieved. For a workpiece whose Form must deviate from a level the beam and the workpiece relatively positioned in the beam propagation direction (longitudinal). It is more flexible and practical when the beam is in relation to the workpiece is positioned. This can be done by means of an autofocus unit. she consists essentially of a long-term position detector unit (Distance sensor) and a servo circuit.
Für großflächige Ablation werden der Laserstrahl und das Werkstück relativ mit einem Scanner oder einem Achsensystem oder einem Robot bewegt.For large-area ablation The laser beam and the workpiece are relative to a scanner or an axis system or a robot moves.
Bild
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel.
Der Laserstrahl (
Eine einfache Realisierung des zweistufigen Prozesses liegt vor, wenn der eine Laserstrahl mit einer Wellenlänge für die erste Prozessstufe und der andere Laserstrahl mit einer anderen Wellenlänge für die zweite Prozessstufe in der Richtung der relativen Bewegung hinter einander so angeordnet werden, dass die L2 und L3 zuerst entfernt wird und L1 kurz danach entfernt wird. Ein kompakter Aufbau kann realisiert werden, indem die beiden Strahlen mit einer gemeinsamen Optik in der Bewegungsrichtung versetzt auf das Werkstück abgebildet bzw. fokussiert werden.A simple realization of the two-stage process is present when the one laser beam with one wavelength for the first process step and the other laser beam with a different wavelength for the second process step in the direction of the relative movement arranged one behind the other be that the L2 and L3 are removed first, and L1 shortly afterwards Will get removed. A compact construction can be realized by the two beams with a common optic in the direction of movement offset on the workpiece be imaged or focused.
Bild
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel
vom zweistufigen Prozess. Der Laser (
Anstelle
des Umlenkspiegels (
Für einen effizienten Abtragprozess wird mit Prozessgas wie Pressluft verwendet, um die abgetragene Materialien zeitnah von Prozesszone wegzublasen. Dies erhöht auch die Prozessqualität, da die Wahrscheinlichkeit der Rücklagerung durch Prozessgas verringert wird.For one efficient removal process is used with process gas such as compressed air, to quickly blow off the removed materials from the process zone. This increases also the process quality, since the probability of return is reduced by process gas.
Zur Sammeln der abgetragenen Materialien wird eine Absaugungeinheit verwendet. Um die abgetragene Materialien zum Recyclen bzw. für Umwelt unschädlich zu machen, wird eine Filterungsanlagen hinter der Absaugungseinheit zugeschaltet.to Collecting the removed materials becomes a suction unit used. To the removed materials for recycling or for the environment harmless make a filtration system behind the suction unit switched on.
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