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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 PDF

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DE102008038118A1
DE102008038118A1 DE102008038118A DE102008038118A DE102008038118A1 DE 102008038118 A1 DE102008038118 A1 DE 102008038118A1 DE 102008038118 A DE102008038118 A DE 102008038118A DE 102008038118 A DE102008038118 A DE 102008038118A DE 102008038118 A1 DE102008038118 A1 DE 102008038118A1
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laser
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Du Keming Dr De
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Abstract

The method comprises passing a laser beam (62) through a transparent substrate (11) and then reaching the layers from the substrate side. The wavelength of the laser beam is selected, so that the laser beam is not absorbed by the substrate such as glass or polymer and the absorption of the laser beam by the layer and/or the layer system is high, so that the layer and/or the layer system is removed. The removal process is caused in a single step process by the pressure generated by the absorbed laser energy in a first layer (L1) (12). The layer system is removed by multi-step process. The method comprises passing a laser beam (62) through a transparent substrate (11) and then reaching the layers from the substrate side. The wavelength of the laser beam is selected, so that the laser beam is not absorbed by the substrate such as glass or polymer and the absorption of the laser beam by the layer and/or the layer system is high, so that the layer and/or the layer system is removed. The removal process is caused in a single step process by the pressure generated by the absorbed laser energy in a first layer (L1) (12). The layer system is removed by multi-step process by using laser beam. A pulsed laser or Q-switched laser or mode-locked laser is used. The layer system is solar layers. The laser beam has a wavelength of larger than 1200 nm. The laser beam is produced by neodymium-doped laser, erbium-doped laser, thulium-doped laser, holmium-doped laser or optically parametric amplifier and/or oscillator. In the layer system, the laser energy absorbs by the first layer (L1). The pressure in the first layer is higher than the sum of the pressures, which are generated by the laser energy absorbed in the second layer (L2) (22) and third layer (L3) (32). The expansion energy in the first layer is larger than the binding energy of second, third and other layers. A two-stage process is used, where in the first stage, the second and third layers are removed by a first laser beam with a defined wavelength, which is not absorbed by the substrate and the first layer, and in the second stage, the first layer is removed with a second laser beam with a further wavelength, which is not absorbed by the substrate. The wavelength of the first laser beam lies in the visible region and the wavelength of the second beam is selected around 350 nm. The second harmonic around 670 nm from neodymium-doped laser, which is operated with the wavelength around 1340 nm, is used as first laser beam, and the fundamental around 1340 nm from the neodymium-doped laser is used as second laser beam, and/or the second harmonic from the neodymium-doped laser, which is operated with the wavelength around 1000 nm, is used as first laser beam, and the third harmonic from the neodymium-doped laser is used as second laser beam. An independent claim is included for a plant for removing layers applied on a transparent substrate with a laser beam.

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 (11) wie Glas oder Polymer absorbiert werden und die Absorption vom Laserstrahl durch die Schichte (12) bzw. das Schichtensystem (12, 22 und 32) so hoch ist, dass die Schichte (12) bzw. das Schichtensystem (12, 22 und 32) in der Laserstrahlrichtung abgetragen wird.This patent application discloses methods and apparatus for removing layers applied to a transparent support with laser beams. The laser beams pass through the carrier and strike the layers, the wavelength of the laser beam being so controlled that the laser beam is substantially not separated from the carrier (FIG. 11 ) are absorbed as glass or polymer and the absorption of the laser beam by the layer ( 12 ) or the layer system ( 12 . 22 and 32 ) is so high that the layer ( 12 ) or the layer system ( 12 . 22 and 32 ) is ablated in the laser beam direction.

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 (61, 62, 63, 81, 82) und die Flugrichtung der abgetragenen Materialien (13, 23, 14). Zum einen fliegt das abgetragene Material gegen die Ausbereitungsrichtung der Laserstrahlen, zum anderen fliegt das abgetragene Material in die Ausbereitungsrichtung der Laserstrahlen (vgl. Bild 3, 4, 5 und 6). Den zweiten Fall wird auch als Vorwärtzabtrag genannt. Der Vorwärtsabtrag-Prozess ist mit Faktoren effektiver. In den Anlagen gemäß vorliegender Patentanmeldung stellt der Vorwärtsabtrag-Prozess von Schichten auf transmissiven Trägern (11) den Kernprozess dar.Basically, there are two variations of ablation processes with respect to the relation of the propagation direction of the laser beams ( 61 . 62 . 63 . 81 . 82 ) and the direction of travel of the removed materials ( 13 . 23 . 14 ). On the one hand, the abraded material flies against the direction of preparation of the laser beams, on the other hand the ablated material flies in the direction of preparation of the laser beams (compare Figures 3, 4, 5 and 6). The second case is also called advancement. The forward removal process is more effective with factors. In the plants of the present patent application, the forward removal process of layers on transmissive substrates ( 11 ) represents the core process.

Um den abtragprozess sicher (ohne Beschädigung des Trägermaterials (11)) und effektiv (unter möglichst geringer Einsatz von Laserenergie) zu gestalten, ist die Auswahl der Wellenlängen) der Laserstrahlen ausschlaggebend. Die Kernidee dieser Patentanmeldung liegt darin, daß in der Anlage zum Strukturieren via Ablation Laserstrahlen verwendet, deren Wellenlänge so gewählt wird, dass die Laserstrahlen im Wesentlichen nicht vom Trägermaterialien (11) wie Glas oder Polymer absorbiert werden, so dass das Trägermaterial nicht durch die Laserstrahlen beschädigt wird, und die Absorption von Laserstrahlen durch die Schichten (12, 22, 32) bzw. Schichtensystem so hoch ist, dass der Abtragprozess möglich wird.For the removal process safely (without damaging the carrier material ( 11 )) and to design effectively (with the least possible use of laser energy), the choice of the wavelengths) of the laser beams is decisive. The core idea of this patent application is that used in the system for structuring via ablation laser beams whose wavelength is chosen so that the laser beams are not substantially from the support materials ( 11 ), such as glass or polymer, so that the carrier material is not damaged by the laser beams, and the absorption of laser beams by the layers ( 12 . 22 . 32 ) or layer system is so high that the removal process is possible.

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 (12) (die erste Schichte, L1), die Halbleiterschichte (22) (die zweite Schichte, L2) und die Rückkontaktschichte (32) (die dritte Schichte, L3). Das Drei-Schichten-System (L1, L2 und L3) wird hintereinander auf Glasträger aufgebracht. Für die Auswahl der Wellenlänge für Vorwärtsabtrag ist die Absorption der Schichten und des Trägers entscheidend. Die Absorptionsabhängigkeit von Glas zeigt Bild 1. Es zeigt sich, dass Glas gute Transmission von 400 nm bis 2600 nm hat. Auch bei einer Wellenlänge um 350 nm hat das Glas relative geringe Absorption.In principle, a thin film solar consists of three layers: the front contact layer ( 12 ) (the first layer, L1), the semiconductor layer ( 22 ) (the second layer, L2) and the back contact layer ( 32 ) (the third layer, L3). The three-layer system (L1, L2 and L3) is applied in succession to glass slides. For the selection of the wavelength for forward removal, the absorption of the layers and the carrier is crucial. The absorption dependence of glass is shown in Figure 1. It can be seen that glass has good transmission from 400 nm to 2600 nm. Even at a wavelength around 350 nm, the glass has relatively low absorption.

Die Frontkontaktschichten L1 (12) sind elektrisch leitend und weist für Licht im Wellenlängenbereich von 400 nm bis etwa 900 nm hohe Transmission auf (vgl. Bild 2). Die am häufigesten verwendeten Frontkontaktschichten L1 (12) sind TCO-, ZnO- oder ITO-Schichten mit einem Dicken um einige 100 nm. Um die großflächigen Kontaktschichten zu schmalen Kontaktstreifen zu unterteilen, werden Festkörperlaser verwendet, die Licht mit einer Wellenlänge um 1 μm emittieren (vgl. Bild 3). Dabei wird die L1 in Form von schmalen Streifen strukturiert, indem dünne Linien durch Ablation mit Laserstraheln erzeugt werden (13). Wie Bild 2 zeigt, weisen die Frontkontaktschichten L1 (12) hohe Absorptionen für Wellenlänge um 350 nm oder für Wellenlänge länger als 1250 nm. In Anlagen gemäß dieser vorliegenden Patentanmeldung werden deshalb Laser mit Wellenlänge um 350 nm z. B. 355 nm oder 347 nm oder mit Wellenlänge länger als 1200 nm, z. B. 1340 nm verwendet. Laserstrahlen mit einer Wellenlänge um 1300 nm können mit einem Nd:dotierten Laser erzeugt. Auch die Wellenlänge um 1500 nm weist hohe Absorption auf. Die Wellenlänge können u. a. von Er:dotierten Laser generiert werden. Die höchste Absorption liegt bei einer Wellenlänge um 2000 nm. Laserstrahlen mit dieser Wellenlänge können mit einem Tm:dotierten, oder einem Ho:dotierten, oder einem optischen parameterischen Verstärker bzw. Oszillator, der mit einer Wellenlänge um 1 μm gepumpt wird, erzeugt werden.The front contact layers L1 ( 12 ) are electrically conductive and have high transmission for light in the wavelength range from 400 nm to about 900 nm (see Figure 2). The most commonly used front contact layers L1 ( 12 ) are TCO, ZnO or ITO layers with a thickness of a few 100 nm. In order to divide the large-area contact layers into narrow contact strips, solid-state lasers are used which emit light with a wavelength of 1 μm (see Figure 3). Here, the L1 is structured in the form of narrow strips by creating thin lines by ablation with laser beams ( 13 ). As Figure 2 shows, the front contact layers L1 ( 12 ) high absorbances for wavelengths around 350 nm or for wavelengths longer than 1250 nm. In systems according to this present patent application, therefore, lasers with wavelengths around 350 nm z. B. 355 nm or 347 nm or with wavelength longer than 1200 nm, z. B. 1340 nm used. Laser beams with a wavelength around 1300 nm can be generated with a Nd: doped laser. Also, the wavelength around 1500 nm has high absorption. The wavelength can be generated among other things by Er: doped laser. The highest absorption is at a wavelength around 2000 nm. Laser beams of this wavelength can be doped with a Tm:, or ei Ho: doped, or an optical parametric amplifier or oscillator, which is pumped with a wavelength of 1 micron, generated.

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 (12) zu verwenden.As shown in Figure 1, glass also has very high transmission for wavelengths longer than 1200 nm for visible light. Therefore, it is advantageous to use lasers with wavelengths longer than 1200 nm for ablation of front contact layers L1 (FIG. 12 ) to use.

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 (33). In dieser Hinschichte vom einstufigen Prozess sollen die von der L2 und L3 absorbierten Energie E2 und E3 und damit erzeugte Drücke P2 und P3 durch Auswahl der Wellenlänge und durch Balance der Absorption geringer als P1 gehalten werden. Ein zuverlässiger einstufiger Abtrag aller Schichten kann realisiert, wenn P1 höher als die Summe von P2 und P3 ist.During the stripping process via forward removal, the laser beam first strikes the front contact conductor L1 through the support. The absorbed laser energy E1 in L1 heats L1 and even ionizes it. This results in expansion pressure wave with the pressure P1 in L1. When the laser energy is metered so that the pressure P1 and the energy E1 of the pressure wave become so large, all three layers L1, L2 and L3 are jumped off ( 33 ). In this review of the one-step process, the energies E2 and E3 absorbed by the L2 and L3 and thus generated pressures P2 and P3 are to be kept smaller than P1 by selecting the wavelength and by balancing the absorption. A reliable one-step removal of all layers can be realized if P1 is higher than the sum of P2 and P3.

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 (12) hohe Absorptionen für Wellenlänge um 350 nm oder für Wellenlänge länger als 1250 nm. In Anlagen gemäß dieser vorliegenden Patentanmeldung werden deshalb Laser mit Wellenlänge um 350 nm z. B. 355 nm oder 347 nm oder mit Wellenlänge länger als 1200 nm, z. B. 1340 nm verwendet. Laserstrahlen mit einer Wellenlänge um 1300 nm können mit einem Nd:dotierten Laser erzeugt. Auch die Wellenlänge um 1500 nm weist hohe Absorption auf. Die Wellenlänge können u. a. von Erzdotierten Laser generiert werden. Die höchste Absorption liegt bei einer Wellenlänge um 2000 nm. Laserstrahlen mit dieser Wellenlänge können mit einem Tm:dotierten, oder einem Ho:dotierten, oder einem optischen parameterischen Verstärker bzw. Oszillator, der mit einer Wellenlänge um 1 μm gepumpt wird, erzeugt werden.As Figure 2 shows, the front contact layers L1 ( 12 ) high absorbances for wavelengths around 350 nm or for wavelengths longer than 1250 nm. In systems according to this present patent application, therefore, lasers with wavelengths around 350 nm z. B. 355 nm or 347 nm or with wavelength longer than 1200 nm, z. B. 1340 nm used. Laser beams with a wavelength around 1300 nm can be generated with a Nd: doped laser. Also, the wavelength around 1500 nm has high absorption. The wavelength can be generated among other things by Erzdotierten laser. The highest absorption is at a wavelength around 2000 nm. Laser beams of this wavelength can be generated with a Tm: doped, or a Ho: doped, or an optical parametric amplifier or oscillator pumped at a wavelength of 1 μm.

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 (23) der L2 und L3.Depending on the thickness of the respective layers, it may be that the single-stage removal process discussed above can not lead to complete delamination of the layer system, since the maximum expansion energy E x z which can be generated in the pressure wave in L1. B. due to the limited thickness of L1 and thus disposable energy smaller than the binding energy E b . In this case, a two-stage or multistage removal process has to be considered. In the case of solar cells, according to this present invention, in the first stage, preferably, the L2 and L3 are removed by a laser. In this case, the wavelength of the laser to be used is selected so that the laser beam absorbs only insignificantly from the carrier and L1 and that most of the laser energy is absorbed by L2. The pressure wave generated in L2 leads to ablation ( 23 ) of the L2 and L3.

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 (81) von einem Laser mit einer definierten Wellenlänge wird durch eine Optik (67) und einem Umlenkspiegel auf das Werkstück (71) abgebildet. Idealerweise hat der Laserstrahl einen rechteckigen Querschnitt (68). Damit werden die Schichten mit jedem Puls in Form von einem Rechteck (70) abgetragen. Wird das Werkstück (71) wie (73) dargestellt bewegt, so entsteht der Randbereich (78) ohne die Schichten.Figure 7 shows an embodiment. The laser beam ( 81 ) of a laser with a defined wavelength is determined by an optical system ( 67 ) and a deflection mirror on the workpiece ( 71 ). Ideally, the laser beam has a rectangular cross section ( 68 ). Thus, the layers with each pulse in the form of a rectangle ( 70 ). Will the workpiece ( 71 ) as ( 73 ), the edge region ( 78 ) without the layers.

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 (66) sendet in diesem Fall Zweilaserstrahlen (82 und 83) unterschiedlicher Wellenlängen, z. B. 532 nm und 1064 nm oder um 670 nm und 1340 nm. Der Laserstrahl (82) mit der kürzeren Wellenlänge wird für die Prozessstufe verwendet und erzeugt damit die Ablation der L2 und L3 (76). Die verbleibende Schichte (L1, 75) wird von dem Laserstrahl (83) mit der längeren Wellenlänge in der zweiten Prozessstufe entfernt. Danach entsteht der Randbereich (78) ohne Schichten (L1, L2 und L3).Figure 8 shows an embodiment of the two-stage process. The laser ( 66 ) sends in this case two laser beams ( 82 and 83 ) of different wavelengths, z. 532 nm and 1064 nm or around 670 nm and 1340 nm. The laser beam ( 82 ) with the shorter wavelength is used for the process step and thus generates the ablation of L2 and L3 ( 76 ). The remaining layer (L1, 75 ) is emitted by the laser beam ( 83 ) with the longer wavelength in the second process stage. After that the border area ( 78 ) without layers (L1, L2 and L3).

Anstelle des Umlenkspiegels (69) kann Scanner für schnelle Bewegung des Laserstrahls über das Werkstück verwendet werden, um die erforderliche Abtragsfläche zu generieren.Instead of the deflecting mirror ( 69 ) scanner can be used for fast movement of the laser beam over the workpiece to generate the required ablation area.

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.

Claims (19)

Verfahren zum Entfernen von auf einem transparenten Träger aufgebrachten Schichten mit mindestens einem Laserstrahl, wobei der Laserstrahl durch den Träger durchläuft und die Schichten von Trägerseite trifft, wobei die Wellenlänge des Laserstrahls so gewält werden, dass der Laserstrahl im Wesentlichen nicht vom Träger (11) wie Glas oder Polymer absorbiert werden und die Absorption vom Laserstrahl durch die Schichte (12) bzw. das Schichtensystem (12, 22 und 32) so hoch ist, dass die Schichte (12) bzw. das Schichtensystem (12, 22 und 32) abgetragen wird.Method for removing layers applied to a transparent support with at least one laser beam, wherein the laser beam passes through the support and strikes the layers from the support side, the wavelength of the laser beam being so controlled that the laser beam is substantially not separated from the support ( 11 ) are absorbed as glass or polymer and the absorption of the laser beam by the layer ( 12 ) or the layer system ( 12 . 22 and 32 ) is so high that the layer ( 12 ) or the layer system ( 12 . 22 and 32 ) is removed. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrag in einem einstufigen Prozess im Wesentlichen durch den von absorbierter Laserenergie in der ersten Schichte L1 erzeugten Druck bewirkt wird.Method for removing layers according to the claim 1, characterized in that the removal in a single-stage Process essentially by that of absorbed laser energy in the first layer L1 generated pressure is effected. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtensystem durch einen mehrstufigen Prozess Schichte für Schichte mittels Laserstrahls abgetragen wird.Method for removing layers according to the claim 1, characterized in that the layer system by a multi-stage process layer for Layer is removed by laser beam. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein gepulster Laser, oder ein gütegeschlateter oder ein modengekoppelter Laser verwendet wird.Method for removing layers after a the claims 1 to 3, characterized in that a pulsed laser, or a quality-slated one or a mode locked laser is used. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schichtensystem um Solarschichten handelt.Method for removing layers after a the claims 1 to 4, characterized in that it is in the layer system is about solar layers. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge um 350 nm verwendet wird.Method for removing layers after a the claims 1 to 5, characterized in that a laser beam with a wavelength around 350 nm is used. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge größer als 1200 nm verwendet.Method for removing layers after a the claims 1 to 5, characterized in that a laser beam with a wavelength greater than 1200 nm used. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl von einem Nd:dotierten Laser, oder von einem Er:dotierten Laser, oder von einem Tm:dotierten Laser, oder von einem Ho:dotierten Laser, oder von einem optischen parameterischen Verstärker bzw. Oszillator erzeugt wird.Method for removing layers according to claim 7, characterized in that a laser beam from a Nd: doped Laser, or from a Er: doped laser, or from a Tm: doped laser, or from a Ho: doped laser, or from an optical parametric one amplifier or oscillator is generated. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Schichtensystem die Laserenergie im Wesentlichen von der ersten Schichte L1 absorbiert.Method for removing layers after a the claims 1 to 8, characterized in that in a layer system the laser energy is substantially absorbed by the first layer L1. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach dem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Schichte L1 erzeugte Druck höher als die Summe der Drücke, die durch die in L2 und L3 absorbierte Energie in L2 und L3 generiert sind.Method for removing layers according to the claim, characterized in that the pressure generated in the layer L1 higher than the sum of the pressures, which is generated by the energy absorbed in L2 and L3 in L2 and L3 are. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsenergie in L1 größer als die Bindungsenergie von L2, L3 und anderen Schichten.Method for removing layers after a the claims 9 to 10, characterized in that the expansion energy in L1 greater than the binding energy of L2, L3 and other layers. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweistfiger Prozess verwendet wird, wobei bei der ersten Stufe die L2 und L3 durch einen ersten Laserstrahl mit einer definierten Wellenlänge, der im Wesentlichen nicht vom Träger und der L1 absorbiert wird, entfernt werden und bei der zweiten Stufe die L1 mit einem zweiten Laserstrahl von einer anderen Wellenlänge, der im Wesentlichen nicht vom Träger absorbiert wird, entfernt wird.Method for removing layers according to the claim 5, characterized in that a two-step process is used is, wherein in the first stage, the L2 and L3 by a first Laser beam with a defined wavelength, which is essentially not from the carrier and the L1 is absorbed, and at the second Level the L1 with a second laser beam of a different wavelength, the essentially not absorbed by the carrier will be removed. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des ersten Laserstrahls im Bereich sichtbar liegt und die Wellenlänge des zweiten Strahls länger als 1000 nm gewählt wird.Method for removing layers according to the claim 12, characterized in that the wavelength of the first laser beam is visible in the area and the wavelength of the second beam is longer than 1000 nm selected becomes. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des ersten Laserstrahls im Bereich sichtbar liegt und die Wellenlänge des zweiten Strahls um 350 nm gewählt wird.Method for removing layers according to the claim 12, characterized in that the wavelength of the first laser beam is visible in the area and the wavelength of the second beam to 350 nm selected becomes. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als der ersten Laserstrahl die zweite Harmonische um 670 nm von einem Nd:dotierte Laser verwendet wird, der bei der Wellenlänge um 1340 nm betrieben wird, und dass als der zweite Laserstrahl das fundamental um 1340 nm von demselben Nd:dotierten Laser verwendet wird.Method for removing layers according to the claim 12, characterized in that as the first laser beam second harmonic used at 670 nm from a Nd: doped laser that's at the wavelength is operated at 1340 nm, and that as the second laser beam used fundamentally around 1340 nm from the same Nd: doped laser becomes. Verfahren zum Entfernen von Schichten nach dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als der ersten Laserstrahl die zweite Harmonische von einem Nd:dotierte Laser verwendet wird, der bei der Wellenlänge um 1000 nm betrieben wird, und dass als der zweite Laserstrahl die dritte Harmonische von demselben Nd:dotierten Laser verwendet wird.Method for removing layers according to the claim 12, characterized in that as the first laser beam second harmonic is used by a Nd: doped laser, the at the wavelength is operated at 1000 nm, and that as the second laser beam third harmonic is used by the same Nd: doped laser. Anlage zum Entschichten gemäß Verfahren nach einer der Ansprüche von 1 bis 16, besteht aus mindestens einer Laserstrahlquelle, einer Bewegungseinheit für die relative Bewegung zwischen den Laserstrahl und dem Werkstück, einer Absaugungseinheit für die Absaugung des abgetragenen Schichtenmaterials.Device for stripping according to the method of one of claims from 1 to 16, consists of at least one laser beam source, one Movement unit for the relative movement between the laser beam and the workpiece, one Suction unit for the suction of the removed layer material. Anlage zum Entschichten nach dem Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Prozessgas zu wegblasen vom abgetragenen Schichtenmaterial verwendet wird.Plant for stripping according to claim 17, characterized characterized in that process gas to blow away from the removed layer material is used. Anlage zum Entschichten nach dem Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensoreinheit zur Bestimmung der Position vom Werkstück und eine Servoeinheit zur Einstellung der relativen Position vom Werkstück und von der Strahlkaustik.Plant for stripping according to claim 17 or 18, characterized in that a sensor unit for determining the position of the workpiece and a servo unit for adjusting the relative position of workpiece and the Strahlkaustik.
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