DE102006029941A1 - Verfahren zum indirekten Beschriften transparenter Materialien - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum indirekten Beschriften transparenter Materialien, vorzugsweise Glas, mit einem Laser, wobei der Laserstrahl durch das transparente Material hindurch auf ein absorbierendes Substrat geleitet wird. Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik soll ein Verfahren geschaffen werden, das zu keinen Verunreinigungen führt und mit dem eine dauerhafte, thermisch stabile und maschinell lesbare Beschriftung, auch auf bereits mit transparenten Funktionsschichten ausgerüsteten transparenten Materialien, gebildet werden kann. Hierzu wird als Lösung vorgeschlagen, dass als Substrat ausschließlich ein Metall oder Halbmetall eingesetzt wird. Dieses wird in unmittelbaren Kontakt oder in einem konstanten Abstand zur Oberfläche des transparenten Materials gebracht. Der fokussierte Laserstrahl erzeugt mindestens eine Energiedichte, die zum Verdampfen von Substratteilchen unter Bildung eines Dampfstrahls führt, der auf der dem Beschriftungsmaterial zugewandten Seite des transparenten Materials kondensiert. In Abhängigkeit von der Höhe der Energiedichte wird entweder eine Beschriftung durch anhaftende Substratteilchen oder durch ein Abtragen von Teilchen des transparenten Materials gebildet, wobei eine Beschriftung durch Materialabtrag dann erfolgt, wenn die Energiedichte so hoch ist, dass die Substratteilchen auf eine Temperatur erhitzt werden, die an der Oberfläche des transparenten Materials zu zusätzlichen lokalen ...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum indirekten Beschriften transparenter Materialien, vorzugsweise Glas, mit einem Laser, wobei der Laserstrahl durch das transparente Material hindurch auf ein absorbierendes Substrat geleitet wird.
  • Aus DE 196 37 255 C1 ist ein Verfahren zur indirekten Beschriftung transparenter Materialien mit einem Beschriftungslaser bekannt, wobei als absorbierendes Substrat ein Gemisch aus silikatischen Substratteilchen und einem Bindemittel aus einer Mischung organischer Hilfsstoffe eingesetzt wird. Als Substrat wird z.B. eine keramische Grünfolie verwendet, die im Wesentlichen aus Al2O3 besteht. Entsprechend der vorgeschlagenen Verfahrensweise wird die vom Laserstrahl emittierte Wellenlänge durch das transparente Material möglichst vollständig transmittiert und von dem Substratmaterial möglichst vollständig absorbiert, wobei die Strahlungsenergie in Wärme umgesetzt wird und zur Erreichung der Verdampfungstemperatur des Bindemittels führt. Die Verdampfungstemperatur des Bindemittels muss geringer sein als die Schmelztemperatur der Substratteilchen. Mit der Verdampfung des Bindemittels werden die gebundenen Substratteilchen, die Al2O3-Teilchen, explosionsartig aus dem Substratmaterial herausgeschleudert und in den Bereich der Oberfläche des transparenten Materials transportiert. Die sich im Bereich der Laserstrahlung bewegenden Substratteilchen werden angeschmolzen und auf der Oberfläche des transparenten Materials aufgesintert. Substratteilchen, die außerhalb des Strahlungsquerschnittes auf die Oberfläsche gelangen, besitzen eine geringere Haftfestigkeit und müssen nachträglich wieder entfernt werden.
  • Nachteilig bei diesem Verfahren ist der unbedingt notwendige Einsatz einer Bindemittelmatrix. Außer den angesinterten Substratteilchen schlagen sich auf der Oberfläche des transparenten Materials auch Bindemittelbestandteile nieder, die zu Verunreinigungen führen. Da die Beschriftung durch Ansintern von Substratteilchen gebildet wird, besteht die Gefahr, dass bei einer nachträglichen thermischen Behandlung des transparenten Materials, z.B. durch den Auftrag von weiteren Beschichtungen, die Beschriftung qualitativ beeinträchtigt wird.
  • Außerdem ist zu befürchten, dass eine lokale Diffusion von Metallatomen aus dem Beschriftungsmaterial während des Laserprozesses oder in anschließenden Wärmebehandlungsschritten in die Funktionsschichten stattfindet und sich nachteilig auf deren Wirksamkeit auswirkt. Eine nachträgliche Beschichtung, insbesondere wenn diese bestimmte elektrische Eigenschaften generieren soll, stellt besonders hohe Anforderungen an die Reinheit des Funktionsglases. Damit ist das vorgenannte Verfahren nicht vorteilhaft zur Beschriftung von Funktionsglas geeignet, dass bereits mit einer Funktionsschicht, wie z.B. mit einer elektrisch leitfähigen Schicht eines transparenten Oxids (TCO), ausgerüstet ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum indirekten Beschriften transparenter Materialien, vorzugsweise Glas, mit einem Laser und einem absorbierenden Substrat zu schaffen, das zu keinen Verunreinigungen führt, und mit dem eine dauerhafte, thermisch stabile und gut lesbare Beschriftung, auch auf bereits mit einer Funktionsschicht ausgerüsteten transparenten Materialien, erzeugt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorgeschlagenen Verfahrensweisen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 16.
  • Zur indirekten Beschriftung transparenter Materialien, insbesondere Glas, wird als Substrat ausschließlich ein Metall oder Halbmetall, vorzugsweise Silicium, verwendet. Dieses wird beispielsweise in Form einer Platte oder als auf einem festen oder flexiblen Trägermaterial aufgetragene dünne Schicht eingesetzt und in unmittelbarem Kontakt oder in einen definierten Abstand zur Oberfläche des transparenten Materials gebracht. Die Strahlparameter des fokussierten Laserstrahls werden so eingestellt, dass im bestrahlten Substratbereich Teilchen des Substrates auf eine Temperatur erhitzt werden, die mindestens so hoch wie die Verdampfungstemperatur des Substrates ist. Durch den Verdampfungsprozess wird ein aus Atomen und gegebenenfalls Oxiden des Substrates bestehender Dampfstrahl gebildet, der an der Oberfläche des transparenten Materials zur Bildung der Beschriftung kondensiert. Wird unter Schutzgasatmosphäre oder Vakuum gearbeitet, so entstehen keine Oxide. In Abhängigkeit von der Höhe der durch die Strahlparameter einstellbaren Energiedichte wird entweder eine Beschriftung durch anhaftende Substratteilchen oder durch ein Abtragen bzw. Abplatzen von Teilchen des transparenten Materials gebildet. Die jeweilige Art der Beschriftung kann in Abhängigkeit vom eingesetzten Substrat und transparenten Material über die für die Höhe der Energiedichte relevanten Strahlparameter Fokusdurchmesser des Laserspots, Ablenkgeschwindigkeit, Repetitionsrate und mittlere Leistung eingestellt werden. Der Laserstrahl, mit einer geeigneten Wellenlänge im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich, durchdringt das zu beschriftende transparente Material und wird an der Beschriftungssubstanz, dem Substrat, absorbiert. Der Laserfokus befindet sich dabei vorzugsweise in einer Ebene, die mit der zu beschriftenden Oberfläche des transparenten Materials übereinstimmt und der sich damit auch relativ nahe an der Beschriftungssubstanz befindet. Während der Laserbeschriftung kann das transparente Material in direktem mechanischen Kontakt zur Beschriftungssubstanz stehen oder es wird zwischen der Beschriftungssubstanz und dem transparenten Material ein geringer Abstand eingehalten, von vorzugsweise weniger als 1 mm. Bei einer Arbeitsweise unter Vakuum kann der Abstand auch deutlich größer als 1 mm sein. Eine berührungslose Laserbeschriftung bietet den Vorteil, dass einerseits die Beschriftungssubstanz nach jedem Laserprozess weitertransportiert werden kann, um unverbrauchtes Material heranzuführen und andererseits auch ein automatisierter, berührungsloser Weitertransport des transparenten Produkts erfolgen kann.
  • Der Laserstrahl kann relativ zum transparenten Material und dem absorbierenden Substrat bewegt werden.
  • Die Laserbeschriftung kann durch Ablenkung des Laserstrahls mit einem Galvoscanner oder alternativ mit einer mechanischen Bewegung der Laseroptik oder alternativ mit einer mechanischen Bewegung des Beschriftungsobjekts in zwei Achsen senkrecht zum Laser strahl erzielt werden.
  • Das Substrat oder das transparente Material kann nach jedem Kennzeichnungsvorgang relativ zum bereits beschrifteten Material weiter transportiert werden.
  • Der fokussierte Laserstrahl erzeugt lokal eine Energiedichte, die ausreichend hoch ist, um ein Abdampfen von Silicium- oder Metallatomen zu bewirken. Dabei kommt es zu einer Kondensation des Dampfes auf der dem Beschriftungsmaterial zugewandten Seite des transparenten Materials.
  • Wird als transparentes Material Glas eingesetzt, so besitzen vermutlich die Bindungen der kondensierten Teilchen an der Glasoberfläche eine höhere Energieschwelle zur Verdampfung als die Si-Bindungen im Beschriftungsmaterial. Somit tritt keine nennenswerte laserinduzierte Rückverdampfung des Siliciums während des Beschriftungsvorgangs auf.
  • Für die Laserbeschriftung ist nicht entscheidend, in welcher strukturellen Form das Silicium vorliegt. So kann ein Festkörper in poly- oder monokristalliner Form, zum Beispiel als Wafer-Material für Solarzellenanwendungen, oder auch ein amorpher Siliciumfilm auf einem geeigneten, vorzugsweise flexiblen Trägermaterial, eingesetzt werden.
  • Die vorgeschlagene Verfahrensweise unterscheidet sich prinzipiell von dem eingangs genannten bekannten Laserbeschriftungsverfahren, das auf einem Ansinterungsprozess basiert.
  • Überraschenderweise wurde festgestellt, dass durch eine Verdampfung von Substratmaterial, das ausschließlich aus Silicium oder bestimmten Metallen, wie z.B. Aluminium, Kupfer oder Gold, oder deren Legierungen, besteht, also einem laserinduzierten Desorptionsvorgang mit nachfolgendem Abscheidungsprozess aus der Gasphase eine dauerhafte Beschriftung von transparentem Material, wie Glas, erzielt werden kann. Die Beschriftung ist besonders haftfest, auch nach einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von mehr als 200 °C. Von Vorteil ist, dass ein Substratmaterial eingesetzt werden kann, das frei von sonstigen Zusätzen, wie Bindemittel, ist. Dadurch ist es möglich, als Substrat plattenförmige Silicium-Wafer einzusetzen, die kostengünstig verfügbar sind, da diese in großen Mengen, insbesondere für Photovoltalk-Anwendungen, hergestellt werden. Außerdem können auf dem zu beschriftenden Material keine Verunreinigungen durch Bindemittelablagerungen entstehen. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn auf das beschriftete Glas nachfolgend noch eine oder mehrere Funktionsschichten aufgetragen werden sollen.
  • Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Verfahrensweise zur indirekten Beschriftung mit Silicium oder einem Metall mit charakteristischer Eigenfarbe besteht in dem hohen optischen Kontrast der Kennzeichnung, wodurch eine einfache Lesbarkeit mit einem optischen Auslesesystem ermöglicht wird. So kann eine mit diesem Verfahren erzielte Siliciumbeschriftung auf Glas in Form eines Barcodes mit einem Barcodescanner oder ein Data matrix-Code mit einem Kamera-Lesegerät ohne Schwierigkeiten automatisch ausgelesen werden.
  • Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ermöglicht eine kostengünstige Beschriftung von transparenten Materialien, wie Glas oder Kunststoffen, sowie von transparenten Funktionsschichten auf diesen Materialien. Unter Beschriftung sind dabei alle üblichen Arten von Kennzeichnungen zu verstehen. Zudem lassen sich mit dem Verfahren beliebige zweidimensionale gestalterische Elemente, wie z.B. Bilder und Logos, aufbringen.
  • Nach erfolgter Beschriftung kann problemlos eine Materialbehandlung in weiteren Prozessschritten bei erhöhten Temperaturen oder ein nachträgliches Aufbringen von Funktionsschichten auf das transparente Material durchgeführt werden.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass auch ein bereits mit einer optischen, thermischen oder elektrischen Funktionsschicht, beispielsweise ein mit einer elektrisch leitfähigen Schicht eines transparenten Oxids (Kurzbezeichnung TCO) beschichtetes Glas oder ein mit einem transparenten Schichtsystem versehenes Glas (Wärmeschutzglas, Niedrigemissions-Glas (Low-e), Glas mit Antireflexschicht, selbstreinigendes Glas usw.) mit einer sehr haftfesten Beschriftung versehen werden kann. Die Kennzeichnung kann damit direkt durch laserinduziertes Bedampfen von Substratteilchen auf der Funktionsschicht erzeugt werden. Einseitig mit TCO oder einem Low-e Schichtsystem beschichtetes Glas wird in großem Umfang als Sonnenschutzglas in Isolierglasfenstern, Glasfassaden oder Sichtfenstern in Kühltruhen verwendet. Die Beschichtung erfolgt bei Fensterglas vorrangig auf der Innenseite des Isolierglasverbundes. Die erfindungsgemäße Verfahrensweise kann somit wirtschaftlich zur Innenkennzeichnung von Isolierglas eingesetzt werden.
  • Auch ein thermisch vorgespanntes Glas (ESG, VSG) oder Verbundglas mit innenliegender Laminierfolie kann mit diesem Verfahren gekennzeichnet werden. Die erforderliche Energiedichte des Lasers bei einer indirekten Beschriftung mit einer anhaftenden Substanz ist geringer als der Schwellenwert zum Abtragen von Glaspartikeln.
  • Bei einer anderen bedeutsamen Anwendung von TCO-beschichteten Flachglas wird dieses als Frontglas für Dünnschicht-Solarmodule eingesetzt, dabei bildet die elektrisch leitende TCO-Schicht den Frontkontakt eines Solarmoduls. Auf der TCO-Schichtseite werden anschließend dünne Filme eines lichtabsorbierenden, photovoltaisch aktiven Absorbermaterials mit geeigneten Beschichtungsverfahren der Dünnschichttechnologie aufgebracht. Diesen Schichtaufbau bezeichnet man auch als Superstrat-Konfiguration von Dünnschicht-Solarmodulen.
  • Die Erfindung kann somit auch zur individuellen Kennzeichnung und Produktidentifikation von Dünnschicht-Solarmodulen eingesetzt werden, wobei es von Vorteil ist, dass die Kennzeichnung bereits am Anfang des Herstellungsprozesses vorgenommen werden kann. Nach Aufbringen der lichtundurchlässigen Beschichtungen erfolgt die Auslesung der Kennzeichnung von der transparenten Glasseite her. Die Kennzeichnung kann dabei auf der Innenseite der Glasscheibe oder auf deren Außenseite (Wetterseite des Solarmoduls) angebracht sein.
  • Aufgrund des geringen Wärmeeintrags in das zu beschriftende transparente Objekt und der relativ geringen erforderlichen Laserleistung eignet sich die vorgeschlagene Verfahrens weise auch zur Kennzeichnung wärmeempfindlicher, transparenter Kunststoffe und Folien. Als alternative Verfahrensvariante besteht auch die Möglichkeit, dass die Strahlparameter des fokussierten Laserstrahls so eingestellt werden, dass im bestrahlten Substratbereich Teilchen des Substrates auf eine Temperatur erhitzt werden, die so hoch ist, dass diese verdampfen und aufgrund der Energieabgabe bei Kondensation auf dem transparenten Material, dieses oberflächlich lokal anschmelzen oder zumindest deutlich erwärmen. In diesem Fall wird durch den kondensierenden Dampfstrahl des Substrates keine anhaftende Beschriftung gebildet, sondern an der Oberfläche des erwärmten transparenten Materials werden hohe lokale Materialspannungen und in deren Folge Rissbildungen erzeugt, die z.B. bei Verwendung von Glas zum Abplatzen von Beschriftungssubstanz und Glaspartikeln führen. Daraus resultiert eine Beschriftung durch Materialabtrag. Diese Art der Kennzeichnung ist vergleichbar mit einem lokalen Anätzen oder einer mechanisch abtragenden Gravur.
  • Die einzustellenden steuerbaren Strahlparameter der Laserquelle sind vor allem die Pulsenergie, definiert durch die mittlere Laserleistung und Pulsfolgefrequenz und die Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls. Letztere bestimmt die geometrische Überlappung der einzelnen Laserpulse im Fokusbereich des Lasers (in der Bearbeitungsebene) und damit auch den Energieeintrag in das Material. Die jeweilige Einstellung an der Laseranlage erfolgt über die mittlere Leistung (häufig vorgegeben durch den Pumpdiodenstrom) und/oder die Repetitionsrate, auch Pulsfolgefrequenz genannt. Dabei ist zu beachten, dass die mittlere Leistung über den zur Verfügung stehenden Pulsfolgefrequenzbereich nicht konstant ist. Somit besteht eine Abhängigkeit der beiden Parameter voneinander. Die Pulsenergie ist umgekehrt proportional zur Repetitionsrate. Ein weiterer Parameter ist der Fokusdurchmesser des Laserstrahls, dieser hat Einfluss auf die Energiedichte des Spots am Ort des Materialabtrags. Der Fokusdurchmesser ist durch Eigenschaften der Laserquelle und der Optik definiert, kann also im allgemeinen vom Anwender nicht mehr verändert werden.
  • Abhängig von der Auswahl der Strahlparameter können somit Beschriftungen unterschiedlicher Art erzeugt werden, entweder durch kondensierende, anhaftende Substratteilchen oder durch ein gezieltes Abplatzen von transparentem Material, wie z.B. Glas, entsprechend der Kontur der vorgegebenen Beschriftung. Ein Materialabtrag erfolgt dabei nur an der vom rückwärtigen Dampfstrahl betroffenen Glasoberfläche.
  • Die konkreten Strahlparameter sind u.a. abhängig vom eingesetzten Substrat und dem verwendeten transparenten Material. Die im jeweiligen Fall anzuwendenden Strahlparameter werden anhand von Vorversuchen ermittelt oder liegen als Erfahrungswerte vor.
  • Die Energiedichte des Laserpulses und der Abstand der Einzelpulse kann durch die ausge wählten Strahlparameter so eingestellt werden, dass ein Verdampfen von Substratteilchen und eine Beschriftung nur durch Anlagerung von Substratteilchen bewirkt wird. Der Energieübertrag der kondensierenden Substratteilchen liegt dabei unterhalb eines Schwellenwertes für ein thermisch induziertes Abtragen durch spannungsinduzierte Risse und/oder einem lokalen Anschmelzen des transparenten Materials. Wird die Energiedichte durch Veränderung der Strahlparameter erhöht, so erreichen die kondensierenden Substratteilchen Energien, die nach erfolgter Kondensation ausreichen, um eine Abtragung von Material an der Oberfläche des transparenten Materials zu bewirken, wobei die Beschriftung durch ein Abplatzen von Teilchen des transparenten Materials erfolgt. Unter dem Lichtmikroskop zeigten die Randbereiche derartiger, an der Glasoberfläche erzeugter Kennzeichnungen, lokale muschelartige Ausbrüche. Dies deutet auf ein mechanisches Abplatzen von Glasmaterial nach Rissbildung aufgrund von Materialspannungen hin. Dabei ist eine lokale Erwärmung der Glasoberfläche auf Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur bereits ausreichend, um aufgrund der erzeugten Materialspannungen ein Abplatzen von Glaspartikeln zu induzieren.
  • Bei weiterer Erhöhung der Energiedichte kann möglicherweise auch ein lokales Anschmel zen der Glasoberfläche erreicht werden, wobei ein Schmelzgraben erzeugt wird, der nach dem Erstarren eine Vertiefung und Wallstruktur bildet.
  • Die laserinduzierte, abtragende Kennzeichnung wurde bei Einsatz unterschiedlicher Beschriftungsmaterialien, z.B. aus Silicium oder bei Verwendung von Metallplatten oder Metallfolien aus technisch legiertem Aluminium, im Rahmen von Versuchen erzielt. Auf der dem Laserstrahl direkt zugewandten Glasseite wurde hingegen keinerlei Beschädigung oder Abtrag von Glaspartikeln beobachtet.
  • Es handelt sich hierbei also nicht um eine, durch hohe Energiedichte des Lasers induzierte direkte Materialabtragung von Glaspartikeln oder einem Anschmelzen der Oberfläche, wie sie beispielsweise anhand von CO2-Lasern zur Glasbeschriftung und zur Bildung von Gravuren bekannt ist.
  • Die Bildung einer Beschriftung durch lokales Abplatzen von Glaspartikeln kann insbeson dere für dekorative oder funktionelle Kennzeichnungen vorteilhaft genutzt werden.
  • Während bei der direkten laserinduzierten Kennzeichnung von Glas oftmals Mikrorisse aufgrund thermisch induzierter Spannungen in unmittelbarer Umgebung der Kennzeichnung auftreten, konnten bei Versuchen mittels der vorgeschlagenen Verfahrensweise der indirekten Beschriftung derartige Mikrorisse nicht festgestellt werden.
  • Einn weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Verfahrensweise besteht darin, dass mit kostengünstigen Substraten eine dauerhafte Beschriftung in guter Qualität erzielt werden kann. Als Mindestanforderung an ein Beschriftungsmaterial (Substrat) für eine erfolgreiche indirekte laserinduzierte Kennzeichnung muss ein hinreichender Dampfdruck des Materials für den Desorptionsvorgang bei der verfügbaren Einzelpulsenergie des Lasers vorliegen. Weiterhin sollte der Abstand von Beschriftungsmaterial und der gegenüberstehenden Fläche des transparenten Objekts nicht größer als etwa 1 cm sein, da sich der Dampfstrahl aufgrund der Streuung an Luftmolekülen immer mehr aufweitet und diffus wird. Bei Verwendung von leicht oxidierbaren Substratmaterialien besteht zudem die Gefahr, dass es zu einer unerwünschten Oxidation von Dampfteilchen kommen kann. Dies kann durch eine Evakuierung des Bearbeitungsraumes ausgeschlossen werden, wodurch auch die freie Weglänge der Dampfteilchen erhöht wird und der Abstand von Substrat zu Beschriftungsobjekt erhöht werden kann.
  • Die Erfindung soll nachstehend an einigen Beispielen erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
  • 1 eine fotografische Abbildung einer auf einer Glasplatte erzeugten Beschriftung (1-dimensionaler Barcode), unter Verwendung eines Substrates auf Basis eines gesägten Wafers von 0,25 mm Dicke aus polykristallinem Silicium, mit Strahlparametern zur Bildung der Beschriftung durch Ablagerung von Substratteilchen, in 50facher Vergrößerung unter dem Lichtmikroskop, und
  • 2 eine fotografische Abbildung (im Phasenkontrast) einer auf einer Glasplatte erzeugten Beschriftung, unter Verwendung eines Substrates auf Basis einer Aluminiumlegierung (AlMgSi), mit Strahlparametern zur Bildung der Beschriftung durch Glasabtrag, in 50facher Vergrößerung unter dem Lichtmikroskop.
  • Die nachfolgenden Beispiele 1 bis 4 wurden mittels eines handelsüblichen Beschriftungslasers vom Typ eines diodengepumpten Nd:YAG-Festkörperlasers (Wellenlänge 1064 nm; Pulsdauer im Nanosekundenbereich; Maximalleistung 12 W) durchgeführt.
  • Die Beschriftung erfolgte durch Ablenkung des Laserstrahls mit einem Galvoscanner und mittels Fokussierung des Laserstrahls auf das Beschriftungsobjekt mit einer Planfeldoptik. Unterhalb des senkrecht geführten Laserstrahls befand sich ein höhenverstellbarer Tisch, auf dem das Beschriftungsobjekt platziert wurde. Durch Höheneinstellung des Tisches lässt sich die Fokusebene des Lasers auf die zu beschriftende Oberfläche des Objekts einstellen.
  • Beispiel 1:
  • Auf die Unterseite einer TCO-beschichteten Glasplatte wurde mittels Laser eine Beschriftung (16 × 16 Elemente umfassender Datamatrix-Code, absolute Größe des Beschriftungsfelds etwa 6 mm × 6 mm und ein Barcode mit der gleichen Information) erzeugt.
  • Als Substrat wurde ein gesägter Silicium-Wafer (Dicke 0,25 mm) aus polykristallinem Silicium eingesetzt. Bei der Siliciumplatte handelt sich um Wafermaterial für Photovoltaik-Anwendungen.
  • Das transparente Silicium-Wafer-Material wurde nach dem Sägevorgang nicht geschliffen oder poliert. Aufgrund des Sägeprozesses ist dieses bereits relativ glatt.
  • Die TCO-beschichtete Seite der Glasplatte wurde unmittelbar auf den Silicium-Wafer aufgelegt. Der Laserstrahl wurde auf die Glasunterseite fokussiert.
  • Die Beschriftung mittels des Lasers erfolgte unter folgenden Bedingungen (Strahlparameter):
    • – Fokusdurchmesser: 42 μm;
    • – Ablenk-Geschwindigkeit: 50 mm/s;
    • – Repetitionsrate: 0,5 kHz;
    • – mittlere Leistung: 8,4 Watt.
  • Mit diesen Strahlparametern ergibt sich eine Einzelpuls-Energiedichte (Ed) im Fokusbereich von Ed0 = 1213 J/cm2.
  • Bei der Berechnung wurde ein Spotdurchmesser des Laserstrahls im Fokus von 42 μm zugrunde gelegt, der aus mikroskopischen Aufnahmen von Si beschrifteten Glasplatten abgeschätzt wurde.
  • Unter vorgenannten Bedingungen wurde ein aus Atomen, Ionen und Oxiden des Substrates bestehender Dampfstrahl gebildet, der an der Oberfläche des transparenten Materials kondensiert, wobei die Beschriftung durch anhaftende Substratteilchen gebildet wird. Aufgrund der vorgenannten Strahlparameter wurden die Substratteilchen auf eine Temperatur erhitzt, die unterhalb des Schwellenwertes zum Abplatzen oder Anschmelzen der Oberfläche der Glasunterseite lag.
  • Die auf der Glasunterseite aufgebrachte Information des Datamatrix-Code, siehe 1, konnte anschließend mit einer CCD Kamera und entsprechender kommerzieller Lesesoftware wieder eindeutig ausgelesen werden.
  • Die beschriftete Glasplatte wurde anschließend in einen Wärmeschrank gelegt und auf eine Temperatur von 220 °C erhitzt, die während einer Zeitdauer von 12 Stunden aufrechterhalten wurde. Nach dem Abkühlen der beschrifteten Glasplatte konnte der Datamatrix-Code wieder problemlos mit der CCD Kamera ausgelesen werden. Die Beschriftung konnte zudem nicht abgewaschen oder abpoliert werden, ohne das Glas zu beschädigen.
  • Die auf der Glasunterseite indirekt aufgetragene Codierung mittels der Substratteilchen bildete mit dem Glas eine dauerhaft feste Verbindung mit einer hohen Temperaturbeständigkeit von mindestens 200 °C.
  • Beispiel 2:
  • Ein Data-Matrix-Code, analog wie in Beispiel 1, wurde auf eine unbeschichtete Glasplatte (Dicke 4 mm) unter Verwendung eines gesägten Wafers aus monokristallinem Silicium aufgetragen. Das Wafermaterial wird ansonsten für Photovoltaik-Anwendungen eingesetzt. Die Ebene des Laserfokus wurde auf die Oberseite der Glasplatte eingestellt.
  • Die Beschriftung mittels des Lasers erfolgte in analoger Weise, wie in Beispiel 1, unter folgenden Bedingungen (Strahlparameter):
    • – Fokusdurchmesser: 42 μm;
    • – Ablenk-Geschwindigkeit: 50 mm/s;
    • – Repetitionsrate: 1 kHz;
    • – mittlere Leistung: 8,4 Watt.
  • In diesem Fall ergibt sich eine Einzelpuls-Energiedichte von Ed = 0,5 × Ed0.
  • Da die erzeugte Pulsenergie umgekehrt proportional zur Repetitionsrate ist, wird unter vorgenannten Bedingungen im Vergleich zu Beispiel 1 eine geringere thermische Energie erzeugt.
  • Diese reichte jedoch noch aus, um die Substratteilchen zu verdampfen und eine qualitativ gute Beschriftung an der Unterseite der Glasplatte zu erzielen. Die kondensierenden Substratteilchen erreichten eine Temperatur, die deutlich unterhalb des Schwellenwertes zum Abplatzen oder Anschmelzen der Oberfläche der Glasunterseite lag und erzeugten eine Beschriftung durch anhaftende Substratteilchen.
  • Die gespeicherte Information des Datamatrix-Code konnte mit einer CCD-Kamera und ent sprechender Lesesoftware wieder eindeutig ausgelesen werden.
  • Auch nach einer thermischen Behandlung der beschrifteten Glasplatte, analog wie in Beispiel 1, traten keine Veränderungen an der Auslesbarkeit des Datamatrix-Code auf.
  • Beispiel 3:
  • Ein Data-Matrix-Code, analog wie in Beispiel 1, und ein zusätzliches Textfeld „Staub schreibt" wurden auf eine unbeschichtete Glasplatte (Dicke 4 mm), unter Verwendung eines gesägten Wafers aus monokristallinem Silicium, aufgetragen. Das Wafermaterial wird ansonsten für Solaranwendungen eingesetzt.
  • Im Vergleich zu den Beispielen 1 und 2 wurde mittels seitlicher Distanzplättchen das Beschriftungsmaterial in einem Abstand von 0,25 mm zur Unterseite der Glasplatte angeordnet.
  • Die Beschriftung mittels des Lasers erfolgte in analoger Weise wie in Beispiel 1 unter folgenden Bedingungen (Strahlparameter):
    • – Fokusdurchmesser: 42 μm;
    • – Ablenk-Geschwindigkeit: 50 mm/s;
    • – Repetitionsrate: 1 kHz;
    • – mittlere Leistung: 12 Watt.
  • Damit ergibt sich eine Einzelpuls-Energiedichte im Fokus von Ed = 0,7 × Ed0.
  • Unter vorgenannten Bedingungen wurde ein aus Atomen, Ionen und Oxiden des Substrates bestehender Dampfstrahl gebildet, wobei zur Bildung der Beschriftung Substratteilchen an der Oberfläche des transparenten Materials kondensierten und anhaften. Aufgrund der vorgenannten Strahlparameter wurden die Substratteilchen auf eine Temperatur erhitzt, die unterhalb des Schwellenwertes zum Abplatzen oder Anschmelzen der Oberfläche der Glasunterseite lag. Die durch den fokussierten Laser erzeugte thermische Energie war im Vergleich zu Beispiel 2 etwas größer, da der Laser auf die maximal verfügbare Leistung (12 W) eingestellt wurde.
  • Die auf der Glasunterseite aufgebrachte Information des Datamatrix-Code konnte anschließend mit einer CCD-Kamera und entsprechender kommerzieller Lesesoftware wieder eindeutig ausgelesen werden. Auch das auf der Glasunterseite durch indirektes Beschriften aufgebrachte Textfeld „Staub schreibt", in einer Größe von etwa 5 mm × 8 mm Größe, war in sehr guter Buchstabenqualität zu erkennen und mit bloßem Auge einwandfrei lesbar.
  • In den Beispielen 1 bis 3 erfolgte die Beschriftung einer Glasplatte, mit und ohne TCO-Beschichtung durch anhaftende Substratteilchen. Zur Bildung der Schrift kondensieren Substratteilchen des erzeugten Dampfstrahls auf der Unterseite der Glasplatte, auf dem Glas bzw. auf der TCO-Beschichtung und gehen mit diesem eine feste Verbindung ein. Die indirekt erzeugten Beschriftungen erwiesen sich als wisch- und kratzfest. Bei Verwendung von Silicium als Beschriftungsmaterial wurde eine ockerfarbene und bei höherer Einstrahlleistung des Lasers (Beispiel 3) auch eine dunkelbraune Färbung der Schrift bzw. Kennzeichnung erzielt.
  • In allen drei Beispielen entstand eine kontrastreiche Kennzeichnung auf der Glasunterseite, die von Lesegeräten eindeutig erkannt wird. Die Größe der Einzelpunkte der Markierung entspricht dabei etwa dem Spotdurchmesser des Lasers im Fokus von etwa 42 μm, so dass auch relativ kleine Felder zur Kennzeichnung verwendet werden können.
  • Bei der Verfahrensdurchführung ist nicht entscheidend, in welcher Höhe sich der Laserfokus genau befindet, so führte eine Fokussierung des Laserstrahls auf der Glasoberseite, innerhalb der Glasscheibe, an der Unterseite oder auf dem Siliciumsubstrat jeweils zu lesbaren Kennzeichnungen. In der 1 ist die nach der Verfahrensweise gemäß Beispiel 1 erhaltene Beschriftung mit einem Barcode gezeigt.
  • Beispiel 4:
  • Auf einer unbeschichteten Glasplatte (Dicke 4 mm) wurden in bestimmten Abständen zueinander drei Textfelder mit den Wörtern „Staub schreibt" in einer Textfeldgröße von etwa 15 mm × 8 mm durch indirektes Beschriften erzeugt, wobei die Glasplatte unmittelbar auf eine Metallplatte (Substrat) aus einer Aluminiumlegierung (technische Qualität, Aluminium mit Zusätzen von Magnesium, Silicium) aufgelegt wurde. Die Ebene des Laserfokus wurde auf die zu kennzeichnende Unterseite der Glasplatte eingestellt.
  • Die Beschriftung mittels des Lasers erfolgte unter folgenden Bedingungen (Strahlparameter):
    • – Fokusdurchmesser: 42 μm;
    • – Ablenk-Geschwindigkeit: 20 mm/s;
    • – Repetitionsrate: 0,4 kHz;
    • – mittlere Leistung: 12 Watt.
  • Damit ergibt sich eine Einzelpuls-Energiedichte des Laserstrahls im Fokus von Ed = 1,8 × Ed0.
  • Unter vorgenannten Bedingungen (Strahlparameter) wurde eine thermische Energie des gebildeten Teilchendampfstrahls erzeugt, die deutlich höher ist, als unter den Bedingungen gemäß den Beispielen 1 bis 3. Der Laser wurde auf maximale Leistung (12 W) und die Repetitionsrate auf einen Wert von 0,4 kHz eingestellt.
  • Aufgrund der langsameren Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls ergibt sich zudem eine größere geometrische Überlappung der Einzelpulse, damit wird eine größere Energiemenge pro Flächeneinheit erzeugt.
  • Auf der Unterseite der Glasplatte entstand eine matt und weißgrau erscheinende Beschrif tung der drei Textfelder „Staub schreibt", bei welcher die einzelnen Buchstaben durch abgetragene Glaspartikel optisch sehr gut sichtbar wurden, wobei die Oberfläche der Beschriftung wie „eingeschliffen" erscheint. Mikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die Abtragstiefe der Kennzeichnung im Glas mehr als 0,1 mm betrug.
  • Im Vergleich zu Beispiel 3 wurde aufgrund der niedrigen Repetitionsrate eine mehr als doppelt so hohe Pulsenergie erzeugt. Dadurch wurden im bestrahlten Substratbereich Teilchen des Substrates auf eine so hohe Temperatur erhitzt, die nach Kondensieren auf der Unterseite der Glasplatte zum Abplatzen von Glaspartikeln führen. Die kondensierenden Substratteilchen des gebildeten Dampfstrahls, bestehend aus Atomen, Ionen und Oxiden des Substrates, führen aufgrund der erhöhten Temperatur zu lokalen Materialspannungen im Kondensationsbereich, wodurch während des Abkühlens Rissbildung einsetzt und eine Schriftbildung durch muschelartige Ausbrüche (Materialabtrag) an der Unterseite der Glasplatte entsteht.
  • Unter Strahlparametern, die zu einer entsprechend hohen thermischen Energie des Dampfstrahls führen, kann auch bei Verwendung anderer Substratmaterialien, wie z.B. Silicium, eine indirekte Schriftbildung durch Materialabtrag von der Glasoberfläche vorgenommen werden.
  • Die erzeugte Beschriftung durch Glasabtrag ist in 2 gezeigt.

Claims (16)

  1. Verfahren zum indirekten Beschriften transparenter Materialien, vorzugsweise Glas, bei dem ein fokussierter Laserstrahl geeigneter Wellenlänge durch das transparente Material hindurch auf ein absorbierendes Substrat geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat ausschließlich ein Metall oder Halbmetall eingesetzt wird, und in unmittelbaren Kontakt oder in einem konstanten Abstand zur Oberfläche des transparenten Materials gebracht wird, und der fokussierte Laserstahl mindestens eine Energiedichte erzeugt, die zum Verdampfen von Substratteilchen unter Bildung eines Dampfstrahls führt, der auf der dem Beschriftungsmaterial zugewandten Seite des transparenten Materials kondensiert, und in Abhängigkeit von der Höhe der Energiedichte entweder eine Beschriftung durch anhaftende Substratteilchen oder durch Abtragen von Teilchen des transparenten Materials gebildet wird, wobei eine Beschriftung durch Materialabtrag dann erfolgt, wenn die Energiedichte so hoch ist, dass die Substratteilchen auf eine Temperatur erhitzt werden, die an der Oberfläche des transparenten Materials zu zusätzlichen lokalen Materialspannungen mit Rissbildung oder zum lokalen Anschmelzen führt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom eingesetzten Substrat und transparenten Material die Art der Beschriftung über die für die Höhe der Energiedichte relevanten Strahlparameter des Lasers, wie Fokusdurchmesser, Ablenkgeschwindigkeit, Repetitionsrate und mittlere Leistung, eingestellt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall oder Halbmetall in Form einer Platte oder als auf einem festen oder flexiblen Trägermaterial aufgetragene dünne Schicht eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbmetall Silicium eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Silicium in poly- oder monokristalliner Form als Wafer-Material eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Silicium als amorph aufgebrachte Schicht auf einem Trägermaterial eingesetzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem der Metalle Aluminium, Kupfer oder Gold, in reiner Form oder als Legierung, besteht.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material aus Glas besteht, das auf mindestens einer Seite mit einer elektrisch leitfähigen Oxidschicht (TCO) beschichtet ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material aus Glas besteht, das auf mindestens einer Seite mit einer transparenten Funktionsschicht versehen ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Seite des Glases während des Beschriftungsvorganges in Richtung Substrat zeigt und die Beschriftung auf der beschichteten Seite gebildet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl während des Beschriftungsvorgangs mit einem Galvoscanner relativ zu dem transparenten Material und dem absorbierenden Substrat abgelenkt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl während des Beschriftungsvorgangs fixiert ist und das transparente Material zusammen mit dem absorbierenden Substrat mechanisch bewegt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl während des Beschriftungsvorgangs durch mechanische Bewegung der Laseroptik relativ zu dem transparenten Material und dem Substrat abgelenkt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat nach jedem Kennzeichnungsvorgang relativ zum bereits beschrifteten Bereich weiter transportiert wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Material nach jedem Kennzeichnungsvorgang relativ zum bereits beschrifteten Bereich weiter transportiert wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieses unter Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
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