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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.
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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 Al
2O
3 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 Al
2O
3-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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Laserstrahl kann relativ zum transparenten Material und dem absorbierenden
Substrat bewegt werden.
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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.
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Das
Substrat oder das transparente Material kann nach jedem Kennzeichnungsvorgang
relativ zum bereits beschrifteten Material weiter transportiert werden.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorgeschlagene Verfahrensweise unterscheidet sich prinzipiell von
dem eingangs genannten bekannten Laserbeschriftungsverfahren, das
auf einem Ansinterungsprozess basiert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Bildung einer Beschriftung durch lokales Abplatzen von Glaspartikeln
kann insbeson dere für dekorative
oder funktionelle Kennzeichnungen vorteilhaft genutzt werden.
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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.
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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.
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Die
Erfindung soll nachstehend an einigen Beispielen erläutert werden.
In der zugehörigen Zeichnung
zeigen:
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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
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 1:
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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.
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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.
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Das
transparente Silicium-Wafer-Material wurde nach dem Sägevorgang
nicht geschliffen oder poliert. Aufgrund des Sägeprozesses ist dieses bereits
relativ glatt.
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Die
TCO-beschichtete Seite der Glasplatte wurde unmittelbar auf den
Silicium-Wafer aufgelegt. Der Laserstrahl wurde auf die Glasunterseite
fokussiert.
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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.
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Mit
diesen Strahlparametern ergibt sich eine Einzelpuls-Energiedichte
(Ed) im Fokusbereich von Ed0 = 1213 J/cm2.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 2:
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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.
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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.
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In
diesem Fall ergibt sich eine Einzelpuls-Energiedichte von Ed = 0,5 × Ed0.
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Da
die erzeugte Pulsenergie umgekehrt proportional zur Repetitionsrate
ist, wird unter vorgenannten Bedingungen im Vergleich zu Beispiel
1 eine geringere thermische Energie erzeugt.
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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.
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Die
gespeicherte Information des Datamatrix-Code konnte mit einer CCD-Kamera
und ent sprechender Lesesoftware wieder eindeutig ausgelesen werden.
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Auch
nach einer thermischen Behandlung der beschrifteten Glasplatte,
analog wie in Beispiel 1, traten keine Veränderungen an der Auslesbarkeit
des Datamatrix-Code auf.
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Beispiel 3:
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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.
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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.
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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.
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Damit
ergibt sich eine Einzelpuls-Energiedichte im Fokus von Ed = 0,7 × Ed0.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 4:
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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.
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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.
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Damit
ergibt sich eine Einzelpuls-Energiedichte des Laserstrahls im Fokus
von Ed = 1,8 × Ed0.
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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.
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Aufgrund
der langsameren Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls ergibt sich
zudem eine größere geometrische Überlappung
der Einzelpulse, damit wird eine größere Energiemenge pro Flächeneinheit
erzeugt.
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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.
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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.
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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.
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Die
erzeugte Beschriftung durch Glasabtrag ist in 2 gezeigt.