[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] 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.: "Laser-induced microscopic etching of GaAs and InP" in: Appl. Phys. Lett., Vol. 36(8), 698-700, 15. April (1980)).
[0004] 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 99/56 907 A1 der Firma SYNOVA SA.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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 Anwendungen des Verfahrens wieder. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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[deg.]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[deg.]C betragen.
[0013] 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.
[0014] 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 darunter 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.
[0015] Zur Unterstützung des Bearbeitungsprozesses kann selbstverständlich mindestens ein Laser verwendet werden, der beispielsweise auch in den Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt sein kann.
[0016] Erfindungsgemäss wird ebenso eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken bereitgestellt, die mindestens einen Bearbeitungskopf zur Erzeugung eines laminaren Flüssigkeitsstrahls sowie mindestens einen weiteren Bearbeitungsköpf 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] Das Verfahren findet insbesondere Anwendung 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.
[0020] In nachfolgender Figur ist eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens abgebildet, ohne die Erfindung auf die abgebildete Ausführungsmöglichkeit zu beschränken.
[0021] In der Figur ist ein Bearbeitungskopf zur Werkstücktrocknung (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 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.
The present invention relates to a method which allows drying and / or dry keeping of a workpiece in the liquid-jet-guided machining. Likewise, according to the invention, a device is provided which ensures the implementation of said method. The method is used for cutting, microstructuring, doping of solids or the local deposition of foreign elements on silicon wafers.
Various methods are already known from the prior art, in which etched with the aid of a liquid jet laser laser silicon or other materials or removed ablatively. For example, EP 0 762 947 B1 describes a liquid-jet-guided laser, in which case water is used as the liquid medium. The water jet serves as a guide medium for the laser beam and as a coolant for the edges of the machined locations on the substrate, with the aim of reducing the damage caused by thermal stress in the material. With liquid-jet-guided lasers, cleaner cutting pits are achieved than with "dry" lasers. The problem of constant refocusing of the laser beam with increasing trench depth is also solved with lasers coupled in the liquid jet.
However, in the described systems surface damage still occurs to an extent which requires a further removal of material from the working surfaces, which makes both the entire process of material processing expensive and also leads to additional material loss and thus increased costs.
Likewise, methods are known from the prior art, in which laser light is used to excite etching media both in gaseous and in liquid form over the substrate. The etching media used here are various substances, e.g. Potassium hydroxide solutions of different concentrations (von Gutfeld, RJ / Hodgson, RT: "Laser enhanced etching in KOH" in: Appl. Phys. Lett., Vol. 404, 352-354, 15 February (1982)) to liquid or gaseous halogenated hydrocarbons, in particular bromomethane, chloromethane or trifluorodomethane (Ehrlich, DJ / Osgood, RM / German, TF: "Laser-induced microscopic etching of GaAs and InP" in: Appl. Phys. Lett., Vol. 36 (8) , 698-700, April 15 (1980)).
Other methods of processing solids, e.g. for the microstructuring of semiconductors in chip production or for edge isolation in solar cells, the publications DE 36 432 84 A and WO 99/56 907 A1 of SYNOVA SA describe.
The removal of the material takes place either purely ablative, purely chemical or both processes are coupled together. The shape of the ablation depends on the choice of the laser parameters (intensity of the laser light, wavelength, pulse duration etc.) and the choice of the liquid medium.
However, all of these methods are based on the inherent problem that the workpiece is wetted by the liquid used. The nebulization of the liquid as it strikes the workpiece and the continuous supply of liquid may over time wet the workpiece completely with the liquid, which is undesirable in some applications. In addition, the necessary drying step incurs additional costs, e.g. when used in photovoltaic problems due to increased space requirements of the machine at a constant throughput. In particular, when using reactive liquids, which are used for example in etching, a continuous wetting of the workpiece and thus a further reaction of the etching medium with the surface of the workpiece is undesirable.
The object of the present invention was therefore to ensure efficient drying of the workpiece after wetting with the liquid. Furthermore, it was an object of the invention to prevent in a liquid jet-guided etching process wetting of areas of the workpiece that are not to be processed.
This object is achieved by the method having the features of claim 1. Claim 9 also specifies an apparatus for carrying out the method. Claims 14 and 15 represent applications of the method. The dependent claims show advantageous developments.
According to the invention, a method for workpiece drying and / or -drockenhaltung in the liquid-jet-guided machining of a workpiece is provided, in addition to at least one machining head, which leads the liquid jet, at least one further machining head is used and dried by this already machined areas of the workpiece and / or non-machinable areas of the workpiece are protected from liquid wetting.
In an advantageous embodiment of the method, the machining head for workpiece drying and / or drying is thereby performed close to the workpiece. According to the invention, this is to be understood as meaning that the machining head is guided at most 0.5 cm, preferably 0.1 cm, away from the workpiece.
Furthermore, it is preferred if in addition to the processing head for workpiece drying and / or drying a supply of dry inert gas. This ensures that a continuous horizontal gas flow is generated on the currently unprocessed workpiece surface, on the one hand dries this, on the other hand impeded by the gas flow, the penetration of liquid droplets through the side openings to the rest of the process space.
Furthermore, it is advantageous if the inert gas is heated to support the drying process. The temperature of the inert gas can be adjusted depending on the selected liquid of the liquid jet. For example, if low boiling point organic solvents, e.g. Tetrachloromethane or chloroform, used, so a temperature of about 60 ° C to ensure complete drying out. If, however, higher boiling solvents, such. Water used, so can be a setting of the temperature of the inert gas, for example, 120 ° C.
In addition, chemical additives can be applied to the workpiece to avoid drying residues. The application of the chemical additives can be carried out, for example, via the inert gas stream (for example by introduction of the chemical additive into the inert gas stream by spray misting). The chemical additives are selected, for example, from the group consisting of alcohols (e.g., isopropanol, propylene glycol, ethanol), surfactants (including low foaming, nonionic surfactants (e.g., fatty alcohol polyethylene glycol ethers), citric acid, solubilizers (e.g., cumene sulfonate), and mixtures thereof.
Furthermore, it is advantageous if the method is performed so that the movements of the at least one machining head for liquid jet guidance and the at least one machining head for drying and / or dry maintenance of the workpiece are coordinated so that they have identical direction of movement and in arranged spatially close to each other. According to the invention, this is to be understood as meaning that the two machining heads are guided in such a relationship that, on the one hand, the spot to be treated is dried as quickly as possible, and, on the other hand, the areas of the workpiece which are close to the liquid jet and thus a potential wetting due to liquid drops are more exposed, as effectively protected against wetting.
In addition, a movement of the two different processing heads in the same direction is advantageous.
Of course, at least one laser can be used to support the machining process, which can be coupled, for example, in the liquid jet.
According to the invention, a device for processing workpieces is also provided, which contains at least one processing head for generating a laminar liquid jet and at least one further processing head for workpiece drying and / or drying, wherein the at least one processing head for workpiece drying and / or drying area is executed. By this is meant that the processing head for workpiece drying and / or drying has a screen surface which protects the underlying workpiece from wetting with droplets resulting from the impingement process of the liquid jet onto the surface. This screen surface is not limited to certain geometric shapes, but can be adjusted depending on the workpiece to be machined this.
For example, embodiments may be two-dimensional, such as e.g. square, rectangular, circular or oval, but also three-dimensional, e.g. be by bending the screen surface.
It is advantageous if the machining head for workpiece drying and / or drying an inert gas, for example in the form of a hose, a pipe or a pipe having. In particular, it is advantageous if the inert gas supply is arranged centrally on the machining head for workpiece drying and / or drying. This ensures that supplied inert gas can flow evenly under the screen surface and thus a horizontal, continuous gas flow is generated, which impedes the penetration of spray droplets under the screen.
Furthermore, it is advantageous if the surface of the machining head for workpiece drying and / or drying - this is the side facing away from the workpiece of the machining head - is designed such that liquid impinging on the surface runs to the center. This can be ensured, for example, in that the machining head is designed in a third dimension so that an inclined plane results on all sides of the head, which is sloping towards the middle. Liquid collected there can be sucked off, for example, by devices known from the prior art.
The method finds particular application in cutting, microstructuring and doping of solids and / or local deposition of foreign elements on solids, in particular of silicon wafers. Furthermore, the method proves to be particularly advantageous in the edge insulation of solar cells.
In the following figure, an exemplary embodiment of the method is illustrated, without limiting the invention to the illustrated embodiment possibility.
In the figure, a processing head for workpiece drying (drying head) 1 is provided with an inert gas supply 2 and mounted over a workpiece 4 to be processed. Due to the large-area shielding of the drying head 1 is an effective shielding of the workpiece 4 from wetting by droplets, which arise when the liquid jet from the machining head 3 on the surface of the workpiece 4, guaranteed. By supplying inert gas, moreover, efficient drying of the processing track 5 is ensured. In the manner shown, the machining head for guiding the liquid jet 3 and the drying head 1 move in the same processing direction or the drying head 1 is static.
It is also shown that the outlet direction of the inert gas 7 is ensured uniformly on all sides by the central supply of the inert gas 2.